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농약업체를 통해 확보한 2017. 6.~2018. 6.까지 농약 원제 및 품목 시료 중에서 임의로 동일 원제가 2종 이상인 원제 시료 31점과 다른 원제 간 비교를 위해 23가지 조합 형태를 선정하였다. 이중 원제 31점은 동일원제이지만 신청회사가 다른 경우나 제조장이 다른 경우를 하였다. 또한 동일 품목 시료 46점과 제조처방 변경 신청 품목 1점과 해당품목의 제조처방 변경 전 시료 1점을 합해 48점을 선정하였다. 그리고 농약의 유효성분이 다른 농약 품목 간의 비교를 위해 농약 품목 시료 중에서 제제형태가 같은 것을 위주로 18가지 조합 형태를 임의로 선정하였다.

시료는 퓨리에 변환 근적외선 분광분석기인 MPA (Germany, Bruker Optics GmbH)와 퓨리에 변환 적외선 분광분석기인 ALPHA 모델(Germany, Bruker Optics GmbH)을 사용하여 측정하였다. MPA의 경우 광원으로는 텅스텐 할로겐 램프를 사용하고, 고체 유형의 시료를 분석하는 반 사 측정법에는 Lead (III) Sulfide (PbS) 검출기 그리고 액체 유형의 시료를 분석하는 투과 측정법에는 Indium Gallium Arsenide (InGAs) 검출기를 사용하였다. 반사와 투과 측정법에 각각 다른 검출기를 사용하였기에, 반사 측정은 12,800~3,600 cm⁻¹의 영역에서 고체 혹은 투과가 불가능한 혼탁한 액체를 측정하였으며, 투과 측정은 12,800~4,000 cm⁻¹의 영역에서 액체 시료를 측정하였다. 분해능은 8 cm−1으로 설정을 하였으며 이는 8 cm⁻¹ 간격으로 스펙트럼을 Plotting하는 설정이다. 재현성 확보를 위하여 동일 시료를 3회 반복 측정하였으며, 평균한 것을 하나의 스펙트럼으로 나타내도록 16 scans를 설정하여 측정하였다.

반사측정 모듈은 금 코팅(Gold coated Integrating sphere) 적분구에 직경 22 mm Glass vial을 삽입한 투과반사용 금반사체(Reflection Standard)를 이용하여 시료에 직접 빛을 주사하는 방식으로 측정하였다. 투과 측정은 sample compartment에 직경 8mm vial을 사용하였다. 스펙트럼의 수집은 OPUS Ver. 7.5 (Bruker Optics GmbH)로 실시하였다. 액체 타입 중 샘플 색이 진하거나 탁한 샘플들은 빛이 투과 되지 않기 때문에 반사를 이용하여 고체와 같은 형태로 샘플을 측정하였다.

ALPHA 모델의 경우, 광원으로는 Globar 광원을 사용하고, 검출기는 DLATGS 검출기를 사용하였다. 측정은 4,000 ~400 cm⁻¹의 영역에서 측정하였고, 분해능은 2.0 cm⁻¹으로 설정을 하였으며 이는 2.0 cm⁻¹ 간격으로 스펙트럼을 Plotting하는 설정이다. 동일 시료를 16 스캔하여 측정하였으며, 평균한 것을 하나의 스펙트럼으로 나타내도록 설정하여 측정하였다. 퓨리에 변환 적외선 분광분석기인 ALPHA II로 농약 원제 및 품목시료를 측정하기 위해 3회에 걸쳐 한국 브루커 본사(성남)를 방문하여 측정하였다.

동일성의 정성 판별을 위해 수집된 스펙트럼에 1차 미분 (First derivative) 데이터 전처리 방법을 사용하였다. 1차 미분을 통해서 분광반사곡선의 변화에 대한 기울기를 얻을 수있는데 기울기가 적다면 인접한 밴드간의 변화폭이 적다는 것을 의미한다. 밴드간의 변화폭을 이용하여 동일성 판별을 하였다.

표본으로 선정한 등록 신청 원제 31점의 원제별 표본 수는 Table 1과 같다.

원제별 표본 수는 디플루벤주론(6점) = 비페나제이트(6점) > 피라클로스트로빈(4점) > 메페나셋(3점) = 펜디메탈린(3점) = 디클로르보스(3점) 순 등으로 나타났다. 그리고, 사용 목적별로 보면 살충제는 4성분(표본수: 17점)이며, 살균제는 1성분(표본수: 4점)이고, 제초제는 4성분(표본수: 11점)이다.

농약 원제별 동일성 검증을 위해 원제별로 표본 번호를 A, B, C 순 등으로 부여하였다. 예를 들어, 비페나제이트 원제는 비페나제이트 A, 비페나제이트 B, 비페나제이트 C, 비페나제이트 D, 비페나제이트 E, 비페나제이트 F로 번호를 표시하였다. 원제별 표본수가 3개 이상인 것은 임의로 부여한 해당원제 A를 기준으로 동일성을 검증하였다. 동일성 판별 상관관계 값의 한계치(Threshold)를 Standard Deviation of Population에서 주로 적용하는 95%로 정하였다. 원제별 1차 미분이 적용된 스펙트럼 간의 상관관계 값과 한계치 (Threshold)는 Table 2와 같다.

FT-NIR의 1차 미분이 적용된 스펙트럼 간의 유사성 상관 관계 값은 98.33~99.99%로 나타났다. FT-IR의 1차 미분이 적용된 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값은 97.56~99.95%로 나타났다. 동일성 판별을 위해 1차 미분이 적용된 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값 95%를 적용하면 모두 적합으로 판정될 수 있을 것이다. 디클로로브스 원제의 경우 동일 원제지만 제조장이 다른 것을 분석한 결과 FT-NIR과 FT-IR 스펙트럼 유사성 상관관계가 각각 99.84%, 99.61%로 높게 나타났다. 원제 제조장이 다르더라도 동일 원제에 대해서는 높은 상관관계가 나타남을 알 수 있다. Fig. 1은 메페나셋 원제 A, B 간 FT-NIR과 FT-IR 스펙트럼 유사성 상관관계 값의 예를 나타낸다. 해당 원제에 1차 미분이 적용된 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값은 각각 99.81%, 98.84%로 나타냈다.

Fig. 1. 
FT-NIR and FT-IR Spectrum correlation values of Mefenacet A, B.

다른 원제 시료 간 조합 23점에 대한 1차 미분이 적용된 FT-NIR 및 FT-IR 스펙트럼 간의 상관관계 값과 한계치 (Threshold)는 Table 3과 같다. 동일 원제 중 임의로 A시료를 선택하고, 각각 원제의 A시료 간에 스펙트럼의 유사성을 평가하였다. 동일성 판별 상관관계 값의 한계치(Threshold)를 Standard Deviation of Population에서 주로 적용하는 95%로 정하였다. 원제 조합 23점에 대한 1차 미분이 적용된 FT-NIR 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값은 0.00~69.86%로 나타났고, FT-IR 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값은 0.00~24.70%으로 나타났다. 동일성 판별을 위해 1차 미분이 적용된 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값 95%를 적용하면 모두 부적합으로 판정될 수 있을 것이다. 대부분의 경우 FT-IR의 경우가 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값이 낮게 나타났으나, 펜디메탈린 A시료와 비페나제이트 A 시료 간의 스펙트럼 상관관계 값이 FT-NIR 값 보다 높게 나타났다. 이를 통해 원제의 동일성을 판별함에 FT-NIR 분광기와 FT-IR 분광기가 상호 보완할 수 있음을 확인했다. Fig. 2는 Number 11 (피라클로스트로빈 A원제와 클로로페나피르 A원제 간 비교)의 FT-NIR과 FT-IR 스펙트럼 유사성 상관관계 값의 예를 나타낸다. 1차 미분이 적용된 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값은 FT-NIR 69.86%, FT-IR 7.5%로 나타났다.

Fig. 2. 
FT-NIR and FT-IR Spectrum correlation values of Numer 11 case.

표본으로 선정한 유효성분과 제제형태가 같은 품목 간의 FT-NIR과 FT-IR의 1차 미분 적용 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값과 한계치는 Table 4와 같다. 다만 펜디메탈린 5% 입제의 경우는 동일업체의 농약 부자재 변경 신청 시료와 변경 전 제품 간의 스펙트럼 유사성 상관관계 값을 나타낸 것이다. 동일 품목 간의 1차 미분 적용 FT-NIR 및 FT-IR 유사성 상관관계는 각각 73.42~99.98%, 8.98~99.97%로 나타났다. 많은 경우 FT-NIR 및 FT-IR 유사성 상관관계 값이 높게 나타나는 경우 제조처방이 동일하거나 같은 부자재가 많은 경우에 높은 상관관계 값이 나타남을 확인할 수 있었다. 그리고, 동일품목(유효성분과 농약 제형이 같은 경우)이지만 농약 부자재의 종류가 많이 다른 경우에는 FT-NIR 및 FTIR 유사성 상관관계 값이 95% threshold 미만으로 나타남을 확인할 수 있었다. 전반적으로 FT-IR 유사성 상관관계치가 낮게 나타나는 경우가 많으나 일부의 경우는 FT-NIR 상관 관계치가 높게 나타났다. 특히 Number 1번(글리포시네이트 41% 액제 A, B 간 비교)의 경우 FT-IR의 상관관계 치가 높게 나타났다. 이를 통해 동일성 판별에 FT-NIR 및 FT-IR 기기를 함께 사용함이 유용하다고 판단된다. Number 1번의 경우 제조처방이 동일하지 않으나 동일한 부자재가 많아 상관관계 치가 높게 나타난 것으로 판단된다. Fig. 3에는 Number 9번(육비에이 0.3% 액제 A, B 간 비교)의 FT-NIR과 FT-IR 스펙트럼 유사성 상관관계 값을 나타낸다. 미분이 적용된 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값은 99.94%, 99.97%로 나타났다. 해당 품목의 경우 두 제품의 제조처방이 동일함을 확인할 수 있었다.

Fig. 3. 
FT-NIR and FT-IR Spectrum correlation values of Numer 9 case

Fig. 4에는 Number 26번의 FT-NIR과 FT-IR 스펙트럼 겹친 것을 확대한 것이다. Table 4에서 FT-NIR과 FT-IR의 1차 미분이 적용된 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값은 각각 98.46%, 97.00%로 나타났다. 동일성 판별을 위해 1차 미분이 적용된 스펙트럼 간의 유사성 상관관계 값 95%를 적용하면 모두 합격으로 처리됐다. 해당제품의 제조처방 변경 사항을 살펴보니 원제 및 대부분의 농약 부자재가 일치하고 계면활성제만 약간 변동된 경우였다. 그러므로 유사성 상관관계 값도 높게 나타난 것으로 판단된다. 하지만 Fig. 4과 같이 Number 26번의 FT-NIR 및 FT-IR 스펙트럼 겹친 것을 확대할 경우 스펙트럼 차이나는 부분이 존재함을 확인할 수 있었다. 약간의 제조처방 변경될 경우에도 스펙트럼 겹친 것의 확대를 통해 차이를 확인할 수 있음을 알게 되었다.

Fig. 4. 
FT-NIR and FT-IR Spectrum overlapping expansion of Number 26 case.

표본으로 선정한 농약의 유효성분이 다른 품목 간의 18개의 조합에 대한 1차 미분이 적용된 FT-NIR 및 FT-IR 스펙트럼 간 유사성 상관관계 값과 한계치는 Table 5와 같다. 다른 품목 간의 1차 미분 적용 FT-NIR 및 FT-IR 유사성 상관 관계는 각각 0.00~91.86%, 0.00~75.41%로 나타났다. 1차 미분이 적용된 유사성 FT-IR 상관관계 값이 FT-NIR의 상관 관계 값보다 낮게 나왔으나, 합제의 경우와 7번 조합의 경우에만 FT-NIR의 상관관계 값이 더 낮게 나왔다. 다른 품목 이지만 유사성 상관관계 값이 높게 나타난 경우는 원제는 다르지만 농약 부자재가 많은 부분 같은 경우임을 알 수 있었다. 유사성 상관관계의 차이를 확인함에 FT-IR이 더 유리한 면이 있으나 FT-NIR 기기를 함께 사용함이 동일성 여부를 확인함에 주요한 도구가 될 것으로 판단된다.

Fig. 5는 Number 10 (메트라페논 25.2% 액상수화제 A와 아족시스트로빈 21.7% 액상수화제 A간 비교)의 경우의 FTNIR과 FT-IR 스펙트럼 유사성 상관관계 값을 나타낸다. 이농약간의 1차 미분 유사성 상관관계 값은 각각 90.46%, 34.67%로 나타났다.

Fig. 5. 
FT-NIR and FT-IR Spectrum correlation values of Number 10 case.