동적 광산란법(Dynamic Light Scattering)을 이용한 콜로이드 금의 특성 규명

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서론 

 

콜로이드 금은 흥미로운 특성을 보이는 금 나노 입자의 현탁 분산용액 입니다[1]. 시료의 색상은 금 입자의 크기와 형상에 따라 결정됩니다[2]. 그림 1 은 다양한 입도의 콜로이드 금 현탁액을 보여줍니다. 입도 5nm 이하는 노란색을 띄고, 5nm~20nm 는 붉은색을, 100nm 이상은 푸른색을 띕니다. 



수용성 용액에서의 금 입자는 단백질과 항체 같은 다양한 생물학적 거대 분자에 강력한 친화력을 주는 음전하를 띱니다[3]. 이 때문에 콜로이드 금은 현재 DNA 결합, 이미지 탐침 및 진단제 같은 다양한 생물 공학 부문에서 응용되고 있습니다[1,4,5]. 그리고 콜로이드 금 현탁액은 첨단 전자 및 코팅 부문에서 응용하기 위해 개발 중에 있습니다[6].

 

콜로이드 금의 크기 특성 규명은 입자의 직경이 균일하고 분산시료에 응집 입자가 없다는 것을 확인하는데 매우 중요합니다. 전자 현미경 기법이 크기 특성 규명 방법으로 널리 사용되고 있습니다[1,2]. 그림 2콜로이드 금 시료의 투과 전자 현미경 사진입니다. 개별 금 입자를 명확하게 볼 수 있지만 대다수는 2 개 이상의 입자로 구성된 덩어리로 존재합니다.

 

 

 

전자 현미경법이 입자를 시각화하는 훌륭한 방법이지만 통계적 관점에서 볼 때는 겨우 수십, 수백 개의 입자만 측정되므로 충분한 것은 아닙니다. 전자 현미경법으로는 다양한 크기의 입자를 계산함으로써 수에 기반한 입도를 구할 때 사용할 수 있습니다.

 

동적 광산란법(DLS)은 분산 내 나노 입자의 크기를 측정하는 비침투성 기법입니다. 이 방법은 브라운 운동(Brownian motion)을 이용하여 입자 현탁액에서 시간에 따른 산란광의 세기를 측정하는 것입니다. 이러한 산란광의 세기 변동을 분석하면 입도를 알 수 있는 확산 계수를 결정할 수 있으며 스토크- 아인슈타인 방정식(Stokes- Einsteinequation)을 통해 이 계수로 부터 입도를 구할 수 있습니다.

 

본 응용 노트에서는 동적 광산란을 사용한 콜로이드 금의 크기 특성규명법과 전자 현미경 기법으로 얻어진 결과와의 차이에 대해 살펴볼 것입니다.

 

실험

 

본 Application note 에서의 모든 측정은 Zetasizer Nano S 를 이용하여 25°C 에서 실시하였습니다. Nano S 에는 633nm 의 파장을 가진 4mW He-Ne 레이저와 Avalanche 포토다이오드 (APD) 검출기가 들어 있으며, 산란된 광은 173° 의 각도에서 검출됩니다.

 

결과 및 고찰

 

그림 3 은 Nano S 로 측정한 콜로이드 금 용액의 Intensity 입도 분포를 보여줍니다. 이 그림은 다양한 크기군(X 축)의 입자에 의해 산란되는 빛(Y 축)의 상대적 비율을 보여줍니다. 이렇게 구해진 입도 분포는 평균이 각각 13.6nm 과 339nm 인 두 Peak 를 갖습니다. 이 Peak 의 Intensity, Volume, Number 에 대한 분석 결과는 표 1 에 나와 있습니다.

 

 

 

 

측정한 Intensity 입도 분포는 시료에 존재하는 응집 입자가 상당히 많다는 것을 의미합니다. 그러나 이 입도분포를 토대로 부피(또는 질량 또는 무게)(그림 4)로 변환하면 저 농도로응집 입자가 존재함을 알 수 있습니다. Intensity 결과를 Volume 으로 변환할때 Mie 이론을 사용하는데 이때 입자의
굴절률(n)과 흡광도(k) 값이 필요로합니다. 여기에서는 각 각 0.2(n)와 3.32(k)를 사용하였습니다[9]. 구해진Volume 입도 분포는 질량을 기준으로 시료의 90% 이상이 약 13nm 정도의작은 입자로 구성되어 있음을 보여줍니다.

 

 

이 결과를 그림 5 에 나오는 Number 입도로 변환하면 평균이 12.4nm 인 단일 Peak 를 얻습니다. 이 결과를 통해 이 시료의 특성을 전자 현미경 같은 Number 방식을 사용하여 규명할 경우 눈으로 볼 수 있는 입자의 대부분은 작은 입자라는 것을 알 수 있습니다. 큰 입자의 존재는 충분한 수를 계산한 경우에만 볼 수 있을 것입니다. Number 기반에서는 이 시료의 응집 입자가 매우 적지만 이러한 입자가 상당량의 빛을 산란하므로 Intensity 입도 peak 의 대부분을 차지합니다. (그림 3). 따라서 이러한 시료는 동적 광산란법과 전자 현미경법으로 분석할 경우 상당히 다른 결과가 나올 수 있습니다.

 

만약 그림 2 에 나오는 시료를 동적광산란법으로 측정할 경우 다양한 입자(단일 입자, 두 입자의 응집, 세 입자의 응집 등)의 분석은 매우 어려울 것입니다. 이와 같이 동적 광산란법은 세 가지 크기를 지닌 시료에 대한 분석법으로서는 권장할 만한 분석법은 아닙니다.

 

따라서 단일 입자와 2, 3 또는 4 개 입자로 구성된 응집 입자의 혼합물은 빛의 대부분을 산란시키는 큰 입자의 영향을 받아 넓은 범위의 단일 peak 가 나타날 것입니다. z-평균 직경과 분산도 값은 응집 입자의 존재에 민감합니다. z-평균 직경은 평균 Hydrodynamic 직경이고 분산도값은 분포 폭의 추정치입니다. 이 두 값은 모두 동적 광산란에 관한 국제 표준, ISO13321 에 따라 계산합니다[10].

 

결론

 

동적 광산란법은 콜로이드 금의 크기 결정에 적합한 방법입니다. 이 방법은
응집 입자의 존재에 매우 민감하여, z-평균 직경과 분산도를 시료 균일성
결정의 방법으로 사용할 수 있습니다.

 

단일 분산 시료의 경우 동적 광산란법과 전자 현미경법으로 얻은 결과는
매우 근접해야 합니다. 그러나 다분산시료의 경우 큰 입자에 의한 산란으로
인해 동적 광산란법이 전자현미경법보다 큰 입도 결과를 얻습니다.

 

참고 문헌

 

[1] M.A. Hayat (1989) Colloidal Gold:Principles, Methods and Applications,
Academic Press, New York.

[2] K. Miura and B. Tamamushi (1953)J. Electron Microscopy 1, 36-39.
[3] M. Horisberger and M.F. Clerc(1985) Histochem and Cell Biol. 82,219-223.
[4] A. Csaki, R. Möller and W.Fritzsche (2002) Expert Rev. Mol.Diagn. 2, 89-94.
[5] R. Tanaka, T. Yuhi, N. Nagatani,T. Endo, K. Kerman, Y. Takamura and E. Tamiya (2006) Anal. Bioanal.Chem 385, 1414-1420.
[6] T. Sato and H. Ahmed (1997)Applied Phys. Letters 70, 2759-2761.
[7] A.N. Shipway, E. Katz and I Willner (2000) 1, 18-52.
[8] P. Mulvaney, M. Giersig and A.Henglein (1992) J. Phys. Chem. 96,
10419- 10424.

[9] L. G. Shulz (1954) J. Opt. Soc. Am.44, 357-362 and 362-368.
[10] International Standard ISO13321 Methods for Determination of Particle
Size Distribution Part 8: Photon Correlation Spectroscopy, International Organization for Standardization (ISO) 1996.

 

Zetasizer Nano

 

Malvern Instruments 의 Zetasizer Nano 는 정적, 동적 및 전기 영동
광산란 측정이 가능한 하드웨어와 소프트웨어가 포함된 최초의 상용
기기입니다. Nano 장치로 측정할 수 있는 시료 특성으로는 입도, 분자량,
제타 전위가 있습니다.

 

Zetasizer Nano 장치는 일반적으로 저농도 및 적은 시료량의 제약 및 생체
분자 부문과 고농도의 콜로이드 응용분야를 충족하도록 설계 되었습
니다. 후방 산란 광학 장치와 새로운 큐벳 용기 설계를 사용하여 이러한
독특한 요건들을 충족합니다. 그 결과 Zetasizer Nano 의 입도 및 농도
spec.은 다른 상용화된 동적 광산란 기기 보다 뛰어납니다. 즉 입도 범위는
0.6nm ~ 6um 이고, 농도 범위는 0.1ppm ~ 40% w/v 입니다.

 

Zetasizer Nano System 은 특허받은 하드웨어의 디자인 뿐 아니라 기기 제어 및 데이터 분석을 위한 뛰어난 소프트웨어를 가지고 있습니다. 이 소프트웨어는 자체 최적화 알고리즘을 사용하여 각각의 시료에 따라 필요한 광학 설정을 자동화하며 신규 사용자의 소프트웨어 학습 시간을 최소화하도록 설계된 “원클릭” 측정, 분석 및 보고 시스템을 사용합니다.


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