레이저 회절법을 이용한 습식 분석 방법

레이저 회절법을 이용한 습식분석 방법 

 

 



 

습식분석방법을 이용한 입자 분석방식은, 레이저회절법에서 재현성 있는 결과를 얻기 위해 현재까지 가장 널리 쓰이는 방법이다. 습식분석 방법은 수 마이크론 크기의 안료부터 모래나 침전물까지, 넓은 범위의 입자크기 분석이 가능하다. 큰 입자나 여러 크기의 혼합입자가 분포되어 있는 경우, 입자의 침전문제를 해결할 때와 같은 방식으로 분산매의 점도를 이용하여 측정이 가능하다.  

 

레이저회절 측정 방식에서는 여러 종류의 분산매 사용이 가능하기 때문에, 다양한 종류의 입자도 쉽게 분산이 가능하다. 또한, 건식방법에서는 불가능한 분산 안정도의 최적화도 가능하다. 이는 습식법에서 분산매 내에 있는 입자의 분산에너지가 건식법에서의 분산에너지보다 높기 때문이다.  

 

이렇기 때문에, 습식분석은 수마이크론 물질의 재현성 있는 분산을 위한 유일한 방법이라고 하기도 하며, 특히 점성이 있거나 강하게 응집된 입자같이 큰 입자의 경우 더 적합하다. 입자의 파쇄성 역시 건식과 비교 했을 때 습식 분석법에서는 큰 문제가 되지 않는다. 

 


습식분석법을 이용하여 좋은 결과를 얻는 것이 가능하지만, 이는 전적으로 분석자가 정확한 분석법을 개발, 적용 했을 때 가능하다. 이번 응용 노트는 기기 사용자들에게 레이저 회절법을 이용한 습식 분석방법의 SOP 설정 시 고려 해야 할 중요한 요소들에 대한 정보를 제공하는데 중점을 두었다.
레이저회절법 측정을 위한 설정은 쉽고 간단하다. 하지만 정확한 분석을 위해서는 아래와 같이 시료과 관련된 사항들을 고려하는 것이 매우 중요하다. 

 


• 분석을 위한 대표시료량은, 채취된 대표시료 자체가 전체 시료의 특성을 나타낸다.
• 파우더 분산을 위한 분산매의선택 및 안정화를 위한 각종 첨가제. 

 


사용자는 실제 파우더 자체의 특성과 관련, 응집 상태나 잘 분산된 상태에서의 재현성 있는 결과를 위해 적절한 분산기기를 고려해야 한다. 이와 관련, 다음과 같은 항목들을 조절함으로써 가능하다. 

 


• 측정설정 및 obscuration 설정과 같은 기타 다른 분석옵션설정
• 초음파를 이용한 시료 분산을 위한 분산에너지. 

 


이 자료는, 사용자가 기본적인 레이저 회절 시스템의 운용에 익숙하다고 가정하고 있다. 특히, Hydro 2000S 및 Hydro 2000G, Hydro 2000MU 를 이용한 Mastersize 2000 모델의 습식분산 장치와 관련이 있으며, 위의 모든 장비는 시료의 초음파처리가 가능하고, 실시간으로 분산과정에 따라 진행된다. 그러나, 여기에 소개되는 분석방법 개발과정은 Malvern 레이저 회절 시스템을 이용한 다른 습식분석장치에도 적용될 수 있다. 단, 광학특성의 선택에 관한 부분은 다른 곳에서 제공되었다. 

 


시료의 대표성

 

벌크 상태의 물질에서 분석 시료를 채취하는 일은 입자 분석에서 매우 중요한 일중에 하나다. 큰 입자(70 마이크로 이상)가 시료에 존재한다면 특히 중요하다. 레이저 회절법은 부피를 기준으로 하는 측정 기술이기 때문에 시료 내 큰 입자들의 작은 변화에도 민감하다. 이는 굵은 입자가
작은 입자와 비교했을 때 큰 부피를 차지하기 때문이다 (100 마이크로 입자 1 개의 부피는 1 마이크로 입자 100 만개의 부피와 같으며, 이 때문에 같은 분산 반응을 보인다). 샘플링에 관한 사항은 참조 1 에서 다루고 있다. 
 

샘플링이 조절된다면 ISO13320-1 에 규정된 각각의 측정간 재현성을 얻기가 쉬우며, 레이저회절 측정에 관한 ISO 표준은 D(v,0.5)에서 3%이내, D(v,0.1)과 D(v,0.9)에서 5% 이내이다. 만약 샘플링이 조절되지 않는다면 측정간 오차가 20% 이상 발생할 것이다. 

 


분산매 선택

 


습식분석을 할 때 적당한 분산매를 선택하는 것은 다음 단계이다. 분산매
선택에서 다음의 사항들이 중요하다.  

    •   레이저회절 측정이 가능할 만큼 레이저빔에 투명한가.
    •  측정하고자 하는 입자와 다른 굴절율을 가지고 있는가(굴절률의 차이가 측정되는 산란
      강도와 구분될 만큼 충분해야 함)
    • 측정 중에 물질을 녹이지 않아야 한다.
    • 입자를 응집되지 않는 wet 상태로 측정 가능한가.
    • 재응집이 일어나지 않을 만큼 안정적인가.
    • 너무 점도가 높으면 안되고 기포도 생기지 않아야 한다.

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물은 투명하고 가격이 저렴하여 보통 첫번째로 선택할 수 있는 물질이다. 큰 입자의 경우, 일반 수돗물의 품질이 SOP 설정 때 보다 바뀔 가능성이 있더라도 사용 가능하다. 가능하다면 측정은 탈 이온수로 해야 하고 특히 20 이하의 사이즈일 경우는 수돗물에 있는 염이 입자 응집을 일으키게 된다.
계면활성제와 다른 안정제의 첨가 역시 미세한 입자의 응집을 막기 위해 필요할 수도 있다.  

 

 

 


 

많은 물질, 특히 약제의 경우는 물에 잘 녹는다. 이런 물질의 경우에는 극성을 줄여주는 분산매가 필요하다 (표 1). 이러한 경우 분산매의 선택은 물질의 테스트를 통해 나타내는 극성에 의존해야 한다. 비수용성 분산매에 대한 가격도 고려해야 할 사항이다. 

 


계면활성제 

 


습식분석과정의  첫번째 단계는 입자의 표면을 선택한 분산매로 Wetting 하는 것이다. 몇몇 경우에는 wetting 을 일으키기 위해 계면활성제가 필요할 수도 있다.

 

계면활성제는 분산매의 표면 장력을 낮춰주는 역할을 한다. 이는 분산매와 입자 표면사이의 접촉각을 줄여주어 분산을 도와준다.
 

계면활성제의 선택은 입자 표면 화학적 성질 및 분산매의 성질에 좌우 된다. 비이온 계면활성제는 (예, Tween 20/80; Span 20/80) 일반적으로 제약이나 식품분야에 안전하게 사용할 수 있다. 몇몇의 경우, 입자의 표면에 흡수되어 wetting 을 향상시킬 뿐만 아니라 입자를 안정화 시키는, 즉 응집을 방해하는 벽의 역할을 하는 음이온 계면활성제 SDS 또는 양이온 계면활성제 CTAB 가 사용되기도 한다. 

 


입자와 분산매에 따른 계면활성제에 대한 안내는 ISO 14887 에 명시되어 있다. 모든 경우에서 계면활성제의 농도는 조심스럽게 조절되어야 한다. 계면활성제는 매우 낮은 농도에서도 활성을 나타내기 때문이다 (>0.001g/l) 일반적으로 1~2 방울의 계면활성제 희석용액 (10 %)은 입자 wetting 을 충분히 향상시킬 수 있다. 더 높은 농도의 계면활성제 사용은 분산기기에서 거품을 발생 시킬 수
있고, 이는 시료에 존재하지 않는 큰 입자를 검출하는 원인이 될 수 있다.
 

안정제 

 

입자가 선택된 분산매에 분산되고 나면 재응집을 막는 것이 중요하다. 수용성의 분산매는 현탁액의 전도도를 조절하여 안정화를 시킬 수 있다. 이것이 물을 분산매로 쓸 때 수돗물 대신 탈이온수를 쓰는 간단한 이유이다. 또한 Sodium Hexametaphosphate, Ammonium Citrate 또는 Sodium
 

Pyrophosphate 같은 물질은 전하 안정화제로 사용할 수도 있다. 각각의 물질은 제타전위를 증가시켜 현탁액의 안정성을 증가시킨다 (이것은 입자 전하와 관련이 있다). 그러나 안정화제 역시 과량을 첨가하게 되면 분산에 있어서 문제를 야기할 수도 있다. 보통 안정화제는 1 w/v% 이하로 첨가하게 되고 그렇지 않으면 용액의 전도도가 너무 높아져서 응집이 일어나게 된다. 안정화제를 이용한 최적화 된 분산의 좋은 예는 참고문헌[4]에 나와 있다.  

 

적정 분산매 선택  

 

입자 사이즈를 측정하지 않고 올바른 분산조건을 선택하는 것이 가능하다. 실험중의 시료는 각각 다른 분산매를 담은 병에 나뉘어 분산될 수 있다.  

만약에 입자가 분산매의 표면위에 뜬다면 wetting 이 잘 안된 것이다. 이는 계면활성제를 첨가 하거나 낮은 표면장력을 갖는 분산매로 바꿔줌으로써 해결 가능하다.  

 

 

 

 

만약에 입자가 분산매에 wetting 되었다면 시료를 초음파 처리 하고 침전 현상을 관찰한다. 이의 예로써 그림 1 에 sodium hexametaphosphate 가 안정제로 사용된 cerium oxide 현탁액  

그림이 있다. 보는 바와 같이 낮은 현탁액 농도에서는 불안정하고 확실하게 침전이 일어난다. 0.01 wt%와 0.5 wt%의 현탁액은 안정하다-이 경우 대략 0.25 wt%가 가장 강력한 분산 안정도를 갖는 평균값이다.  

 


마지막으로 현탁액은 sodium hexametaphosphate 의 농도가 0.5 wt%를 넘으면 불안정하게 된다. 이는 용액의 이온강도를 증가시키기 때문이다. 

 


측정조건 Settings
 

SOP 개발 단계에서는 시료의 양과 분산 장치의 설정이, 입자크기 측정에 어떻게 영향을 주는지에 대해 생각하는 것이 중요하다. 

 


펌프 및 Stirrer Settings  

 

알맞은 펌프와 스터러 속도는 펌프 스피드가 증가하면 입자사이즈가 어떻게 변하는지를 확인함으로써 쉽게 결정할 수 있다.   

 

 

 

림 2 에서 그 예를 볼 수 있다. 펌프 속도가 시료내의 큰 입자를 부유시킬 만큼 빠르지 않기 때문에 낮은 속도에서는 입자의 크기가 작게 나타난다. 1500~3000 rpm 의 빠른 펌프 속도의 경우 입자의 크기가 안정적인 값을 나타낸다.   

지점이, 측정 셀내에 입자들이 고르게 분산되어 있을 때의 속도이다. 펌프의 속도는


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