입자 특성 분석에 대한 기본 안내서-4

 

기술 2: 동적 광산란 

 

  광자 상관 분광법(Photon Correlation Spectroscopy, PCS) 또는 준 탄성 광산란(Quasi-Elastic Light Scattering, QELS)이라고도 언급되는 동적 광산란(Dynamic light scattering, DLS)은 통상적으로 1미크론에서 1나노미터 이하의 크기에 이르는 범위의 입자 및 고분자의 크기를 측정하기 위한 비 침투적이고(non-invasive) 잘 정립된 기술입니다.

 

  이러한 기술을 이용하여 액체, 예컨대 단백질, 중합체, 마이셀(micelles), 탄수화물, 나노입자, 콜로이드 분산 및 에멀전 같은 액체에서 부유하고 있는 입자로 구성되는 시료들을 측정할 수 있습니다.

주요 장점:
      • 나노 크기 및 바이오소재에 이상적인 입도 범위
      • 소량의 시료가 요구됨
      • 빠른 분석 및 높은 처리량
      • 완전한 시료 복구가 가능한 비 침투적 기술

 

원리

  부유하고 있는 입자는 이 부유 입자와 용매 분자 사이에 열적으로 유도된 충돌로 인해 브라운 운동(Brownian motion)을 합니다.

 

  레이저가 입자들을 조사하고 있는 경우 산란된 광의 강도는 매우 짧은 시간척도로 빠르게 변동하는 데, 이는 입자의 크기에 따라 다르며 작은 입자일수록 용매 분자에 의해 더 멀리 옮겨지고 빠르게 움직이게 됩니다. 이러한 강도 변동의 분석은 브라운 운동의 속도를 산출하고 그에 따라 스톡스-아인슈타인 관계(Stokes-Einstein relationship)를 이용해서 입도를 산출합니다.

 

  동적 광산란으로 측정되는 직경을 유체역학적 직경(hydrodynamic diameter)이라 부르며 입자가 유체 내에서 확산되는 방식을 언급하는 것입니다. 이러한 기술로 획득한 직경은 측정되는 입자와 동일한 병진 확산계수를 갖는 구형의 직경입니다. 

 

 



 

  ‘코어’ 직경보다 큰, DLS를 이용하여 기록된 유체역학적 직경에 대한 삽화도 병진 확산계수는 입자 ‘코어’의 크기뿐만 아니라 임의의 표면 구조에 따라 달라지며, 또한 매질 이온의 농도와 유형에 따라서도 달라질 수 있습니다. 이는 전자 현미경으로 측정한 것보다 크기가 크다는 것을 의미하는 데, 예를 들어 입자가 본래의 환경으로부터 제거된다는 것을 의미합니다.

  동적 광산란은 강도 가중 입도 분포를 산출해내며, 이는 거대 입자가 입도 결과에 지배적일 수 있다는 것을 의미하고 이를 인식하고 있는 것이 중요합니다.

기기장치

  종래의 동적 광산란 장비는 렌즈를 이용하여 시료에 초점을 맞추는 레이저 광원으로 구성됩니다.

 

  광은 입자에 의해 모든 각으로 산란되며, 전통적으로 레이저 빔에 대해 90° 각도로 배치되는 단일 검출기가 산란된 광의 강도를 수집합니다.

 

  산란된 광의 강도 변동은 디지털 상관기(Correlator)에 공급되는 전기 펄스로 변환됩니다. 이는 입도가 계산되는 자기 상관 함수를 생성합니다.

 

NIBS

  최신의 장비에서, NIBS(비 침투적 후방 산란, Non-Invasive Backscatter) 기술 측정될 수 있는 입도의 범위와 시료의 농도를 확장시킵니다.

  이러한 장비의 크기측정 기능은 아래에 도시된 바와 같이 173°로 산란된 광을 검출합니다. 이는 후방산란 검출로 알려져 있습니다. 또한, 광학기기들은 시료와 접촉 상태에 있지 않으며 따라서 검출 기기를 비 침투적이라 말합니다.

 

  비 침투적인 후방 산란 검출을 이용하는 것에 대한 많은 이점 있습니다.
      • 감도가 향상됩니다.
      • 보다 넓은 범위의 시료 농도가 측정될 수 있습니다. 

      • 시료 준비가 단순화됩니다. 

 

 

 

 

 

(a)  작은 입자 또는 낮은 농도의 시료에 대해서는 시료로부터 산란되는 양 을 최대화시키는 것이 장점입니다. 레이저가 큐벳(cuvette) 벽을 관통하면 서, 공기와 큐벳 물질 간의 굴절률의 차이가 ‘플레어(flare)’를 야기시킵니 다. 이러한 플레어는 산란된 입자로부터의 신호를 간섭할 수 있습니다. 측정 위치를 큐벳 벽으로부터 큐벳의 중심부로 옮기면 이려한 효과가 제거될 것입니다.


(b)  거대 입자 또는 고농도의 시료는 더 많은 광을 산란시킵니다. 큐벳 벽으로부터 더 가까운 곳에서 측정하면 산란된 광이 관통해야 하는 경로의 길이를 최소화시킴으로써 다중 산란 효과를 줄일 수 있습니다. 

 

기술 3: 자동 이미징 기술

  자동 이미징 기술은 약 1미크론에서부터 수 밀리미터 크기의 입자들의 특성 분석을 위한 고해상도 측정법입니다.

 

  개개의 입자 이미지들은 분산 시료로부터 캡처되어 분석되고 해당 입도, 입형 및 다른 물리적 특성이 판단 됩니다. 한 번의 측정에서 수십 개의 입자 내지 수만 개의 입자를 측정함으로써 통계적으로 대표적인 분포가 구성될 수 있습니다.

 

  정적 이미징 시스템에서는 분산 시료가 고정되어 있는 반면, 동적 이미징 시스템에서는 시료가 이미지 캡처 광학기기를 지나 유동하게 됩니다. 이 기술은 종종 시료에 대해 보다 깊은 이해를 구하거나 또는 앙상블 기반의 측정을 검증하기 위해 레이저 회절과 같은 앙상블 기반의 입도 측정 방법과 함께 사용됩니다. 통상적인 응용분야는 아래와 같습니다:

 

      •  입도만으로는 구분이 가지 않는 입자들의 형상의 차이를 측정
      •  응집체(agglomerate), 큰 입자 또는 오염된 입자들의 검출 및/또는 조사(enumeration)
      •  바늘 형상의 결정과 같은 비 구형의 입자 크기 측정
      •  레이저 회절과 같은 앙상블 기반의 입도 측정의 검증

기기장치

  전형적인 자동화 이미징 시스템은 3가지 주요 요소로 구성됩니다.

1. 시료 시연 및 분산
      이 단계는 양호한 결과, 즉 시야 상에서 개개의 입자 및 집합체의 공간적 분라는 목표를 얻는 데 중요합니다.

 

      다양한 시료 시연 방법은 시료 유형 및 이용되는 측정 방법에 따라 달라질 수 있습니다. 동적 이미징 측정은 측정 동안 시료가 통과하는 유동 셀을 이용합니다. 정적 이미징 측정은 예를 들어 현미경 슬라이드, 유리 판 또는 필터 멤브레인(fi lter membrane)과 같은 평평한 면을 이용합니다. 잠재적인 측정자간 오차(operator variability)를 피하기 위해서는 자동화 분산 방법이 바람직합니다. 

 

 

 

 

  

2. 이미지 캡처 광학기기


      개개 입자들의 이미지는 측정 중인 시료에 적합한 광학 렌즈와 디지털 ccd 카메라를 이용하여 캡처됩니다.

 

      정적 이미징 시스템이 시료 조사, 예를 들어 반사 투영(episcopic) 조사, 투영(diascopic) 조사, 암시야(darkfi eld) 조사 등과 같은 시료 조사 면에서 보다 유연함을 제공하는 반면, 동적 이미징 시스템에서 시료는 통상적으로 시료의 뒤에서 조사됩니다.

 

      또한 수정과 같은 복굴절 물질에 대해서는 편광 기기(polarizing optics)를 이용할 수 있습니 다. 가장 진보한 동적 이미징 시스템은 매우 미세한 입자에 대해서도 일정한 초점을 유지하기 위해 유체역학적 sheath fl ow 메커니즘을 이용합니다. 

  

 

 

 

3. 데이터 분석 소프트웨어

      일반 장비는 각각의 입자에 대해 다양한 형태학적 특성들(morphological properties)을 측정하고 기록합니다.

 

      가장 진보한 장비에는 소프트웨어에 도식작업(graphing) 및 데이터 분류 옵션이 있어 직관적 시각 인터페이스(intuitive visual interface)를 통해 관련 데이터가 측정치로부터 가능한 한 간단하게 추출될 수 있습니다.

 

      각각의 입자에 대해 개별적으로 저장된 그레이 스케일의 이미지들은 양적인 결과의 질적인 검증을 제공합니다. 

 

 

 

 

  

기술4: 기술: 전기영동 광산란(ELS)

 

  전기 영동 광산란(ELS)은 분산 상태의 입자 또는 용액에 함유된 분자의 전기 영동 이동성을 측정하는 데 사용하는 기술입니다. 이러한 이동성은 서로 다른 실험 조건 하에서 물질들을 비교할 수 있도록 종종 제타 전위로 변환됩니다.

  기본적인 물리학적 원리는 전기 영동법입니다. 두개의 전극이 있는 셀에 분산이 적용 됩니다.

 

  전극에 전기장이 인가되며 임의의 하전 입자 또는 분자가 반대로 하전된 전극으로 이동할 것입니다. 임의의 하전 입자 또는 분자가 이동하는 속도가 전기영동 이동성이며 해당 입자 또는 분자의 제타 전위에 연관됩니다.



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