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Introduction
제타 전위란 무엇일까요? 액체에 입자를 suspension 시키면 입자의 표면 전하가 액체에 있는 counterion 을 끌어당기고 되고 그 counterion 이 입자 표면에 단단히 부착되는 Stern Layer 와,
Slipping Plane 의 경계를 가진 확장된 Outer Layer 을 형성합니다.
Shear Layer 의 이온과 용매는 외부 힘 (즉, 전기장력, electric field force) 을 받으면 액체속에서 통합된 전체로 이동하게 되는데 이 때 Slipping Plane 에서의 전위를 제타 전위라 부릅니다.
aqueous suspension 에서 입자의 제타 전위는 입자 표면의 화학 조성과 pH, 이온 농도 및 소분자 첨가제와 같은 환경에 따라 달라집니다.
일반적으로 희석된 aqueous system 에서 입자의 농도와 제타 전위는 크게 관련이 없습니다. 그러나 입자의 농도가 임계점을 초과하면 용매 환경에서 더 강한 입자-입자 상호작용과
더 많은 수의 charged ion 들의 작용으로 인해 제타 전위 값이 영향을 받게 되므로 이를 고려하여야 합니다.
그러므로 고농도 샘플의 제타 전위를 측정하고 해석하는 것은 항상 어려운 과제입니다.
이 Application Note 에서는 다양한 농도의 물에 분산된 Fat Emulsion 의 제타 전위를 Bettersize 사의 BeNano 180 Zeta 모델을 이용하여 측정하고자 합니다.
soybean oil, glycerides, fatty acids, 그리고 phospholipids 로 구성된 지방 에멀젼은 일반적으로 milky-white color 색으로 불투명합니다.
BeNano 180 Zeta 장비에서 사용되는 folded capillary cell 의 광 경로는 4mm 로, 이 cell 을 이용하면 농축된 샘플에서도 제타 전위를 측정할 수 있습니다.
Figure 1. Fat emulsion at different concentrations
Theory and Instrument
제타 전위를 측정하는 데 사용되는 기술을 전기영동 광 산란 (ELS, electrophoretic light scattering) 이라고 합니다.
ELS 실험에서 레이저 빔은 샘플에 조사되고 산란된 빛은 12°의 전방 각도에서 검출합니다.
sample cell 의 양쪽 끝에 전기장을 가하게 되면 sample 내의 charged particle 은 전기영동적 이동이 일어나게 되고 이러한 입자의 이동으로 인해
입자에서 산란되는 빛은 입사광에 비해 주파수의 변동 (Frequency Shift) 가 일어나게 됩니다.
이처럼 이동하는 물체로 부터 나오는 빛의 주파수가 변동 (Frequency Shift) 되는 현상을 Doppler Effect 라 합니다.
주파수 변동이 있는 산란광 신호는 PALS 분석을 사용하여 phase shift (위상 이동) 으로 변환됩니다.
이 위상의 이동을 표시하는 Phase Plot 과정을 통해 단위 전기장당 전기영동 이동 속도가 얻어지며, 이를 전기영동 이동성 μ 라고 합니다.
헨리 방정식을 통해 전기영동 이동성 μ 와 제타 전위 ζ 를 다음과 같이 연관시킬 수 있습니다:
여기서 ε0 는 진공 중 용매 유전 상수, εr 은 상대 유전 상수, η 은 용매 점도, f(Κα)는 헨리 함수, Κ 는 reciprocal Debye length, α 는 입자 반경, Κα 는 이중층의 두께와 입자 반경 사이의 비율을 나타냅니다.
BeNano 180 Zeta 입도 및 제타전위 측정기를 이용하여 제타 전위 측정을 하였습니다.
파장 671nm, 출력 50mW의 레이저 빔이 샘플을 비춥니다.
산란광 신호를 수집하기 위해 눈사태 포토 다이오드(APD) 검출기가 설정되어 있습니다.
PALS 기술을 사용하면 BeNano 180 제타는 낮은 전기영동 이동도에서도 샘플의 제타 전위를 감지하는 데 효율적입니다.
Experiment
Fat Emulsion 성분에서 미량의 소금 (제타 전위 값을 변화시킬 수 있는 양이온과 음이온으로 해리될 수 있음) 이 발견되지 않았기 때문에 증류수를 사용하여
20% w/v stock fat emulsion 을 다양한 농도로 희석했습니다. 희석된 fat emulsion suspension 의 농도는 0.002% 에서 20% w/v 사이였습니다.
현탁액의 온도는 내장된 온도 제어 장치를 사용하여 25°C 로 제어되었습니다. 제타 전위 측정은 folded capillary cell 를 사용하여 진행하였습니다.
각 샘플은 결과 재현성을 조사하기 위해 최소 3회 측정하였습니다.
Results and Discussion
다양한 농도에서 지방 에멀젼의 제타 전위는 아래 Figure 2 에 나와 있습니다.
Figure 2. Zeta potential of fat emulsion at different concentrations
Figure 1 에서 볼 수 있듯이 농도가 2% ~ 20% 인 농축 지방 에멀젼 현탁액의 제타 전위는
약 -5 ~ -7mV 였습니다. 농도가 2% 미만이지만 0.5% m/v 이상인 현탁액의 경우 농도가 감소함에 따라 제타 전위의 절대값이 증가했습니다.
0.002% ~ 0.5% w/v 농도의 현탁액의 경우 제타 전위는 약 -41 ~ -44mV 였습니다. 이러한 작은 변동은 제타 전위가 이 농도 범위의 농도와 무관함을 나타냅니다.
고농도 지방 에멀젼 현탁액에서 극도로 낮은 제타 전위를 설명하는 두 가지 가능한 이유가 있습니다.
첫 번째는 입자와 입자사이의 상호작용에 관한 것입니다. 농축 현탁액에서 입자와 입자사이의 상호작용이 너무 강하여 전기영동 움직임을 억제하므로
입자의 전기영동 이동성이 감소하여 제타 전위가 감소합니다.
두 번째 이유는 지질 입자의 표면 전하와 관련이 있습니다. 입자 농도가 충분히 높으면 용매 환경의 이온 강도에 대한 charged particle 의 작용을 더 이상 무시할 수 없게 되어 제타 전위가 감소합니다.
반면에 현탁액이 덜 농축될수록 위에서 언급한 두 가지 현상이 덜 지배적이어서 더 정확하고 안정적인 제타 전위 결과를 얻을 수 있었습니다.
실제로 0.5% 보다 높은 농도의 현탁액의 제타 전위는 더 이상 시스템의 실제 제타 전위가 아니라 현탁액 시스템의 실제 전위 값을 반영할 수 없는 겉보기 제타 전위였습니다.
aqueous system 의 진정한 제타 전위 값을 얻으려면 원액과 환경을 동일하게 유지하는 적절한 희석제를 사용하여 원액을 농도에 의존하지 않는 적절한 농도 범위로 희석해야 합니다.
Conclusions
다양한 농도에서 fat emulsion sispension 의 제타 전위는 BeNano 180 제타의 ELS 기술을 이용하여 성공적으로 분석할 수 있었습니다.
이 결과는 혁신적인 광학 시스템과 짧은 광 경로를 가진 folded capillary cell 을 이용하는 BeNano 180 Zeta 입도 및 제타전위 측정장비는
고농도 샘플의 제타 전위 측정에 매우 적합한 장비라는 것을 보여 주었습니다.
또한 고농도 샘플에서 얻은 제타 전위 결과는 시스템의 실제 전위 값을 반영할 수 없다는 결론을 내렸습니다.
실제 제타 전위 결과를 얻으려면 적절한 희석제를 사용하여 농축된 샘플을 적절한 범위로 희석하여야 합니다.
알 수 없는 acqueous 의 경우 농도 적정 실험을 수행하여 최적의 농도 범위를 결정하는 것이 좋습니다.
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