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Introduction
계면활성제 (surfactant) 는 친수성 부분과 소수성 부분을 포함하는 양친매성 (amphiphilic) 분자입니다.
계면활성제가 물에 용해되면, 친수성 부분은 물 속에 위치하고 소수성 부분은 공기 중에 위치하도록 공기-물 계면에 배열됩니다.
계면활성제 농도가 임계 미셀 농도(CMC, Critical Micelle Concentration) 를 초과하면, 계면활성제 분자들은 액체 표면에 규칙적으로 배열되거나 self-assembly 과정을 통해 미셀을 형성합니다.
주변 온도와 계면활성제 농도의 변화는 different phase behaviors 와 결과적으로 크기 및 형태에 변화를 초래할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
계면활성제는 다양한 종류가 있으며, 비이온성 계면활성제 (예: CmEn 계열), 이온성 계면활성제 (예: SDS), 그리고 공중합체 계면활성제 (copolymer surfactants) 등으로 나눌 수 있습니다.
특정 계면활성제의 phase behaviors 은 그 고유한 유형이나 화학적 조성에 의해 결정됩니다.
계면활성제는 화학, 생물학, 제약 등 다양한 분야에서 널리 응용됩니다.
이 Application Note 에서는 비이온성 계면활성제 미셀 Tween 20 과 이온성 계면활성제 미셀 SDS 를 대상으로, 동적 광산란 (DLS, Dynamic Light Scattering) 기술을 활용하여
입자 크기와 온도가 phase behaviors 에 미치는 영향을 조사하였습니다.
Theory and Instrument
DLS (Dynamic Light Scattering)는 입자의 브라운 운동 (Brownian motion) 으로 인해 발생하는 샘플의 강도 변화를 측정합니다.
확산 계수 D 는 Stokes-Einstein 방정식에 의해 입자 크기, 즉 Hydrodynamic Diameter (DH) 과 관련이 있습니다.
이 방정식에서 kB 는 볼츠만 상수, T 는 온도, η 는 분산제의 점도를 나타냅니다.
본 연구에서는 계면활성제 샘플을 Bettersize 사의 BeNano 90 Zeta 입도분석기를 사용하여 분석하였습니다.
이 장비는 파장 633nm, 출력 10mW 의 헬륨-네온 (He-Ne) 레이저를 채택하였습니다.
또한, BeNano 90 Zeta는 신호 대 잡음비 (Signal-to-Noise Ratio) 를 극대화하기 위해 단일모드 광섬유 (single-mode optical fibers) 를 신호 전송에 사용하며,
소형 입자의 빠른 감쇠 상관 함수 (fast-decay correlation functions) 를 효과적으로 계산할 수 있도록 고속 상관기 (high-speed correlators) 를 활용합니다.
Table 1. Sample Information
Experiment
두 가지 농도의 계면활성제 suspension 을 Table 1 과 같이 준비하였습니다.
측정 온도는 BeNano 90 Zeta 의 내장 온도 제어 시스템을 통해 25℃ ± 0.1℃ 로 설정하였습니다.
계면활성제 분자가 매우 작고 산란 강도가 극도로 약하기 때문에 먼지와 같은 불순물이 측정 결과에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
따라서 측정 전에 샘플을 220nm 필터로 여과하였습니다. 각 샘플은 결과의 재현성을 확인하기 위해 최소 3회 이상 측정하였습니다.
Results and Discussion
상관 함수 ( correlation functions) 는 샘플의 산란 신호를 통해 계산되었습니다. 위에 나타난 상관 함수에 따르면, 작은 입자의 빠른 브라운 운동으로 인해 모든 샘플의 상관 함수가
매우 빠르게 감쇠하였습니다. Figure 1에서 볼 수 있듯이 상관 함수의 Signal-to-Noise ratio 는 양호하며, 높은 온도에서 Micelle 이 더 빠르게 확산되기 때문에 감쇠 속도는 온도에 따라 증가하였습니다.
BeNano 90 Zeta의 강력한 계산 능력은 작은 입자의 상관 함수에서도 충분한 데이터를 확보할 수 있도록 해줍니다.
Figure 2 와 Figure 3 은 각각 25mg/mL 및 50mg/mL 농도의 Tween 20 미셀에 대해 여러 번의 측정을 통해 얻은 상관 함수를 나타냅니다.
이 결과에서 볼 수 있듯이, 산란 강도가 매우 약한 수 나노미터 크기의 입자에 대해서도 측정의 재현성이 매우 뛰어났으며, 이는 BeNano 90 Zeta 의 높은 민감도와 안정성을 보여줍니다.
Figure 1. Correlation functions of 10mg/mL Tween 20 at temperatures ranging from 5℃ to 65℃
Figure 2. The overlap of correlation function of 25mg/mL Tween 20 at 25℃
Figure 3. The overlap of correlation function of 50mg/mL Tween 20 at 25℃
Figure 4. The overlap of correlation function of 25mg/mL SDS self-assembled micelle
Figure 5. The overlap of correlation function of 50mg/mL SDS self-assembled micelle
Figure 6. Particle size distributions of 10mg/mL Tween 20 at the temperature from 5℃ to 65℃
Figure 7. Particle size distributions of 25mg/mL SDS micelle at 25℃
Figure 8. Particle size distributions of 50mg/mL SDS micelle at 25℃
Figure 4 와 Figure 5 는 각각 25mg/mL 및 50mg/mL 농도의 미셀에 대한 다양한 서브 런 (sub-run) 에서의 상관 함수를 보여줍니다.
상관 함수의 거의 완벽한 중첩은 BeNano 90 Zeta 장비의 Correlator (상관기) 의 알고리즘이 매우 높은 민감도와 정확성을 가지고 있음을 의미합니다.
Figure 6 에서는 5°C 에서 65°C 까지 다양한 온도에서 10mg/mL 농도의 Tween-20 의 입자 크기 분포를 보여줍니다. 온도가 변화함에 따라 Tween-20 의 입자 크기가
거의 변하지 않는 것을 볼 수 있으며, 이는 우수한 열적 안정성을 나타냅니다.
Figure 7 과 Figure 8 은 각각 25°C 에서 25mg/mL 및 50mg/mL 농도의 SDS 미셀의 입자 크기 분포를 나타냅니다.
Table 2. Z-average sizes of micelle samples
Table 2 에서 볼 수 있듯이, Tween 20 계면활성제로 형성된 미셀의 Z-평균 (Z-ave) 값은 다양한 조건에서도 비교적 안정하여,
25℃ 에서, 10mg/mL 에서 50mg/mL 농도 범위에서 7.3nm 에서 7.6nm 사이로 변화했습니다.
농도가 10mg/mL 일 때, Tween 20 샘플의 Z-평균은 25℃ 에서 65℃ 까지의 온도 범위에서 6.8nm 에서 8.1nm 사이를 기록했습니다.
한편, SDS 계면활성제 미셀의 경우, 입자 크기는 농도에 크게 의존합니다. 농도가 25mg/mL 일 때, 수 나노미터 크기의 미셀뿐만 아니라
수백 나노미터 크기의 큰 응집체도 형성되었습니다. 그러나 농도가 50mg/mL로 증가하면 큰 미셀 응집체의 양이 상당히 감소했습니다.
Conclusion
이온성 및 비이온성 Self-assembled Micelle 의 크기는 BeNano 90 Zeta 의 동적 광산란 (DLS) 기술을 통해 성공적으로 분석하였습니다.
BeNano 90 Zeta에 내장된 온도 제어 장치는 샘플 온도를 원하는 값으로 ±0.1°C 의 정밀도로 제어할 수 있어 입자 크기에 대한 열적 안정성 분석을 가능하게 합니다.
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