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Evaluation of particle interactions by in situ visualization of separation behaviour
D. Lerche, T. Sobisch, L.U.M Gmbh, Colloids and Surfaces A : Physicochem. Eng Aspects 440 (2014) 122-130
Introduction
정수/폐수 처리, 양조, 세라믹, 제약, 의료 분야에서 분산한 물질의 안정성 (분산안정성, dispersion stability) 는
공정품 및 제품의 특성, 품질 shelf life, 가공 특성을 결정짓는 가장 중요한 품질관리 대상이다.
그 이유는 분산한 물질이 원래의 형상으로 되돌아가는 응집 현상, 즉 de-mixing (flocculation, aggregation,
agglomeration 그리고 coalescence)이 나타나 제품의 특성이 바뀌어 품질이 저하되기 때문이다.
나노 분산액의 분산안정성을 높일 때에는 표면 3차원적 구조에 의한 물리적 안정화 (static or entropic
stabilization) 뿐만 아니라 전해질 또는 양쪽성 표면 물질 (amphoteric surface molecules)로 이루어진
ion-permeable 표면층에 의한 정전기적 안정화 (electrostatic or charge stabilization)가 매우 중요하다.
따라서, 나노 분산액의 분산안정성을 확인하는 방법으로 제타 전위 (zeta potential) 확인법이 일반적으로 사용되고 있다.
제타 전위란, 입자 주변의 전기 이중층 (electrical double layer)의 두께를 간접적으로 계산한 값이다.
전기 이중층이 두꺼울 수록 입자 간 정전기적 척력이 발생하여 서로 응집하지 않으며, 특히 제타 전위 값이
±30 mV 이상에서 응집이 나타나지 않고, 30 mV 이하에서 초기 de-mixing 현상이 나타나고, 10 mV 이하에서
빠르게 응집한다.
그러나 Smoluchowski 의 연구에 따르면, 제타 전위에 의한 분산안정성 분석은 오직 입자가 hard spheres 일 때만
적용된다는 점에 주의해야한다. 제타 전위를 측정할 때 입자 표면의 전기적 특성이 용매의 유전율에 영향을 주는
경우에는 입자 표면과 용매의 전기적 특성을 구분할 수 없기 때문이다.
입자는 그 크기 및 특성에 따라서 크게 hard spheres 및 soft particle 으로 나뉘는데,
hard spheres 는
(1) 전기적 potential 이 입자 표면에 주로 위치하고
(2) 그로 인해 surface conductivity 가 없기 때문에 용매의 유전율에 영향을 주지 않고
(3) 입자크기에 비해 얇은 전기 이중층을 가지며
soft particle 은
(1) 전기적 potential이 입자 표면 외에 3차원적으로 분포된 층 (ion-penetrable layer)이 추가로 존재하고
(2) 그로 인해 surface conductivity 가 있어서 용매의 유전율에 영향을 주고,
(3) 입자크기에 비해 두꺼운 전기이중층을 가지는 특징이 있다.
이러한 soft particle 의 전기적 특성은 용매의 전기적 특성에 영향을 주기 때문에 제타 전위방식으로는 구할 수 없으며,
두개의 soft particle 간의 상호 전위가 예측될 수 없으니, 심지어 분산안정성은 더욱 논할 수 없다.
이 논문에서는 particle-particle 상호작용을 확인하는 새로운 접근 방법인 LUMiSizer의 analytical centrifugation (STEP Technology)
방법을 소개하고 분산안정성을 확인하는데 있어 제타 전위와 어떤 차이점이 있는지 확인하고자 한다.
Hard spheres의 경우에는 제타 전위 시험과 LUMiSizer 시험 모두 동일한 결과를 보였으나 soft particle 의 경우에는
제타 전위 시험으로 분산안정성을 판단할 수 없었다. 반면에 LUMiSizer 시험은 분산안정성을 in situ visualization
할 수 있으며 또한 응집상태를 정확히 구별할 수 있었다.
LUMiSizer Analytical Centrifugation (STEP Technology, Space & Time resolved Extinction Profile) 방법
시료를 cell에 넣고 원심력을 가하면서 cell에 근적외선 (NIR, Near Infra-red)을 조사한 후 그 투과도 (Transmission)를
약 2000개 sensor 의 detector 로 확인한다. 이 투과도를 그래프로 표시하면 cell 전체 위치에서 물질의 투과도 변화를
나타내는 투과도 프로파일 (Transmission profiles)을 그릴 수 있고, 이 그래프는 예를 들면 투과도 측정 간격 (interval)을
10초로 정하고 1시간 측정했을 때 총 360개의 curve를 하나의 도표에 나타낸 그래프이다. 따라서 특정 시간 및 원심력에 의한
시료의 침전현상이 위에서 설명한 투과도 프로파일을 통해 한눈에 확인할 수 있다.
실험 1: Hard spheres (ground AEROXIDE Alu C in a aqueous dispersion (10% m/m))
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실험 1은 전형적인 hard spheres인 ground AEROXIDE Alu C를 10% m/m로 분산한 분산액을 시료로 하였고,
특징은 아래와 같다.
- 입도, d80=100-250 nm
- 설정 pH 별 제타 전위 값
pH=5 → 40 mV
pH=9 → 0 mV
pH=11 → -20 mV
Fig.1-a 는 pH가 5, 제타 전위가 40 mV 인 분산액의 투과도 프로파일 (transmission profiles)이다. 입도가 매우 다양한 분산 (다분산, polydispersity)
특징으로서 프로파일이 경사를 가지는 것 외에 응집이 일어난 특징을 찾을 수 없다. 이는 제타 전위가 ±30 mV 이상에서 응집이 일어나지 않는다는 이론과 일치하였다.
Fig.1-b 는 pH가 9, 제타 전위가 0 mV (등전점, Isoelectric point) 인 분산액의 투과도 프로파일이다. 위 투과도 프로파일에서 보였던
다분산 특징이 사라지고, 응집이 일어난 특징으로서 프로파일 간격이 점차 좁아지는 것을 확인하였다. 입자끼리 약한 물리적 힘에 의해 3차원적 구조를
가지던 응집체가 강한 원심력에 의해 침강하면서 고밀도 packing (or compression) 현상이 나타난 결과이다. 이는 제타 전위가 0 mV 에서 응집이
일어나고, 분산 물질이 매우 불안정하게 존재한다는 이론과 일치하였다.
Fig.1-c 는 pH가 11, 제타 전위가 -20 mV 인 분산액의 투과도 프로파일이다. a 와의 비교에서 프로파일 간격이 조금 더 넓고
고밀도 packing 현상이 나타난 것을 확인하였다. b 와의 비교에서
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부분적인 응집이 일어난 결과로 다분산 특징을 가지는 것을 알 수 있다. 종합하면, a 와 같은 응집하지 않은 개별입자와 b 와 같은 응집한 구조가
동시에 존재하는 것을 확인하였다. 이는 제타전위가 ±10 mV 에서 초기 응집이 일어난다는
이론과 일치하였다.
이 결과로부터 제타 전위보다 투과도 프로파일이 분산물질의 응집 형성 특징 및 입도 분포, sediment packing density 등과 같은
실제적인 정보를 더 많이 제공해주고 있는 것을 확인하였다.
실험 2: Soft particles-1 (Titania-AEROXIDE P25 in a 10 mM aqueous potassium bromide solutions (5% m/m))
실험 2 는 위에서 실험한 hard spheres와 상반되는 soft particles 인 Titania-AEROXIDE P25 를 10 mM 브로민화 칼륨 용액에 5% m/m 로
분산한 분산액을 시료로 하였고, 그 입도는 30-100 nm 이며, 각 pH 별 제타전위를 아래 그래프에 나타내었다.
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Fig. 2. Zetapotential measured as function of pH for a 5% (m/m) dispersion of AEROXIDE P25 in 10 mM aqueous potassium bromide solution (data provided by Paciejewska [19]).
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Introduction 에서 설명한 바와 같이 Smoluchowski 의 연구에 따르면 입도가 100 nm 이하로 감소하면, 입자와 그 표면의
전기 이중층의 비표면적의 관계가 뒤바뀌고 결과적으로 입자 표면의 전기적 특성이 용매의 전기적 특성에 영향을 주므로,
더 이상 제타 전위 값과 분산안정성이 서로 비례하지 않게 된다.
아래는 각 pH 별 분산액의 투과도 프로파일이다.
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Fig. 3. Comparison of transmission profiles for 5% (m/m) dispersions of AEROXIDE P25 in 10 mM aqueous potassium bromide solutions as function of pH. 1200 s centrifugation, 35℃, centrifugal acceleration at the bottom of the cell 287 ×g, interval between profiles 10 s.
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pH가 2, 제타 전위가 50 mV 인 분산액의 투과도 프로파일에서는 분산액이 안정하여 입자 침전이 매우 느리게 나타났고,
프로파일이 경사를 가지는 다분산 특징이 나타났다. 이는 제타 전위가 ±30 mV 이상에서 응집이 일어나지 않는다는
이론과 일치하였다.
pH가 4, 제타전위가 42 mV 인 분산액의 투과도 프로파일에서도 응집이 일어나지 않았지만 pH 2 에 비해 프로파일 간격이 넓게
나타났다. 비록 제타 전위는 pH 2 와 비슷한 수준이었으나 입자간 미세한 응집이 일어난 결과로 침전이 더 빨리 일어났기 때문이다.
pH 5 의 제타 전위는 38 mV 로서 여전히 높은 값이지만 응집이 일어난 결과로 고밀도 packing 현상이 나타났다.
이는 제타 전위가 ±30 mV 이상에서 응집이 일어나지 않고, 분산이 안정하다는 이론과 불일치하였다.
등전점 (제타 전위=0 mV)인 pH 7 에서는 더 강력하게 응집하여 입자 크기가 매우 커진 결과로 프로파일 간격이 넓고,
또한 형성된 응집력이 매우 강하여 고밀도 packing 현상도 나타나지 않은 것을 확인하였다.
제타 전위 값이 (+) 에서 (-) 로 전환되는 pH 9 (-25 mV) 및 10 (-31 mV) 에서는 약한 물리적 힘에 의한 응집 구조가
강력한 원심력하에 고밀도 packing 되는 현상이 다시 나타나고 특히 pH 10 에서는 부분적으로 응집되지 않은
개별입자의 다분산 형태를 띠는 침전을 확인하였다.
이 결과로부터 제타 전위가 실제 분산액의 응집현상을 설명해주지 못하는 반면에 투과도 프로파일이 실제 분산액의
응집현상을 정확하게 해석하는 것을 확인하였다.
실험 3: Soft particles-2 (Lysozyme coated silica nanoparticles in a buffer solutions (1% m/m))
실험 3 은 전형적인 soft particles 인 라이소자임 (1.9 nm) 코팅 silica nanoparticles 를 buffer solution 에 1% m/m 로
분산한 분산액을 시료로 하였고, 그 평균 입도는 20 nm 이며, pH 조절을 위해 사용한 buffer 는 아래와 같다.
- pH 3-7: 50 mM MES (2-(N-morpholino)-ethanesulfonic acid) buffer
- pH 7-11: 50 mM BICINE (N,N-bis(2-hydroxyethyl)glycine) buffer
아래는 각 pH 별 제타 전위 값, 실제 분산액의 침전을 확인한 사진 및 투과도 프로파일이다
Fig. 4. Comparison of transmission profiles for 1% (m/m) silica dispersions with 1.1 mg/ml lysozyme
as function of pH. 2850 s centrifugation, 20 oC, centrifugal acceleration at the bottom of the cell
36 ×g, interval between profiles 10 s.
제타 전위 이론에 의하면 pH 4.23 (5mV) 및 pH 5.45 (15mV) 에서는 낮은 분산안정성, pH 8.68 (-30mV) 및 pH 10.23 (-40mV) 에서는
분산안정성이 증가해야 한다.
그러나 실제 침전 사진과 투과도 프로파일은 완전히 다른 현상이 나타나는 것을 보여준다. 분산액의 투과도 프로파일을 보면
pH 4.23 에서 침전이 거의 일어나지 않았고, 제타 전위가 증가한 pH 5.45 에서 오히려 응집이 일어나 침전현상이 나타났다.
또한 pH 가 8.68 에서 제타 전위가 -30 mV 임에도 불구하고 제타 전위가 15 mV 인 pH 5.45 보다 훨씬 더 많은 침전이 일어난 것을
확인하였다. pH 10.23 에서는 제타 전위가 약 -40 mV 로 매우 높은 값인 만큼 입자 간 상호작용이 감소한 결과로 침전이 약간
일어난 것이 확인되었지만, 여전히 제타 전위가 5 mV 인 pH 4.23 보다 더 많은 응집이 형성된 것으로써 제타 전위 이론이
soft particles 의 분산안정성을 설명할 수 없는 반면에 투과도 프로파일이 실제 분산액의 침전 거동을 정확히 설명할 수 있는 것을
확인하였다.
Conclusion
1. Hard spheres 시험에서는 제타 전위 및 투과도프로파일 시험결과를 사용하여 실제 분산액의 응집 현상을 설명할 수
있었으나, Soft particle 시험에서는 높은 제타 전위 값에도 불구하고 분산액이 응집되었다.
따라서, 제타 전위 시험이 실제 분산액의 응집현상을 설명하는 데 한계가 있음을 확인하였다.
2. 특히 콜로이드 (Colloid, 입도 500 nm 이하)의 경우, 그 분산안정성을 설명할 때 전통적 방법인 제타 전위 시험법은
실제 침전 거동을 설명하지 못했으나, LUMiSizer 의 투과도 프로파일은 실제 침전거동을 정확히 설명하였다.
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