오늘은 나노입자의 크기를 확인하는 분석 방법 중 하나인
DLS (Dynamic Light Scattering), 동적 광산란에 대해서 알아보겠습니다.
DLS는 재료, 화학, 생명과학 등 다양한 분야에서 나노 입자의 크기를 측정하기 위해 사용하는 분석장비입니다.
사실, DLS 장비를 사용해서 결과값을 얻어내는 것은 매우 간단하지만,
액체에 나노입자를 분산시킨뒤에 → 이것을 Cell에 넣고, → Cell을 DLS에 넣고, → 버튼 몇개 누르면 끝이죠 ㅎㅎ
우리가 DLS의 분석 원리와 어떻게 이 장비가 나노입자의 사이즈를 측정해 내는지 이해하고 사용한다면,
실험에서 발생할 수 있는 오류들을 줄이고 좀 더 정확하게 장비를 사용할 수 있습니다.
DLS에 대해서 앞으로 구체적으로 다룰 내용들은 아래와 같습니다.
DLS, 동적 광산란법
1. 기본원리 - 브라운 운동, Brownian motion
2. 분석&계산 과정 - 확산계수, Diffusion coefficient
3. 분석시, 주의할 점들
그럼 DLS의 기본원리에 대해서 먼저 알아보겠습니다.
1. DLS 기본원리 - 브라운 운동, Brownian motion
DLS로 입자의 크기를 측정하는 기본 원리는
입자에 크기에 따라 달라지는 브라운 운동의 속도를 측정하는 것입니다.
액체에 아주 작은 입자들이 분산되어 있을 때, 이 입자들은 불규칙적으로 운동하게 됩니다.
이를 브라운 운동, Brownian Motion이라고 합니다.
(식물학자인 로버트 브라운이 이러한 입자들의 움직임을 발견했기때문에 브라운 운동이라는 이름을 붙였습니다.)
이렇게 용액 내에 있는 입자들이 움직이는 이유는, 입자가 주변에 있는 액체분자와 충돌하기 때문입니다.
이때, 입자가 움직이는 속도는 입자의 크기와 밀접하게 관련이 있는데요,
용액에 있는 입자의 크기가 큰 경우에는
→ 물과 맞닿아있는 표면적이 매우 크기 때문에
→ 주변 액체분자와의 충돌들이 균형을 이루어서
→ 입자의 움직임이 적습니다.
하지만, 입자의 크기가 충분히 작은 경우에는
→ 물과 맞닿아있는 표면적이 매우 작고
→ 액체분자와의 충돌이 불균형하게 발생되기 때문에
→ 입자가 불규칙적인 운동을 하게 됩니다.
따라서, 우리가 이러한 입자의 브라운 운동 속도를 측정할 수 있다면
측정한 속도를 이용해서 입자의 크기를 분석하는것이 가능해집니다.
물론 입자의 크기 이외에도,
용액의 온도 및 점도와 같은 특성들도 브라운 운동의 속도에 크게 영향을 미치기 때문에,
DLS를 이용해서 입자의 정확한 크기를 측정하기 위해서는
이러한 변수들을 잘 제어하는 것이 중요합니다.
그렇다면, DLS는 어떤 과정들을 통해서 용액 내 입자의 운동 속도를 측정하는 걸까요?
2. DLS의 분석&계산 과정 - 확산계수, Diffusion coefficient
DLS를 이용한 나노입자의 사이즈 분석 과정에서 가장 중요한 것은
입자의 브라운운동의 속도를 '확산계수 (Diffusion coefficient)'로 정량화하는 것입니다.
확산계수라는 이름에서 추측할 수 있듯이,
확산계수가 크다는 것은 입자가 빠르게 운동하는 것을 의미하고 → 작은 입자
확산계수가 작다는 것은 입자가 느리게 운동한다는 것을 의미합니다. → 큰 입자
그렇다면 이 확산계수를 어떻게 구하는지 한번 알아봅시다.
나노입자가 분산되어 있는 샘플에 레이저를 조사하게 되면,
레이저의 빛은 운동하는 입자에 의해 산란되게 됩니다.
이때 산란되는 빛의 세기를 일정 시간 동안 측정하면
아래의 왼쪽과 같은 그래프를 얻을 수 있습니다.
그래프를 보시면 산란된 빛의 세기가 시간에 따라 계속 일정한 것이 아니라, 요동(?)치는 것을 확인할 수 있는데요→ τ
이러한 빛의 산란을 일정 시간이 지난 뒤에 다시 측정해 보면→ τ
(입자가 이동함에 따라) 산란된 빛의 신호가 shift, 이동되는 것을 확인할 수 있습니다.
이렇게 측정되는 산란된 빛의 강도를 측정하고, 또 일정 시간뒤에 다시 측정하여
그 값을 초기 값과 비교하면서, 추후에 측정된 빛의 강도가 처음과 얼마큼 달라졌는지를 추적하면
입자가 얼마나 오래 같은 자리에 위치하고 있었는지를 나타내는 상관관계 함수, correlation function G(t)를 얻을 수 있게 됩니다.
이 과정을 더 잘 이해하기 위해서 사이즈가 다른 입자들의 경우를 비교하면서 확인해 봅시다.
위 그림에서 볼 수 있듯이,
큰 입자의 경우에는 산란되는 빛의 세기가 완만하게 요동치고,
작은 입자의 경우에는 상대적으로 더 빠르게 움직이기 때문에 빛의 세기가 더 빠르게 요동치는 것을 확인할 수 있고요.
이러한 산란된 빛을 시간별로 특정해서 초기값과 비교하게 되면,
관측 초기에는, 입자가 초기와 거의 같은 위치에 있기 때문에 상관관계함수 G(t)가 일정한 값을 갖게 됩니다.
하지만 시간이 지나고 입자의 위치가 초기 위치와 달라지게 되면서, G(t)는 빠르게 지수적으로 감소(decay)되게 됩니다.
이것을 입자의 크기에 따라 다시 살펴보면,
큰 입자의 경우에는 입자가 천천히 움직이기 때문에,
G(t)가 상대적으로 오랫동안 일정한 값을 갖다가 감소되는 것을 볼 수 있고
작은 입자의 경우에는 입자가 빠른 속도로 움직이기 때문에,
G(t)가 상대적으로 빠르게 감소되어 버리는 것을 확인할 수 있습니다.
이렇게 입자의 크기에 따라서 브라운 운동의 속도가 다르기 때문에,
그에 따른 서로 다른 상관관계 함수, G(t)가 구해지는 것이지요.
그러면 이제 이렇게 얻어진 G(t)로부터 확산계수를 구하고
확산계수로부터 입자의 사이즈 정보를 확인하는 과정을 살펴보겠습니다.
지금 우리는 앞에서 설명드린 과정들을 통해서 구한 '상관관계함수 G(t)'를 가지고 있습니다.
이제 확산계수를 구하기 위해서, '장비 및 샘플의 대한 정보들'을 대입하여 'Scattering vector'를 먼저 구하고
이렇게 얻어진 '상관관계함수 G(t)'와 'Scattering vector'를 'Characteristic decay rate' 식에 대입하면,
확산계수 (Diffusion coefficient)를 구할 수 있습니다.
마지막으로 'Stokes-Einstein Equation'에 앞서 구한 확산계수를 실험 조건들에 대한 정보들과 함께 대입하면
입자의 사이즈에 대한 정보, 구체적으로는 유체역학적 반경 (Hydrodynamic diameter)을 구할 수 있게 됩니다.
'Stokes-Einstein Equation'식을 보면 명확하게 알 수 있듯이,
나머지 조건들이 동일하다고 할 때에,
확산계수가 크면 (입자가 빠르게 운동) → 입자의 사이즈 값이 작은 결과 값을 얻게 되고,
확산계수가 작으면 (입자가 느리게 운동) → 입자의 사이즈 값이 큰 결과 값을 얻게 됩니다.
3. DLS의 분석 시 주의할 점들
실제로 DLS를 사용할 때는, 앞에서 설명드린 모든 과정들이 장비와 프로그램을 이용해서 자동으로 이루어지고,
우리는 사이즈에 대한 결과만 받아보게 됩니다.
그래서 중요한 포인트들을 신경 쓰지 못하고 진행해서, 실제와는 거리가 먼 결과를 얻게 될 수도 있는데요....ㅎ
DLS 분석 시 꼭 확인, 주의해야 할 사항들에 대해서 알아봅시다.
※ DLS 분석으로 얻어진 결과는 나노입자의 정확한 사이즈가 아니라, 유체역학적 반경 (Hydrodynamic diameter)을 의미합니다.
DLS 장비로 얻은 사이즈는 실제 입자의 크기뿐만 아니라 입자표면의 구조 및 구성에도 영향을 받습니다.
입자가 고분자나 계면 활성제와 같은 안정제에 의해 분산되어 있다면
DLS의 결과값은 실제 입자 사이즈보다 클 수 있으며,
같은 이유로, 용액에 이온들이 많이 존재한다면, 이것 또한 유체역학적 사이즈에 영향을 주는 요소가 될 수 있습니다.
또한 DLS는 분석하는 입자의 모양이 구형태라고 가정하고 분석하기 때문에
구 형태와 많이 동떨어진 모양의 입자의 크기를 정밀하게 분석하기에는 어려움이 있고,
여러 개의 입자가 뭉쳐있는 경우에도, 개별 입자의 사이즈에 대한 정보는 확인하기 힘들 수 있습니다.
※ 측정 샘플 준비 시, 적절한 농도로 고르게 잘 분산되어 있는 분산액을 준비해야 합니다.
장비마다 약간 다르긴 하지만 보통은 0.1 mg/mL 이상의 농도로 샘플을 준비하는 것이 좋고,
샘플의 농도가 너무 진해서 용액이 너무 혼탁할 경우 분석이 정확하지 않을 수 있습니다.
또한, 만일 입자가 잘 분산되어있지 않고 뭉쳐있거나, 쉽게 가라앉아버리는 경우에도 정확하지 않은 결과를 얻을 수 있으니,
분석 전에 적절한 농도의 안정적인 샘플을 준비하는 것이 매우 중요합니다.
※ 분석 진행 시, 실험 조건들을 정확하게 입력해야 합니다.
- 측정 조건 - 온도
- 용매에 대한 정보 - 점도 (viscosity), 굴절률 (refractive index), 유전율 (dielectric constant)
- 입자에 대한 정보 - 굴절률 (refractive index), 흡광도/흡수계수/흡광계수 (absorption coefficient)
위의 정보들은 입자의 사이즈를 계산할 때에 필요한 정보들이기 때문에,
정확한 정보를 입력하지 않는다면, 정확하지 않은 결과를 얻게 될 수 있습니다.
※ 측정하고자 하는 입자의 사이즈가, 내가 사용하고자 하는 DLS장비가 측정 가능한 범위 안에 있는지 확인해야 합니다.
일반적인 DLS는 보통 '수 나노미터 - 수 마이크로미터' 크기의 입자를 분석할 수 있습니다.
만일 내가 분석하고자 하는 입자의 사이즈가 너무 작거나/크다면
수천 마이크로미터까지 분석 가능한 Particle size analyzer,
또는, 직접적으로 나노입자의 형상까지 분석가능한 TEM이나 SEM 같은 전자현미경, 혹은 AFM 등을 이용한 분석을 고려해 보는 것도 좋겠지요.
오늘은 나노입자의 사이즈를 확인할 수 있는 DLS 분석에 대해서 알아보았습니다.
다음시간에는 많은 DLS 장비들이 제공하는 '제타전위, Zeta potential'의 분석에 대해서 알아볼게요.
여기까지 읽어주셔서 감사합니다.
좋은 하루 보내세요!
-엠마리-
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