콜로이드 금은 흥미로운 특성을 보이는 금 나노 입자의 현탁 분산용액 입니다[1]. 시료의 색상은 금 입자의 크기와 형상에 따라 결정됩니다 [2]. 그림 1 은 다양한 입도의 콜로이드 금 현탁액을 보여줍니다. 입도 5nm 이하 는 노란색을 띄고 , 5nm~20nm 는 붉은색을, 100nm 이상은 푸른색을 띕니다.
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수용성 용액에서의 금 입자는 단백질 과 항체 같은 다양한 생물학적 거대 분자에 강력한 친화력을 주는 음전하 를 띱니다 [3]. 이 때문에 콜로이드 금은 현재 DNA 결합, 이미지 탐침 및 진단제 같은 다양한 생물 공학 부문에서 응용되고 있습니다 [1,4,5]. 그리고 콜로이드 금 현탁액은 첨단 전자 및 코팅 부문에서 응용하기 위해 개발 중에 있습니다 [6].
콜로이드 금의 크기 특성 규명은 입자의 직경이 균일하고 분산시료에 응집 입자가 없다는 것을 확인하는데 매우 중요합니다 . 전자 현미경 기법이 크기 특성 규명 방법으로 널리 사용 되고 있습니다 [1,2]. 그림 2 는 콜로이드 금 시료의 투과 전자 현미경 사진입니다. 개별 금 입자를 명확하게 볼 수 있지만 대다수는 2 개 이상의 입자로 구성된 덩어리로 존재합니다.
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전자 현미경법이 입자를 시각화하는 훌륭한 방법이지만 통계적 관점에서 볼 때는 겨우 수십 , 수백 개의 입자만 측정되므로 충분한 것은 아닙니다. 전자 현미경법으로는 다양한 크기의 입자를 계산함으로써 수에 기반한 입도를 구할 때 사용할 수 있습니다 .
동적 광산란법 (DLS)은 분산 내 나노 입자의 크기를 측정하는 비침투성 기법입니다. 이 방법은 브라운 운동(Brownian motion) 을 이용하여 입자 현탁액에서 시간에 따른 산란광 의 세기를 측정하는 것입니다. 이러한 산란광의 세기 변동을 분석하면 입도를 알 수 있는 확산 계수를 결정할 수 있으며 스토크 아인슈타인 방정식 (Stokes- Einstein equation) 을 통해 이 계수로 부터 입도를 구할 수 있습니다.
본 응용 노트에서는 동적 광산란을 사용한 콜로이드 금의 크기 특성규명법과 전자 현미경 기법으로 얻어진 결과와의 차이에 대해 살펴볼 것입니다.
본 Application note 에서의 모든 측정은 Zetasizer Nano S 를 이용하여 25°C 에서 실시하였습니다 . Nano S 에는 633nm 의 파장을 가진 4mW He-Ne 레이저와 Avalanche 포토다이오드 (APD) 검출기가 들어 있으며, 산란된 광은 173° 의 각도에서 검출됩니다.
그림 3 은 Nano S 로 측정한 콜로이드 금 용액의 Intensity 입도 분포를 보여줍니다. 이 그림은 다양한 크기군(X 축)의 입자에 의해 산란되는 빛(Y 축)의 상대적 비율을 보여줍니다. 이렇게 구해진 입도 분포는 평균이 각각 13.6nm 과 339nm 인두 Peak 를 갖습니다. 이 Peak 의 Intensity, Volume, Number 에 대한 분석 결과는 표 1 에 나와 있습니다.
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| Peak 1 | Peak 2 | |||
|---|---|---|---|---|
| Mean (nm) | % | Mean (nm) | % | |
| 강도 | 13.6 | 11 | 339 | 89 |
| 부피 | 13.0 | 91 | 363 | 9 |
| 수 | 12.4 | 100 | - | - |
측정한 Intensity 입도분포는시료에 존재하는 응집 입자가 상당히 많다는 것을 의미합니다. 그러나 이 입도 분포를 토대로 부피 (또는 질량 또는 무게)(그림 4)로 변환하면 저 농도로 응집 입자가 존재함을 알 수 있습니다. Intensity 결과를 Volume 으로 변환할 때 Mie 이론을 사용하는데 이때 입자의 굴절률(n)과 흡광도 (k) 값이 필요로 합니다. 여기에서는 각 각 0.2(n)와 3.32(k)를 사용하였습니다 [9]. 구해진 Volume 입도 분포는 질량을 기준으로 시료의 90% 이상이 약 13nm 정도의 작은 입자로 구성되어 있음을 보여줍니다.
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이 결과를 그림 5 에 나오는 Number 입도로 변환하면 평균이 12.4nm 인 단일 Peak 를 얻습니다 . 이 결과를 통해 이 시료의 특성을 전자 현미경 같은 Number 방식을 사용하여 규명할 경우 눈으로 볼 수 있는 입자의 대부분은 작은 입자라는 것을 알 수 있습니다. 큰 입자의 존재는 충분한 수를 계산한 경우에만 볼 수 있을 것입니다. Number 기반에서는 이 시료의 응집 입자가 매우 적지만 이러한 입자가 상당량의 빛을 산란하므로 Intensity 입도 peak 의 대부분을 차지합니다(그림 3). 따라서 이러한 시료는 동적 광산란법과 전자 현미경법으로 분석할 경우 상당히 다른 결과가 나올 수 있습니다.
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만약 그림 2 에 나오는 시료를 동적 광산란법으로 측정할 경우 다양한 입자(단일 입자 , 두 입자의 응집 , 세 입자의 응집 등 )의 분석은 매우 어려울 것입니다. 이와 같이 동적 광산란법은 세 가지 크기를 지닌 시료에 대한 분석법으로서는 권장할 만한 분석법은 아닙니다.
따라서 단일 입자와 2, 3 또는 4 개 입자로 구성된 응집 입자의 혼합물은 빛의 대부분을 산란시키는 큰 입자의 영향을 받아 넓은 범위의 단일 peak 가 나타날 것입니다 . z-평균 직경과 분산도 값은 응집 입자의 존재에 민감합니다. z-평균 직경은 평균 Hydrodynamic 직경이고 분산도값은 분포 폭의 추정치입니다. 이 두 값은 모두 동적 광산란에 관한 국제 표준, ISO13321 에 따라 계산합니다[10].
동적 광산란법은 콜로이드 금의 크기 결정에 적합한 방법입니다 . 이 방법은 응집 입자의 존재에 매우 민감하여 , z평균 직경과 분산도를 시료 균일성 결정의 방법으로 사용할 수 있습니다 .
단일 분산 시료의 경우 동적 광산란법 .과 전자 현미경법으로 얻은 결과는 매우 근접해야 합니다 그러나 다분산 시료의 경우 큰 입자에 의한 산란으로 인해 동적 광산란법이 전자현미경법 보다 큰 입도 결과를 얻습니다 .
[1] M.A. Hayat (1989) Colloidal Gold: Principles, Methods and Applications, Academic Press, New York.
[2] K. Miura and B. Tamamushi (1953) J. Electron Microscopy 1, 36-39.
[3] M. Horisberger and M.F. Clerc (1985) Histochem and Cell Biol. 82, 219-223.
[4] A. Csaki, R. Möller and W. Fritzsche (2002) Expert Rev. Mol. Diagn. 2, 89-94.
[5] R. Tanaka, T. Yuhi, N. Nagatani, T. Endo, K. Kerman, Y. Takamura and E. Tamiya (2006) Anal. Bioanal. Chem 385, 1414-1420.
[6] T. Sato and H. Ahmed (1997) Applied Phys. Letters 70, 2759-2761.
[7] A.N. Shipway, E. Katz and I. Willner (2000) 1, 18-52.
[8] P. Mulvaney, M. Giersig and A. Henglein (1992) J. Phys. Chem. 96, 10419- 10424.
[9] L. G. Shulz (1954) J. Opt. Soc. Am. 44, 357-362 and 362-368.
[10] International Standard 22412:2008 Particle size analysis - Dynamic light scattering (DLS)
