제타 전위는 입자간의 척력 또는 인력의 정도에 대한 측정치이며 양조, 요업, 제약, 수처리 등 다양한 산업에서 중요하게 간주되는 매개변수이다. 그러나 제타 전위 측정은 복잡할 수 있으며, 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해서는 어느 정도의 전문성이 필요하다. alvern Instru ments는 새로운 Zetasizer Nano 시리즈를 통해 제타 전위 측정을 단순화 할 뿐만 아니라 M3 PALS라는 새로운 측정기술을 활용하여 측정의 정확성을 향상시켰다.
확산의 제타 전위를 파악하면 확산의 정전기 상호작용을 제어할 수 있으며, 이에 따라 유제 또는 확산의 안정성을 제어할 수 있다. 이는 효능, 저장 수명, 제품 성능에 매우 중요할 수 있다.
지난 20년 동안 제타 전위의 중요성에 대한 인식이 증가함에 따라, 활용 가능한 기술과 기기는 크게 향상되어 왔다. 그러나 기기의 사용 용이성과 시스템 자체 내 시료의 교차오염 등 몇 가지 문제가 남아있다.
Zetasizer Nano 시스템은 이러한 문제를 해결하기 위해, M3 PALS 기술을 이용해서 제타 전위를 측정한다. 이는 특허기술인 혼합 모드 측정(M3) 기법과 확립된 위상 분석 광산란(PALS)을 결합한 차세대 기법이다. 이러한 기법들의 결합은 측정을 보다 정확하고 간소하게 해주며 교차오염을 제거하는 세계 최초의 제타전위 측정용 일회용 셀의 개발을 가능하게 한다.
PALS는 레이저 도플러 유속계(LDV)의 이형이다. LDV는 전위가 적용되는 상태에서 고전적인 전기영동 셀을 활용하며, 셀 내에서 이동하는 입자에 의해 발생하는 빛의 주파수 변경에 따른 입자 운동성을 측정한다. 측정된 운동성은 확립된 이론을 활용하여 제타 전위로 변환된다. 이 기법은 전도성이 큰 시료에 대하여 열적 문제를 초래할 수 있는 큰 전기장의 적용을 요구한다.
PALS는 광산란 단계에 포함된 정보를 사용하여 주파수 변경을 결정하기 때문에 훨씬 더 민감한 기법이다. 이 방법은 광학적 설정은 LDV 방법과 동일한 것을 사용하지만 신호 처리 방법은 다른 방법을 사용한다. 측정된 위상 전환은 입자의 위치 변경에 직접적으로 비례한다. 위상을 이용하면 주파수 분석 보다 약 수 천 배 더 큰 분해능의 식별이 가능하다.
PALS 기법은 원래 전기영동 운동성이 수중 매체 내에서 일반적인 수준인 10-8 m2/sV 보다 작은 경우에 운동성이 낮은 시료에 대한 측정 민감성 향상을 위해 개발됐다. 이 기법은 일반적으로 단순한 평행 평판 전극들을 통틀어 사인파형 전기장을 사용하여 적용되며, 줄(Joule) 가열때문에 온도 안정성을 달성하기 어려운 경우에는 전기영동 운동성과 열요동을 구분하는 능력이 특히 유용하다.
M3는 모세관 셀 내에서 전기영동을 활용하여 제타 전위를 측정하는 비교적 새로운 기법이다. 이는 고정층에서의 최고 측정 능력(아래에 설명됨)과 최근 제시된 급속자장역전(FFR: Fast field reversal) 기법(아래에 설명됨)을 결합함 으로써 전례없이 높은 정확성과 분해 능을 가능케 한다.
전기장의 영향을 받을 경우, 관성이 매우 낮은 초미세 입자들은 마이크로초에 종단 속도에 도달한다. 실제 속도는 입자에 관련된 전하(제타 전위), 매체의 점도, 적용되는 전기장에 따라 결정된다.
모세관 셀은 최고의 분해능을 가능하게 하는 것으로 증명되었기 때문에 마이크로 전기영동을 위해 가장 많이 선택된다. 러나 모세관 셀 벽이 전하를 갖고 있는 경우 이것은 벽에 제타 전위를 발생시킬 수 있으며, 모세관을 통틀어 전위가 적용될 때 소위 전기삼투라는 효과를 초래한다. 이 효과는 셀 벽을 따라 액체가 흘러가게 하며, 양 끝부분이 닫힌 모세관에서 액체는 셀 중앙을 따라 되돌아 온다. 제타 전위에서 도출되는 정확한 입자 운동성은 고정층에서 측정되는데, 이 측정점은 셀 벽을 따라 흐르는 유체 유동이 셀 중앙에서 순환류를 상쇄하는 지점이다. (그림 1).
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이 층의 위치를 정확하게 파악해야 하며 셀은 깨끗해야 한다. 그러나 전기삼투가 회피되어야 한다면 셀 내 어떤 지점에서 측정하는 운동성이든 정확한 값이며, 이에 따라 측정을 위해 단일지점을 정밀하게 파악해야 할 필요가 줄어든다.
일반적인 마이크로 전기영동에서, 교질 입자들은 모세관 내의 액체의 경우에 비해 전기장이 이용될 때 훨씬 더 빠르게 반응한다. 그러므로, 전기삼투를 억압할 만큼 충분히 높은 주파수를 통해 교류 전기장을 적용할 수 있는 한편, 입자들은 직류가 적용될 때와 동일한 속도로 전기장을 따라 이동할 것이다. 이는 급속자장역전(FFR) 기법이며 모세관 셀 내의 어떤 위치에서라도 제타 전위 측정이 가능함을 의미 한다(그림 2).
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이 FFR 기법은 전기장의 짧은 적용에 따라 측정 기간이 매우 짧으므로 분포에 대한 정보의 질이 떨어진다는 단점이 있는데, M3 기법은 이러한 문제를 해결했다.
M3는 각각의 제타 전위 결정을 위한 2개의 측정으로 구성된다.하나는 적용되는 전기장의 역전이 느린 것 이고 다른 하나는 적용되는 전기장의 역전이 빠른 것이다. 이는 적합한 설정이 M3 시퀀스의 한 부분으로 계산되므로 운용자는 측정을 위한 매개변수를 더 이상 선택할 필요가 없음을 의미한다. 측정의 FFR 부분을 통해 평균값을 정확하게 파악할 수 있고 전기장이 느리게 적용되는 경우 두 방법의 가장 좋은 장점을 결합함 으로써 분포 정보를 확보할 수 있다.
강력한 장점을 가진 M3-PALS는 예컨대 안정성 시험을 위한 약제학적 제제의 측정 등에 관련된 장기적인 비교연구를 위해 이상적이다. 분해능 향상은 진단 키트를 위해 코팅된 격자 등 부분적으로 코팅된 물질과 완전히 코팅된 물질의 혼합물이 용해되도록 해준다. 뿐만 아니라, 유전자 치료 연구를 위한 DNA 및 리포솜 등 제타 전위가 다양한 재료들 간의 상호 작용을 파악하기 위해 고 분해능 모드를 활용할 수 있다.
M3-PALS의 실제적인 이득은 운동성이 높거나 낮은 시료들의 제타 전위의 정확한 측정을 위한 전략 수립을 가능케 하는 점이다. 매체의 낮은 유전상수, 시료의 높은 점도 또는 높은 확산 전도성으로 인해 운동성이 낮을 수 있다. 결과는 표준 PALS 측정에 따른 단순한 평균값 보다는 분포로서 구해진다. 이에 따라 사용자 는 ‘해당 최고 평균값의 실제적 변화’와 ‘다른 제타 전위에서 모집단 형태에 따른 변화’를 구별할 수 있다.
M3-PALS 기술을 이용하면 완전 일회용의 제타 전위 측정 셀을 개발할 수 있다(그림 3).
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셀 내의 측정 위치는 더 이상 절대적 으로 중요하지 않으므로, 단일 측정실 로 주조된 접힌 모세관과 금도금 전극 으로 구성된 독특한 일회용 폴리 카보네이트 셀을 제조할 수 있다. 셀은 반복적으로 사용하거나 1회 사용 후 폐기할 수 있으며, 이 측정 시스템 내의 단순한 제타 전위 측정 개념의 중심 이다.
M3및 PALS 기술의 결합은 차세대 제타 전위 측정 방법이다. 이 기법은 교차오염을 제거할 뿐만 아니라 최소한의 훈련만을 받은 작동자들도 다양한 적용에 대하여 정확하고 반복 가능한 측정을 할 수 있게 해준다.
