나노입자 추적 분석

나노입자 추적 분석 (Nanoparticle Tracking Analysis, NTA)은 액체 내 나노입자를 시각화하고 분석하는 방법으로, 브라운 운동 속도와 입자 크기 사이의 관계를 이용한다. 운동 속도는 액체의 점성도와 온도에 의존하며, 입자의 밀도나 굴절률에는 영향을 받지 않는다. NTA를 이용하면 직경이 약 10~1000 nm인 작은 입자의 크기 분포를 파악할 수 있다.

NTA는 한외현미경과 레이저를 함께 사용하여 현탁액 내의 나노입자가 브라운 운동을 하는 모습을 시각화할 수 있도록 한다. 입자에 의해 산란된 빛은 전하결합소자 또는 EMCCD 카메라를 사용하여 여러 프레임에 걸쳐 촬영한다. 그런 다음 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 각 입자의 움직임을 프레임별로 추적한다. 입자 이동 속도는 아인슈타인 관계식 (스톡스-아인슈타인 방정식)을 통해 계산하는 유체동역학과 관련이 있다. 이 기술은 입자 크기를 입자 단위로 계산하여 동적 광산란 (Dynamic Light Scattering, DLS)과 같은 기술의 고유한 약점을 극복할 수 있다. 촬영된 영상이 분석의 기반이 되므로 응집 및 용해와 같은 실시간 현상을 정확하게 특성화 할 수 있다. 시료 준비는 최소한으로만 필요하므로 각 시료를 처리하는 데 필요한 시간이 최소화된다.

NTA는 약 10~1000 nm 크기의 입자를 측정하는 데 사용된다. 가장 작은 범위의 나노입자를 찍기 위해서는 금이나 은처럼 굴절률이 높은 물질로 구성된 입자에 대해서만 가능하다. 최대 크기 한계는 큰 입자의 제한된 브라운 운동에 의해 좌우된다. 큰 입자는 매우 느리게 움직이기 때문에 분석 정확도가 떨어진다. 용매의 점성도 또한 입자의 움직임에 영향을 미치며, 특정 시스템의 최대 크기 한계를 결정하는 데 중요한 역할을 한다.

 적용 
NTA는 나노입자 독성학, 약물 전달 뿐만 아니라 엑소좀 (Exosome), 미세소포 (Microvesicle), 세균 막 소포 (Bacterial Membrane Vesicle)와 같은 세포 외 소포체 (Extracellular Vesicle, EV)분석에 사용된다. 또한 바이러스학, 백신 생산, 생태독성학, 단백질 응집, 잉크 및 안료, 나노버블 등을 연구하는 연구소에서도 사용한다.

 iNTA 
간섭계 나노입자 추적 분석 (Interferometric Nanoparticle Tracking Analysis, iNTA)은 차세대 NTA 기술이다. 이는 약한 산란체의 신호를 증폭시키는 간섭 산란 현미경 (iSCAT)을 이용해 분석한다. NTA와 달리 iNTA는 입자의 크기와 산란 단면적을 포함하는 2개의 매개변수 분석을 기반으로 우수한 해상도를 갖는다.

 동적 광산란과의 비교 
대체글=Typical image produced by NTA showing particles being tracked.|오른쪽|섬네일|NTA를 이용한 촬영 장면
동적 광산란(Dynamic Light Scattering, DLS)과 NTA는 모두 나노입자의 브라운 운동을 측정하며, 나노입자의 운동 속도 또는 확산 상수인 Dt 는 스톡스-아인슈타인 방정식을 통해 입자 크기와 관련있다.



 Dt : 확산 상수 (D : 확산 계수, t : 시간)
 Kb : 볼츠만 상수
 T : 절대 온도
 η : 점성도
 d : 나노입자의 지름

NTA에서는 나노입자의 움직임을 비디오로 분석한다. 개별 입자의 위치 변화를 2차원으로 추적하여 입자의 확산을 결정한다. 확산 상수를 알면 입자의 유체 역학적 직경을 구할 수 있다.

반면, DLS는 입자를 개별적으로 시각화하는 것이 아니라 디지털 코릴레이터 (Digital Correlator)를 사용하여 시간에 따른 산란 강도 변동을 분석한다. 이러한 변동은 시료 내 다수의 입자들의 상대적인 브라운 운동으로 인한 간섭 효과 때문에 발생한다. 결과적으로 얻어지는 지수 자기 상관 함수를 분석하여 평균 입자 크기와 다분산 지수를 계산할 수 있다. 다분산 시료에서 발생하는 다중 지수 자기상관 함수의 경우, 디컨볼루션을 통해 나노입자 크기 분포에 대한 제한적인 정보만 얻을 수 있다.

 참고 

 동적 광산란 (Dynamic Light Scattering, DLS)
 단일 입자 소멸 및 산란 (Single Particle Extinction and Scattering, SPES)

 각주 

분류:나노입자