결정성 시험법을 알아보자(Crystallinity)

결정성 시험법을 알아보자(Crystallinity)

결정성 시험법의 정의와 활용, 다양한 시험방법과 기기까지 알아봅시다.

결정성 시험법에 대하여 대한민국약전에서는 아래와 같이 간단히 서술하고 있습니다.

약전 일반시험법 내 결정성 시험법

약전에서는 편광현미경을 사용하여 결정성을 확인하는데요. 검체가 결정성이 있다면 복굴절과 소광현상을 나타냅니다.
복굴절은 물질을 통과하는 빛의 편광과 진행 방향에 따라 굴절률이 달라지는 현상을 말하며,
소광현상은 편광현미경의 교차편광하에 검체가 검게 보이는 현상을 뜻합니다.

결정성 시험방법은 주로 물질의 구조와 특성을 이해하기 위해 실시하는 결정 구조 분석 시험입니다. 물질이 결정(결정체)인지, 또는 비결정(비결정질)인지 확인하고, 결정이라면 그 결정 구조가 어떤 형태인지를 파악하는 것이 중요합니다. 결정성을 확인하는 이유는 물질의 결정 구조가 물질의 물리적, 화학적 특성에 크게 영향을 미치기 때문입니다.

미국약전에서의 결정성

미국약전에서도 결정성을 찾아봤는데요.
결정성 시험이 필요한 의약품에 대하여 모노그래프 상에서 아래와 같이 표시되어 있습니다.

USP <695>를 보면 아래처럼 상세내용을 광학 현미경 <776>을 참고하라고 나와있죠.

빨간색 줄로 표시한 광학현미경 <776> 내용을 보면 대한민국약전과 동일하게 복굴절(birefrigence), 소광현상(extiction position)을 확인할 수 있다고 나옵니다.

결국 대한민국약전과 미국약전의 결정성(Crystallinity)은 동일하다고 할 수 있습니다.

결정성 시험법 활용

(Chat gpt 활용)

1. 물질의 특성 이해: 결정성과 비결정성은 물질의 강도, 경도, 녹는점, 용해성 등에 영향을 줍니다. 예를 들어, 결정성 물질은 규칙적인 구조를 가져 특정한 물리적 특성을 보이며, 비결정성 물질은 무질서한 구조를 가지므로 물질의 특성이 불균일할 수 있습니다.

2. 제품의 품질 관리: 의약품, 화학물질, 반도체 등 다양한 산업에서 결정성을 분석하여 원하는 품질 기준을 만족하는지 확인하고 최종 제품의 성능을 보장합니다.

3. 재료 개발: 신소재나 나노물질 개발 과정에서 결정성을 파악하여 재료의 효율적 특성 및 응용 가능성을 평가합니다.

결정성 시험 기기 및 장단점

약전에서는 편광현미경에 대해서만 얘기하고 있지만, 실제 아래와 같이 다양한 시험기기로 결정성을 확인할 수 있습니다.

1. X-선 회절 분석 (X-Ray Diffraction, XRD)

• 원리: X-선을 시료에 투사하여 시료의 원자 배열에 따른 회절 패턴을 분석합니다. 결정 구조가 있는 물질은 특정 각도에서 강한 회절 피크를 나타내는 반면, 비결정성 물질은 분산된 패턴을 보입니다.
강한 회절 피크는 특정 세타값으로 표현합니다.
• 장점: 결정의 크기, 구조, 격자상수 등 구체적인 정보를 얻을 수 있습니다.
• 단점: 복잡한 장비가 필요하고, 분석 준비 과정이 다소 까다로울 수 있습니다.

2. 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)

• 원리: 전자빔을 시료에 쏘아 결정 표면의 미세구조를 관찰합니다. 주로 표면의 결정 크기와 모양을 확인하는 데 사용됩니다. 직접 이미지를 보는 방법입니다
• 장점: 고해상도의 표면 이미지 획득이 가능하여, 결정의 형상과 배열을 시각적으로 확인할 수 있습니다.
• 단점: 높은 진공 상태가 필요하고 시료의 전처리가 필요할 수 있습니다.

3. 열 분석법 (Thermal Analysis)

• 종류: 대표적인 방법으로 열중량 분석(TGA), 차분 열분석(DTA), 및 시차 주사열량계(DSC) 등이 있습니다.
• 원리: 온도 변화에 따른 물질의 물리적 또는 화학적 변화를 측정합니다. 결정성 물질과 비결정성 물질은 녹는점, 열 용량 등에서 차이를 보이므로 이를 통해 결정성을 확인할 수 있습니다.
• 장점: 물질의 열적 특성 파악이 용이합니다.
• 단점: 다양한 장비가 필요하고, 분석 시간이 다소 걸릴 수 있습니다.

4. 적외선 분광법 (Infrared Spectroscopy, IR)

• 원리: 물질에 적외선을 쏘아 특정 파장에서 흡수되는 스펙트럼을 분석합니다. 결합 상태와 배열에 따라 흡수 파장이 다르므로 결정성과 비결정성을 구별할 수 있습니다.
• 장점: 상대적으로 간단하고 빠른 분석이 가능.
• 단점: 다른 화합물이 혼재한 시료에서는 해석이 어려울 수 있습니다.

결정성 시험 사용기기들

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1. 편광현미경(Polarization microscope)

편광 현미경 MT9430L 메이지 테크노 - ASKINDEX 코리아

2. X-선 회절 분석 (X-Ray Diffraction, XRD)

X선분석장치(XRD) D8 DISCOVER 부르카 - ASKINDEX 코리아

3. 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)

전자현미경(SEM) VE-7800 Keyence - ASKINDEX 코리아

4. 적외선 분광기 (Infrared Spectroscopy, IR)

적외 분광 광도계(푸리에 변환) IRAffinity-1 시마즈 제작소 - ASKINDEX 코리아

결정성 시험법을 마치며

약전에서의 결정성은 편광현미경으로 복굴절과 소광현상을 관찰하는 것으로 비교적 단순하게 확인하지만, 다양한 분석기기들로 결정성을 확인할 수 있습니다.
제약 쪽에서는 실제 데이터 제출이 필요할 때는 편광현미경보다는 X선 회절분석을 통해서 특정 세타값에서 피크를 나타내는 그래프로 시험결과로 확인하고 있습니다. 이상 결정성 시험법에 대해 알아봤습니다. 읽어주셔서 감사합니다.