기액반응에서 형성된 탄산칼슘 결정의 다형성에 미치는 Aspartic acid와 Lysine의 영향 Effect of Aspartic Acid and Lysine on Polymorphism of Calcium Carbonate Crystal Formed by Gas-Liquid Reaction원문보기
탄산칼슘의 Biomineralization 반응을 수행하기 위해 aspartic acid와 lysine을 $CaCl_2$ 용액에 첨가하여 기-액 반응으로 염화칼슘과 $NH_4HCO_3$을 사용하여 탄산칼슘결정화 실험을 하였다. 결정화 반응시간, aspartic acid와 lysine의 첨가양, $CaCl_2$의 양, $NH_4HCO_3$의 양을 변경하여 탄산칼슘 결정의 다형체인 calcite와 vaterite의 비를 조사하였다. 결정 분석을 수행하기 위해 FT-IR spectrometer(model IR Prestige-21, Shimadzu, Kyoto, Japan) 장치를 사용하였고 FT-IR 스펙트럼으로 calcite와 vaterite 결정을 확인하였다. $CaCl_2$의 양을 변경하였을 때, $NH_4HCO_3$ 10 g에서 0.15 M의 $CaCl_2$ 농도 전후에서 vaterite 결정의 증가가 감소로 변하다가 0.20M에서는 다시 증가하여 0.25 M에서 가장 많은 vaterite 결정이 관찰되었다. $NH_4HCO_3$ 20 g에서는 0.10 M의 $CaCl_2$를 전환점으로 하여 vaterite 결정이 증가에서 감소추세를 보이다가 0.25M에서 다시 증가하는 것으로 나타났다. 첨가제로 lysine을 이용하였을 때는 반응시간이 2일을 기점으로 vaterite양의 증가가 감소로 변하였고 aspartic acid를 첨가하였을 때는 반대의 경향을 보였다.
탄산칼슘의 Biomineralization 반응을 수행하기 위해 aspartic acid와 lysine을 $CaCl_2$ 용액에 첨가하여 기-액 반응으로 염화칼슘과 $NH_4HCO_3$을 사용하여 탄산칼슘 결정화 실험을 하였다. 결정화 반응시간, aspartic acid와 lysine의 첨가양, $CaCl_2$의 양, $NH_4HCO_3$의 양을 변경하여 탄산칼슘 결정의 다형체인 calcite와 vaterite의 비를 조사하였다. 결정 분석을 수행하기 위해 FT-IR spectrometer(model IR Prestige-21, Shimadzu, Kyoto, Japan) 장치를 사용하였고 FT-IR 스펙트럼으로 calcite와 vaterite 결정을 확인하였다. $CaCl_2$의 양을 변경하였을 때, $NH_4HCO_3$ 10 g에서 0.15 M의 $CaCl_2$ 농도 전후에서 vaterite 결정의 증가가 감소로 변하다가 0.20M에서는 다시 증가하여 0.25 M에서 가장 많은 vaterite 결정이 관찰되었다. $NH_4HCO_3$ 20 g에서는 0.10 M의 $CaCl_2$를 전환점으로 하여 vaterite 결정이 증가에서 감소추세를 보이다가 0.25M에서 다시 증가하는 것으로 나타났다. 첨가제로 lysine을 이용하였을 때는 반응시간이 2일을 기점으로 vaterite양의 증가가 감소로 변하였고 aspartic acid를 첨가하였을 때는 반대의 경향을 보였다.
Crystallization of calcium carbonate were performed by adding aspartic acid and lysine into $CaCl_2$ solution for understanding biomineralization in gas-liquid reaction of $NH_4HCO_3$ and $CaCl_2$. Proportion between calcite and vaterite of calcium carbonate crystals...
Crystallization of calcium carbonate were performed by adding aspartic acid and lysine into $CaCl_2$ solution for understanding biomineralization in gas-liquid reaction of $NH_4HCO_3$ and $CaCl_2$. Proportion between calcite and vaterite of calcium carbonate crystals was identified by changing conditions such as reaction time, addition amount of aspartic acid, lysine, $CaCl_2$, and $NH_4HCO_3$. FT-IR(Fourier Transform Infrared spectroscopy) instrument was used to perform analysis of vaterite ratio. Under the condition of $NH_4HCO_3$ 10 g and no additive, an increase of vaterite crystal changed to a decrease around 0.15 M $CaCl_2$. Then it largely increased at 0.25 M $CaCl_2$, after vaterite proportion was rising again at 0.20 M $CaCl_2$. In contrast to that, vaterite crystal continuously decreased to 0.2 M $CaCl_2$, and increased from 0.25 M $CaCl_2$ with 20 g $NH_4HCO_3$. Vaterite crystals were observed to be a maximum after 2days with lysine addition, but $CaCO_3$ vaterite crystals showed minimum with aspartic acid.
Crystallization of calcium carbonate were performed by adding aspartic acid and lysine into $CaCl_2$ solution for understanding biomineralization in gas-liquid reaction of $NH_4HCO_3$ and $CaCl_2$. Proportion between calcite and vaterite of calcium carbonate crystals was identified by changing conditions such as reaction time, addition amount of aspartic acid, lysine, $CaCl_2$, and $NH_4HCO_3$. FT-IR(Fourier Transform Infrared spectroscopy) instrument was used to perform analysis of vaterite ratio. Under the condition of $NH_4HCO_3$ 10 g and no additive, an increase of vaterite crystal changed to a decrease around 0.15 M $CaCl_2$. Then it largely increased at 0.25 M $CaCl_2$, after vaterite proportion was rising again at 0.20 M $CaCl_2$. In contrast to that, vaterite crystal continuously decreased to 0.2 M $CaCl_2$, and increased from 0.25 M $CaCl_2$ with 20 g $NH_4HCO_3$. Vaterite crystals were observed to be a maximum after 2days with lysine addition, but $CaCO_3$ vaterite crystals showed minimum with aspartic acid.
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문제 정의
본 연구에서는 lysozyme의 주성분인 lysine을 첨가하여 aspartic acid와의 차이점을 탄산칼슘 결정의 형태 및 반응 시간에 따른 결정의 분포 변화로 조사하고자 하였다. 반응 시간, 용액의 농도, 첨가제의 종류와 그 양의 변화에 따른 탄산칼슘 결정의 변화를 연구하였다.
제안 방법
이는 NH4HCO3 의 농도가 커짐으로써 저농도의 CaCl2로도 많evaterite를 얻을 수 있다는 것을 의미한다. Fig. 3은 Table 1의 1~12까지의 실험을 FT-IR로 분석한 것으로 calcite와 vaterite 피크 면적의 무게를 측정하여 NH4HCO3가 10 g 또는 20 g일 때 CaCl2가 0.05 M에서 0.30 M로 변함에 따라 결정 형태 분포의 변화를 확인하고자 하였다. Calcite와 vaterite 피크의 상대적인 비율을 계산하기 위해 식 (1)을 사용하였다.
05 M씩 변화를 주었다. NH4HCO3 를 데시케이터 안에 고체 상태로 용기에 10g 또는 20 g으로 변화시키고 그에 따른 결정의 형성 차이를 관찰하였다. 첨가제가 사용된 실험 에서는 CaCl2를 0.
45 gm 막 필터를 사용하고 진공펌프를 이용하여 용액으로부터 결정을 여과하고 분리된 결정을 오븐에 넣어 50 oC로 건조시켰다. 건조된 결정을 분쇄하여 KBr과 섞어 탄산칼슘 분석시료를 제조하였다. Table 1에 반응 조건 변화를 정리하였다.
Table 1에 반응 조건 변화를 정리하였다. 그리고 탄산칼슘 결정에서 vaterite의 분율을 관찰하기 위해 FT-IR 상의 calcite 와 vaterite의 스펙트럼 피크의 종이 무게를 측정하여 상대적인 비율을 계산하였다. 비율 계산 방법은 다음의 방정식에서 나타내었다.
분포 변화로 조사하고자 하였다. 반응 시간, 용액의 농도, 첨가제의 종류와 그 양의 변화에 따른 탄산칼슘 결정의 변화를 연구하였다. 여러가지 반응 조건에서 분광학적 분석 방법으로 퓨리에 변환 적외선 분광광도계 (FT-IR)를 사용하였다.
Shimadzu, Kyoto, Japan)올 사용하여 분석하였다. 순수한 KBr 에 1%의 탄산칼슘 파우다를 혼합한 후 압축기를 사용하여 만든 탄산칼슘 펠렛트를 제조하고 스펙트럼 측정을 하였다. 측정 범위는 4000~600 cm-1 이었고, 스펙트럼을 분석하여 748 cm-1 를 vaterite 특성 피크, 711 cm-1 를 calcite 특성피크로 파악하였다[11].
45 Mm 여과막을 사용하였다. 시약의 무게 측정용으로 Adventurer사의 저울을 사용했으며, 결정의 여과를 위해 Gast 사의 진공펌프를 사용하였다.
실험은 실온에서 첨가제로 lysine 과 aspartic acid를 사용하거나 사용하지 않은 군으로 나누어 실험했다. 첨가제가 사용되지 않은 조건에서 CaCl2 농도는 0.
NH4HCO3 를 데시케이터 안에 고체 상태로 용기에 10g 또는 20 g으로 변화시키고 그에 따른 결정의 형성 차이를 관찰하였다. 첨가제가 사용된 실험 에서는 CaCl2를 0.2 M로 고정 하고, lysine과 aspartic acid를 각각 0.1 M 씩 둘로 나누어 3일 동안 10 g 또는 20 g 의 NH4HCO3 존재 하에서 실험하였다.
순수한 KBr 에 1%의 탄산칼슘 파우다를 혼합한 후 압축기를 사용하여 만든 탄산칼슘 펠렛트를 제조하고 스펙트럼 측정을 하였다. 측정 범위는 4000~600 cm-1 이었고, 스펙트럼을 분석하여 748 cm-1 를 vaterite 특성 피크, 711 cm-1 를 calcite 특성피크로 파악하였다[11].
퓨리에 변환 적외선 분석기 FT-IR spectrometer(model IR Prestige-21, Shimadzu, Kyoto, Japan)올 사용하여 분석하였다. 순수한 KBr 에 1%의 탄산칼슘 파우다를 혼합한 후 압축기를 사용하여 만든 탄산칼슘 펠렛트를 제조하고 스펙트럼 측정을 하였다.
대상 데이터
0%, ammonium bicarbonate) 이 사용했다. CaCl2 용액을 제조하기 위해 직경 11 cm, 높이 14 cm 인 1 1.용량의 유리 용기를 사용했으며 반응 용액의 혼합을 위해 직경이 3 cm 인 교반날개를 사용했다. 기액반응을 위해 CaCl2를 담는 용기로 패트리접시((주)두우너메디텍, 55x12 mm)를 사용했고 기-액 반응기로는 Fig.
결정화 시약으로 염화칼슘(동양화학, 85.0% CaCl2), 아스파르트산 (Fluka, Switzerland, 99.0%, aspartic acid), 라이신((주)동양화학, lysine), 중탄산암모늄 (Sigma, 99.0%, ammonium bicarbonate) 이 사용했다. CaCl2 용액을 제조하기 위해 직경 11 cm, 높이 14 cm 인 1 1.
용량의 유리 용기를 사용했으며 반응 용액의 혼합을 위해 직경이 3 cm 인 교반날개를 사용했다. 기액반응을 위해 CaCl2를 담는 용기로 패트리접시((주)두우너메디텍, 55x12 mm)를 사용했고 기-액 반응기로는 Fig. 1과 같이 데시케이터(Bel-art products, USA, 30x40x20 cm) 를 사용하였다. 생성된 결정을 여과하기 위해 Gelman Sciences 사의직경 47 mm의 0.
1과 같이 데시케이터(Bel-art products, USA, 30x40x20 cm) 를 사용하였다. 생성된 결정을 여과하기 위해 Gelman Sciences 사의직경 47 mm의 0.45 Mm 여과막을 사용하였다. 시약의 무게 측정용으로 Adventurer사의 저울을 사용했으며, 결정의 여과를 위해 Gast 사의 진공펌프를 사용하였다.
이론/모형
반응 시간, 용액의 농도, 첨가제의 종류와 그 양의 변화에 따른 탄산칼슘 결정의 변화를 연구하였다. 여러가지 반응 조건에서 분광학적 분석 방법으로 퓨리에 변환 적외선 분광광도계 (FT-IR)를 사용하였다.
성능/효과
이 결과에서는 calcite의 피크를 거의 찾아 볼 수 없으며 vaterite의 피크만을 관찰할 수 있음을 알 수 있다. 1일 후 가장 높은 vaterite의 피크를 확인할 수 있으며 반응시간이 길어짐에 따라 vaterite의 피크가 낮아짐과 동시에 calcite의 피크가 미세하게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. NH4HCO3를 20 g으로 사용하여 Fig.
NH4HCO3 가 20 g 일 때 10 g일 때보다 vaterite의형성이 유리하다. Calcite와 vaterite 결정의 피크 면적 비로 나타냈을 때, NH4HCO3가 10 g일 때는 CaCl2 농도가 낮을수록 vaterite 분율이 높게 나타났으며, NH4HCO3가 20 g 일 때는 CaCl2 농도가 높을수록 vaterite 분율이 높게 나타났다.
NH4HCO3가 10 g 일 때는 1일에서 90%의 vaterite 비율을 보였고 3 일에서 95%까지 서서히 증가함을 나타냈으며, NH4HCO3가 20 g 일 때는 1일에서 85%를 나타냈고 서서히 증가하여 2일에서 95%를 최대로 하여 서서히 감소함을 나타내었다. ACC가 많이 생성되는 후자의 경우 vaterite가 빨리 생성되고 calcite로 전이되므로 2일 후비율이 감소함으로 사료된다.
첨가제로 lysime을 사용하였을 때 vaterite의 형성이 잘 되었고 lysine을 첨가제로 사용하였을 때 vaterite가 calcite로 빨리 전이됨을 관찰하였다. Vaterite가 열역학적으로 calcite 에 비해 불안정한 중간체의 성격을 가지므로 lysine보다 aspartic acid가 카르복실기가많고 vaterite의 안정성을 도와준다고 생각된다.
참고문헌 (11)
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