pH 측정 및 완충액 조제를 위한 물

섹션 개요

• pH를 측정하는 이유는 무엇인가?
• 수질이 pH 측정 및 완충액 조제에
  미치는 영향
• 초순수의 pH는 얼마인가?
• 실험: 완충액 희석이 pH 측정에 미치는 영향
• pH 측정 및 완충액 조성을 위한 실험실용 수처리 솔루션
• 관련 제품

pH를 측정하는 이유는 무엇인가?

pH 측정은 실험실과 산업 현장에서 가장 널리 수행되는 시험 중 하나입니다. 이는 많은 물리적 특성과 화학적·생물학적 과정이 용액의 산도 및 염기도에 좌우되며, 이를 pH로 측정하기 때문입니다. 다음은 모두 pH의 영향을 받는 요소들입니다:

• 많은 화학 물질의 용해도
• 약물 분자의 생체 이용률
• 화학 반응 속도
• 생물의 생리화학 

pH 측정은 매우 흔한 일이라서, 우리가 사용하는 거의 모든 것—샴푸와 비누, 수돗물, 먹고 마시는 모든 것, 의약품 등—은 한 번쯤 pH 검사를 거쳤습니다. 

pH는 어떻게 측정할까요?

pH 측정기는 pH를 측정하는 가장 정확한 방법입니다. pH 측정은 두 전극 사이의 전위차에 기초하며, 그중 하나는 기준 전극입니다. 특정 pH 값 근처에서 색이 변하는 물질인 pH 지시약을 사용하면 대략적인 pH 값을 알 수 있습니다. 범용 지시약도 사용할 수 있습니다. 이는 약 pH 2부터 pH 10까지 연속적인 색상 변화를 보이도록 여러 지시약이 혼합된 것입니다. pH 값은 비색 측정을 통해 반정량적으로 측정됩니다. ‘pH 종이’ 또는 ‘pH 테스트 스트립’, ‘pH 지시약 스트립’은 특수 지시약 염료가 공유 결합된 셀룰로오스 스트립입니다.

수질이 pH 측정 및 완충액 조제에 미치는 영향

완충액은 소량의 산이나 염기를 첨가한 후에도 pH를 일정하게 유지하는 용액입니다. pH는 많은 화학 및 효소 반응의 속도에 영향을 미치기 때문에 완충액은 실험실에서 널리 사용됩니다. 

pH 측정에 사용되는 완충액과 용액은 물에 용해된 고체 시약이나 물로 희석할 수 있는 미리 제조된 농축 용액으로 조제됩니다. 이러한 용액을 조제하는 데 사용되는 물은 순수해야 하며, 상당한 농도의 산이나 염기가 포함되어 있지 않아야 하고, 용액의 pH를 변화시킬 수 있는 물질이 없어야 합니다.

물 속의 오염 물질이 pH에 미치는 영향

이온: 암모늄이나 탄산염과 같은 이온에 의한 상당한 오염은 용액의 수소 이온 농도를 변화시켜 pH 측정값을 부정확하게 만들 수 있습니다. 특정 이온 강도를 가진 완충 용액을 제조할 때, 모든 이온이 고농도로 존재하면 용액의 이온 강도가 변하게 됩니다. 따라서 이온 농도가 낮은 물을 선택하는 것이 가장 좋으며, 저항률 > 1 MΩ·cm인 물을 사용하는 것이 권장됩니다.

유기물: 약한 유기산이나 염기로 심하게 오염된 물은 용액의 pH를 변화시킬 수 있습니다. 이러한 유기 분자의 농도를 낮게 유지하려면 물 속 유기물의 총 농도가 낮아야 합니다. 총 유기탄소(TOC)가 50 ppb 미만인 물을 선택해야 합니다.

세균: 세균은 강산이나 강염기에는 견디지 못하지만, pH 5~9 범위의 완충액에서는 증식할 수 있습니다. 또한, 세균은 세포막이 파괴되면 전하를 띤 유기물을 방출합니다. 세균 함량이 낮은 물을 사용하면 세균 및 그 부산물과 관련된 문제를 방지할 수 있습니다.

입자: pH 측정기는 입자에 그다지 민감하지는 않지만, 입자 농도가 높으면 전극 표면에 입자가 응집되어 측정 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 정수 공정 마지막 단계에서 여과 과정을 거치는 것이 권장됩니다.

물의 보관 방식이 pH 측정에 미치는 영향

물의 저장은 용액의 최종 pH에 극적인 영향을 미칠 수 있으며, 특히 용액을 조제하기 전에 순수를 저장할 때 더욱 그러합니다. 정수 후 물은 매우 순수하여 이온과 가스가 쉽게 용해될 수 있습니다. 공기 중의 이산화탄소가 물에 용해되어 중탄산염과 탄산염을 생성하면, 저장된 순수는 사실상 탄산염 완충 용액이 됩니다. 이러한 탄산염 용액을 미리 조제한 완충액이나 분말과 혼합하면 예상과 다른 pH가 나타날 가능성이 높습니다.

또한, 저장된 물에서는 박테리아가 쉽게 번식할 수 있으며, 물과 용액/완충액을 저장하는 용기 내에 생물막을 형성하게 됩니다. 따라서 완충액을 조제하고 보관하는 데 사용하는 병은 매번 사용 후 철저히 세척할 것을 강력히 권장합니다.

초순수의 pH는 얼마인가?

초순수의 이론적 pH는 6.998입니다(그림 1).^¹⁻² 그러나 pH 측정기의 전극을 물에 담그기만 해서는 초순수의 pH를 측정할 수 없습니다. 초순수는 순도가 매우 높기 때문에 이온 함량이 극히 적고 완충 능력이 낮습니다. 따라서 시스템에서 배출된 후 pH 값이 급격히 변할 수 있습니다. 초순수를 채취하는 용기 표면의 불순물은 용해되어 pH 값을 변화시킵니다. 또한, 공기 중에 자연적으로 존재하는 이산화탄소가 물에 용해되어 중탄산염을 생성하고, pH 값을 약 5.8로 낮춥니다. 

 pH 측정기는 이온이 거의 없는 용액에서 작동하도록 설계되지 않았기 때문에, 초순수의 pH를 측정하는 데 적합하지 않아 부정확한 결과를 나타낼 수 있습니다. 일부 기업에서는 동적 작동 조건에서 초순수의 pH를 측정할 수 있는 pH 측정기를 개발하기도 했으나, 일반 연구실에서는 거의 사용되지 않습니다. 

이러한 이유로, 순도와 중성 pH를 나타내기 위해 저항률을 사용하는 것이 권장됩니다. 저항률이 높은 물(25 °C에서 18.2 MΩ·cm)은 pH가 7.0에 가깝다는 것을 보장합니다.¹  

실험: 완충액 희석이 pH 측정에 미치는 영향

역삼투압과 Elix® 전기이온제거(예: Milli-Q® IX 순수수 시스템)를 결합한 수처리 시스템에서 공급되는 순수 및 폴리싱 유닛(예: Milli-Q® IQ 7000 초순수 시스템)에서 공급되는 초순수를 사용하여 완충 용액을 조제할 수 있음을 입증하기 위해 실험을 설계하였다.¹

완충액은 종종 원액을 희석하여 조제됩니다. 본 연구에서는 인산염 및 PBS 원액을 각각 다양한 수질의 물로 10배 및 100배 희석한 후 pH를 측정했습니다. 결과(그림 2)에 따르면, 갓 생산된 순수 및 초순수는 완충액 조제 시 병에 든 증류수와 동일한 결과를 나타냈습니다. 

10배 농도의 인산염 또는 PBS 용액을 10배 희석했을 때, pH는 예상값인 7.4에 근접한 것으로 나타났다. 인산염 완충액을 물로 더 희석했을 때는 이온 강도와 완충 용량의 변화로 인해 pH가 상승했다. 각 완충액에 대해, 세 가지 유형의 물 모두에서 pH 변화는 유사한 양상을 보였다. 

온도 역시 pH 값에 영향을 미친다는 점을 명심해야 합니다. 매우 차가운 용액으로 완충 용액을 조제할 경우 pH에 0.1 정도의 차이가 발생할 수 있습니다.

pH 측정 및 완충액 조성을 위한 실험실용 용액

pH 측정을 위해서는 일반적으로 순수 또는 제2종 수질로 정의된 물을 사용하는 것이 권장됩니다. 완충 용액을 조제할 때, 사용할 수질의 선택은 완충 용액의 용도에 따라 달라집니다. 민감한 응용 분야(세포 배양, 분자 생물학 등)에 사용할 경우, 일반적으로 제1종 수질이나 초순수를 사용하는 것이 바람직합니다.

완충 용액을 제조하고 pH를 측정하는 과학자들의 요구에 맞춰 다양한 수처리 시스템 솔루션이 제공됩니다.