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동아대 기기분석 기말 레포트(d,f 전자전이, 열역학 법칙, 선택인자와 머무름인자, 확산법칙, 머무름인자)

기기분석 기말고사 레포트 1. d,f 전자 전이. 금속계열의 전자전이 형태(p355~359/구 323-325 신) 교과서 참고하여 요약 2. 열역학의 4가지 법칙 및 엔탈피 엔트로피의 개념을 조사 하시오. 5번 슬라이드에 결과에 해당하는 용어의 정의 조사하시오 3. 선택인자와 머무름인자의 분리개선에의 사용법(교과서 26D항, 685-687 정리) 4-1.fick 의 확산 제1법칙 제 2법칙의 수식의 의미 4-2. Fick의 확산 법칙수식의 의미 5. 컬럼 성능의 최적화(교과서 26D항, 683-687 정리 자필만 인정) 1. d,f 전자 전이. 금속계열의 전자전이 형태 *전자 전이 :원자 또는 분자가 외부에서 빛 에너지를 흡수 분자운동 ( 전자 전이 및 진동, 회전, 병진 ) 바닥 상태에 있는 원자나 분자는 그 종류에 따라 특정 파장의 자외 및 가시선을 흡수하며 전자전이를 일으키면서 흡수 스펙 트럼을 나타낸다. *d 및 f전자 전이 : 대부분의 전이금속이온은 자외선 또는 가시선영역에서 흡수가 일어난다. 이들이 란탄족과 악티늄족계열은 4f와 5f전자의 전이로서 흡광이 일어난다. 첫째와 둘째 전이금속계열 원소는 3d와 4d전자의 전이로서 흡광이 일어난다. *금속 계열의 전자전이 형태 1. 금속 이온의 전이 ( 전이 금속의 d- 오비탈 내의 전이 ) 대부분 라포테 금지 전이, 흡수 강도가 낮다 전이 금속 착 화합물의 전자구조 규명 2. 리간드 내에서의 전이 ( 금속 착화합물과 리간드 분자 내에서의 전이 ) 리간드 : 대부분 유기화합물, 발색단을 가짐 3. 전하이동 전이 ( 금속이온과 리간드 간의 전하 이동 ) 완전히 허용된 전이, 몰 흡수율이 큼 미량인 경우도 검출 -금속 착물에서, 중심 금속 원자와 배위원자 간의 결합에 포함되는 공유성의 정도를 그 금속 원자의 전자구름의 확산과 관계가 있다. 이 때의 순서는 전이금속 원소의 d전자의 상호 반발을 자유 이온에 대해 착물을 형성하였을 때의 비 β(배위자장 흡수대의 해석에 의해 경험적으로 구할 수 있다)에 의해 배열한다다섯 개의 d궤도함수를 갖는데, 각각의 d궤도함수는 한쌍의 전자를 수용할 수 있따. 전이금속의 스펙트럼 특성은 이들 에너지 준위가 서로 다른 d궤도함수 사이에 일어나는 전자전이에 근거를 두고 있다는 것이 확실하다. 전이금속 이온의 색깔과 이 색깔에 미치는 화학적 환경의 중대한 영향을 합리적으로 설명하는데 두 가지 이론이 개발되었다. (결정장 이론, 분자궤도함수이론) 이들 두 이론은 모두 용액 중에 있는 전이금속이온의 d궤도함수 에너지가 서로 같지 않고 복사선의 흡수는 보다 낮은 에너지 준위의 d궤도함수에서 높은 에너지 준위의 상태로 전자전이가 일어난다는 전제에 바탕을 두고 있다. 외부에서 전기장 또는 자기장이 작용하지 않는 경우에 다섯 개의 d 궤도함수 에너지는 같고 이 경우에 한 궤도함수로부터 다른 궤도함수로 전자가 이동할 때 복사선을 흡수할 필요는 없다. 그러나 한편 용액 중에서 이 금속이온과 물 또는 몇 가지 다른 리간드 사이에서 착물 생성이 일어나는 경우에는 d 궤도함수 에너지에서 분리가 일어난다. 이 경우에 주게물질의 전자쌍과 중심금속이온의 여러 d궤도함수에 있는 전자 사이에 정전기적 반발력 차로 인하여 에너지 분리가 생긴다. 이러한 현상을 이해하려면 여러 가지 궤도 함수에 있는 전자의 공간분포를 고려하여야 한다. *출처 및 참고문헌 [네이버 지식백과] 전자구름 팽창계열 [電子雲膨脹系列, nephelauxetic series] (화학용어사전, 2011. 1. 15., 화학용어사전편찬회, 윤창주) 2. 열역학의 4가지 법칙 및 엔탈피 엔트로피의 개념을 조사 하시오. 5번 슬라이드에 결과에 해당하는 용어의 정의 조사하시오 1.열역학의 제 1법칙: 에너지 보존의 법칙 고립계의 에너지 총합은 일정하다. 에너지는 전환되거나 이동하는 것이지 사라지지 않는다. ΔUint?=Q?W dU=δQ?δW Uint?는 계(혹은 간단히 기체)의 내부(internal) 에너지를 뜻한다. Q는 계(기체)가 흡수한 열을 나타내며, 방출할 경우 음수로 나타낸다. W는 계가 한 일을 는 것은 불가능하다. 계의 일부에서 엔트로피를 낮추는 것은 가능하지만, 그것은 계의 일부에만 해당되며 전체적으로는 결국 엔트로피가 증가한다. 3.열역학 제3법칙: 네른스트-플랑크 정리 절대영도에서 엔트로피는 상수 즉 일정한 값이 된다. 엔트로피는 절대영도에 가까워질수록 변화량이 0에 수렴하며, 엔트로피 자체도 절대영도에서 완전한 결정상태의 엔트로피는 0J/K이다. 다만 자연현상에선 절대영도는 현실적으로 불가능하고 0K으로 수렴할 뿐이다. 즉 수학적으로 치면 무한소라고 보면 된다. 발터 네른스트와 막스 플랑크가 정립하였다. 열역학 제3법칙에 위배되는 영구기관을 제3종 영구기관이라고 부른다. 4,열역학 제4법칙: 온사게르 상반정리 Ju=Luu?∇(1/T)?Luρ?∇(μ/T) ?Jρ??=Lρu?∇(1/T)?Lρρ?∇(μ/T)? 고온에서 저온으로 열이 흐르듯, 고압에서 저압으로 밀도가 흐르는데, 반대로 압력이 똑같을때 온도 차이로 인해 밀도가 흐르고, 온도가 똑같을때 압력차이로 인해 열이 흐르는게 관찰되며, 압력 차이당 열흐름량과 온도 차이당 밀도흐름량이 동일하다. 한편, 하워드 오덤(Howard T. Odum)은 열역학 제4법칙으로 로트카의 원리(Lotka's principle)를 제안했다. 또한, 니콜라스 죠르제스크-레겐(Nicholas_Georgescu-Roegen)은 열역학 제4법칙으로 "물질의 완전한 재활용은 불가능하다."를 규정한적이 있었으나, 이는 열역학 법칙에 대한 무지로부터 비롯됐다. 열역학 제4법칙에 위배되는 영구기관을 제4종 영구기관이라고 부른다. *출처 및 참고문헌 -네이버 사전[열역학 법칙] *용어정리* 1.상전이 : 물질이 온도, 압력, 외부 자기장 등 일정한 외적 조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상으로 바뀌는 현상이다. 2.융해: 고체상태의 물질이 에너지를 흡수하여 액체로 상태변화가 일어나는 일. 3.승화: 고체에 열을 가하면 액체가 되는 일이 없이 곧바로 기체로 변하는 현상. 얼음이 증발하는 경우나 드라이아이스 따위에서 볼 수 있 전자를 상실하여 구성하는 원자의 산화수가 높아지는 것을 말한다. 7.표면 녹슴 :　쇠붙이의 표면이 산화하여 빛이 변하다. 8.연소 :　물질이 빛이나 열 또는 불꽃을 내면서 빠르게 산소와 결합하는 반응이다. 물질이 완전히 연소할 때 발생하는 열을 연소열이라고 하며 대부분의 연소반응은 발열반응이다. 9．volatilization : 휘발 , 액체가 상온에서 증발하는 현상을 말한다. 또 휘발유(가솔린)를 생략해서 말하는 때도 있다. 10. heterogeneous catalysis : 불균일 촉매작용, 촉매작용은 촉매(catalyst)와 시약(reagent)이 서로 다른 상에 속할 경우 불균일(heterogeneous)하다고 한다. 11. addition : 화학반응에서 한 물질에 추가되어 생성물이 되는 것. 12. double decomposition : 복분해, 두 종류의 화합물이 반응할 때 그들의 성분이 교환되어 새로운 두 종류의 화합물이 생기는 반응으로 화학친화력이 강한 것끼리 결합하여 열역학적으로 안정된 상태가 되려하기 때문에 발생한다. 표백제인 아염소산나트륨을 생성하는 데 쓰인 *출처 및 참고문헌 -네이버 사전. 3. 선택인자와 머무름인자의 분리개선에의 사용법(교과서 26D항, 685-687 정리) 크로마토그래피 분리법에서 이동속도를 변화시키기 위해서는 선택인자와 머무름인자에 영향을 주는 변수들을 바꾸어 주면 변화된다. 머무름 인자 k는 관에서 용질의 이동속도를 비교하기 위해 사용되는 실험값이다. 머무름인자 (retention factor) 또는 용량인자(capacity factor)는 컬럼에서 용질이 이동하는 속도를 설명하는데 사용되는 중요한 변수다. 머무름 인자 (retention factor : k) 또는 상대적인 머무름 인자는 컬럼 부피에 대한 성분의 머무름 시간의 비로 표현한다. 머무름인자가 중요한 이유는 관의 모양이나 부피흐름속도에 이 값이 무관하기 때문이다. 주어진 용질, 이동상, 고정상에서 어느 이동상내서 작동되는 어떤 모양의 관도 같은 름 인자의 변화 : 가끔 머무름 인자 kB를 잘 조절하면 분리를 크게 개선시킬 수 있다. kB를 증가시키면 일반적으로 분리능이 높아진다.( 그러나 용리시간은 길어진다.) 기체 이동상 - 종종 k는 온도를 증가시켜 개선 액체 이동상 ? 용매의 조성을 변화시켜 k를 조절 *선택인자의 변화 : 정지상의 화학조성을 바꾸어 k의 최적범위를 1~10으로 유지시키면서 알파를 조절한다. 시료 중의 한 가지 또는 그 이상의 성분과 착물을 만들거나 상호 작용하는 화학종을 정지상에다 섞어준다. ( ex) 은이온과 유기 불포화 화합물 사이에서 착물이 형성된다는 사실을 이용하여 은염이 함유된 흡착제를 이용하여 올레핀을 분리한다.) 4-1. fick의 확산 제1법칙 제 2법칙의 수식의 의미 4-2 fick의 확산법칙 수식의 의미. fick의 확산 법칙은 입자의 퍼짐에 관해 독일 물리학자 픽(A. E. Fick, 1829-1901)이 세운 법칙이다. 확산유량이 입자 농도의 기울기에 비례한다는 것이 픽의 제1법칙으로, 1 차원에서 (는 확산유량, 는 위치에 따른 농도, 는 확산 계수)로 주어진다. 픽의 제1법칙과 연속방정식을 결합하면 픽의 제2법칙 을 얻을 수 있다. 픽의 확산법칙에 따라 입자들은 농도가 높은 영역에서 낮은 영역으로 퍼진다. 1. Fick의 확산 제 1법칙 (1). 지면에 수직한 두 평행한 원자면들간에 용질원자농도의 차이에 의해 x방향으로 용질원자가 확산될 경우 면 1의 용질원자농도 C1과 면 2의 원자농도 C2가 시간에 따라 변하지 않을 경우 정상상태조건(Steay state condition)이라 하며 이경우의 확산을 정상상태 확산이라 함 (2). 이런 형태의 확산은 금속박판을 통한 비반응기체가 확산할 때 발생하며 이 경우 원자들의 흐름 혹은 유속(Flux)은 다음 식으로 표현될 수 있다. J = -D { dC} over { dx} J = 유속, 또는 원자의 순흐름( atoms/m2?s) D = 확산도(diffusity) 또는 확산계수(원자전도도),m2/s { dC} } )

공학/기술| 2022.12.24| 10페이지| 3,000원| 조회(432)

기기분석, 동아대, 열역학 법칙, 확산법칙, 전자전이, 머무름인자, 선택인자, 컬럼성..

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동아대 기기분석 중간레포트(액체의 용해도, 형광과 인광, 양자 운동에너지, 가을 하늘이 파랗게...)

기기분석 중간고사 레포트 1. 액체의 용해도 및 농도 관련 있는 다음 용어들에 대한 조사. (몰농도, 몰랄농도, 노르말농도, pph, ppt, ppm, ppb) 2.형광과 인광에 대하여 조사하고 이들의 차이점에 대하여 토론 하시오. 또한, 형광분석법과 인광분석법의 유사점 및 차이점에 대하여 조사하시오. 3.양자가 가지는 운동에너지란 무엇인가? 일반적인 에너지 개념과 어떻게 다른지 토론하시오. 4.그리스 문자 및 희랍문자 읽는 법 조사하기. 5.가을 하늘이 파랗게 보이는 이유와 아침/저녁에 하늘이 붉게 보이는 이유를 설명하시오. 6.Compton Effect에 대하여 조사하시오. 7.CSI에서 단골로 등장하는 루미놀시약(화학발광) 검사법에 대한 조사. 단, 기기분석의 어떤 분야와 관계 하는가에 대한 논점이 들어가야 하며 사용하는 광원이 어떤 것이고, 발광빛은 어떤 파장이 검출되는지 등이 조사되어야 한다. 8.Buffer란 무엇이고, 어떤 것들이 있는가? pH Indicator란? 9.발색단을 이용한 단백질 농도 측정법: Lowry Assay 1. 액체의 용해도 및 농도 관련 있는 다음 용어들에 대한 조사. (몰농도, 몰랄농도, 노르말농도, pph, ppt, ppm, ppb) 1.몰농도(molarity) : 용액 1리터 속에 녹아 있는 용질의 양을 몰로 나타낸 것이다. 실제 용액은 온도에 따라 부피가 변화 할 수 있기 때문에 온도보정인자를 도입하거나, 몰랄농도처럼 온도와 무관한 척도를 사용하는 것이 더 정확한 결과를 얻을 수 있다. 몰농도의 SI단위는 mol/m3이지만, 대체적으로 mol/L(=mol/dm3)을 더 많이 사용한다. 2.몰랄농도(molality) : 용매 1kg당 녹아있는 용질의 양을 말한다. 부피는 온도에 따라서 변하기 때문에, 몰농도를 측정하는 것이 어렵다. 따라서 몰랄농도는 어는점 내림, 끓는점 오름 등에 사용된다. 3. 노르말농도 (normality) : 용액 1리터 당의 당량수를 말한다. 1N(노르말농도)는 용액1리터에 1당량의 용질이 있다 광이성질화(구조 변화) 하게 된다. 나머지 분자는 흡수된 빛 에너지를 열에너지로 내어놓으면서 다시 바닥상태로 가게 된다. 어떤 분자들은 빛을 내면서 바닥상태로 돌아가게 되는데, 이것을 ‘형광’ 이라 한다. 형광은 흡수된 빛에너지보다 약간 작은 에너지를 가진 빛으로 나오게 된다. ( 즉, 형광의 파장은 흡수된 파장보다 약간 길다. E = h c/λ ) ‘형광’의 성질을 이용해서 위조지폐나 문서를 감식하는 데에도 이용한다. ②인광(phosphorescence) : 인광은 형광(fluorescence)과 마찬가지로 빛(가시광선이나 자외선)을 흡수하여 들뜬 상태가 된 물질이 다시 에너지를 빛(광자)으로 방출하면서 바닥 상태로 돌아가는 광발광(photoluminescence)의 한 형태이다. 인광이 방출되려면 먼저 분자가 빛을 흡수하여 들뜬 전자 상태로 전이해야 한다. 대부분 분자의 바닥 전자 상태의 스핀 상태는 단일항이고, 따라서 들뜬 전자 상태도 단일항이다. 이 단일항 들뜬 상태에서 진동 이완등을 통해 일부 진동 에너지를 잃으며 이완된다. 여기까지는 형광을 방출하는 과정과 같다 (그림 참고). 인광은 형광에 비해 오랜 시간동안 빛을 내는데, 그 이유가 바로 앞에서 말한 것과 같이 들뜬상태에서 바로 바닥상태로 가지 않고, 중간에 준안정상태를 거쳐서 에너지를 잃기 때문이다. 또한 인광은 주로 고체에서 발생하고, 액체에서는 거의 발생하지 않는다. 그 이유 또한 앞에서 말한 것 과 같이 들뜬상태에서 머무는 시간이 길기 때문에 액체상태에서는 다른 분자와 충돌하여 에너지를 넘겨주기 때문이다. ③형광분석법(fluorescence analysis) : 형광분석법은 분광학의 한 분야로, 특정 샘플(sample)에서 발광하는 빛을 이용, 즉 ‘형광’을 이용한 분석법이다. 샘플을 적당한 시약으로 처리한 후, 자외선으로 조사시켜 얻은 형광의 강도를 측정하여 샘플의 미량원소 함유량을 판정한다. 일반적으로 자외선흡광분석법에 비해 형광분석법이 보다 고감도, 보다 선택성에 뛰어난 분석법이라 mv ^{2} =h nu -W=h( nu - nu _{0} )즉, 진동수가 nu 인 빛을 금속에 조사하면, 전자는 E _{k}의 운동에너지로 튀어나오게 된다. 입자의 위치와 운동량 모두를 정확하게는 알 수 없다. 하이젠베르크의 ‘불확정성원리’에 따르면, 하이젠베르크의 불확정성원리라고도 한다. 고전역학에 의하면 전자의 위치와 운동량은 전자가 어떤 상태에 있든지 항상 동시 측정이 가능하다고 생각했다. 그 물리량의 측정값이 불확정하다는 것은 측정기술이 불충분하기 때문인 것으로 여겼다. 그러나 양자역학의 입장에서는 입자의 위치 x와 운동량 p는 동시에 확정된 값을 가질 수 없고, 쌍방의 불확정성 Δx와 Δp가 ΔxΔp ≥ ħ/2 = h/4π (ħ는 디렉상수, h는 플랑크상수)에 의해 서로 제약되어, 입자의 위치를 정하려고 하면 운동량이 확정되지 않고, 운동량을 정확히 측정하려 하면 위치가 불확정해진다. *출처 [네이버 지식백과] 광자 [네이버 지식백과] 불확정성원리 [uncertainty principle, 不確定性原理] (두산백과 두피디아, 두산백과) 4.그리스 문자 및 희랍문자 읽는 법 조사하기. BC 1000년경에 완성된 것으로 보며, 처음에는 다소의 차이는 있었지만, 동(東)그리스문자(이오니아문자)와 서(西)그리스문자를 BC 4세기에 이오니아문자로 통일시켰다. 이오니아의 알파벳은 24개의 문자로 구성되며, 그리스문자가 페니키아문자와 다른 것은 모음을 표현하는 문자가 있다는 것이다. 오늘날에는 현재 그리스어를 쓰는 데 사용된다. 수학이나 물리학 등에서 그리스 문자를 기호로 사용하고 있다. *출처:[네이버 지식백과] 그리스문자 [Greek alphabet] (두산백과 두피디아, 두산백과) 5.가을 하늘이 파랗게 보이는 이유와 아침/저녁에 하늘이 붉게 보이는 이유를 설명하시오. 공기의 주 성분으로는 파장보다 작은 물질들이 많이 존재한다. 질소분자, 산소분자, 미량의 연기 입자 등이 있다. 대기중에서는 레일라 산란이 일어난다. 레일라 산란이란 공기 중에 먼지와 같은. 광양자설에 따르면 빛은 입자성을 가지고 전자와 충돌하여 운동량과 에너지를 전달한다고 할 수 있다. 에너지는 파장에 반비례하므로, 전자에 에너지를 전달했던 광자의 충돌후 파장은 길어진다. 콤프턴(A. Compton: 1892-1962)이 1923년 실험하였다. 광양자설에 따르면 빛은 입자로 볼 수 있으며, 전자와 충돌하여 산란된다. 이를 콤프턴 산란(Compton scattering)이라고 한다. 광자가 가지고 있는 에너지는 전자의 결합에너지보다 훨씬 크므로 이 실험은 거의 정지해 있는 전자를 산란시킨 실험이라고 해석할 수 있다. 이 현상을 발견한 콤프턴의 이름을 땄다. 빛을 전자에 산란시키면 빛의 파장이 변한다. 빛의 입자성을 가지고 파장의 변화를 설명할 수 있다. *출처: [네이버 지식백과] 콤프턴효과 [Compton effect] (물리학백과) 7.CSI에서 단골로 등장하는 루미놀시약(화학발광) 검사법에 대한 조사. 단, 기기분석의 어떤 분야와 관계 하는가에 대한 논점이 들어가야 하며 사용하는 광원이 어떤 것이고, 발광빛은 어떤 파장이 검출되는지 등이 조사되어야 한다. 루미로 검사법은 루미놀(3-아미노프탈산히드라지드)의 알칼리 용액과 과산화수소수의 혼합액에 헤민을 작용시키면 강렬한 화학발광(化學發光)을 나타내는데 이 반응을 이용하는 것이다. 시약으로는 루미놀 0.1g, 탄산나트륨무수물 5.0g, 30% 과산화수소수 15.0mℓ, 증류수 100mℓ 또는 루미놀 0.1g, 0.5% 과산화나트륨수 100mℓ가 쓰인다. 루미놀시약 검사방법은 기기분석의 화학발광법에 속한다. 화학발광법은 빠른 반응속도와 넓은 응용범위를 가지고 있고, 특히 외부 광원의 조사가 없이 화학반응에 의해서 에너지를 얻어, 들뜬 상태에서 안정화된 상태로 가는 과정에서 빛을 내는 원리를 사용한다. 때문에 ‘단색화장치’가 필요하지 않아 비교적 간단한 기기로 측정이 가능하다. 광원으로는 혈액 속의 헤모글로빈, 구리, 녹 등이 있다. 루미놀은 철과 구리가 함유된 화합물, 표백제, 고추냉이, 분변 산화제인 촉매로 사용된다. 혈흔 감식에 쓰일 때에는 헤모글로빈안에 포함된 철 이온이 촉매로 사용된다. 위의 반응에서, 루미놀이 수산화나트륨 용액의 수산화이온(-OH)과 반응하면서, 2가 음이온(Dianion)이 형성된다. 또한 과산화수소에서는 산소가 발생하고 루미놀 이온과 반응하게 된다. 이 반응의 생성물인 3-aminophthalate은 질소가 빠짐으로써 만들어지는데, 이러한 3-aminophthalate는 매우 불안정한 상태에 있습니다(Instable peroxidation). 이때 전자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 전이되면서 에너지를 방출하게 되고(Dicarboxylate-Dianion, 들뜬삼중항상태에서 들뜬단일항상태로 전이), 이 에너지의 방출이 빛을 내며 파란색(425nm)으로 발광하게 된다(Dicarboxylate-Dianion, 바닥상태로 전이) *출처 [네이버 지식백과] 루미놀시험 [luminol test] (두산백과 두피디아, 두산백과) 화학발광(chemiluminescence)|작성자 applepo 8.Buffer란 무엇이고, 어떤 것들이 있는가? pH Indicator란? buffer란 완충액이라고도 하며, 가장 큰 특징은 외부로부터 약간의 산이나 염기가 첨가되어도 크게 영향을 받지 않고 수소이온 농도를 일정하게 유지하는 용액이다. 실험의 방법에 따라 여러 종류의 buffer를 제작하여 사용한다. 주로 약산과 그 산의 염 수용액 또는 약염기와 그 염기의 염 수용액으로 구성되어 있다. 대표적인 완충용액으로는 ADA (N-(2-acetamido)-2-iminodiacetic acid), Cacodylic acid, Bicine (N,N-bis(2-hydroxyethyl)glycine), Tricine (N-tris(hydroxymethyl)methylglycine)등이 있다. pH Indicator는 pH를 측정할 때 쓰는 지시약이다. 수소이온의 농도변화에 따라 각각 다르색을 띠는 염료이다. 지시약은 그 자체가 약산 또는 약염기이고, 이온이있다.

공학/기술| 2022.12.22| 11페이지| 3,500원| 조회(285)

기기분석, 동아대, 희랍문자, 컴프턴 효과, 양자의 운동에너지, 로우리 에세이

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프리마이크로바이옴, 프로마이크로바이옴, 포스트마이크로바이옴의 장단점 평가A+최고예요

프리마이크로바이옴, 포스트마이크로바이옴, 프로마이크로바이옴에 대해 설명하고, 각각의 장단점을 기술하시오. 마이크로바이옴이란 인체에 서식하는 "미생물의 유전정보 전체”나 “미생물 자체”를 일컫는 용어이다. 마이크로바이옴은 유익균과 유해균이 생성되는 원리와 질병간의 연관성 등을 분석할 수 있어 신약 개발 및 불치병 치료법 연구에 폭넓게 활용될 수 있는 분야다. 또한 마이크로바이옴은 식품, 화장품, 치료제 개발에 쓰일 수 있다. 마이크로바이옴에는 ‘프리마이크로바이옴’, ‘포스트마이크로바이옴’, ‘프로마이크로바이옴’이 있다. ‘프리마이크로바이옴’은 인체에 유익한 균인 프로마이크로바이옴을 활성화하는 동시에 나쁜 유해균을 억제하는 성분으로, 프로마이크로바이옴이 잘 자랄 수 있도록 장내 환경을 조성하는 역할을 한다. 즉, 프리마이크로바이옴는 우리 몸에 유익한 역할을 하는 미생물인 프로마이크로바이옴의 먹이 역할을 한다. 결장에 있는 박테리아의 수를 한정하며 선택적으로 박테리아의 성장을 자극하여 인체에 유리한 영향을 주는 물질로 인체 내에서 소화되지 않는 소당류로 구성되어 있다. 프리마이크로바이옴은 항암작용, 항균작용, Hypolipidemic 및 포도당 변조를 일으키는 활동을 한다. 또한 항골다공증 활동을 가지고 있으며 무기질의 흡수와 균형을 개선하는 활동을 하고 결장에서 식품 안에 들어있는 칼슘과 무기질의 흡수를 증가시킨다. 마이크로바이옴은 변비와 간 뇌질환의 약제로서 사용되며, 염증성 장질환을 개선하고 장에 기생하는 병원균에 대항하여 보호작용을 하며 당뇨병에도 약간의 이익이 있다는 보고가 있었다. 인간의 장은 자체적으로 프로마이크로바이옴을 생성할 수 있지만 생성량이 부족한 경우가 많다. 따라서 프로마이크로바이옴 생성을 위해서는 프로마이크로바이옴이 분해하고 에너지원으로 활용할 먹이가 필요한데, 이 먹이 역할을 하는 것이 ‘프리마이크로바이옴’다. 프리마이크로바이옴은 프로마이크로바이옴이 산성이 강한 위를 통과해 장으로 향하는 과정에 있어 큰 역할을 한다. 즉, 프리마이크로바이론 유해균까지 감소시킨다. 다만 장내 환경이 좋지 않을 경우 프로마이크로바이옴을 많이 먹어도 유익균 증식이 잘 되지 않는다. 따라서 프로마이크로바이옴과 프리마이크로바이옴을 함께 섭취하면 프로마이크로바이옴이 장에 도달할 수 있어 효과적이다. 프리마이크로바이옴은 설사, 변비 완화 효과는 물론 ‘비만 세균'이라고 불리는 퍼미큐티스 억제에 효과가 있다고 알려져 있다. 식이섬유가 풍부한 채소, 과일, 발효식품 등에 많이 함유돼 있다. ’포스트마이크로바이옴‘은 현재 4세대 유산균이라고 불리고 있다. 기존의 프로마이크로바이옴은 생균의 효능만 중시하는 경향이 있었지만, 포스트마이크로바이옴은 거기에서 그치지 않고 미생물의 대사산물인 사균체 역시 체내 건강에 도움을 준다는 다양한 연구 결과가 발표되면서 출시된 제품이다. 포스트마이크로바이옴은 유해균을 직접 사멸시켜 장내 환경을 유익균에 유리한 상태로 만들어주며 위산과 담즙산에 의해 사멸하지 않기 때문에 약의 효능을 체감하기에 더 좋다. 이를 통해 인체의 면역력을 높여주고 활성 영양소를 제공하며 건강함을 유지 할 수 있게 한다. 살아있는 균인 프로마이크로바이옴과는 달리 사균 혹은 세균의 대사물질 등을 포함하는 의미의 용어로 지금까지 postbiotics, paraprobiotics, non-viable probiotics, heat-killed probiotics, tyndalized probiotics 등이 다양하게 사용돼 왔기에 연구자들마저도 혼란스러웠다. 올해 ISAPP의 전문가들이 모여 이 개념에 대해 논의한 결과 '포스트마이크로바이옴'이 가장 적절한 용어라고 판단해 선택하였으며, 네이처에 출간한 논문에서 포스트마이크로바이옴을 “복용 시 숙주에게 건강이익을 주는 생명력이 없는 미생물 혹은 그 미생물의 구성 성분을 포함하는 제형”이라고 정의했다. 기존의 postbiotics는 프로마이크로바이옴 대사산물이라는 의미로 더 자주 사용돼왔고 사균체에 대해서는 paraprobiotics라는 용어가 사용됐는데, 이를 하나의 용어로 통일을 가져오는 기전을 살펴보면 프로마이크로바이옴과 크게 다르지 않다(그림 1). 이미 기존 프로마이크로바이옴도 단쇄지방산 생산이나 대사 기능, 호르몬 분비, 위장관 상피세포벽 기능 강화, 면역반응 조절 등이 기전으로 제시됐기 때문이다. 물론 포스트마이크로바이옴에서는 세포벽의 peptidoglycan이나 특정 단백질 또는 효소와 같이 좀 더 구체적인 작용기전 물질이 강조된다. 이런 기전적인 측면보다는 살아있는 균인 프로마이크로바이옴이 가지는 제한점을 살아있지 않다는 특성으로 극복할 수 있는 것이 포스트마이크로바이옴이 주목받는 이유라고 할 수 있다. 프로마이크로바이옴의 가장 큰 문제는 생산 시점부터 유통기한까지 살아있는 균의 수(CFU)가 일정하게 유지되지 않고 계속 감소한다는 것인데 심한 경우 몇 배의 차이가 나기도 한다. 이로 인해 프로마이크로바이옴의 효과가 어느 용량에서 나타나는지 말하기 어렵고 임상연구 과정에서 특히 문제가 된다. 또한 드물기는 하지만 살아있는 균이기 때문에 균혈증 같은 안전성 문제가 제기될 수 있다. 반면 사균인 포스트마이크로바이옴은 처음 제조시 투입 용량이 일정하게 유지되고 감염의 문제가 없어 일관적인 효과를 얻을 수 있으며 보다 안전한 사용이 가능하다. 포스트마이크로바이옴이 가지는 또 하나의 장점이자 특징은 사균화 방식에 따라 프로마이크로바이옴이 가지는 건강이익을 더 강화시킬 수 있다는 점이다. 그 대표적인 예로 차세대 프로마이크로바이옴으로 주목받고 있는 Akkermanisa muciniphila를 들 수 있다. A. muciniphila는 인슐린 저항성을 개선시키거나 콜레스테롤을 낮추는 대사질환 개선 기능을 나타내는데, 이 과정에 세포외막 단백질인 Amuc_1100이 중요한 역할을 한다. 이 단백질의 효과를 증명했던 2016년 동물실험에서 생균과 대조군으로 오토클레이브로 만든 사균을 사용해 생균이 효과적임을 확인했다. 그런데 우연하게도 고열 사균화가 아닌 70℃에서 30분간 노출시킨 저온살균(pasteurization)으로 만든 사균이의 효과가 우월함이 증명됐다(그림 2). 즉, 무조건 사균화시킨다고 해서 포스트마이크로바이옴이라 할 수 없고 효과가 증명돼야 한다. 사균화 방식에 따라 효과 유무와 정도가 결정될 수 있기 때문에 같은 균이더라도 어떤 방법이 사용됐는지, 그리고 그 방식의 사균화가 어떤 효과가 있었는지 등에 대한 정보를 알 수 있어야 한다. ’프로마이크로바이옴‘은 위산에 의해 사멸하는 비율이 높다는 단점이 있다. 체내에 들어가서 건강에 좋은 효과를 주는 살아있는 균을 말한다. 현재까지 알려진 대부분의 프로마이크로바이옴은 유산균들이며 일부 Bacillus 등을 포함하고 있다. 러시아의 과학자 Elie Mechinikoff가 불가리아 사람들이 장수를 누리는 이유가 Lactobacillus로 발효된 발효유의 섭취 때문이라는 것을 밝혀내어 노벨상을 받은 이래로 유산균, 프로마이크로바이옴의 기능성은 오랫동안 연구되어 오고 있다(Mercenier 등, 2003). 유산균을 비롯한 세균들이 프로마이크로바이옴으로 인정받기 위해서는 위산과 담즙산에서 살아남아 소장까지 도달하여 장에서 증식하고 정착하여야 하며 장관 내에서 유용한 효과를 나타내어야 하고 독성이 없으며 비병원성이어야 한다. 프로마이크로바이옴은 섭취되어 장에 도달하였을 때에 장내 환경에 유익한 작용을 하는 균주를 말한다. 즉, 장에 도달하여 장 점막에서 생육할 수 있게 된 프로마이크로바이옴은 젖산을 생성하여 장내 환경을 산성으로 만든다. 산성 환경에서 견디지 못하는 유해균들은 그 수가 감소하게 되고 산성에서 생육이 잘 되는 유익균들은 더욱 증식하게 되어 장내 환경을 건강하게 만들어 주게 되는 것이다(Ouwehand 등, 2002). 사람의 장에는 약 1㎏의 균이 서식하고 있으며 음식물의 양과 균의 양이 거의 동일하게 존재하고, 매일 배설하는 분변 내용물도 수분을 제외하면 약 40%를 균이 차지한다(Berg 등, 1996). 사람의 분변을 현미경으로 관찰하면 거의 균 덩어리로 이루어져 있음을 알 수 있으며 이들 균의 99% 정도는 혐기성으나 나이가 들면서 점차 Bifidobacterium은 감소하고 장내 유해균은 증가하게 된다(Homma 등, 1998). 이러한 정상적인 노화 과정에서 장내 균총의 분포를 건강한 상태로 유지하도록 도와주는 것이 프로마이크로바이옴의 기능이다. 유익한 유산균의 증식과 유해균의 생장 억제가 배변활동에 도움이 될 것이라는 것은 충분히 예측이 가능하다. 그러나, 실제 이에 대한 문헌은 유산균 섭취와 장내 균총의 관계에 대한 문헌만큼 많지 않다. Marteau 등(2002)은 인체적용연구에서 Bifidobacteria를 분말 혹은 발효유의 형태로 1일 108~1010 CFU 섭취시켰을 때 배변시간의 변화를 측정한 결과, 대조군과 비교하여 배변시간이 짧아짐을 확인하였다. 프로마이크로바이옴의 단점도 주목되고 있다. 와이즈만 연구소의 면역학자 에란 엘리나브(Eran Elinav) 박사는 첫 번째 논문에서 “그동안 수차례 이어진 임상실험을 통해 프로마이크로바이옴의 장내 활동을 관찰해온 결과, 많은 사람들의 소화기관에서 프로마이크로바이옴의 활동을 억제하고 있다는 사실을 확인했다”고 밝혔다. 프로마이크로바이옴으로 유입으로 인해 장내 미생물 간의 경쟁이 치열해지면서 장내 세균 활동이 크게 위축되고 있다는 사실도 발견됐다. 엘리나브 박사는 “항생제 유입 시 소멸된 장내 세균이 다시 살아나야 하는데 프로마이크로바이옴으로 인해 그렇지 못했다”며 부작용을 우려했다. *출처 및 참고문헌 -네이버 지식백과 [한경경제용어사전, 마이크로바이옴 Microbiome ] -[네이버 지식백과] 프리바이오틱스 (시사상식사전, pmg 지식엔진연구소) -[네이버 지식백과] 프리바이오틱스 [Prebiotics] (두산백과 두피디아, 두산백과) -새로운 유행처럼 등장한 '포스트바이오틱스', 프로바이오틱스와 어떻게 다를까 [칼럼] 김용성 원광의대 소화기질환연구소 교수·것앤푸드헬스케어 CMO - 헬스컨슈머(http://www.healthumer.com) , 남정원 약사 -[네이버 지식백과] 프로바이오틱스 (건강기능식

자연과학| 2022.12.22| 5페이지| 1,500원| 조회(239)

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