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| Spectrophotometer |
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| 분광광도계의 원리 |
복사선의 흡수
자외선, 가시광선과 같은 복사선이 투명한 물질층을 통과하는 경우 특정 주파수의 복사선 세기가 선택적으로 감소되는 경우가 있는데, 이러한 현상을 '흡수' 라고 한다. 이때 복사선 에너지의 일부는 물질의 원자 또는 분자로 이동되고 그 결과 입자는 바닥 에너지 상태에서 높은 에너지 상태, 즉 들뜬 상태로 된다.
M + hi --> M-e
M-e = 광자에너지 hi를 흡수하여 생성된 들뜬 상태의 원자 또는 분자의 입자
들뜬 상태의 수명은 대단히 짧으므로(10-8~~10-9초) 곧 몇 단계의 이완과정을 거쳐 에너지를 잃어버리는데 가장 일반적인 이완과정은 다음과 같이 들뜬 에너지가 열로 변화되는 경우이다.
M* --> M + 열
M*의 수명은 대단히 짧기 때문에 어떤 순간에도 그 농도는 무시할 정도이며 생성된 열에너지는 일반적으로 검출할 수 없을 정도로 작다. 이완과정에서 M*가 분해되어 새로운 화학종을 생성하는 수도 있고 형광 또는 인광의 방출과정을 거치는 수도 있다.
전자전이의 종류
가시-자외선 영역의 전자전이는 분자의 최외각 전자 즉 원자가 전자가 관련되며 이러한 전자전이를 일으키는 전자 및 관련 궤도함수의 종류에 따라 다음 세 가지로 구분된다.
(1 )σ,η,π-전자전이
유기화합물의 원자내 전자는 결합에 참여하는 형태에 따라 σ-전자, η-전자, π-전자로 구별
되며, 이러한 전자전이는 전자가 결합성 궤도함수에서 반결합성 궤도함수로 이동하는 것을
의미한다. 이때 전자의 전이는 선택규칙에 의해 제한된 에너지 준위에서만 가능하게 된다.허용된 전이는 σ→σ* 전이, η→η*전이, π→η*전이가 있다.
(2) d, f-전자전이
전이 금속은 d-전자를 포함하는 주 전이원소와 f-전자를 포함하는 란탄족원소 및 악티늄족
원소로 구분된다.
(3 )전하이동전이
전하이동전이는 한 분자내에 강한 전자 주개와 전자 받개의 성질을 띤 성분이 공존할 때 나
타나며 몰 흡수율이 가장 크므로 분석에도 용이하고 정량시에도 정확한 결과를 얻을 수 있
다.
발색단
광의로는 전자전이를 일으키는 원자단을 발색단이라고 할 수 있으나, 보통 불포화 결합을 포함하는 흡광 원자단을 '발색단' 이라 한다. 유기물의 경우에 작용기, 무기물의 경우에 2원자 이상으로 된 음이온을 말하며 대부분 자외선부에서 흡수가 일어난다.
조색단
자신은 자외선부의 빛을 흡수하지 않으면서 최대흡수파장을 장파장으로 이동시키고, 띠의 세기도 증가시키는 원자단을 '조색단' 이라 한다.
분광법칙
전자 전이에 의해 일어나는 빛의 흡수 에너지는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
△E = hv = hc/λ (h:플랑크 상수, c:빛의 속도)
물질이 흡수하는 빛 에너지는 진동수나 파장 단위로 측정될 수 있으나 실제적으로는 빛의 흡수에너지, 즉 흡수파장과 흡수강도를 나타내는 흡수띠의 세기로 나타낼 수 있다. 이러한 흡수띠의 세기는 빛의 흡광도 또는 투광도로 측정되는데 이 성질은 전자전이의 특성뿐 아니라 흡수물질의 농도와도 관계가 있다. 일정한 파장의 빛이 시료 분자에 흡수될 때 고려되는 정량적 기본 법칙은 두 가지로 생각할 수 있다.
(1) Lambert법칙
액체상태의 시료를 투명한 큐벹에 담아 빛을 투과시
켜 변화된 빛에너지를 측정한다. Fig.1 과 같이 빛의
세기가 Ι인 빛이 두께가 b인 물질층을 통과할 때 빛
의 흡수로 인한 빛의 감소는 다음과 같이 수식으로
나타낼 수 있다.
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dI = -kIdb
여기에서, k는 비례 상수, -부호는 세기의 감소를 의미한다.
이 식은 다시 다음과 같이 쓸 수 있다.
dI/I = -kdb
즉, "흡수된 빛의 분율은 통과되는 물질층의 두께(b)에 비례한다."는 뜻이다.
b가 0일 때 입사광의 세기를 I0 이라고 하고 윗 식을 적분하면 다음과 같다.
log It/Ι0=-kb/2.303 |
(2) Beer법칙
Beer의 법칙은 물질의 농도와 흡수되는 빛과의 관계 법칙인데, "흡수된 빛의 분율은 물질의
농도에 비례한다."는 것이다. 같은 부피 내에서 시료 용질의 농도를 증가시키는 것은 물질
의 두께를 증가시키는 것과 같은 효과가 있다. 따라서, 윗 식의 k는 농도 C에 비례하게 되
므로, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
k/2.303=aC 여기에서 a는 새로운 비례 상수이다.
위의 두 식으로부터 Lambert-Beer 법칙의 관계식을 얻을 수 있는데,
log It/I0=abC 여기에서 It/I0를 투광도(transmittance, T)라고 하면,
log 1/T=abC 가 되는데, 보통 투광도는 %T로 나타낸다.
한편, log 1/T을 흡광도 (absorbance, A)라 한다.
따라서, 정량 분석에서 실제 응용하는 Lambert-Beer의 법칙 관계식은 다음과 같다.
A = abC 또는 A = ξbC
여기에서, b는 실제 흡수 용기(cell)의 두께이며 단위는 cm이다. a는 농도가 g/L일 때의 상
수로 흡수 계수라 하며, ξ은 농도가 mole/L일 때 의 상수로서 몰흡수 계수라 한다.
(3) 검량선(Standard Curve, Calibration curve)
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Lambert-Beer의 법칙의 관계식은 어디까지나 이상적
인 모델로부터 유도한 식이므로, 실제 시료에 대하여
이 법칙이 어느 정도 잘 맞는가를 검정해야 한다.
따라서 시료의 분석 파장을 결정한 후 그 파장을 고
정시키고, 일정한 두께의 흡수 용기를 사용하여 알고
있는 몇 가지 농도에 대해 흡광도를 측정하여 아래
그림과 같은 곡선을 얻어 Lambert-Beer의 법칙에 얼
마나 잘 맞는가를 검정한다.
이 곡선을 검량선이라 한다.
실제 정량분석에서는 이 곡선을 작성하여 시료의 농도를 결정한다. |
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| 분광광도계의 원리 |
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| 전체 구성도 |
광원(Lamp)
일반적으로 자외/가시광선 분광광도계는 자외선의 출력이 강하고 가시광선의 출력이 약 중수소램프(D2 Lamp, 190-400nm)와 가시광선의 출력이 강하고 자외선의 출력이 약한 텅 스텐 램프(W Lamp, 350-2500nm) 두 종류의 광원 램프를 사용한다.
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| 중수소 램프 |
텅스텐 램프 |
보통은 중수소 램프와 텅스텐 램프를 독립적으로 고정시키고 오목거울(Concave Mirror)을 정밀 회전시켜 원하는 파장영역에서 사용하지만, 두 램프가 일체화 되어있는 것 또는 제논
램프(Xenon Lamp, 220-700nm)등을 사용하기도 한다.
(1) 수소방전광
근적외선 파장을 공급한다.
-파장범위 : 165~375nm
-문제점 : 시료용기가 석영일 경우 200nm 이하의 자외선은 투과 못하므로 시료용기를 유리재질을 사용하며, 375nm 부근의 자외선은 빛의 세기가 매우 약하다.
(2) 중수소방전광
수소 방전관과 유사한 특징을 가지며, 빛의 세기는 약3~5배이며 현재 판매되는 제품중에 근자외선 및 가시선을 모든 영역에 공급하도록 시판 시키고 있다. 190nm~820nm
(3) 텅스텐램프
자외선과 근적외선 영역(약350~2,500nm)에서 사용된다. 근자외선을 공급하지 못하는 단점을 가지고 있다.
파장선택(Grating)
(1) 단색화장치(monochromator)
입사슬릿, 분산장치, 방출슬릿으로 구성되어 있다. 단색화 장치는 광원에서 입사된 다색광을 분광 시켜 원하는 만큼의 단색광을 만들어 주는 장치이다. 과거에는 프리즘을 사용하였으나, 요즘은 회절격자(Grating)를 이용하여 분광 시킨다.
회절 격자란, 1mm 간격에 600-2000개 정도의 홈을 만든 코팅 유리판 등을 말하며 단색화 장치의 핵심 부분이다. 단색화 장치는 분광광도계의 종류와 제작사에 따라 다른 구조를 가지는데 일반적으로 Littrow type 과 Czerny-turner type의 광학구조를 변형하여 사용한다.
실제로 단색화 된 빛은 어느 정도의 띠 폭(Bandwidth)을 가지는데 띠 폭은 단색화 장치내의 회절격자의 종류, 오목거울의 초점거리, 슬릿의 폭 과 밀접한 관계가 있다.
이 띠 폭은 아주 좁을수록 좋은데 그 이유는
- 띠 폭이 좁아야만 서로 인접된 흡수 띠의 분해가 가능하다.
- 띠 폭이 좁게 되면 띠의 강도가 최대 흡수 파장에서 측정되므로 예민도가 증가된
다.
- 시료의 정량적인 흡광도 측정이 가능해 진다.
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| Schematic of a Czerny-Turner Monochromator |
시료부
Absorption cell은 시료를 담는 용기를 말하는데, 용액 상태의 시료용기와 기체상태의 시료 용기가 있으며, 재료는 석영 또는 실리카(자외선에서 사용), 유리(가시광선 이상의 파장에서 사용)가 이용된다. 용기의 모양은 여러 가지인데, 보통 기다란 직육면체 모양이며, 빛이 통과되는 양쪽 면을 창문이라고 한다. 시료를 담는 용기에 따라 용기에서 특정 파장을 흡수하는 경향을 감안하여 용기를 선택하여야 한다.
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| 10mm Pathlength Cuvette / Multi-Cell Holder |
(1)유리:가시광선과 근적외선 영역에서 사용한다. 따라서 근자외선 분석 시 적절하지 않다.
(2)석영:자외선, 가시선, 근적외선의 모든영역에서 사용한다. 가장 보편적이므로 시료분석시 널리 사용한다.
(3)플라스틱:근적외선 영역에서 사용된다. 주로 UV/VIS 실험 시 사용되지 않는다.
검출기(Detector)
자외선/가시광선 범위의 빛을 검출하는 검출기에는 보통 3 가지 종류가 있으며 이들은 각각 감도, 응답시간, 사용되는 파장범위 및 출력의 형태 등에 따라 차이점을 갖고 있다.
관전기형(photocell or photovoltaticn type)은 광자(photon)에 의해 반도체로부터 방출되는 전자가 은박층에 집합됨으로써 생기는 전위를 측정하는 장치이며, 광전관(phototube type)은 세슌을 입힌 음극에 광자가 충돌하여 나오는 전자를 양극에 모아 이때 흐르는 전류를 측정하는 장치이다. 광전 등배관은 광 음극에서 나오는 전자를 전기장에 의해 가속화 시킴으로써 감도를 106~109 정도 증폭 시키는 장치이다. 그 밖에 광다이오드어레이(photodiodearray type)형이 있다.
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| Photo Multiplier tube Fig. 9 |
Photodiode Fig. |
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| Photodiode Array & CCD |
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| 자외/가시광선 분광광도계의 종류 및 특성 |
분광광도계는 수동형과 자동 기록형, 홑 빗살형(Single Beam)과 겹 빗살형(Double Beam)또는 Scanning type 과 PDA type 등으로 분류 할 수 있다.
Single Beam & Double Beam type
일반적으로 Scanning type의 분광광도계는 Single Beam type 과 Double Beam type으로 분류된다. Single Beam 방식은 단색화 장치에서 나오는 단색광을 그대로 이용하여, 먼저 Reference 시료(비어 있는 흡수용기나 용매 등이 들어 있는 흡수용기)의 투과 광량을 먼저 측정한 후, 다시 분석하고자 하는 용액 등이 들어 있는 시료의 투과광량을 측정하여 흡광도를 계산하는 방식이다.
Double Beam 방식은 Single Beam 방식과 달리 단색화 장치에서 나온 단색광을 둘로 나누
어 Reference 와 분석시료를 동시에 측정하여 흡광도를 계산하는 방식이다. Single Beam
방식은 Reference 와 분석시료를 시간차이를 두고 측정하므로 시간에 따른 환경 및 기기의
특성 변화로 인해 오차가 발생되므로 고정밀도를 요구하는 분석에는 Double Beam 방식의
제품을 사용하는 것이 좋다. 하지만 가격의 차이가 크기 때문에 분석의 용도에 맞는 기기를
선택하는 것이 중요하다.
Scanning & PDA(Photodiode Array) type
Scanning type의 분광광도계는 광원의 다색광을 분광 시킨 후, 원하는 단색광만을 시료에
통과시켜, 그 광량을 PMT나 PD와 같은 단일 Sensor를 이용하여 측정하는 반면, PDA type
은 먼저 광원으로부터 나 온 다색광을 시료에 통과시킨 후, 투과된 빛을 분광 시키고, 분광
된 빛을 PDA나 CCD등의 Array 센서를 이용하여 전 파장영역을 동시에 측정하는 방식이다.
PDA type은 Scanning type에 비해 측정속도가 빠른 장점이 있는 반면, 고해상도 분광광도
계로서의 한계와 가격이 높은 단점이 있다. |
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