자외선 가시광선 흡수 분광법

자외선 가시광선이라고 불리는 전자기 스펙트럼의 영역에서는 일반적으로 구조적인 정보는 얻기 어렵지만 정량적인 분석을 하기에는 매우 유용합니다. 용액 내에 존재하는 분석 물질의 농도를 측정하기 위해서 흡광도를 측정하고 lambert-Beer 법칙을 이용하면 정량화가 가능합니다.

 

 

비색 법이라고 불리는 이 방법은 많은 연구소에서 간편하게 이용하는 방법으로 특정 영역에서 흡수하는 스펙 트롬을 갖는 화합물뿐만 아니라 특정 시약에 의해 변형된 유도체가 만들어지고 이 유도체가 빛을 흡수하는 화합물에 대해서도 적용이 가능합니다.

 

 

자외선/가시광선 분광 영역과 흡수 원인

자외선/가시광선이라고 불리는 스펙트럼은 통상적으로 근자외선과 가시선, 근적외선으로 구분할 수 있습니다. 대부분 상업용 분광광도계는 위의 3가지 영역을 모두 측정할 수 있습니다. 기기의 더 짧은 파장 영역 한계는 사용하는 광학 부품의 특성과 공기의 광학 통로에 의해서 결정됩니다. 진공에서 작동하는 기기는 기체 상태의 시료로 150nm 파장 영역까지 측정할 수 있고 이 영역은 진공 또는 원자외선 영역입니다. 긴 파장 쪽의 한계는 보통 분광기에 존재하는 검출기의 파장 감응에 의해 결정되고 고성능 상업용 자외선/가시광선 분광광도계는 측정할 수 있는 스펙트럼의 영역이 3300nm의 근적외선 영역까지 포함합니다.

 

자외선 가시광선 분광광도계(UV-vis) 기기와 원리

 

이 영역에서 파장을 흡수하는 것은 시료에 존재하는 이온이나 분자 그리고 강원에서 나오는 광자의 상호작용입니다. 분자가 자외선과 가시광선 영역의 광자를 흡수할 때 해당 에너지는 최외각 전자에 의해 포획됩니다. 그 결과로 분자의 전자 에너지와 회전에너지 및 진동 에너지의 변형이 일어나게 됩니다.

 

 

자외선/가시광선 스펙트럼

자외선과 가시광선 분광계는 필요한 영역의 데이터를 수집하고 분석 중인 화합물의 스펙트럼을 그래프로 표기할 수 있습니다. 이 그래프는 투광도와 흡광도로 표기할 수 있으며 단위는 nm로 표기합니다. 분광학에서 투광도(T)는 광원과 검출기 사이의 광학 통로에 시료가 존재하면 투과된 빛과 입사 빛을 비교하는 방법으로 단색화 된 빛살의 감쇠를 측정하게 됩니다.

 

빛의 스펙트럼과 에너지 준위

 

순수하거나 용액의 상태로 있는 응축된 화합물의 스펙트럼은 일반적으로 봉우리 개수가 적고 봉우리의 폭이 넓은 흡수 띠로 나타나는 것이 특징입니다. 그리고 시료가 기체 상태이며 시료의 압력이 낮으면 스펙트럼은 봉우리가 많고 폭이 좁은 형태로 나타나게 됩니다. 분광광도계의 분리 능은 매우 좋고 원자 조성이 간단한 화합물은 기본적으로 각 전이가 분리되어 나타납니다. 

 

유기 화합물의 전자 전이

유기 화합물은 자외선/가시광선 분광광도계에 가장 많이 사용되는 시료입니다. 관철되는 전이들은 수소, 탄소, 질소, 산소와 같이 가벼운 원소들의 결합과 전자 궤도 함수에 관련된 전자들의 전이가 나타납니다. 각 흡수 띠의 특성은 관련된 분자 궤도 함수와 흡수 띠가 최대가 되는 파장에서 계산된 몰 흡광 계수로 표기할 수 있습니다.

 

 

발색단

자외선/가시광선을 흡수하는 유기화합물의 작용기를 발색단이라고 표현합니다. 이 발색단은 대표적으로 케톤, 아민, 질소 유도체가 있습니다. 발색단이 없는 물질은 분광광도계를 통해서 분석하기 어렵기 때문에 화합물에 발색단을 달아주는 실험 방법도 있습니다. 

 

발색단 종류

 

발색단이 서로 상호작용할 때 흡수 스펙트럼의 세기는 증가하면서 더 긴 파장 쪽으로 이동합니다. 이 두 가지를 흡광 증가 효과와 장파장 효과라고 표현합니다. 반대로 분리된 발색단은 동일한 발색단이 가지고 있는 일련의 분자에서 흡수 띠의 위치와 세기가 일정합니다. 분자가 분리된 발색단이 여러 개 있을 때 각 개별 발색단의 효과는 중첩되어 나타납니다.

 

 

오늘은 자외선 가시광선 흡수 분광법에 대해서 알아보았습니다. 자외선/가시광선 흡수 분광기는 UV-vis라고 표현하며 대부분의 실험실에서 보유한 장비입니다. 이 분석 기기를 통해서 액체상의 농도를 분석할 수 있으며 흡수되는 파장 영역을 측정하여 반도체에도 적용할 수 있습니다. 빛을 이용한 분석 방법이기 때문에 우리가 사용하는 노트북과 스마트폰 등 IT 기기와 페인트와 플라스틱 등 대부분의 모든 산업에서도 적용할 수 있는 장비입니다.