적외선(IR) 분광법 원리

적외선 분광법은 1~1000㎛ 파장대의 전자기 복사선을 흡수 또는 반사하면서 원하는 데이터를 그래프로 표기하는 분석기기를 활용한 시험방법입니다.  다양한 시료에 들어있는 화합물의 성북을 확인하고 농도 측정을 위해서 가장 보편적으로 사용되는 분광법입니다.

 

 

적외선 분광법의 스펙트럼 영역은 대게 근적외선, 중적외선, 원적외선의 3가지 영향으로 구분됩니다. 근적외선 영역은 특정 파장의 흡수에서는 약할 수 있지만 정량 분석에 있어서는 정확한 편입니다.  반면에 중적외선 영역은 화합물의 구조에 대해서 훨씬 더 많은 정보를 얻을 수 있고 작용기를 통해서 유기물의 성분 분석에 주로 활용됩니다.

 

 

마지막으로 원적외선 영역은 특수한 광학재료와 광원을 사용합니다. 이러한 분석을 수행하기 위해 Fourier 변환 분광기가 가장 대표적이며 우리가 흔히 이야기하는 FT-IR이 바로 Fourier 변환 적외선 분광법입니다.

 

적외선 흡수 근원

근적외선과 중적외선 영역대에서는 물질에 의한 빛 흡수는 광원으로부터 나온 복사선과 시료의 화학 결합 간에 상호작용에 기인합니다. 보다 자세하게 설명하자면, 한 화학 결합의 양쪽 끝에 달려있는 말단기가 서로 다르다면 이것들은 특정 주파수로 진동하는 전기 쌍극자를 형성하게 됩니다. 즉 화학 결합의 기계적 진동수와 복사선의 전자기 주파수가 일치하는 경우에는 복사선의 전기 성분이 갖는 에너지가 화학 결합에 전이될 수가 있다는 것입니다. 

 

적외선 분광기(FT-IR)

 

단순화된 접근 방식을 사용해 설명하면 영구 쌍극자가 없는 산소 분자나 질소 분자 그리고 염소 분자와 같이 비극성 결합 분자들은 전자기파와 상호작용이 없을 것이고 에너지 흡수도 일어나지 않는다는 것입니다. 중적외선 영역에서는 이러한 결합들을 투명하다고 표현합니다.

 

 

적외선 영역 흡수

복사선 파장에 따라 적외선 흡수 정보는 스펙트럼의 형태로 제시되며 이것은 일반적으로 분광기로부터 출력되는 자료들입니다. 그래프의 y축은 시료가 있을 때와 없을 때 투과된 빛의 세기로 기록되고 x축은 각 파장을 표시합니다. 이런 y축과 x축의 비를 투광 도라고 표현합니다. 투광도를 역수로 바꾸면 흡광도로 표현할 수 있습니다.

 

중적외선 영역 (회전-진동 띠)

온도가 0K일 때를 제외하고는 모든 분자들은 끊임없이 움직이며 고전적인 세 cartesian 좌표를 기준으로 각 원자의 운동은 자유도를 가지게 됩니다. 이러한 모든 운동이 개별로 격리된 분자에 조합되어 역학적 에너지를 부여합니다. 분자의 총에너지는 회전에너지와 진동 에너지, 전자 에너지라고 정의하는 한정된 독립 에너지의 합으로부터 생긴다고 가정합니다. 다시 말해서 이들 각 에너지의 값은 모두 다르고 Born-Oppenheimer 원지에 따라 각자 독립적으로 변할 수 있습니다.

 

분자의 에너지 준위

 

유기화합물의 특징적인 띠

적외선 분광법을 활용하기 위해서는 모든 종류의 화합물에 대한 기본적인 규칙들을 알아야 합니다. 보통 FT-IR 스펙트럼 프로그램에는 유기화합물의 구조와 말단기에 따라서 특정 물질임을 확인할 수 있는 라이브러리(Library)가 있습니다. 미지의 화합물을 적외선 분광기로 측정하고 나타나는 그래프를 해석하기 어렵다면 프로그램을 통해서 분자 간의 결합을 확인할 수 있습니다.

 

 

만약 컴퓨터에 라이브러리가 없다면 논문 검색을 통해서 해당 peak 지점이 어떤 결합을 나타내는지를 확인해야 합니다. 그러나 FT-IR은 분자 간의 결합을 확인할 수는 있지만 분자량이나 해당 분자 구조를 정확하게 파악하기는 어렵습니다. 많은 실험과 반복 학습을 통해서 대략적으로 어떤 성분인지를 파악하는 것이 연구원의 목표가 되어야 합니다.

 

적외선 분광기(FT-IR) 스펙트럼

 

이상으로 적외선(IR) 분광법 원리와 적외선 영역에 따른 분자 에너지를 해석하는 방법에 대해서 알아보았습니다. 이 이론들을 설명하기 위해서는 수백 장이 되는 전공서적을 공부해야 합니다. 그만큼 적외선 분석방법에는 다양한 방법이 있고 빛의 진동과 에너지 준위 등에 대해서도 이해해야 합니다. 중요한 것은 실험 장비를 익숙하게 사용할 수 있을 만큼 많이 사용해보는 것과 그러한 경험들을 통해서 얻은 본인만의 해석 방법을 확립하는 것입니다.