원자 흡수 분광법(AAS) 및 불꽃 방출 분광법(FES) 원리

원자 흡수 분광법은 영문으로 Atomic Absorption Spectroscopy로 표기하며 흔히 AAS 분석방법이라고 말합니다. 그리고 불꽃 방출 분광법은 영문으로 Flame Emission Spectroscopy로 표기하며 FES라고 표현합니다. 이 두 가지 분광법은 전자의 들뜸과 방출의 분광학적인 과정에 의한 시험방법으로 약 70여 개의 원소를 측정하는데 활용되고 있습니다. 

 

 

원소에 대한 온도 효과

원자 흡수와 불꽃 방출 원리는 1세기 이전에 Kirchhoff가 밝혀낸 원리와 유사합니다. Kirchhoff는 백 열광을 내는 기체는 방출할 때와 흡수할 때 같은 파장을 낸다는 것을 증명했습니다. 백색 광원으로는 전기 아크를 사용했고 이 빛이 프리즘을 통과하여 분산될 때 연속 스펙트럼이 얻어집니다. 이 복사선 광원을 Bunsen 버너로 대체하고 그 위에 염화나트륨을 뿌리면 다른 선들 중에서도 노란색 파장인 589nm에서 이중선을 갖는 나트륨의 방출 스펙트럼을 확인할 수 있습니다. 

 

원자 흡수 분광기 (AAS)

 

이 실험은 불꽃 방출을 잘 설명하는 예시입니다. 만약 2개의 광원인 전기 아크와 Bunsen 버너의 불꽃이 같은 방향으로 놓인다면 나트륨의 방출선 대신에 검은색을 포함하는 스펙트럼을 확인할 수 있을 것입니다. 이것은 불꽃 속의 바닥상태에 있는 수많은 나트륨 원자들이 들뜬 나트륨 원자가 방출하는 것과 동일한 진동수를 흡수하기 때문입니다. 우리는 이런 현상을 원자 흡수라고 이야기합니다.

 

 

AAS와 FES의 응용

AAS와 FES 분광법 중 하나로 원소를 측정할 때 원소는 자유 원자의 형태로 존재해야 합니다. 시료의 다른 성분뿐만 아니라 연구하는 원소의 모든 화학적인 결합을 분해시켜야 하기 때문에 이때의 온도는 최소한 2000℃로 가열해야 합니다. 이러한 열분해는 원래 시료에서 원소가 결하보디어 있는 다른 화학적 결합을 구분하지 않고 원소의 전체 농도를 나타내게 되므로 분자의 구조를 이해하는 데는 어려움이 있습니다. 

 

원소에 따른 불꽃 색

 

그렇기 때문에 두 가지 열적인 장비가 함께 세팅되는데 한 가지는 연소성 기체 혼합물로 도입되는 버너이고 다른 하나는 작은 관으로 만들어진 오븐입니다. 첫 번째 조립 형태는 대부분의 원소에 적용하며 수용액 시료를 분무하여 일정한 속도로 불꽃 속으로 도입시킵니다. 두 번째 형태는 시료를 작은 흑연관 속에 넣으면 증발이 일어납니다. 이것은 더 고가이지만 내화성 원소의 경우에는 감도가 더욱 우수합니다. 두 가지 방법에서 광원과 검출기 광 경로가 자유 상태에 있는 작은 원자구름을 포함하는 영역을 통과하게 됩니다.

 

 

AAS의 기본 기기 구성

AAS의 가장 기본적인 모델을 예를 들면 4가지 구성요소가 있는 것으로 확인할 수 있습니다. AAS는 광원과 버너, 단색 화장치, 검출기로 구분됩니다. 광원은 빛을 내는 역할을 하고 버너는 시료를 고온으로 가열하여 원소로 분해시키는 역할을 합니다. 그리고 단색화 장치는 파장을 선택적으로 좁게 만드는 역할을 하고 검출기는 각 원소를 검출하는 역할을 합니다. ASS의 구성요소를 보면 매우 간단해 보이지만 실제로 얻는 결괏값을 해석하는 것은 매우 어렵습니다. 기본적인 원리를 이해하고 결과를 도출할 수 있는 능력을 함양하는 것이 중요합니다.

 

원자 흡수 분광기 구성 및 데이터

 

AAS 검출 한계

AAS는 70여 개 이상의 원소를 분석할 수 있었지만 낮은 농도에서는 감도가 떨어지는 것이 단점입니다. 대부분 우리가 알고 있는 고체들은 분석이 가능하지만 할로겐족 원소와 비활성 기체 등은 AAS로 측정이 불가합니다. 또한 분석 용액을 매우 희석할 경우에도 원하는 데이터를 얻기 어렵기 때문에 투입되는 샘플의 농도는 최소한 검출 한계보다 10배가 높아야 합니다. 이러한 점을 고려해서 실험을 진행해야 합니다.

 

 

오늘은 원자 흡수 분광법(AAS) 및 불꽃 방출 분광법(FES) 원리에 대해서 알아보았습니다. 많은 학자들은 물질의 성분을 분석하기 위해서 다양한 분석장비를 개발해냈습니다. 원자 흡수 분광법과 불꽃 방출 분광법은 보편적으로 사용되는 실험 기기는 아닙니다. 그러나 연구 중에 원소의 성분을 알고 싶다면 AAS와 FES를 활용해보는 것도 많은 도움이 될 것입니다. 위의 실험을 통해 얻을 수 있는 결괏값들은 사실 굉장히 복잡한 수식으로 되어있습니다. 그것을 모두 이해하기는 어렵기 때문에 실험 장비를 사용하는 방법과 결과를 해석하는 방법 위주로 연구를 하시면 될 것 같습니다.