Dr.Yeom이 되어 드릴게요 ♡

적외선 분광법 (IR)은 분자의 작용기에 의한 스펙트럼을 비교적 쉽게 얻을 수 있을 뿐 아니라 광학 이성질체를 제외한 모든 물질의 스펙트럼이 서로 차이가 있어, 분자 구조를 확인하는 데 결정적인 많은 정보를 제공해 준다. 따라서 적외선 분광법은 무기 및 유기화학은 물론 화학의 모든 분야에서 현재 널리 이용되고 있다.

분자 내에서 원자는 진동이나 회전을 하고 있으며 이러한 움직임에 의해 분자는 적외선 영역의 특정 파장의 빛을 흡수한다. 흡수되는 빛의 파장은 분자의 크기나 다른 부분의 구조와는 거의 무관하게 분자 내의 원자 간 결합에 좌우된다. 따라서 이를 해석하면 원자 결합의 종류나 분자 내의 관능기 등에 대한 정보를 얻을 수 있다.

적외선은 파장이 0.75 μm에서 약 2 mm인 영역을 말하며, 적외선은 파장에 따라 세 가지 영역으로 크게 나눌 수 있다.

근적외선 (Near IR) : 가시광선부에 가까운 짧은 0.78∼2.5 ㎛ 영역. NIR 분광기로 활용.
중간 적외선 (IR) : 2.5∼15 ㎛ 영역. IR 분광기로 활용.
원적외선 (far IR) : 15∼200㎛) 영역. 무거운 원자의 결합 분석에 응용.

그 중에서 분광 분석에 가장 일반적으로 사용되는 부분은 진동 적외부 (vibrational infrared)라고도 하는 2.5 μm~16 μm로서 X선 또는 UV-Vis보다 에너지가 낮기 때문에 빛을 흡수하여 원자 내 전자의 전이 현상을 일으키지 못하고, 대신 분자의 진동(vibration), 회전(rotation) 및 병진(translation)등과 같은 여러 가지 분자운동을 일으키게 된다. 그러나 주로 이 영역에서는 분자 진동에 의한 특성적 흡수 스펙트럼이 나타나는데, 이것을 분자 진동 스펙트럼(molecular vibration spectrum) 또는 적외선 스펙트럼(IR spectrum)이라 한다. 따라서 물질의 특성적 IR 스펙트럼을 잘 해석하면 여러 가지 미지 물질의 확인은 물론 분자 구조를 추정할 수 있게 된다.
복사선이 고체, 액체 또는 기체 층을 통과할 때 원자, 분자 또는 이온을 구성하고 있는 전자가 복사선을 흡수하는 경우 그 복사선의 Photon Energy 만큼 높은 Energy 준위로 옮겨가게 된다. 이들 Electronic Energy 전위차는 각 화학종에 따라 고유값을 갖고 있으며 흡수되는 복사선의 주파수를 조사하여 시료 중의 성분물질을 알 수 있다.

Absorption Spectrum을 분류하면

① Electron Spectrum : 80㎛ 이하의 파장에 의하여 생기며 전자전이에 해당한다. △E가 커짐에 따라 Visible에서 Ultraviolet로 Absorption Spectrum이 이동한다.

② Rotation Spectrum : 40㎛로부터 ㎛ 범위의 파장으로 주로 Gas 분자에 대해서만 생긴다. Liquid, Solid에서는 명확한 Rotation이 일어나지 않는다.

③ Vibration Spectrum : 2㎛∼100㎛ 복사선에 의하여 생기며 Photon Energy는 분자의 진동을 일으키며 적외선 Absorption Spectrum에 속한다.

한 분자는 연속적으로 변하는 전이 Energy와 불연속적으로 변하는 내부 Energy를 갖고 있다. 여기에 전자기 복사선을 가하면 전자파의 Energy 일부가 분자 내 Energy로 변하여 전자파의 일부는 흡수된다.　

진동수 F를 가지는 전자파를 흡수하면

E₁ - E₀ = E = hF

E₁ : 전이상태의 Energy
E₀ : 분자의 기준상태 Energy
h : Plank 상수 (6623 × 10-27)
F : 흡수된 광의 진동수 (Cycle/sec)

진동수 F는

F = C/λ

C : 광속도
λ : Wave Length

Wave Length와 Wave number(γ)의 관계는

γ = 1/λ = F/C 이다.

IR 분광법의 원리

복사선이 고체, 액체 또는 기체 층을 통과할 때 원자, 분자 또는 이온을 구성하고 있는 전자가 복사선을 흡수하는 경우 그 복사선의 Photon Energy 만큼 높은 Energy 준위로 옮겨가게 된다. 이들 Electronic Energy 전위차는 각 화학종에 따라 고유값을 갖고 있으며 흡수되는 복사선의 주파수를 조사하여 시료 중의 성분물질을 알 수 있다.

따라서, 분자에 IR를 쬐어주면 이들이 진동을 일으키는 데 필요한 주파수의 빛을 흡수하여, 이 에너지에 대응하는 특성적인 적외선 스펙트럼을 나타내게 된다. 그러므로 이를 분자 구조와 관련지어 해석하면 분자 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이와 같이, 적외선 분광법의 기본 원리는 분자의 진동에 바탕을 두고 있다.

한 분자를 구성하고 있는 원자들의 결합은 서로 움직일 수 없도록 고정된 것이 아니라, 스프링과 같이 탄력이 있는 줄에 매달려 있다고 할 수 있다. 이와 같은 분자가 일으킬 수 있는 진동 운동의 진동 방식(vibration mode)은 세 가지로 나눌 수 있다.

Stretching Vibration : 스프링에 매달린 두 원자가 스프링과 같은 축에서 서로 당겼다가 끌렸다가 하는, 즉 원자들 사이의 결합 길이가 길어졌다 짧아졌다 하는 신축 진동 방식이다.
Bending : 원래의 결합축에 대하여 원자들의 위치가 변하는, 즉 원자들 사이에 이루고 있는 결합각이 변하는 굽힘 또는 변형 진동 (deformation) 방식이다. 이러한 진동 운동을 일으키기 위해서는 결합의 종류 및 세기, 그리고 결합을 하고 있는 원자의 종류에 따라 고유한 진동 주파수(vibration frequency)에 해당하는 빛 에너지를 흡수해야 한다.
Vibrational Coupling : 한 개의 중심원자가 여러 원자와 결합되어 있을 경우

분자의 결합 중에 한 개가 진동운동을 하면서 다른 결합에 대한 상호 작용이 일어나 진동의 특성이 변한다. 이 외에도 간단한 기계적 모형을 이용하여 격리된 진동을 고려하는 조화진동자(Harmonic Oscillator)가 있다. 적외선 흡수 Spectrum은 아주 간단한 화합물이라도 수많은 흡수 Peak를 갖고 있으며 두 가지 다른 화합물이 같은 조건에서 같은 적외선 Absorption Spectrum을 갖는 경우는 없다. 대부분 중요한 작용기의 흡수 Peak는 7.5μ 이하의 파장영역에서 나타나며 이들의 흡수 Peak를 통하여 시료 중에 들어있는 작용기를 추측할 수 있다.

적외선 분광법에서는 일반적으로 빛의 흡수대를 파수(wave number)로 나타낸다(cm^-1는 파장의 역수이며, kaiser라고 읽는다). 이 단위는 에너지와 직접 비례하는 값이기 때문에 계산을 할 때 매우 유리하여 많이 사용된다.

앞서 말한 진동 적외부는 파수로 4000 cm^-1 ~ 625 cm^-1이다. 적외선 흡수 스펙트럼에서 흡수대는 경우에 따라 μm(또는 μ)로 표시하기도 하는데 μm와 cm^-1 사이의 변환은 다음과 같이 하면 된다.

적외선 흡수 스펙트럼에서 흡수대의 강도는 투과도(transmittance), 또는 흡광도(absorbance)로 표시한다. 투과도는 원래 빛의 강도에 대한 시료를 투과한 빛의 강도를 나타내며, 흡광도는 투과도의 역수의 상용로그이다. 대부분 흡수대의 크기는 반정량적인 s(strong), m(medium), w(weak) 등의 용어로 나타낸다.

출처 : 정석균님의 블로그 http://blog.naver.com/nanomate