기기분석에 활용되는 UV-Vis 광선은 일반적으로 180 nm ~  800 nm 영역이며, 분자나 용매 중의 이온들에 의해서 흡수되면 주로 전자의 궤도 이동이 나타난다. 이와 더불어 분자 및 이온을 이루는 원자단들의 진동 에너지의 준위도 변화하게 된다.  즉 전자기파와 물질 간의 다양한 상호작용이 발생한다. 빛의 흡수에 따른 에너지 준위의 변화는 물질의 화학적 특성에 따라 나타나는 그 물질 고유의 성질로서 물질의 화학적 구조에 따라 흡수하는 빛의 파장 및 그 정도가 다르다.

빛 에너지의 흡수에 의해서 나타나는 전체 에너지의 변화는 다음의 식으로 표시할 수 있다.  

사용자 삽입 이미지
h(플랑크 상수) = 6.6256 × 1034 Js

c(광속) = 3×1010 cm/s

el : 전자의 궤도 이동

vib : 진동 에너지 준위의 변화

rot : 회전 에너지 준위의 변화

Ex : 들뜬 상태

Grd : 바닥상태

흡수하는 빛 에너지의 양은 물질의 양에 따라 달라지므로 흡수하는 빛의 파장과 양을 알면 물질의 구조와 양을 알 수 있다.  UV-Vis Spectroscopy는 이러한 원리를 이용하여 시료 성분을 확인하고 정량하는 분석방법이며 간단한 기기와 실험에 의해서 다양한 화학적 정보를 얻을 수 있으므로 정성 및 정량 분석에 널리 이용되고 있다.

Vacuum

UV

Far

UV

Near

UV

Blue

Yellow

Red

 

Near

IR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

200

 

300

 

400

 

500

 

600

 

700

 

800

 

900

 

Wavelength (nm)

전형적인 자외-가시부 스펙트럼은 대체적으로 폭이 넓은 띠(band) 모양으로 나타난다.  이는 전자의 궤도 이동이 나타나는 에너지 준위들마다 분자 및 원자단의 진동에 따른 다양한 진동에너지 준위가 존재하기 때문이다.   이러한 양상은 분자나 이온을 이루는 원자단인 경우에 관찰되는 것이고 보통 단일 원자 상태에서의 흡광이 측정되는 원자흡광에서는 흡수대의 폭이 매우 좁아서 선 스펙트럼으로 나타난다.  보통 자외-가시부 스펙트럼의 x축은 일반적으로 빛의 파장(λ)을 나타내는데 이것은 전이에 관여된 두 분자 궤도 간의 에너지 차이의 크고 작음을 의미한다. 즉 왼쪽 방향으로 갈수록 단파장으로 에너지가 크고 오른쪽으로 갈수록 장파장으로 에너지가 작게 된다.

흡수된 빛의 양에 관한 정보를 나타내는데 투과도(transmittance; T), %투과도(percent transmittance; %T), 흡광도(absorbance; A) 등으로 표시하는데, 흡광도 표시가 가장 널리 사용되고, 다음과 같이 정의된다. 


    A =  - logT  = - log(P / Po)

        Po : 입사광의 복사 세기
        P : 시료를 통과한 빗살의 복사 세기

시료를 통과할 때 빛의 일부는 시료에 의하여 흡수될 것이므로, P<Po 이다. 투광도(transmittance) T는 시료를 통과한 빛의 세기와 원래의 쪼여 준 빛의 세기의 비이다.  Beer와 Lambert는 흡광도를 아래와 같은 관계식을 정립하였으며 이를 Beer-Lambert law 또는 Beer's law라고 한다.

                A = a(λ) * b * c

A는 측정된 흡광도(absorbance), a(λ)는 화합물에 따라 결정되는 상수(wavelength-dependent absorptivity coefficient), b는  빛이 통과한 시료층의 길이로 보통 cm 단위로 표시되며,  c는시료의 농도이다.    농도의 단위를 몰농도(molarity)로 하고 b를 cm 단위로 했을 때의 흡광계수 a(λ)를 몰흡수율(molar absorptivity), 또는 몰흡광계수(molar extinction coefficient)라고 하며 ε으로 표시한다.  단위는 M-1 cm-1가 된다. 몰흡광계수는 빛의 경로와 농도에 무관한 물질 고유의 성질이다.  보통 자외부 및 가시부 스펙트럼 자료집에서는 y축을  ε로 나타내거나 기록의 편의를 위하여 log ε 으로 표시하기도 한다.

그러면 Beer-Lambert law는 다음과 같이 정리된다.

                A = ε * b * c

특정 파장의 빛(단색광)에 대해서 각 물질은 고유의 흡광계수를 가지는데 이것을 Bouguer의 법칙이라고 한다.  또한 주어진 단색광에 대해서 주어진 물질의 흡광도는 농도가 일정하다면 빛이 통과한 시료층의 길이에 비례하는데 이를 Lambert의 법칙이라고 한다.  한편, 주어진 단색광에 대해서 주어진 물질의 흡광도는 빛이 통과한 거리가 일정하다면 농도에 비례하는데 이것을 Beer의 법칙이라고 한다.

 

흡수 법칙에서 벗어나는 경우

흡수법칙 A = εbc가 항상 그대로 적용되는 것은 아니다. 따라서 예외적인 상황이 어떤 것인지를 아는 것이 실제적인 분석적 응용에 중요하다. 입사광의 단색성이 떨어지는 경우에 흡수법칙에서 벗어나게 된다.  실제로 특정 단일 파장만을 입사광으로 사용하는 것은 매우 어렵고 대개의 경우는 기기의 광원부의 슬릿의 폭에 따라서 어느 정도의 파장 범위를 가진 빛이 입사광이 되므로 Bouguer의 법칙에서 벗어나는 결과가 생기게 된다.

Stray광이 있는 경우로 이는 단색광기에서 선택되는 파장 이외의 빛이 시료를 통과하여 검출기에 도달하는 경우이다.  대개 stray광은 시료에 의한 흡수가 적어서 측정되어진 흡광도는 실제 흡광도보다는 작은 것으로 나타나게 된다.

콜로이드 용액의 경우 콜로이드 입자에 의한 검출기 방향으로의 빛의 산란으로 검출기에 도달하는 빛의 양이 증가한다.  이러한 현상은 특히 자외부 영역에서 심한데 콜로이드의 농도가 증가할수록 몰흡광계수의 직선적인 감소가 관찰된다.

형광이 있는 물질의 경우, 발생한 형광은 검출기에 전달되어 투과광의 강도가 증가하는 효과를 가져온다. 기기에서의 요인들도 여러 가지가 있다. 예를 들어 검출기의 감도가 직선적이지 않은 경우, exit slit의 영향, 시료를 담는 용기(cell) 표면에서의 빛의 굴절, 빛의 이동선이 시료 용기의 위치와 평행하지 못한 경우, 기기 내에서의 빛의 굴절, 광원에 공급되는 전기의 전압의 불안정성 등이 있을 수 있다.

시료 용액 중에서의 각종 상호 작용은 농도가 높거나 이온강도가 큰 용액 또는 용매의 극성이 큰 경우에서는 무시할 수 없을 정도가 된다. 굴절율의 변화가 시료 용액의 농도 변화나 온도 변화에 따라서 나타나는 경우 흡광도가 변하게 된다. 화학평형의 변화가 나타나는 경우에도 흡광도에 변화가 나타난다.

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2007/04/23 21:46 2007/04/23 21:46
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