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준호 후
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1 과목 : 재료기기분석 자외선 -가시광선분광광도계 / 형광광도계 조교 : 전재덕

INTRODUCTION 전자기스펙트럼 (Electromagnetic Spectrum)

Energy transition Bond-breaking ( 결합끊음 ) Electronic ( 전자이동 ) Vibration

spin resonance ( 전자스핀 ) 물질에흡수된광자는그파장에따라결정되는에너지를원자 ( 또는분자 )

2 INTRODUCTION 전자기스펙트럼 (Electromagnetic Spectrum) 모든생체물질들은전자기파의파장범위중에서적어도한종류이상의에너지를흡수하는성질이있다. 어떤범위의에너지를흡수하는가는그원자또는분자의물리학적인특성과관련있다. Region of spectrum X-ray UV-Visible Infrared Microwave Radio frequency Energy transition Bond-breaking ( 결합끊음 ) Electronic ( 전자이동 ) Vibration ( 진동 ) Rotation ( 회전 ) Nuclear magnetic resonance ( 핵스핀 ) Electron spin resonance ( 전자스핀 ) 물질에흡수된광자는그파장에따라결정되는에너지를원자 ( 또는분자 ) 에전달하여에너지상태의전이 (transition) 를유발하게된다. 가시광선과자외선범위의전자기파흡수로유발되는전이의형태는주로물질의전자배열상태에변화를초래하는전자적전이 (electronic transition) 이며이보다더작은에너지로는분자의진동 (vibration) 이나회전 (rotation) 상태의전이도있다.

3 파장과진동수 전자기선 (electromagnetic radiation) 과관련된에너지는다음과같은식으로정의 E = h ν E : 에너지 ( 단위 : joule, J) h : 플랑크상수 ( J s) ν : 진동수 ( 단위 : Hz or s 1 ) 전자기선은공간에서파동운동을하며움직이는전기장 (electric field) 과자기장 (magnetic field) 의결합이며, 광선 (radiation) 은파동처럼운동하기때문에다음식과같이파장과진동수의개념으로정의 ν = c/λ ν : 진동수 ( 단위 : Hz or s 1 ) c : 광속 ( m/s) λ : 파장 ( 단위 : m) UV/Vis Vis 분광법에서파장은보통나노미터 (1 nm = 10 9 m) 단위로표시 위식에따르면단파장의광선일수록에너지가커짐즉, 단파장인자외선이가장큰에너지를가짐어떤경우에는이에너지가시료의스펙트럼을측정할때예기치않은광화학반응을유발 ( 태양에의한화상의원인은자외선인것처럼 )

4 Glossary ( 용어 ) (1) Spectroscopy ( 분광분석 ) 원자또는분자에의한전자기파 ( 광선, electromagnetic radiation) 의흡수또는방출정도를측정하여이로부터그광선과상호작용하는물질의구조나농도에대한정보를얻고자하는과학적방법 (2) Luminescence ( 발광 ) 물질이전자기파를방출하는현상으로그기전에따라, fluorescence( 형광 ), phosphorescence ( 인광 ), chemiluminescence( 화학발광 ), bioluminescence( 생체발광 ) 등이있다. Chemiluminescence( 화학발광 ) 화학반응에의해서발생하는에너지에의해물질이들뜬상태가된후빛을내면서떨어지는경우가있는데, 이를화학발광이라한다. 예 : 야간공연, 비상장비, 수중라이트, 밤낚시등에사용하는화학발광막대, 팔지, 목걸이등 막대를살며시꺾으면내부에있는가는유리관이깨지면서유리관내 / 외부물질이화학반응을일으키고이때발생하는에너지를형광물질이받아들뜬상태가된다음바닥상태로떨어질때밝은빛을낸다. A + B [I]* 생성물 + 빛 [I]*: 들뜬상태에있는중간체 TCPO라는물질과형광물질이들어있는가는유리관 TCPO: bis(2,4,6-trichlorophrenyl)oxalate 과산화수소수가채워진플라스틱관그림 : 화학발광막대의구조

5 Bioluminescence( 생체발광 ) 반딧불 (fire fly) 의경우luciferin 이라는물질이생체내의 luciferase라는효소에의해분해되면서빛을내는데, 이러한생체내에서의발광현상을생체발광이라부른다. Fluorescence( 형광 ) 흡광후진동 (vibration) 등에의해에너지를방출하고이어전자기파의형태로에너지가방출되는것으로 singlet excited state에서신속하게기저상태로이동하므로그시간이 10 8 ~ 10 9 초로짧다. Phosphorescence( 인광 ) 흡광후전자적에너지전이에의해 triplet excited state로이동한후전자기파로에너지가방출되는현상으로 triplet state에서는 singlet state보다에너지방출이훨씬느리게일어나므로그관찰시간은 10 3 ~ 10 5 초정도로 fluorescence보다매우천천히나타난다. (3) Fluorophore ( 형광물질, fluorescent molecule) 특정파장의빛을흡수하고, 이보다긴또는다른파장의빛을즉시방출하는 형광 (fluorescence) 현상을보이는물질 (4) Chromophore ( 흡광물질 ) 자외선-가시광선범위의빛을흡수하는 (absorbing) 화학구조 (functional group) 를가진물질 (5) Spectrophotometry ( 분광광도측정 ) 흡광물질 (chromophore) 이흡수하는전자기파 ( 주로자외선과가시광선 ) 의양 (intensity) 을파장 (wavelength) 에따라구별하여측정하는방법. 이를위한장비를 spectrophotometer

6 (6) Beer-Lambert Law Spectrophotometry 에서정량적분석의이론적근거가되는법칙 (7) Absorbance (A) and Transmittance (T) 흡광물질에의한빛의흡수와투과현상을정략적으로나타내는변수로 Beer-Lambert 법칙에의해정의됨 (8) Absorption Spectrum ( 흡광스펙트럼 ) 어떤물질 ( 분자 ) 의각파장 ( 주파수 ) 에서의흡광정도를측정하여이를 X축에파장 ( 주파수 ), Y축에흡광도로도시한그래프 (9) Spectrofluorimetry ( 형광광도측정 ) Spectroscopy의일종으로형광물질 (fluorophore) 로부터방출되는형광 (fluorescence) 의양을파장 (wavelength) 에따라구별하여측정하는방법. 이를위한장비를 spectrofluorimeter 또는 fluorescence spectrophotometer라고함

7 화학결합에서의분자궤도함수이론 (Molecular Orbital Theory) 분자궤도함수이론이란? 공유결합의형성을원자궤도함수 ( 파동함수 ) 들이수학적으로조합되어분자궤도함수를형성하는것으로설명된다. 각각의원자그자체보다는오히려분자전체에속한것이기때문에분자궤도함수라고부른다. 원자주변에서전자를발견할수있는영역을원자궤도함수로표현하는것처럼, 분자에서전자를발견할수있는영역을분자궤도함수로설명한다. 원자궤도함수처럼, 분자궤도함수도특정한크기, 모양및에너지를나타낸다. 분자궤도함수에는결합성 (bonding) 분자궤도함수, 반결합성 (antibonding) 분자궤도함수, 비결합성 (nonbonding) 분자궤도함수가있다. (1) 동핵 2 원자분자

8 결합차수 (bond order) = ½ ( 결합궤도함수의전자수 반결합궤도함수의전자수 )

11 (2) 이핵 2 원자분자 두핵의전기음성도차 (ΔE N ) 의차이가클수록 이온결합성증가 전기음성도가큰원자의원자궤도함수의에너지가낮다. 결합성분자궤도함수는전기음성도가큰원자의원자궤도함수를더많이포함한다. 반결합성분자궤도함수는전기음성도가작은원자의원자궤도함수를더많이포함한다.

분자의전자전이 두원자가결합하여분자를형성할때두원자의궤도함수가겹쳐 2개이상의분자궤도함수형성 (1) 결합분자궤도함수 (bonding

molecular orbital): σ*, π* ( 에너지준위가높음 ) (3) 비결합전자 (nonbonding

(formaldehyde) 분자의전자구조 x = σ = π = n E n σ* n π* σ* ( 반결합성 ) π* ( 반결합성

12 분자의전자전이 두원자가결합하여분자를형성할때두원자의궤도함수가겹쳐 2개이상의분자궤도함수형성 (1) 결합분자궤도함수 (bonding molecular orbital): σ, π ( 에너지준위가낮음 ) (2) 반결합분자궤도함수 (antibonding molecular orbital): σ*, π* ( 에너지준위가높음 ) (3) 비결합전자 (nonbonding electron): n 전자 ( 유기화합물중 O, N, S 및할로겐원자 ) H H C x x O 포름알데하이드 (formaldehyde) 분자의전자구조 x = σ = π = n E n σ* n π* σ* ( 반결합성 ) π* ( 반결합성 ) σ σ* π π* n ( 비결합성 ) π ( 결합성 ) π π* σ σ* σ ( 결합성 ) 결합성 σ 와 π 전자의반결합성상태전이 분자오비탈의에너지준위와오비탈간가능한전자전이

13 분자의전자전이 두원자가결합하여분자를형성할때두원자의궤도함수가겹쳐 2개이상의분자궤도함수형성 (1) 결합분자궤도함수 (bonding molecular orbital): σ, π ( 에너지준위가낮음 ) (2) 반결합분자궤도함수 (antibonding molecular orbital): σ*, π* ( 에너지준위가높음 ) (3) 비결합전자 (nonbonding electron): n 전자 ( 유기화합물중 O, N, S 및할로겐원자 ) H σ* ( 반결합성 ) H H C O H C O π π* transition (187 nm) E n σ* n π* π* ( 반결합성 ) n ( 비결합성 ) n π* transition (285 nm) H H C π* π σ O n σ σ* π π* π ( 결합성 ) σ ( 결합성 ) 포름알데하이드 분자오비탈의에너지준위와오비탈간가능한전자전이

14 유기화합물의전자전이의특성 에너지크기 : σ - σ * > σ - π * > n - σ > π - π * > n - π * (1) σ σ* 흡수영역 : 진공자외선, < 200 nm 가장높은에너지흡수, 진공상태에서만관찰가능, 포화결합화합물, 용매역할 예 ) 메탄 : 125 nm, 프로판 : 135 nm (2) n σ* 흡수영역 : 원적외선, 180 ~ 250 nm 높은에너지흡수, O, S, N 등과같이비결합성전자를가지는치환기가있는화합물 예 ) 아세톤 : 190 nm, 메틸알코올 : 183 nm, 메틸아민 : 213 nm (3) π π* 흡수영역 : 자외선, > 약 180 nm 중간에너지흡수, 다중결합이컨쥬게이션된폴리머를포함한화합물 예 ) 에틸렌 : 165 nm, 부타디엔 : 217 nm, 헥사트리엔 : 256 nm (4) n π* 흡수영역 : 근자외선또는가시선, 280 ~ 800 nm 가장낮은에너지흡수, 불포화발색단을포함하는화합물, 전이극성용매에서단파장이동, OH, NH 2, SH기등이치환되면서장파장이동 예 ) 니트로부탄 : 665 nm, 아세트알데히드 : 290 nm

15 발색단과조색단 (1) 발색단 (chromophore) : 분자가색깔을띠게하는작용기 넓은의미 : 화합물이빛을흡수하여 σ - σ*, σ - π*, n - σ, π - π*, n - π* 등과같은전자전이를일으킬수있는모든작용기 발색단 구조식 예 최대흡광파장 (nm) Carbonyl (ketone) Carbonyl (aldehyde) Carboxyl Amide Ethylene Acetylene Nitrile Nitro RRĆ=O RHC=O RCOOH RCONH 2 RCH=CHR RC CR RC N RNO 2 Acetone Acetaldehyde Acetic acid Acetamide Ethylene Acetylene Acetonitrile Nitromethane < (2) 조색단 (auxochromophore) 이중결합에이중결합 ( 콘쥬게이션 ) 이더해지면흡광도와흡광띠의파장을모두증가시킴 최대흡광파장은발색단의분자적환경, 용매, 농도, ph 및온도등에의해변할수있음 : 발색단이빛을흡수하는데도움을주는작용기 조색단그자체는흡광하지않는작용기이지만발색단의흡수봉우리세기를증가하게만들고, 긴파장쪽으로이동하게만듦 이유 : π* 에너지상태를안정화하여에너지를낮게만듦 예 ) -OR, -NH 2, -NR, -OH, -X

16 발색단과스펙트럼변화 (1) Alkane 오직단일결합만가지고비공유전자쌍을가진원자가없어가능한전자전이는 σ σ* 이런전이는분광계에서사용하는파장보다더짧은파장에서높은에너지에해당 C C σ* σ σ* C C σ (2) Alcohol, Ester, Amine 및황화합물 비공유전자쌍이있는원자를갖는포화분자의경우, n σ* 형태의전이가중요유기 thiols과 sulfide는 200 ~ 220 nm, 알코올과아민은 175 ~ 200 nm 범위에서흡수이런흡수는일반용매의차단점보다낮은곳에서일어나므로, 용액의스펙트럼에서는관찰되지않음 C N σ CN * n σ* C N n (sp 3 ) C N σ CN

17 (3) Alkene 과 Alkyne 불포화분자에서 π π* 전이가가능하며, 비교적높은에너지이나, 흡수위치는치환기의존재에따라변함 Alkene 은 175 nm 근처에서, alkyne 은 170 nm 근처에서흡수 (4) Carbonyl 화합물 산소나질소를갖는불포화분자는 n π* 전이가가능하며, 이전이는발색단의치환정도에다소민감함. 전형적인 carbonyl 화합물은 280 ~ 290 nm 부근에서 n π* 전이하며, 188 nm 부근에서 π π* 전이를함 C C π* C O σ* π π* C O π* C C π n π* π π* C O n (p y ) C O π

18 콘쥬게이션효과 ψ 4 * C C C C C C 2p orbitals C C ψ 2 * ψ 1 ψ 3 * π π* π π* ψ 2 C C C C 4p orbitals C C C C E N E R G Y ψ 1 C C C C Ethylene Butadiene Hexatriene Octatetraene ethylene CH 2 = CH 2 1,3-butadiene CH 2 = CH CH = CH 2 콘쥬게이션의길이가증가하면결합오비탈과반결합오비탈사이의에너지간격이점차줄어들어결국흡수파장은장파장으로이동

energy가투입될경우그광선의에너지수준에맞는에너지상태의전이 (molecular

19 분자의에너지상태 (Molecular Energy States) 분자의에너지상태는분자의회전 (rotational) 또는진동 (vibration) 상태와전자의배치상태 (electronic energy level) 등에의해결정되며전자기파등의흡수로 energy가투입될경우그광선의에너지수준에맞는에너지상태의전이 (molecular transition) 가일어나게된다. 분자의가장안정된상태를기저상태 (ground state) 라하고전자파등에의해에너지가투입된상태를흥분상태 (excited state) 라고한다. 만일에너지수준이동일한 2개이상의에너지상태가존재하는경우, 이들을서로파생적 (degenerate) 에너지상태라하며이들은자기장등의약한외력에의해손쉽게상호전환된다. <Jablonski Diagram>

20 <Energy Levels and Molecular Transition> E total = Eelec. + Evib. + Erot.

21 (1) 전자적에너지상태 (Electronic Energy States) 전자각 ( 특히외각, valence shell) 에있는전자의배열상태에따라결정되는에너지상태로다른것들보다더큰에너지수준의차이를보이며아래왼쪽그림에서각각구분되는곡선으로표시된다. 최외각에전자가 2 개있는분자의경우그전자들의위치와스핀방향에따라 2 가지에너지상태가가능하다 ( 아래왼쪽그림 ). potential energy 충돌에의한진동에너지손실 Singlet electronic excited state Triplet electronic excited state energy 2pσ* 2pπ* 2pπ absorption fluorescence phosphorescence Singlet electronic ground state 2pσ 2sσ 2sσ Interatomic distance along critical coordinate 2 개의원자로구성된분자의에너지상태와빛의흡수및방출현상 nitrogen oxygen Electronic configurations in nitrogen (singlet) and oxygen (triplet) molecules

질소 (N 2, nitrogen) 분자는기저상태에서이형태를띄고있다. Triplet electronic state: 두전자가동일한 (parallel) 방향의스핀으로함께쌍을이루지못하고서로다른전자각 (orbital) 에존재하는상태.

22 (1) 전자적에너지상태 (Electronic Energy States) 전자각 ( 특히외각, valence shell) 에있는전자의배열상태에따라결정되는에너지상태로다른것들보다더큰에너지수준의차이를보이며아래왼쪽그림에서각각구분되는곡선으로표시된다. 최외각에전자가 2개있는분자의경우그전자들의위치와스핀방향에따라 2가지에너지상태가가능하다 ( 아래왼쪽그림 ). Singlet electronic state: 두전자가서로다른방향의스핀으로쌍 (pair) 을이루고있는상태. 질소 (N 2, nitrogen) 분자는기저상태에서이형태를띄고있다. Triplet electronic state: 두전자가동일한 (parallel) 방향의스핀으로함께쌍을이루지못하고서로다른전자각 (orbital) 에존재하는상태. 산소 (O 2, oxygen) 분자는기저상태에서이형태를띄고있다. Singlet 상태는또, 두전자가모두결합전자각 (bonding orbital) 에존재하는기저상태와, 쌍을이룬전자중하나가스핀방향의전환없이반결합전자각 (antibonding orbital) 으로이동한흥분상태로나눌수있다.

- 전자궤도가모두채워져있을때 S는 0이되어스핀다중도는 1이되는데, 분자의이러한상태를단일항

23 스핀다중도 (spin multiplicity) - 스핀다중도란? 원자나분자의전자상태인전자스핀에의해생기는상태수를의미 - 전자의스핀양자수 (m s ) 는 1/2 또는 -1/2 값을갖는다. - 분자의전체스핀값의합의절대값을 S라할때, 스핀다중도는 2S + 1 로정의된다. - 전자궤도가모두채워져있을때 S는 0이되어스핀다중도는 1이되는데, 분자의이러한상태를단일항 (singlet) 이라한다. - 매우드물게전자의스핀상태가바뀌게되면 S는 1이되고스핀다중도는 3이되는데, 이러한상태를삼중항 (triplet) 이라한다. 단일항의두스핀방향 삼중항의두스핀방향

24 (2) 진동적에너지상태 (Vibrational Energy States) 전자적에너지상태보다상대적으로작은에너지차이를보이는에너지상태로위왼쪽그림에서각전자적에너지상태곡선에덧붙여진직선계단으로표시된다. (3) 회전적에너지상태 (Rotational Energy States) 진동적에너지상태보다더욱작은차이를보이는에너지상태로원자두개로구성되는분자의경우그구성원자간의거리에따라그에너지상태가결정된다. 또원자의거리가동일해도그전자배치상태에따라크게다른에너지수준을가지게된다. 빛의흡수 (Absorption of Light, Excitation) 어떤분자가빛을흡수하는경우, 분자는그분자에게허용된에너지준위의차이와정확히일치하는에너지를가진광자 (photon) 만을흡수하는성질이있다. 이렇게흡수된광자는분자를그에너지만큼더높은에너지단계로끌어올리게되는데자외선, 가시광선범위의빛은주로전자배치수준의에너지전이 (electronic transition) 를유발하게된다. 빛의방출 (Emission of Light) 분자가높은에너지상태에서더낮은에너지상태로이동할때그차이에해당되는에너지가방출되는데이에너지에상응하는파장의전자기파형태로방출되는경우를말한다. 이에너지는전자기파이외에도인접한분자들에운동에너지를전달하여열등의형태로방출될수있다. 그래서어떤분자가기저상태에서전자기파의흡수로인해더높은에너지상태로이동한뒤다시에너지를방출하면서기저상태로되돌아가는과정에서는다음과같은현상들이일어날수있다.

(1) 비전자기파적 ( 비복사적 ) 에너지방출 (Nonradiative energy loss) 광자 (photon) 의방출이외의다른방법으로에너지를잃을수있는데한분자내에서는진동 / 회전 (vibration & rotation) 에너지로나타나며분자들간의충돌 (collision) 로인한경우대개열 (heat) 의발산으로나타난다.

25 (1) 비전자기파적 ( 비복사적 ) 에너지방출 (Nonradiative energy loss) 광자 (photon) 의방출이외의다른방법으로에너지를잃을수있는데한분자내에서는진동 / 회전 (vibration & rotation) 에너지로나타나며분자들간의충돌 (collision) 로인한경우대개열 (heat) 의발산으로나타난다. (2) 전자기파적 ( 복사적 ) 에너지방출 (Radiative energy loss) 어떤물질들은그구조적특성상위와같은방식의에너지방출이원활히일어나지못하고전자기파 ( 빛 ), 즉광자 (photon) 의형태로그에너지의일부가방출되기도한다. 그러나이경우위와같은비전자기파적에너지손실로인해흡수되는빛의에너지보다는적은양의에너지가다시빛으로방출된다. 따라서흡광후방출되는빛은흡수되는빛의파장보다더긴파장을가지는것이일반적이다. 아래와같이흡광후의빛의방출은다음과같이두종류로나눌수있다. (a) Fluorescence ( 형광 ) 흡광후진동 (vibration) 등에의해에너지를방출하고이어전자기파의형태로에너지가방출되는것으로 singlet excited state에서신속하게기저상태로이동하므로그시간이 10 8 에서 10 9 초정도로매우짧다. COOH Cl _ + (H 2 CH 3 C) 2 N N(CH 2 CH 3 ) 2 Rhodamine B (b) Phosphorescence ( 인광 ) 흡광후전자적에너지전이에의해 triplet excited state로이동한후전자기파로에너지가방출되는현상으로 triplet state에서는 singlet state보다에너지방출이훨씬느리게일어나므로그관찰시간은10 3 에서 10 5 초정도로 fluorescence보다매우천천히나타난다.

26 <Spectroscopic Transitions> An electronically excited molecule can relax back to its electronic ground state. Ground electronic singlet state, S 0 First excited singlet state, S 1 First excited triplet state, T 1

27 potential energy S 1 T 1 1. Absorption ( 흡수 ) The molecule excited to S 1 by absorption Radiative transitions ( 전자기파전이 ) Nondadiative transitions ( 비전자기파전이 ) 1 S o hν Interatomic distance along critical coordinate

28 potential energy S 1 2 T 1 2. Vibration relaxation ( 진동완화 ) Nonradiative decay due to the collisions of molecules Excited molecule quickly relaxes to the lowest vibrational state of S 1 S o Interatomic distance along critical coordinate

29 potential energy S 1 3. Fluorescence ( 형광 ) Radiative decay process involving a transition between T 1 states of the same spin multiplicity S o Internal conversion ( 내부전환 ) Nonradiative decay process involving a transition between states of the same spin multiplicity Interatomic distance along critical coordinate

30 potential energy S 1 5 T 1 5. Intersystem crossing ( 계간교차 ) Nonradiative transition between states of different multiplicity Occurs when the energy level of two different electronic states overlaps S o Interatomic distance along critical coordinate

31 potential energy S 1 T 1 6. Phosphorescence ( 인광 ) Radiative decay process involving a transition between states of different spin multiplicity (T 1 S o ) 7. Intersystem crossing ( 내부전환 ) S o 7 6 Nonradiative decay process involving a transition between states of different spin multiplicity Interatomic distance along critical coordinate

32 < 들뜬상태의에너지소실과정 > 에너지활성화감소경로 진동이완 에너지이동담금질 (quenching) 복사전이 ( 전자기파전이 ) 비복사전이 ( 비전자기파전이 ) 형광 인광 내부전환 외부전환 계간교차 진동이완 : 분자의들뜬과정중전자들이에너지를잃고어떤에너지준위에머무는과정을의미하며, 들뜬분자와용매의충돌때문에전자의진동에너지를잃는다. 이때에너지는열로방출되어용매분자에흡수되므로용매의온도는상승한다. 진동이완에의해가장낮은들뜬상태에도달한다음형광을발생하면서바닥상태중의어떤에너지준위로돌아온다음다시진동이완한다. 에너지이동담금질 : 들뜬분자에어떤용매나매질을첨가할때에너지전이에의해들뜬상태들이바닥상태로변하는과정이다. 내부전환 : 비복사전이과정이고, 들뜬분자들이복사선을방출하지않고분자내부에서에너지를소실하고바닥상태로되돌아가는과정이다. 외부전환 : 비복사전이과정이고, 들뜬분자와용매혹은다른용질간에에너지전이를생성하는과정이다. 외부전환이생기면형광세기는감소하므로입자간의충돌빈도를감소하려면온도를낮추고용액의점도를증가하여야한다. 계간교차 : 비복사전이과정이며, 이과정은들뜬전자의스핀이반대방향으로변한다. 그리고준위상호간의에너지준위들이같거나비슷할때계간교차확률이증가한다.

33 자외선 - 가시광선분광광도계 / 형광광도법 (1) 파장범위 (a) 자외선 : 파장 nm (b) 가시광선 : 파장 nm (2) 흡광물질 (Chromophore) 자외선-가시광선범위의빛을흡수하는화학구조 (functional group) 를가진물질을말한다. 주로공유성 (conjugated) 이중결합이많은환 (ring) 구조를가진물질들이자외선-가시광선범위의빛을흡수한다. (3) 흡광의파장선택성전자기파 (electromagnetic radiation) 는파동으로서의성격과입자, 즉광자 (photon) 로서의성격을모두지니고있다. 어떤전자기파를구성하는광자가모두단일한파장을가지게되면이를단파장광선 (monochromatic radiation) 이라고한다. 단파장광선은원자나분자에흡수되었을때그파장에따른에너지만큼의일정한정도의에너지준위변이 (energy level transition) 를유발하게되는데그에너지준위의차이가 ΔE (Jmol 1 ) 라면다음과같은관계가성립된다. ΔE = hc / λ (h: Planck 상수, c: 진공에서의광속, λ: 파장 ) 위식에의하여어떤원자나분자를흥분 (excitation) 시키는전자기파의파장, 즉에너지에따라정해진정도의에너지준위변이가일어나게되므로원자나분자는그에허용된에너지준위의종류와가능한변이형태에따라정해진파장의빛만을흡수하게된다.

transition이더해져서조금씩다른파장의빛을흡수하기때문이기도하다. 그러나이런경우에는최대흡광도를보이는파장 (λ max, maximum absorption) 이그물질의특성으로간주되어이를정성 / 정량분석에이용한다.

34 (4) 최대흡광파장 (λ max ) 자외선-가시광선범위에서흡광성질이있는용액상태의검체는단일물질이라해도그흡광스펙트럼에서단일한흡광파장 (peak) 을보이진않고잘분리되지않는흡광 peak들이중첩되어넓은 band를형성한다. 이는어떤물질을구성하는분자의에너지상태가모두균일하지않고조금씩서로다른분포를보이기때문이기도하고, 또순수한 electronic transition에서로다른 조합의 vibration/rotational transition이더해져서조금씩다른파장의빛을흡수하기때문이기도하다. 그러나이런경우에는최대흡광도를보이는파장 (λ max, maximum absorption) 이그물질의특성으로간주되어이를정성 / 정량분석에이용한다. λ max (5) 정량분석 (Quantitative Analysis) 흡광 (absorption) 을이용한정량분석은 Beer-Lambert 법칙에근거하고있다. 이법칙은빛이통과하는거리와그흡광도와의관련성에관한 Lambert의법칙과용질의농도와흡광도의관련성에관한 Beer의법칙을통합한것이다.

35 (a) Lambert 법칙 (Lambert s Law) 검체를통과하는빛의광량 ( 빛의세기 ) 변화, 즉 diz는그검체에진입한광량 (Iz) 과그빛이통과한거리 dz에의해다음과같이결정된다. diz = kizdz (k는비례상수 ) (b) Beer 법칙 (Beer s Law) 빛을흡수하지않는용매에녹아있는용질 (solute) 분자하나하나는그농도와무관하게그용액을통과하는광선에서동일한분율의광량 (the same fraction of radiation) 을흡수한다. 이법칙을적용하면위의식에서비례상수 k는용질의분자수, 즉 M 농도 (molar concentration) C에 비례하게된다. (c) Beer-Lambert 식 k = ac (a 는비례상수 ) 위의두법칙을결합시켜 Beer-Lambert 법칙이성립된다. 위의두식을합하면, diz = a C Iz dz 이를 z = 0 에서 z = b 까지적분하면 (b = 빛의투과거리, pathlength), z = 0 일때 Iz= I 0 ( 검체진입광량 ), z = b 일때 Iz= I ( 투과광량 ) 이므로 I di I z = I o z b 0 a C dz 이로부터 ln(i 0 /I) = acb 이된다. 이를다시쓰면 I/I 0 = exp(-acb) 이다.

36 (d) 투과도 (Transmittance, T) 위식의왼쪽부분은검체에특정파장의광선이진입하여거리 b 만큼이동했을때검체에흡수되지않고투과된 (transmitted) 광량 (I) 의진입한광량 (I 0 ) 에대한분율 (fraction) 을의미한다. T = I / I 0 투과도는대개 percentage(%) 로표현된다. 그러나이값은흡광물질 (chromophore) 의농도와는직선적비례관계가성립하지않으며, 아래와같이정의된흡광도가이러한직선적비례관계를갖는다. 투과도 (%) (e) 흡광도 (Absorbance, A 또는 optical density) A = log 10 (1/T) = log 10 (I / I 0 ) 농도 위식에의하면A = 2 일경우, 입사광선 (incident light) 의 1% 만이투과된것을의미하며, A = 3 이면, 투과율이 0.1% 임을뜻한다. 빛의통과거리 (pathlength, in cm) 와흡광파장 (wavelength, in nm) 이다음과같이아래첨자로병기되기도하나, 거리는대개생략된다. 흡광도 A 1 cm, 550 nm or A 550 nm 농도 (f) 분자흡광계수 (Molar absorption coefficient, ε) 위식에서농도 C의단위를molㆍdm 3, 거리 b의단위를cm로쓰고자연로그대신사용로그를사용했을때, 그비례상수는ε 로표시하고분자흡광계수 (molar absorption coefficient, molar absorptivity) 라고이름붙인다. 위의식에이를대입하면, A = ε C b

37 (6) Beer 법칙의적용한계 농도가묽은용액에서는흡광도와농도사이에직선관계가성립 농도가진해지면 (0.01M 이상 ) 흡수화학종사이의평균거리가짧아지므로서로의전자분포상태에영향을주게된다. 화학종간의상호작용도농도에따라달라져서편차를가져온다. Beer 법칙을따르지않는원인 (a) Beer 법칙의근본적인제한성 - 물질의법칙을유도할때물질의흡수계수 (ε), 물질의참흡수계수 (ε t ) 와굴절율 (n) 의관계 ε = ε t n ( n + 2) - 굴절률은농도에따라변함 : A = εbc 에서 ε 은상수가아님 - n 값은 10-2 ~ 10-7 M 농도에서거의일정 - 그러므로, 묽은농도일때 Beer 의법칙이잘맞음 2 (b) Beer 법칙의비이상적인가정 - 전자기복사와시료분자와의관계는오직흡수파장뿐이다 : 실제적으로는공명발광, 형광, 산란 - 전자기복사선은단색화된빛이다 : 실제적으로는여러개의파장 - 시료의물질 ( 분자또는이온 ) 은서로작용하지않는다 : 진한용액에서는상호작용이가능 - 물질에의한빛의흡수과정은전부피의어느부분에서도동일하다 : 원통형의흡수용기 (c) Beer 법칙의이용하는데야기되는오차

38 (7) Stokes Shift 분자들이빛을흡수하고다시방출할때약간 적색방향으로 이동된 (shift) 장파장을갖게되는현상을 Stokes Shift 라함 예로청색광선이흡수되면즉시그로부터녹색광선이방사되기도하고, UV 광선은가시광선으로변환되기도함 이런현상은들뜬상태에서에너지의일부가형광 / 인광으로방출되기전에열로방출되었기때문임 (8) 검량곡선과미지시료의분석 A 3 시료 농도 흡광도 A X C 1 A 1 A 2 표준시료 C 2 A 2 A 1 C 3 A 3 미지시료 C X A X C 1 C 2 C X C 3

39 (7) Stokes Shift 분자들이빛을흡수하고다시방출할때약간 적색방향으로 이동된 (shift) 장파장을갖게되는현상을 Stokes Shift 라함 예로청색광선이흡수되면즉시그로부터녹색광선이방사되기도하고, UV 광선은가시광선으로변환되기도함 이런현상은들뜬상태에서에너지의일부가형광 / 인광으로방출되기전에열로방출되었기때문임 (8) 검량곡선과미지시료의분석 A 3 시료 농도 흡광도 A x 표준시료 C 1 A 1 A 2 C 2 A 2 A 1 C 3 A 3 미지시료 C x A x C 1 C 2 C x C 3 표준시료의농도 (μg/ml)

40 <UV/Vis 을이용한미지시료의농도분석예 > 경질 PVC PVC 에가소제 (plasticizer) 도입 가소제 가소제분자들은고분자사슬사이에끼어들어가빈공간을만들어줌으로써, 윤활유와같은역할을수행하여고분자사슬들이비교적쉽게움직일수있게함 하지만, 용액에함침되거나시간이지나거나온도가높아지면새어나오게되고, 이렇게빠져나온가소제가인체에들어가면심각한문제가발생. 연질 PVC 가소제유출메커니즘

< 가소제농도별 UV/Vis 측정 > < 검량곡선 > Absorbance (a.u.) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 DINP 20mg/100ml DINP 10mg/100ml DINP 5mg/100ml DINP 2mg/100ml DINP 1mg/100ml 흡수도 (a.u.) 0.8 0.6 0.4 0.2 Y = -0.02301 + 0.03806 X 0.

41 < 가소제농도별 UV/Vis 측정 > < 검량곡선 > Absorbance (a.u.) DINP 20mg/100ml DINP 10mg/100ml DINP 5mg/100ml DINP 2mg/100ml DINP 1mg/100ml 흡수도 (a.u.) Y = X Wavelength (nm) 가소제농도 (mg/100 ml) 0.6 PVC sheet 물용액 시간별용액체취 UV-Vis 측정 Absorbance Wavelength (nm) 72 h 48 h 24 h 12 h 6 h < 유출용액 UV/Vis Spectra > < 시간별유출용액농도결과 > 가소제농도 (mg/100 ml) 시간 (h)

42 (9) Solvents for UV Solvent Wavelength (nm) Water 205 CH 3 C N 210 C 6 H Ether 210 EtOH 210 Hexane 210 MeOH 210 Dioxane 220 Solvent Wavelength (nm) THF 220 CH 2 Cl CHCl CCl benzene 280 Acetone 300 Various buffers for HPLC, check before using.

43 (11) 물질의색과보색 물질의색은가시광영역의전자기스펙트럼을선택적으로흡수하는것과관련 눈에보이는색은물질에흡수되는복사선이아니며, 색을띤용액에흡수되지않고용액을투과한복사선만눈에보임 보색 (complementary color) 이라고말하는복사선의색은물질에흡수되는복사선의색 보색과흡수색을합치면백색 분광법측정기기는시료물질이어느파장의빛을가장세게, 그리고얼마나흡수하는가를측정하는장치 각시료물질은화학적구조에따라최대로빛을흡수하는파장 (λ max ) 을다르게나타냄 λ max 는물질의정성분석에이용하고, λ max 에서측정한흡광도는농도에비례하므로정량분석에이용 파장 (nm) < ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 750 > 750 흡수되는색 자외선보라파랑초록색을띤파랑파란색을띤초록초록노란색을띤초록노랑주황빨강적외선 보색 ( 눈에보이는색 ) - 노란색을띤초록노랑주황빨강자색보라파랑초록색을띤파랑파란색을띤초록 -

분광광도계 (Spectrophotometer) 의구성요소 (a) 광원 (light source): 가시광선범위 (330 ~ 850 nm) 의광원으로는텅스텐필라멘트램프가, 자외선범위 (200 ~ 450 nm) 의광원으로는디트륨가스램프가많이사용된다. 이들광원으로부터나오는빛은여러파장의빛이포함된광범위스펙트럼의광선이다.

44 분광광도계 (Spectrophotometer) 의구성요소 (a) 광원 (light source): 가시광선범위 (330 ~ 850 nm) 의광원으로는텅스텐필라멘트램프가, 자외선범위 (200 ~ 450 nm) 의광원으로는디트륨가스램프가많이사용된다. 이들광원으로부터나오는빛은여러파장의빛이포함된광범위스펙트럼의광선이다. (b) 단파장선택기 (monochromator): 여러파장의빛이섞여있는광원에서단일한파장 (single wavelength) 만을가려내는장치로그기능이장비의 resolution 향상을위해매우중요하다. (c) 광량검출장치 (detector): 광선의세기 (intensity) 를예민하고정확하게측정하는장치로, 대개 photomultiplier 나 photodiode 를사용한다. 동시에여러파장의빛을한꺼번에측정하기위한목적으로 photodiode 를일정한간격으로여러개배열한광도계를 diode array spectrophotometer 라하는데, 스펙트럼작성을매우빠르고재현성높게한다.

46 시료취급 (1) 셀 (Cell) 셀의재질 : 셀자체가빛을흡수하지않으면서모든파장에서빛을투과시켜야이상적인셀 - 플라스틱셀 : 가장비용이저렴, 보통아크릴이이용, 300 nm 이하파장에서흡광 - 유리셀 : 플라스틱셀보다고가, 320 nm 이하파장에서흡광 - 석영셀 : 플라스틱 / 유리셀보다고가, 210 nm 이하파장에서흡광 셀다루기 : 셀의표면은긁히지않아야하며손으로만지면기름이묻어큰흡광도를야기할수있음. 만약셀의표면이오염되면사진기용티슈로닦아내고, 심하게오염되면저농도의설폰계세척제나특수한세척용제로닦아내며, 매우심하게오염된경우에는염산이나질산으로세척 용매선택 : 이상적인용매란화합물을용해시키고, 비가연성이며, 독성이없고, 모든파장에서완전히빛을투과시켜야함. 아세톤이나메틸렌클로라이드같은휘발성유기용매를사용할때는기화에의한빠른농도변화를막기위해덮개가있는셀을사용 용매, 농도, ph, 온도의영향 - 용매 : 용매의극성은흡광발색단의전자적환경을변화시킴. 예로아세톤의최대흡광도는사용하는용매에따라 259 nm에서 279 nm까지변화. 비교분석의경우, 모든측정에한가지용매만사용 - 농도 : 농도는일반적으로띠의세기에만영향을미침. 고농도에서는분자간에상호작용이일어나흡광띠의모양과위치가변하여농도대흡광도관계의직선성에악영향을미침 - ph: ph 영향은주로서로다른두형태사이의평행이동에의해야기됨. 만약시료의스펙트럼이 ph의영향을받는다면, 완충제를사용하여 ph 변화를막을수있음. 그러나대부분의완충제는그자체가심각한흡광도를나타내므로주의해야함 - 온도 : 온도는화학적 / 물리적평형에영향을미칠수있음. 온도가측정에영향을미친다면, 온도조절셀홀더나온도조절기를사용하여시료온도를조절해야함

47 실험진행사항 Rhodamine B Methanol 용매에녹임 (10 5, 10 6, 10 7 M) 자외선 -가시광선분광광도법 10 5 M 10 6 M 10 7 M 형광광도법 흡광도 λ max 농도 < 검량곡선 > < 자외선 - 가시광선스펙트럼 > < 흡광스펙트럼 >

48 실험진행사항 The Quantitative Picture Transmittance: T = I / I 0 I 0 (power in) I (power out) Absorbance: A = log 10 T = log 10 I 0 / I b (path through sample) The Beer-Lambert Law: A = ε b C where the absorbance A has no units, since A = log 10 I 0 / I ε is the molar absorbtivity with units of L mol 1 cm 1 b is the path length of the sample in cm ( 본실험에사용된셀길이는 1 cm) C is the concentration of the compound in solution, expressed in mol L 1 (or M, molarity)

49 < 다음사항은보고서에필히첨가되어야함 > 결과및보고 1) 자외선 - 가시광선흡광광도법 - 각각의농도에서만들어진용액의몰흡광계수를구하라. ( 셀두께는 1 cm) - 농도에따른검정곡선을그린후 Lambert-Beer 법칙과의관계에대해논하라. 2) 형광흡광광도법 - 형광과정과경쟁하는다른비활성화과정에대해논하라. - 얻어진스펙트럼의형광파장과눈으로보이는형광색과의관계에대해논하라.

Microsoft PowerPoint - d ppt [호환 모드]

Microsoft PowerPoint - d ppt [호환 모드] UV-Visible Spectrophotometer ( 자외및가시선분광분석법 ) 개 요 1. 기본원리 2. 빛의흡수및전자전이 3. 흡수띠의세기및선택규칙 4. 전자전이의종류와특징 5. Beer-Lambert 법칙과그한계 6. 분광분석법의응용 1. 기본원리 : 원자또는분자가외부에서빛에너지를흡수 분자운동 ( 전자전이및진동, 회전, 병진 ) 바닥상태에있는원자나분자는그종류에따라특정파장의자외및가시선을흡수하며전자전이를일으키면서흡수스펙트럼을나타낸다.