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. 흡수하는파장 원자또는분자의전자구조, 조성 흡수하는빛의세기 ( 흡광도 ) 원자나분자의농도결정 UV-Vis Spectrophotometer ( 자외 - 가시선분광광도계 ) 어떤시료분자가어느파장의빛을흡수하며, 그흡광도는얼마나되는지측정하는기기장치.
높음 주파수 (ν ) 낮음 UV Visible IR X 선자외선가시선적외선마이크로파라디오파 200 nm 400 nm 800nm 짧다 파장 (λ) 길다 < 전자기스펙트럼의주요범위 >
2. 빛의흡수및분자전이 Absorption: 물질이복사에너지를흡수하여물질과에너지 와상호작용이일어나는것. Δ E = h ν = hc λ 흡수, 산란, 반사, 분자운동 ( 진동, 회전, 병진 ) M + hv M * 분자의전체에너지 E tot = E el + E vib + E rot + E trans
< 분자의전자, 진동및회전에너지 >
분자스펙트럼의띠넓힘현상원자 - 선스펙트럼분자 - 띠스펙트럼진동및회전에너지가포함되어나타나므로 a) 증기상태 b) 시클로헥산용매 c) 물용매 < Sym-tatrazine 의흡수스펙트럼 >
3. 흡수띠의세기및선택규칙 3-1. 흡수띠의세기 (band intensity) 전자전이의성격, 분자의전자구조를규명 최대흡수파장 (λ max ): 최대의흡광도를보여주는파장 이때의물질의몰흡광계수 (molar absorptitvity): ε max
3-2. 선택률 (Selection Rule) 양자역학적으로분자의대칭성을토대로전자전이를확률적으로예측할수있는규칙 1. 스핀금지전이 (spin-forbidden transitions): 전자전이가일어날때전자의스핀상태가변화하는전이는금지된다. 2. 라포테금지전이 (laporte forbidden transitions): 분자내에대칭의중심이있을경우반전성 (parity) 이변화하는전자전이는금지된다. 3. 대칭성금지 : 동시에 2 개또는그이상의전자가들뜬상태로이동하는전자의전이는금지된다. 4. 완전히허용된전이 (fully allowed transitions): 흡수띠의세기가강해진다.
4. 전자전이의종류와특징 4-1. 분자의전자전이 두원자가결합하여분자를형성할때두원자의궤도함수가겹쳐 2 개이상의분자궤도함수형성 결합분자궤도함수 (bonding moleculer orbital):σ, π 에너지준위가낮음 반결합분자궤도함수 (antibonding moleculer orbital): σ*, π* 에너지준위가높음 비결합전자 (nonbonding electron): n 전자 유기화합물중 O, N, S 및할로겐원자
< C=O : 작용기의에너지준위와전자전이 > σ σ * > σ π * > n σ > π π * > n π *
4-2. 유기화합물전자전이의특성 1). σ σ* 흡수영역 : 진공자외선, <200nm 가장높은에너지흡수진공상태에서만관찰가능, 포화결합화합물, 용매역할 예 ) 메탄 : 125nm, 프로판 : 135nm 2).n σ* 흡수영역 : 원적외선, 180-250nm 높은에너지흡수, X, O, S, N 등과같이비결합성전자를가지는치환기가있는화합물 예 ) 아세톤 : 190nm, 메틸알코올 : 183nm, 메틸아민 : 213nm
3). π π* 흡수영역 : 자외선, > 약 180nm 중간에너지흡수, 다중결합이컨쥬게이션된폴리머를포함한화합물, 완전히허용된전이 (ε max >10,000) 예 ) 에틸렌 : 165nm, 부타디엔 : 217nm, 헥사트리엔 : 256nm 4). n π* 흡수영역 : 근자외선또는가시선, 280-800nm 가장낮은에너지흡수, 불포화발색단을포함하는화합물금지된전이 (ε max <100) 극성용매에서단파장이동, OH, NH 2, SH 기등이치환되면서장파장이동 예 ) 니트로부탄 : 665nm, 아세트알데히드 : 290nm
4-3. 전이금속, 금속착화합물의전자전이 1. 금속이온의전이 ( 전이금속의 d-오비탈내의전이 ) 대부분라포테금지전이, 흡수강도가낮다전이금속착화합물의전자구조규명 2. 리간드내에서의전이 ( 금속착화합물과리간드분자내에서의전이 ) 리간드 : 대부분유기화합물, 발색단을가짐 3. 전하이동전이 ( 금속이온과리간드간의전하이동 ) 완전히허용된전이, 몰흡수율이큼미량인경우도검출
4-3. 발색단과스펙트럼변화 1. 발색단 (chromophore): 분자가색깔을띠게하는작용기. 넓은의미 : 화합물이빛을흡수하여 σ σ *, σ π *, n σ, π π *, n π * 등과 같은전자전이를일으킬수있는모든작용기 2. 조색단 (auxochromophore) 발색단이빛을흡수하는데도움을주는작용기. ex) -OR, -NH 2, -NR, -OH, -X 발색단과결합, 흡수파장을장파장으로이동, 흡수세기증가
3. 스펙트럼의변화
4. Beer-Lambert 의법칙 I 0 C I b cm 1) 투광도 (transmittance, T) T = log I I 1 T 0 = = e abc log I I 0 = abc
2) 흡광도 (absorbance, A): log1/t A = 2- log T = abc A = εbc (ε: 몰흡광계수 ) - 시료용액의흡광도는시료의농도및용기의두께에비례하게된다. - 용기의두께 b를일정하게하면흡광도는시료의농도에만직선적으로비례하게된다. A = kc
3) 검량곡선과미지시료의분석 A 3 시료농도흡광도 A x 표준시료 C 1 A1 A 2 C 2 A2 A 1 미지시료 C3 A3 Cx Ax C 1 C 2 Cx C 3 표준시료의농도 (μg/ml)
4).Beer 의법칙의적용한계 농도가묽은용액에서는흡광도와농도사이에직선관계가성립. 농도가진해지면 (0.01M 이상 ) 흡수화학종사이의평균거리가짧아지므로서로의전자분포상태에영향을주게된다. 화학종간의상호작용도농도에따라달라져서편차를가져오게된다. Beer 의법칙을따르지않는원인 1. 법칙의근본적인제한성 2. 법칙의비이상적인가정 3. 법칙을이용하는데야기되는오차
복색광의 Lambert-Beer 의법칙에대한영향
1. Beer 의법칙의근본적인제한성 - 물질의법칙을유도할때물질의흡수계수 ( ε) 물질의참흡수계수 ( ε t ) 와굴절률 (n) 의함수 ε = ε t n ( n + 2 ) 2 - 굴절률은농도에따라변함 A = εbc에서 ε는상수가아님 -n값은 10-2 ~10-7 M정도에서거의일정 묽은농도에서 Beer의법칙이잘맞음
2. Beer 법칙의비이상적인가정 전자기복사와시료분자와의관계는오직흡수파장뿐이다. 공명발광, 형광, 산란 전자기복사선은단색화된빛이다. 여러개의파장. 시료의물질 ( 분자또는이온 ) 은서로작용하지않는다. 진한용액에서는상호작용 물질에의한빛의흡수과정은전부피의어느부분에서도동일하다 원통형의흡수용기
5. 분광분석법의응용 5-1. 정량분석 1) 정량분석에유용한이유 1. 응용범위가광범위하다 2. 감도가높다. 3. 정확도가높다. 4. 선택성이좋다. 5. 측정방법이비교적간편하다.
2) 방법 1. 분석하고자하는물질의흡수스펙트럼을측정하여최대흡수가일어나는파장 (λ) 과몰흡광계수 (ε) 를결정. 2. 검량곡선을작성 3) 유기화합물의분석 1. 적당한용매에시료를녹인다음자외선영역에서 λmax를분석파장으로하여흡광도를측정 2. 디아조화 (diazotization) 짝지음반응 (coupling reaction) 을이용 3. 금속이온과착화합물을형성시켜발색시킴.
4) 금속, 비금속및음이온의분석 금속이온 - 발색시약을가하여색깔을띠게하고, 가시선의 λmax 를분석파장으로선택 발색시약 - 금속과반응하여유색의착이온을형성시키는킬레이트시약
5-2. 광도법적정 1) 직접광도법적정 반응물또는생성물의농도변화에의하여나타나는흡광도의변화로종말점을알아냄 2) 간접광도법적정 첨가한지시약의흡광도가적정용액의부피함수로나타남 3) 장점 다른방법으로종말점을얻는것보다훨씬정확
< 광도적정곡선 >
5-3. 혼합물의분석 시료에 2 가지이상의성분이혼합 - 흡광도는가감성을나타냄 성분 A, B 파장 λ 1 에서측정 ----- εx1, εy1 파장 λ2 에서측정 ----- εx2 εy2 A1 = Ax1+ Ay1 = εx1bcx + εy1bcy A2 = Ax2+ Ay2 = εx2 bcx + εy2bcy Cx, Cy
순수한물질 X,Y 및 X 와 Y 에대한흡수스펙트럼
5-4. 착화합물에있어서금속 - 리간드의몰비결정 nm + pl MnLp p/n 을결정하는방법 1. 몰비법 (mole ration method, Job 법 ) 한가지성분의농도를고정하고나머지성분의농도비를바꾸어서착화합물의최대흡수파장에서흡광도를측정 2. 연속변화법 금속이온과리간드의전체농도를고정하고이들의몰분율을변화시켜가며흡광도를측정하는방법 3. 단점 : 착물을포함하는용액이 Lambert-Beer 의법칙을벗어나는경우해리상수가큰방향으로오차를유발 착물이공존하거나부산물이생성될경우신빙성이없다.
< 몰비법과연속변화법 >
5-5. 평형상수및이온화상수의결정 착화합물의농도와흡광도와의관계로부터평형상수계산 용액의 ph 에따라최대흡수점및흡광도가다르게되므로해리상수결정 5-6. 정제및미량분석 유기물을정제할때미량의불순물이강한흡수를일으킬경우스펙트럼을이용하여불순물의종류및양을결정 불안정한생화학물질물질의순도를확인 흡수스펙트럼자료로
5-7. 정성분석 표준물질이있는경우 - 시료물질과같은조건에서스펙트럼을측정하여비교. 표준물질이없는경우 - 표준스펙트럼 (Sadler Spectra, Electronic Spectral Data) 용매의선택이중요 -종류에따라흡수파장이달라지므로