contents 1. 분광분석기초이롞 2. FT-IR 원리및활용분야 3. FT-IR search 4. 성균관대학교공동기기원분광분석실 3. FT-IR 분석사례
1. 분광분석기초이롞
1. 분광분석기초이롞 1-1. 용어 (1) 분광학 / 분광법 [spectroscopy] -파장( 또는에너지 ) 별빛의세기를측정하는방법 / 학문 - 모든물질마다고유핚에너지와스펙트럼을가지고있기때문에, 어떤파장 ( 에너지 ) 를조사 (radiation) 하고나오는공명에너지, 그물질의특성스펙트럼을분석함으로써, 그물질의구조를파악하고정성분석이가능핚기술. 분광기 [spectrometer] - 분광학적기계장치중특정파장에서의빛의양 (photon 수 ) 을측정 (measure) 핛수있는 meter. - 빛의파장을순서로나누기위해사용하는장치. - 입사된광을프리즘또는회젃발로단색화 ( 분리 ) 핚후광의세기를검출하는기계장치. 스펙트럼 [spectrum] - 파장 ( 또는에너지 ) 에따른빛의세기변화를도시핚그래프 - 빛을파장의차이에따라분리하여파장의순서로나열핚것을그빛의스펙트럼이라함.
1. 분광분석기초이롞 1-1. 용어 (2) 기기분석 [instrumental analysis] - 시료에서분석성분의물리적, 화학적특성을정밀분석기기로측정하여정성및정량분석하는방법 정성분석 [qualitative analysis] - 원소, 화학종, 시료에존재하는화합물을확인핚것 정량분석 [quantitative analysis] - 물질을구성하는성분의양또는비율을측정하는것. 퓨리에변환형 [Fourier-Transform] - 빠른시갂내에정확핚 spectrum 을얻기위해도입됨. - 광원에서오는약핚싞호를주위의잡음으로부터분리시킬수있다. 기능기, 작용기 [functional group] - 특정조건하에서반응성을지니는분자내핚원자또는원자단. - 공통된화학적특성을지니는핚무리의유기화합물에서그특성의원인이되는공통된원자단결합양식
1. 분광분석기초이롞 1-2. Basics (1) Source I 0 I trans Detector The light excites the atoms in molecules to vibrations. Thereby the intensity of the irradiated light is weakened. Infrared spectroscopy is also called vibrational spectroscopy.
1. 분광분석기초이롞 1-3. 복사선의종류와에너지 복사선 X 선 UV-Vis 적외선마이크로파라디오파 분광법 X 선흡수, 방출, 형광, 회젃법 원자흡수, 젂자흡수, 형광, 인광, 적외선흡수, 방출 마이크로파흡수 젂자스핀공명, 핵자기공명 양자전이형태내부젂자젂이결합젂자젂이짂동 / 회젂젂이회젂젂이젂자 / 핵스핀젂이 복사선은파장에따라다음과같이분류될수있다. 각복사선이갖는에너지는그림에나타낸분자의 에너지에해당되며, 시료와일으키는작용이다르다. 이에걸맞는분석법에응용될수있다.
1. 분광분석기초이롞 1-4. 분광학에이용되는전자파의응용영역 빛의종류상호작용응용 X- 선내부젂자 (core electron) 의젂이 X-ray 분광법 자외선 가시광선 젂자 (electron) 의젂이 UV-Vis 분광법형광광도법선광도법 ORD/CD 원자분광법 적외선분자짂동운동의젂이적외선분광법 마이크로파분자회젂운동의젂이마이크로분광학 라디오파 자기장에서젂자스핀의젂이 자기장에서핵스핀의젂이 젂자스핀공명분광학 (ESR) 핵자기공명분광학 (NMR)
1. 분광분석기초이롞 1-5. Energy Level of a molecule 총젂위에너지 (potential energy) 의크기는 젂자에너지, 짂동에너지, 회젂에너지의합으로나타낸다. 각상태에서의에너지의차이는전자E > 진동E > 회전E 순으로작아짐. 전자에너지가변핛때는큰에너지빛인자외선-가시광선 (UV-Visvle) 을, 진동에너지상태가변핛때는적외선 (IR: infrared) 을, 회전에너지가변핛때는보다파장이긴마이크로파를흡수또는방출.
1. 분광분석기초이롞 1-6. Molecule Types of possible Vibrationes (1) 1) 신축진동 (stretching) : 결합길이변화 : 짂동은두원자사이의결합축을따라서원자갂거리가연속적으로변화하는것. (1) 대칭 (Symmetric), (2) 비대칭 (anti symmetric) stretching Vibration Symmetric anti symmetric
1. 분광분석기초이롞 1-6. Molecule Types of possible Vibrationes (2) 2) 굽힘진동 (bending) Deformations( 변형 ) : 원자들사이의결합각변화 : 짂동은두결합사이의각도변화를말하며, 결합축에대하여원자들의위치변화. (1) 가위질진동 (scissoring), (2) 좌우흔듦진동 (rpcking), (3) 앞뒤흔듦진동 (wagging), (4) 꼬임진동 (twisting) Deformations- Vibration Scissoring rocking wagging twisting
1. 분광분석기초이롞 1-7. 전자기파 (Electromagnetic Wave)
1. 분광분석기초이롞 1-8. 적외선 (Infrared) 파장별분류 귺적외선중적외선원적외선 cm-1 (kaiser) : 파장의역수. 1 cm 내에짂동하는파의횟수로짂동수가맋을수록파장은짧아짂다. 파수를사용하는이유? 에너지에비례하기때문에사용. ( 더높은파수는높은에너지에해당 )
1. 분광분석기초이롞 1-9. 실생활속적외선 (1)
1. 분광분석기초이롞 1-9. 실생활속적외선 (2)
2. FT-IR 원리및활용분야
2. FT-IR 원리및활용분야 2-1. FT-IR 적외선분광기원리및장단점 영문명 : FT-IR (Fourier-Transform Infrared spectrometer) 한글명 : 퓨리에변환형적외선분광기 물질의투과, 반사를측정하여분자내화학결합의특성, 즉기능기, 작용기 [functional group] 를알아보는장비. 일반적으로중적외선 (4 000 ~ 400 cm -1 ) 을분석. 원리 : 유기분자에적외선을비추면그분자의쌍극자모멘트에변화를일으키는짂동에너지에대응하는파수의적외선이흡수된다. 모든물질마다적외선영역에서고유의흡수대를가지고있으므로분자고유의흡수스펙트럼을얻을수있고 ( 고유에너지준위 ), 그파수로부터정성분석이가능하고, 흡수강도의비교에따른정량분석이가능. 장점단점 - 기기조작이갂편하며, 분석측정시갂이짧다. - 수분에민감하다. - 다양핚 Accessory를사용함으로써, 복잡핚젂처리과정이적다. - 결과해석이난해하다. - 고감도 (S/N), 고분해능, 고속측정
2. FT-IR 원리및활용분야 2-2. FT-IR (IFS-66/S) Layout (1)
2. FT-IR 원리및활용분야 2-2. FT-IR (IFS-66/S) Layout (2) Electronic Source compartment Detector Detector Sample compartment Sample compartment Aperture wheel Filter Aperture wheel wheel Filter wheel Sample position Sample position Interferometer compartment Interferometer compartment
2. FT-IR 원리및활용분야 2-3. 광원 (Light source, 光源 ) Nernst 백열등 - ZrO 2, CeO 2, THO 2로맊든직경 1~2 mm 정도의막대 - 1200~2000 K 온도범위에서젂기적으로가열하여적외선얻음 - 가장맋이사용되는적외선광원 Globar 광원 - SiC 탄화규소를소결하여맊든막대 - 1300~1500 K 온도범위에서젂기적으로가열하여적외선얻음 - Nernst 백열등보다더낮은온도에서작동 ( 공기산화를방지하기위해 ) 백열선광원 - 코일형의니크롬선광원 - Nernst, Globar 광원보다세기는약하나수명은길다. 수은아크, 텅스텐필라멘트, C0 2 Laser 광원등
2. FT-IR 원리및활용분야 2-4. Beam splitter 역할 - Beam splitter는광원으로부터들어온복사선을약 50 % 는투과시키고, 50% 는반사하여복사선을반으로나누는역핛 재질 - KBr, NaCl, CsI 등 주의사항 - 습기에약함 - 습기에노출된경우 windows가쉽게오염되어효율감소 - 위문제점보완하기위해 purge system, 제습제등이용 - 보관시데시게이터에보관하며, 되도록탈착하지말것.
2. FT-IR 원리및활용분야 2-5. 검출기 (detector) 검출시선택시 - 사용영역, 감도, 처리속도 (Signal) 를고려 광전도검출기 (photo-conducting detector) - 비젂도성유리표면에황화납 (PbS), mercury telluride-cadmium telluride (HgTe/CdTe: MCT), indium antimonide (InSb) 와같은반도체물질의엷은필름으로이루어짐 - 대기로부터반도체를보호하기위해짂공관속에밀봉됨 - 황화납광젂도체는 NIR 영역에서가장널리사용되며, 실온가능 - Mid, Far 영역에서는 MCT 광젂도검출기가사용되며, 액체질소로냉각시켜열적잡음을최소화 - 열검출기보다감응이빠르고, 감도가더좋음 - 핚정된파장영역에서작동 열법검출기 (thermal transducer) - 검출기의저항과같은물리적성질을바꾸는열효과에이용 - 광범위핚파장영역에유리 1 열젂기쌍 (thermocouple), 2 볼로미터 (bolometer) 3 golay or 압력식 (pnematie) 검출기등 파이로전기검출기 (pyroelectric detector)
2. FT-IR 원리및활용분야 2-6. FT-IR Applications 물질의분자구조결정 ( 정성분석 ) - Absorption of each functional group occur in a small range of IR 반응메커니즘연구 - 특성peak가없어지거나생성되는반응의 mechanism을확인가능 수소결합검정 - 일반적이짂않으며, biochemical (ex: DNA 구조, 고분자단백질분석등 ) 확인시 정량분석 - 널리이용되지않는다. - 이유 : spectrum 결과에영향을주는요인이맋다. 맋은요인들을표준화하여정량적으로수치화하기힘들다. 액상경우, 용매의제핚이맋다.
Transmission 0% 50% 100% 2. FT-IR 원리및활용분야 2-7. Qualitative Analysis Qualitative Analysis -Like a fingerprint: Each molecule has its own individual IR spectrum. 4000 3500 3000 2500 wavenumber cm-1 2000 1500
2. FT-IR 원리및활용분야 2-8. FT-IR Microscopy : Typical Applications and Samples
2. FT-IR 원리및활용분야 2-9. FT-IR 분석가능한시료
3. FT-IR search
3. FT-IR search 3-1. FT-IR specturm [Transmittance(%)] - 10 -
3. FT-IR search 3-2. FT-IR specturm [Absorbance] - 10 -
3. FT-IR search 3-3. FT-IR specturm [overlap data] Y 축의의미 : intensitr( 강도 ) X 축의의미 : Range( 범위 ) wavenumber (cm -1 ) - 10 -
3. FT-IR search 3-4. FT-IR search [Functional Groups] - 10 -
3. FT-IR search 3-5. FT-NIR search [Functional Groups] - 10 -
3. FT-IR search 3-6. FT-IR peak search - 10 -
3. FT-IR search 3-7. FT-IR spectrum search - 10 -
7. FT-IR search 3-8. FT-IR 논문참고 국회도서관 (www.nanet.go.kr) RISS 학술연구정보서비스 (http://www.riss.kr) Dbpia (http://www.dbpia.co.kr) 국가과학기술전자도서관 (http://scholar.ndsl.kr) 성균관대학교학술정보관 (http://lib.skku.edu) 국립중앙도서관 (www.nl.go.kr) 사이언스다이렉트 (www.sciencedirect.com) KISS 학술데이터베이스검색 (http://kiss.kstudy.com) Google 학술검색 (http://scholar.google.co.kr) 네이버전문 (http://academic.naver.com/main.nhn) - 10 -
4. 분광분석실
4. 성균관대학교공동기기원분광분석실 4-1. 브랜드 & 모델별다양한 FT-IR
4. 성균관대학교공동기기원분광분석실 4-2. 보유분석장비목록 분석기기명 모델명 제조사 1 FT-IR 적외선분광기 IFS-66/S Bruker 2 FT-IR 적외선분광기 TENSOR 27 Bruker 3 Vacuum-IR 진공적외선분광기 IFS 66V/S Bruker 4 FT-NIR 근적외선분광기 MPA Bruker 5 FT-Raman 라만분광기 FPA 160/S Bruker 6 Dispersive Raman 분산라만분광기 SENTERRA Bruker 7 UV-Vis/NIR 자외선 - 가시광선 / 근적외선분광기 Cary 5000 Varian ( 현 Agilent)
4. 성균관대학교공동기기원분광분석실 4-3. FT-IR 장비사진및모델비교 모델명 : IFS-66/S 도입시기 : 2002년 - FT-Raman 과일체형 - MCT Detector 액체질소주입유 ( 有 ) - angle ATR(A513) 악세서리 Auto 사용가능 모델명 : TENSOR 27 도입시기 : 2013년 - Microscope FPA Detector 유 ( 有 )(Mapping, Imige 분석가능 ) - 액체질소주입무 ( 無 ) (Microscope 예외 ) - angle ATR(A513) 악세서리 Auto 사용불가능
4. 성균관대학교공동기기원분광분석실 4-4. Vacuum FT-IR 장비사진 4-5. FT-NIR 장비사진 모델명 : IFS-66V/S 모델명 : MPA
5. FT-IR 분석사례
5. 성균관대학교공동기기원 FT-IR 분석사례 5-1. Powder sample pellet 제작 [KBr 혼합량 data 차이 ]
5. 성균관대학교공동기기원 FT-IR 분석사례 5-2. Liquid sample [DI-water] - 44 -
5. 성균관대학교공동기기원 FT-IR 분석사례 5-3. solution sample [DI-water 에용해 ] - 45 -
5. 성균관대학교공동기기원 FT-IR 분석사례 5-4. solution sample [DMF(dimethylformamide) 에용해 ] Sample DMF Sample DMF Sample (Dry) Sample (Dry) - 46 -
5. 성균관대학교공동기기원 FT-IR 분석사례 5-5. wafer sample Backgraund 차이 Air Backgraund Air Backgraund Ref Si wafer Air Backgraund Ref Si wafer Si wafer Backgraund Si wafer Backgraund Si wafer Backgraund 24 hr sample Air Backgraund 24 hr sample Air Backgraund Ref Si wafer Air Backgraund 24 hr sample Si wafer Backgraund 24 hr sample - 47 -
5. 성균관대학교공동기기원 FT-IR 분석사례 5-6. 논문참고비교분석사례 (1) [PTFE] - 48 -
5. 성균관대학교공동기기원 FT-IR 분석사례 5-7. 논문참고비교분석사례 (2) [LiMnNiO] - 49 -
5. 성균관대학교공동기기원 FT-IR 분석사례 5-8. 동일성분여부추측분석사례 1Blue 2Gray 3Orange 1Blue 1 Blue sample 분석결과 2Gray 3Orange - 50 -
5. FT-IR 분석사례 5-9. 번외 Gas 분석 [ 해외사례 ] Surveillance of Stadiums Identification of Ethanol 2008 년독일월드컵 - 51 -