5. AAS(Atomic Absoption Spectrophotometry)를 이용한 칼슘의 정량 오미석 손희영 신혜원

5.AAS(Atomic Absoption Spectrophotometry 기계의 원리 실험이론 실험방법 실험결과 및 분석

AAS기기 사용 실험의 목적 AAS의 원리와 구조를 알아본다. Ca 흡광도에 대한 간섭의 영향을 알아본다. 미지시료 중 Ca를 Calibration Curve와 Standard Addition 방법으로 구해본다.

AAS기기의 원리 A = εbC (1) Beer’s law 분석 시료의 흡광도 측정 시: Beer’s law 이용 시료의 흡광 정도는 시료에서 빛을 흡수할 수 있는 원자들의 수에 비례 우리 실험은 광원이 시료에 조사한 처음 빛의 세기 I0에서 시료를 투과한 빛의 세기 I를 뺀 값을 통해 시료의 흡광도를 측정할 것이다. I0 I

(2) AAS 기기의 구성 개략도 Hollow Cathode Lamp가 광원의 역할을 함 → 불꽃 원자화기에서 시료 가 용액 상태로 들어가 중성 원자화됨 → 시료가 흡수하고 난 후 투과된 빛을 단색화장치가 단일 파장으로 바꾸어 줌 → 검출기가 단색화장치를 통과한 빛 을 감지 → 신호를 증폭하기 위한 장치로 광전증배관이 사용됨 → 신호 도출 기기 구성 흐름따라 작동 내용 설명할 것

(3) AAS 기기의 구성 1) 광원 Hollow Cathode Lamp의 구성 - 텅스텐 anode - Ne이나 Ar과 같은 불활성기체로 채워진 유리관에 밀봉되어 있는 cylindrical cathode Hallow cathode lamp 작동 원리 그림 추가(다른 조 슬라이드) 작동 원리 설명 후 장점 : selective함 / 단점 : 여러 원소를 동시에 분석할 수 없음. 분석하고자 하는 원소에 해당하는 램프들을 모두 준비해야함

Hollow Cathode Lamp의 작동 방식 Hollow Cathode Lamp의 Ca으로 만들어진 음극에 높은 전압을 걸어주면 Ar이 Ar*가 되면서 음극을 자극해 음극 표면에서 Ca원자가 튕겨 나온다.(sputtering) 튕겨 나온 Ca원자는 주위의 Ar과 다시 충돌해 Ca*의 들뜬 상태로 Ca원자 고유의 공명선을 방출하면서 안정화된다.

Hollow Cathode Lamp의 장, 단점 -장점 음극에 분석하고자 하는 원소와 동일한 원소가 도포된 hollow cathode lamp를 사용하여 원소의 고유한 공명선을 광원으로 사용함으로써 미지 시료 내에서 분석하고자 하는 원자만을 선택적으로 분석할 수 있다. -단점 음극이 분석 원소와 동일한 원소로 만들어진 금속이나 합금이기 때문에 여러 원소를 동시에 분석하기에는 어려움이 따른다. 따라서 여러 원소를 동시에 분석하기 위해서는 각각의 원소마다 음극을 따로 만들어서 실험해야 하는 번거로움이 있다.

2) 원자화장치 사용한 원자화장치: 사전혼합식(premix type) 버너머리에 도달하기 전에 일어나는 작용 Nebulization: 분석시료가 든 용액을 작은 분무 방울로 만드는 과정. 이때 분무방울의 크기가 고르지 않거나 너무 크면 원자화효율에 영향을 줄 수 있 으므로 흐름막이(Flow Spoiler)에 의해 응축되어 폐기된다. 위와 같은 과정을 통해 시료가 분무되어 작은 방울이 되면 이를 연료, 보조기체와 함께 미리 섞은 후 불꽃이 만들어질 버너 머리로 보내주는 과정이 진행된다. 원자화효율이란 무엇이고, 왜 AAS에서 중요한지 원자화장치의 장 단점: 시료 용액 분무 → 용매 증발, 화합물 열 분해 → 중기상태의 중성원자 만듬 장점 : 비교적 안정한 불꽃, 감도는 물론 재현성이 좋다 단점 : 시료 주입속도가 낮다, 혼합 용매의 선택적 증발에 의한 오차가 생길 수 있다.

TIP! 원자화효율이란? AAS에서 분석 시료의 흡광도를 정확히 측정해야 실험 오차를 줄일 수 있다. 이를 위해서는 불꽃 원자화기로 들어갈 시에 용액 중의 이온 상태였던 Ca이 원자화되는 과정이 중요하다. 이 때, 원자화효율이 높다 는 것은 시료의 분무 완성도가 높고, 불꽃 속에서 시료 용 액의 용매도 잘 증발됨을 말한다.

사전혼합식 원자화기의 장점 - 사전 혼합식 버너는 안정한 불꽃을 만들어 높은 감도의 결과를 얻을 수 있다. 사전혼합식 원자화기의 단점 - 원자화 과정 중 용매의 증발이 일어나는 Desolvation에서 혼합 용매의 증발이 불완전하게 일어남으로써 실험 결과 의 오차를 가져올 수 있다. - 불꽃이 분무함 안으로 역류해 들어가서 폭발하는 위험이 생길 수 있다.

(4) 그 외 분광광도법에 쓰이는 기본적인 장치들 ◇단색화장치(Monochromator): 광원에서 발생한 빛을 각 성분 파장으로 분산시킨 뒤 좁은 띠의 파장을 선택하는 장치. ◇검출기(Detector): 광자가 검출기에 닿을 때 전기 신호를 발생시키는 장치. 검출기의 응답은 입사 광자의 파장에 따라 달라진다. 단색화장치 그림 추가

◇광전증배관(Photomultiplier): 나오는 신호의 세기를 높이기 위해 가해준 광원의 빛을 증폭시키는 장치. 설명만 할 것. 슬라이드는 따로 필요없을 듯. 광원 변조에 대한 내용 미리 숙지할것(다른 조ppt 슬라이드 노트 참고) 광원 변조 -불꽃 원자화기의 온도가 높을 때 시료의 일부는 원자화되고 일부는 이온화된다. 이때 이온화된 시료가 중성원자로 돌아가면서 이 중성원자 또한 흡광도에 영향을 미치게 된다. 이는 대개 단색화장치에 의해 해결되지만 ) 광원의 출력이 일정한 주파수를 갖도록 변조 → 검출기에 들어오는 신호: ㉠ 광원의 교류신호, ㉡ 불꽃의 연속신호 → 이 신호들을 각 형태에 해당하는 전기신호로 바꿈 → 고주파 통과 RC 필터(부록 2B-5절)를 통과시킴 → 변조되지 않은 dc 신호는 제거되고, ac 신호는 통과하여 증폭 * 광원의 방출복사선을 변조하는 간단하고 만족스런 방법 ⓐ 광원과 불꽃사이에 회전 금속원판 또는 토막기를 놓아둠 → 원판을 1/4로 나누고, 반대편에 있는 부분을 떼어내어 빛이 통과하게 함 → 원판을 일정한 속도로 회전 → 원하는 주파수로 빛살을 토막낸다 ⓑ 광원의 전압공급장치가 단속적 또는 ac 방식으로 작동하도록 설계 → 광원이 일정한 주파수로 켜졌다 꺼졌다 하게 한다(on and off).

실험 이론 - 간섭 - 표준물 첨가법 - 유기용매효과

간섭(Interference) 분광 간섭 이온화 간섭 내열성 화합물의 형성 물리적 간섭 각각의 정의와 해결법 알아보자

-분석 원소와 비슷한 빛을 흡수하는 원소들의 영향  -고온불꽃 사용 분광 갑섭 -고체입자, 증발 덜 된 용매방울, 분자 등이 불꽃 속에서 산란 되어 영향 -분석 원소와 비슷한 빛을 흡수하는 원소들의 영향  -고온불꽃 사용 -분석원소 흡수선과 가까이 있으면서도 원소에 의해 흡수되지 않는 선의 흡광도 측정하여 보정 1. 원자흡수의 특이성 때문에 거의 일어나지 않음

Ca  Ca2+ + 2e-  분석원소보다 이온화 잘되는 원소추가. 이온화 간섭 알칼리/알칼리토 금속 들이 고온 불꽃에서 상당량 이온화 되어 중성원자가 덜 생김 Ca  Ca2+ + 2e-  분석원소보다 이온화 잘되는 원소추가. ( Na  Na+ + e- ) 표준용액에 간섭원소 같은 양 가하기. 시료와 표준 용액에 과량을 첨가해 보정.

불꽃 속에서 측정원소와 음이온이 내열성 화합물을 형성. 내열성 화합물의 형성 불꽃 속에서 측정원소와 음이온이 내열성 화합물을 형성. 예 : P2O74- + 2 Ca2+  Ca2P2O7  -간섭 요인 화학적으로 감소 또는 제거 ①Sr , La : 인산음이온과 반응 ②EDTA : 칼슘-EDTA 킬레이트 형성 - C2H2-N2O 같은 고온 불꽃 사용 스트론튬이나 란탄 포함 물질 가해주면 그것들이 인산과 더 잘반응하여 칼슘과의 방응 억제 칼슘-EDTA 킬레이트 형성 으로 인산이온과 간섭 억제되고 칼-E 킬레이트는 불꽃 속에서 다시 분해하여 칼슘 증기생성 고온불곷 분해

물리적 간섭 시료 용액 내의 염류 등의 성분에 의한 대부분 표준물첨가법 사용 점도, 표면장력 등의 물리적 성질 때문에 시료 공급 속도나 불꽃온도, 원자화 효율에 영향 대부분 표준물첨가법 사용 표준물 첨가법 사용해 물리적 방해 요소 제거

표준물 첨가법 다양한 matrix effect 들을 동일한 조건의 표준물로 재현하기 어려울 때 사용 일정량의 시료 용액에 표준 물질의 농도를 0에서 부터 단계적으로 변화시면서 가한 용액의 흡광도를 측정 후 표준곡선 작성해 시료의 농도 구하는 법 X절편 미지시료농도인 이유는 구두로 설명

유기용매의 효과 유기용매 사용시 전반적인 원자화 효율 증가 분무 속도 증가, 더 미세한 방울 형성, 유기 용매의 보다 나은 증발과 연소(자체가 연료로 작용)

실험 방법 - 분석프로그램 사용법 - 실험 기구 및 시약 - 실험 순서

AAS 기기 및 프로그램 사용방법 1. Power on

2. Fan on & Air 밸브 와 아세틸렌 가스 밸브open

3. 프로그램 실행

4.Flame 켜기 & DIW 넣기 Safetyinterlock 초록이 / 증류수 flow

4. 측정 Tip!! 시료 측정간 적당한 시간 (약 3~5분) 튜브를 넣은 후 1~2ml 정도 흡입 된 후 측정 버튼 클릭

5. 종료 bleed gas 중요하다고 말하기

기구 및 시약 기구 마이크로 피펫, 500mL bottle 6개, 15ml 시험관 16개 시약 50ppm Ca, 500ppm Ca, 4%SrCl2, 2000ppmNacl, 100ppm 인산이온, 100ppm Al, 에탄올

방해실험 및 유기용매의 영향 실험 시약제조 구분 5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온 5ppm Ca + 10ppm 방해실험 및 유기용매의 영향 실험 시약제조 구분 5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온 5ppm Ca + 10ppm 인산이온 + 1% SrCl2 5ppm Ca + 1%SrCl2 + 1000ppm Na + 10ppm Al 50% 에탄올 + 5ppm Ca 50ppm Ca 1ml DIW 9ml 8ml 5.5ml 6.5ml 4ml 100ppm인산 4%SrCl2 2.5ml 2000ppm NaCl 5ml 100ppm Al 50% EtOH

실험1. 방해 실험 a. 순수한5ppm Ca 용액과 5ppm Ca에 다른 물질이 첨가된 용액들의 흡광도를 측정하여 방해효과를 확인한다. 구분 5ppm Ca +10ppm 인산이온 + 10ppm 인산이온 + 1% SrCl2 5ppm Ca + 1%SrCl2 5ppm Ca + 1000ppm Na 5ppm Ca + 10ppm Al 1차 2차 3차 AVE. SD.

실험 2. 유기용매의 영향 b) 50% 에탄올을 이용하여 만든 5ppm Ca 용액의 비교한다. 구분 5ppm Ca 50% 에탄올 + 5ppm Ca 1차 2차 3차 AVE. SD.

실험3. 미지시료 중의 Ca의 정량 50ppm Ca 표준용액을 묽혀서 0, 2.5, 5.0, 7.5, 10,15ppm Ca 표준용액으로 만든다. 각 용액의 흡광도를 측정하여 농도 대 흡광도의 검량선을 작성하여 미지시료의 농도를 구한다. 0ppm Ca 2.5ppm Ca 5ppm Ca 7.5ppm Ca 10ppm Ca 15ppm Ca 50ppm Ca 0.5 1 1.5 2 3 DIW 10 9.5 9 8.5 8 7

실험4. 표준물 첨가법 실험 3,4 번을 1,2 번 보다 먼저 하는 것이 좋다. 미지용액 10.0ml씩을 취하여 세 개의 시험관에 넣는다. 위의 시험관에 500ppm Ca 표준용액을 50.0, 100, 150㎕씩을 각각 가한다. 이 때 각 용액의 Ca 농도는 2.5, 5.0, 7.5ppm씩 증가한다. 첨가된 Ca농도에 따른 흡광도 변화를 그래프로 나타낸다. Tip! 방해 실험의 영향을 덜 받기 위해 실험 3,4 번을 1,2 번 보다 먼저 하는 것이 좋다.

실험 결과 분석

실험1&2 실험결과 5ppm Ca 5ppm Ca+ 10ppm PO43- 5ppm Ca+ 10ppm PO43- +1% SrCl2 5ppm Ca+ 1% SrCl2 5ppm Ca+ 1000ppm Na 5ppm Ca+ 10ppm Al 5ppm Ca+ 50% EtOH 1 0.184 0.105 0.295 0.284 0.215 0.046 0.173 2 0.186 0.107 0.297 0.21 0.047 0.16 3 0.298 0.286 0.212 0.151 mean 0.185 0.106 0.285 0.161 std 0.001155 0.001528 0.002517 0.000577 0.01106

실험1. 방해실험(Chemical Interference) Sr : 인산이온과 반응하여 Ca에 작용하는 인산이온의 화학적방해를 없애줌 인산이온을 제외한 Sr만 넣은 상태에서 실험을 한번 더하는 이유는 Sr이 Ca에 미치는 영향을 보기위해서 3737 실험1. 방해실험(Chemical Interference) 5ppm Ca 5ppm Ca+ 10ppm PO43- 5ppm Ca+ 10ppm PO43- +1% SrCl2 5ppm Ca+ 1% SrCl2 1 0.184 0.105 0.295 0.284 2 0.186 0.107 0.297 3 0.298 0.286 mean 0.185 0.106 0.285 std 0.001155 0.001528 Chemical Interference: sample 안에 들어있는 어떤 물질이 화학반응을 일으켜 원자화되는 Analyte의 양이 줄어들게 만들어 흡광도를 감소시킨다.

실험1. 방해실험(Ionization Interference) Na은 쉽게 이온화된다. Na가 이온화되면서 불꽃내의 자유전자농도가 증가하여 측정원소의 이온화가 억제된다. 이로 인해 중성원자 상태의 Ca이 증가하여 흡광도가 높아진다. 이 이온화간섭은 표준용액에 간섭원소를 같은양 가하거나 시료와 표준용액에 과량을 첨가하여 보정이 가능하다. 3838 실험1. 방해실험(Ionization Interference) 5ppm Ca 5ppm Ca+ 1000ppm Na 1 0.184 0.215 2 0.186 0.21 3 0.212 mean 0.185 std 0.001155 0.002517 Ionization Interference: 쉽게 이온화되는 다른 원소가 존재하면 Sample 내의 Analyte가 이온화되는 양이 적어져 흡광도가 커지는 현상

양이온의 방해 열에 안정한 화합물(산화물)생성 e.g. 마그네슘이나 칼슘을 정량할 때 알루미늄에 의해 흡광도 감소 5ppm Ca 5ppm Ca+ 10ppm Al 1 0.184 0.046 2 0.186 0.047 3 mean 0.185 std 0.001155 0.000577 열에 안정한 화합물(산화물)생성 e.g. 마그네슘이나 칼슘을 정량할 때 알루미늄에 의해 흡광도 감소 열에 안정한 화합물(산화물)생성되어 흡광도가 감소

실험2. 유기용매의 영향 유기용매(에탄올, 에스테르, 케톤 등)사용하면 흡광도 증가 ->분무효율 및 용매증발 증가 5ppm Ca 5ppm Ca+ 50% EtOH 1 0.184 0.173 2 0.186 0.16 3 0.151 mean 0.185 0.161 std 0.001155 0.01106 유기용매(에탄올, 에스테르, 케톤 등)사용하면 흡광도 증가 ->분무효율 및 용매증발 증가 하지만 감소한이유설명하기

실험3. Calibration Curve를 이용한 Ca의 정량 Blank의 흡광도를 빼준 보정 흡광도로 그래프 작성 추세선 추가 (이 때, y절편은 0으로 지정, R square값 표시) y=0.028 일 때, x=6.94(ppm) ppm Ca 2.5 5 7.5 10 15 1 0.028 0.138 0.293 0.358 0.42 0.532 2 0.136 0.297 0.357 0.537 3 0.137 0.296 0.359 0.533 mean 0.534 std 0.0003 0.0008 0.0019 0.0012 0.0025 RSD(%) 1.03 0.61 0.66 0.33 0.08 0.47

실험4. Standard Addition Method를 이용한 Ca의 정량 Unk 50 100 150 1 0.279 0.42 0.538 0.598 2 0.281 0.418 0.528 0.597 3 0.282 0.423 0.531 0.604 mean 0.532 0.6 std 0.001 0.0068 0.0761 0.0018 RSD(%) 0.35 1.78 13.22 0.33 ppm 2.5 5 7.5 구하고자 하는 시료의 농도는 x절편값 y=0.04x+0.3 ->X절편값은 6.96

참고문헌 Gary L.Miessler/Inorganic Chemistry/pearson 분석화학/이대운 외 3인 공저/자유아카데미/1977 기기분석/이대운 외 3인 공저/대한교과서/1993 분석화학실험, 연세대학교 이과대학 화학과