기기분석 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition Chapter 15.

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1 기기분석 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition Chapter 15.

2 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 전자기 스펙트럼

3 Molecular Luminescence Spectrometry Fluorescence – 광자를 흡수하여 atom or molecule 을 들뜨게 함 전자스핀이 변하지 않으면서 전자 에너지 전이가 일어남 짧은 수명 (< 10-5 s) Phosphorescence – 형광과 유사함 형광과 비교하여 긴 수명 전자스핀이 변함 Chemluminescence – 화학반응 중에 생성되는 들뜬 화학종의 방출스펙트럼 분석성분과 산화제 ( 오존, 과산화수소 ) 의 반응생성물  복사선의 세기를 측정하여 무기 및 유기 화학종의 정량분석에 이용 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15.

4 Advantages – 높은 감도 ( 검출한계는 흡수분광법과 비교하여 10 1 ~10 3 더 낮음 ) – 선형 농도측정범위가 넓음 –more specificity Disadvantages – 감도가 매우 좋기 때문에 발광법으로 정량분석시 시료 매트리스로부터 심각한 방해를 받기 쉬움 ( 크로마토그래피, 전기영동 ) – 많은 화학종은 UV/VIS 영역에서 발광보다는 흡수하므로 정량분석에 널리 사용되지는 않음 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. Molecular Luminescence Spectrometry

5 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 1) Photoluminescence : Molecules are excited by interaction with photons of radiation. Fluorescence : - Prompt fluorescence : S 1  S 0 + h - Delayed fluorescence : S 1  T 1  S 1  S 0 + h Phospholuminescence : T 1  S 0 + h 2) Chemiluminescence : The excitation energy is obtained from the chemical energy of reaction. 3) Bioluminescence : Chemiluminescence from a biological system: firefly, sea pansy, jellyfish, bacteria, protozoa, crustacea. 4) Triboluminescence : A release of energy when certain crystals, such as sugar, are broken. 5) Cathodoluminescence : A release of energy produced by exposure to cathode rays 6) Thermoluminescence : When a material existing in high vibrational energy levels emits energy at a temperature below red heat, after being exposed to small amounts of thermal energy.

6 공명복사선 (resonance radiation) or 공명형광 (Resonance fluorescence) - 원자 Stokes shift – 긴 파장, 낮은 에너지로 이동, 분자 전자스핀 –Pauli exclusion principle –Singlet/Triplet excited state Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. Theory of Fluorescence and Phosphorescence Stokes shift

7 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. Theory of Fluorescence and Phosphorescence 단일 및 삼중 항 들뜬상태 (Singlet/Triplet Excited State ) - 단일 및 삼중 항 들뜬상태 는 단일 및 단일 항 들뜬 상태보아 일어날 가능성이 훨씬 적음 - 들뜬 삼중 항 상태의 평균수명 : 10 -4 seconds ~ (phosphorescence) - 들뜬 단일 항 상태의 평균수명 : 10 -5 - 10 -8 seconds (fluorescence) - 바닥상태의 분자가 복사선에 의하여 들뜬 삼중 항 상태로 들뜨기가 쉽지 않음

8 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 6. Jablonski energy diagram http://www.olympusconfocal.com/theory/fluoroexciteemit.html

9 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 6. http://www.olympusconfocal.com/theory/fluoroexciteemit.html Franck-Condon energy diagram

10 비활성화 단계 (Deactivation processes) - 들뜬상태의 수명을 가장 짧게 하는 과정 fluorescence - 10 -8 to 10 -5 seconds phosphorescence - 10 -4 to several seconds - 비복사과정 (radiationless processes) vibrational relaxation - 10 -12 seconds or less internal conversion external conversion intersystem crossing 광발광분자의 에너지 준위도 Jablonski energy diagram Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15.

11 비복사과정 (Radiationless processes) - 진동이완 (vibrational relaxation) 진동 이완은 충분히 짧아서 진동으로 들뜬 분자의 평균수명은 10-12 초 용액에서는 항상 들뜬 전자상태의 가장 낮은 진동준위에서의 전이가 일어나서 형광을 발생함. 진동이완이 효율적으로 일어나면 주어진 전자전이에 의하여 방출하는 형광 띠는 흡수 띠보다 더 낮은 주파수, 즉 더 긴 파장으로 이동하여 나타남 (stokes 이동 ) - 내부전환 (internal conversion) 분자가 복사선을 방출하지 않고 더 낮은 에너지의 전자상태로 전이하는 분자 내부의 과정 전자에너지 준위가 비슷하여 진동에너지 주위가 서로 겹치게 될 때 예비분해 (predissociation) Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15.

12 비복사과정 (Radiationless processes) - 외부전환 (external conversion) - collisional quenching 들뜬분자와 용매 또는 다른 용질 사이에서의 상호작용과 에너지 전이 낮은 온도, 높은 점도  입자사이의 충돌수 감소에 의한 형광 증가 - 계간전이 (intersystem crossing) 다른 다중성의 전자상태 상이에서 교차가 일어나는 과정 두 상태의 진동준위가 겹칠 때 무거운 원자를 포함하고 있는 분자 ( 요오드, 브롬 ; 무거운 원자효과 ) Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15.

13 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 6. 광발광법 ( photoluminescence )

14 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 6. 방출 ( emission ) 과 화학발광 ( chemiluminescence ) 몰리브데님의 X 선 방출 스펙트럼

15 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 형광과 인광에 영향 주는 변수 - 양자 수득률 (quantum yield,  ) : ratio of the number of molecules that luminesce to the total number of excited molecules  efficiency  = k f / (k f + k i + k ec + k ic + k pd + k d ) ; 속도상수 : k f ( 형광 ), k i ( 계간전이 ), k ec ( 외부전환 ), k ic ( 내부전환 ), k pd ( 예비전환 ), k d ( 분해 ) - 전이형태와 양자효율  *   :  大  *  n :  小 이유 : k F 大 (  F = 10 -7 ~10 -9 s,  =10 3 ~10 5 ) k F 小 (  F = 10 -5 ~10 -7 s,  =10~10 2 ) k i 小 (  E S1-T1 大 ) k i 大 (  E S1-T1 小 )  *   : 형광 거의 없다. ( 이유 : 결합 분해 )

16 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. - 형광과 분자구조  방향족고리 (PAH) 많을수록 형광효율 높다.  pyridine, furan, thiophene, pyrrol ( 헤테로고리 ) : 형광 거의 없음.  quinoline, isoquinoline, indole 등 (PAH 헤테로 ) : 형광발생  분자 rigidity   형광  ( 예 fluorene  : biphenyl  ) - 온도와 용매 점도 : T , 점도   형광  (k ec, k pd, k d 감소 ) - 용액 내 O 2, I -, Br - 존재 : 형광감소 - 농도 : I F = kC (A < 0.05), C( 농도 ) 높을 때, 자체흡수 및 자체소광으로 형광 감소. 형광과 인광에 영향 주는 변수

17 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 형광과 분자구조

18 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 형광과 분자구조

19 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. Emission and Excitation Spectra

20 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. Emission and Excitation Spectra N-methlcarbazole in cyclohexane solution

21 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 형광과 인광 측정기기 1. 부분장치 - 광원 : 고압 Xe-arc lamp(300~1300nm 연속복사선 ), 저압 Hg-arc lamp, Laser - 단색화장치 : grating, filter - 검출기 : PMT, PDA, CCD - Cell : 4 면 모두 투명한 Qz, Fused silica 2. 기기 표준화 - 표준용액 (~10 -5 M quinine sulfate) 으로 광원세기, 검출기 감도 등 기기 변수 보정

22 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 분광형광계

23 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 3 차원 분광형광계

24 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 1. 무기물 의 형광법 정량 - 직접법 : 양이온 + 형광시약  chelate 형성 ~ 형광세기 측정 - 간접법 : 음이온 ( 분석물 ) 의 소광작용 이용, 소광 정도 측정 2. 유기 및 생화학 호학종에 대한 방법 - 식품, 약품, 임상시료, 천연물 등 3. 인광법 - 형광법과 인광법은 상호 보완적 : 센 형광성  낮은 인광성, 낮은 형광성  센 인광성 - 할로겐 원소, 황 포함 hetero 고리 방향족 탄화수소 : 인광성 예 ) 핵산, 아미노산, 피리딘, 피리미딘, 효소, 살충제 - 장점 : 선택성 우수 단점 : 정밀도 낮음, 주로 낮은 온도에서 측정 ( 인광과 경쟁적인 활성해소 감소 ) 4. 액체크로마토그래피 와 모세관 전기영동 5. 수명 측정 : 비활성화 과정에 관한, 에너지 전이 속도에 관한 및 들뜬상태 반응에 관한 정보 제공 - 장점 : 감도 우수 : ~ppb ( 흡수분광법 보다 10 1~3 낮음 ), 직선적 농도 범위 넓다. (linear range : A= 0 ~ 0.05) - 단점 : 시료의 matrix 의 방해효과 큼 ( 복잡한 시료 곤란 ), 응용범위 좁다 ( 형광방출 물질 적음 ) 광발광법의 응용

25 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 무기화학종을 위한 형광법

26 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 화학발광 (Chemiluminescence) -chemical reaction yields an electronically excited species that emits light as it returns to ground state. -relatively new, few examples A + B  C* + D, C*  C + h 화학발광법의 장  단점 > - 장점 ; 높은 선택성, 좋은 감도 (DL : ppm~ppb), 단순성, noise 없음 - 단점 ; 매우 제한된 화학종에 응용 분석적 응용 1) 기체분석 : O 3, NOx, SOx 등 대기오염물 분석 - NO 측정 ( 신경전달물질, 대기오염물 ) NO + O 3  NO 2 * + O 2, NO 2 *  NO 2 + h ( = 600~2800nm) Linear range : 1ppb ~10 4 ppm (~ 10 7 )

27 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. 화학발광 (Chemiluminescence) - NO 2 측정 ( 자동차 배기가스 ) NO 2  NO + O (700  C 열분해 ), NO + O 3  NO 2 * + O 2, NO 2 *  NO 2 + h - 대기중 O 3 분석 : 1ppb 이하 ~ 400ppb O 3 에 선형적 Rhodamine B (in 활성 실리카 기질 ) 와 반응시 발광. - 황화물 정량 (H 2 S, SO 2, CH 3 SH) 4H 2 ( 수소불꽃 ) + 2SO 2  S 2 * + 4H 2 O, S 2 *  S 2 + h ( = 384, 394nm) - 인화합물 정량 4H 2 ( 수소불꽃 ) + P  HPO*  HPO + h ( = 526nm) 2) 액체상 무기물 분석 O 2 (H 2 O 2, ClO 2 -, MnO 4 - ) + Luminol  3-aminophthalate + A + h 3) 유기 화학종 분석 - 기질 ( 분석물 ) + Oxidase  A + H 2 O 2, H 2 O 2 + Luminol  B + 3-AP + h 기질 : 글루코스, 콜레스테롤, 요산, 아미노산, 알데히드, 젖산염 등

28 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15. - phenyl oxalate ester (glow sticks) Luminol (used to detect blood)

29 Seung Woong Lee Ph.D. Principles of Instrumental Analysis- 6 th edition. Chapter 15.