졸업선배들의 요구로 추가되었습니다. FTIR의 원리는 정신 안 차리면 멘붕이 일어남.

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1 졸업선배들의 요구로 추가되었습니다. FTIR의 원리는 정신 안 차리면 멘붕이 일어남.
Instrumental Analysis Fourier Transform Infrared Spectroscopy(Skoog. 7, 16장) 졸업선배들의 요구로 추가되었습니다. FTIR의 원리는 정신 안 차리면 멘붕이 일어남. FT설명이 제법 복잡함

2 IR 광학분석법의 문제점 FTIR Radiant source Wavelength control Signal detector
Sample cell 광원 파장선택기 검출기 열검출기 열전기 검출기 광전기변환기 필요로 하는 파장과 강도에 따라 다양한 source가 있다 FTIR의 경우는 주파수 변조로서 파장을 선택. 1 2 3 4 단색화(분산, 필터) 파장선택기 없이 주파수 변조 및 관찰방식의 FTIR등장 (자세한 설명 다음페이지)

3 종래 파장선택기의 문제점 파장선택기가 있는 분광기 문제점 1. Slit 을 가지고 있어 잃어버리는 빛의 강도가 크다. 검출기에 도달하는 빛의 강도가 약하다. 2. 재현성 향상을 위해 Slit 및 prism을 면밀히 조절(측정시간 길어짐) 3. 가시광선의 경우 10nm폭으로 선택하면( /10)으로 약 50번 선택을 함 4. IR영역은 m 영역을 10nm간격으로 저정할 경우 1250번을 선택함 5. 선택하는 시간만큼 샘플의 열화가 일어남

4 적외선 Fourier변환 분광법 (FTIR)
1950년대 별에서 발광되는 약한 스펙트럼을 얻기 위한 수단으로 개발. 빠른 시간에 예민한 IR 스펙트럼을 얻기 위한 방법으로 개발됨. 모든 광학영역에서 FT의 사용이 가능하지만 중간 적외선 영역에서 효율성으로 인하여 많이 사용된다.

5 FTIR Fourier 변환이란 FTIR은 간섭분광의 원리를 이용한다. 파수=1/파장

6 FTIR 한 개의 파수에 대한 간섭현상 FTIR에서는 파장선택기가 없으므로 이러한 간섭이 광원의 전 파수 영역에서 동시에 나타난다.

7 FTIR FTIR의 전형적인 광학도 Beam splitter: 반투명 반거울.
ZPD검출 및 특수 목적용 M M M 좌우이동: 0, /4, /2 (Michelson 간섭계) Beam splitter: 반투명 반거울. 이동경은 움직이며 인위적인 간섭현상을 만들어 낸다. 이동경의 이동거리 0 는 고정경과 이동경의 광로의 길이가 같은 위치이다. 레이저는 특별한 목적으로(거울위치 추적등) 사용되므로 없다고 생각하고 이해해도 됨.

8 FTIR 2개의 빔에 의한 간섭현상과 이동경(이동거울)의 움직임 이동경이 움직인 거리를 광로차라 한다.
이동경을 통한 경로길이와 통하지 않은(고정경) 경로 길이가 같을 때 원래 내용 일단무시바람 이동경을 통한길이가 /2 가 빠를 때 이동경을 통한길이가  가 빠를 때 이동경이 움직인 거리를 광로차라 한다. FTIR기기에서 의 실제 길이는 중간적외선에서 파장이 가장 큰 값(20-25 m)이다.

9 FTIR Scan과 검출신호 광로차는 이동거울이 움직인 거리이다. 이동경이 ZPD 로부터 움직임
(즉 위상이 가장 강할 때 부터 작아지는 순으로, slide 8) 광로차는 이동거울이 움직인 거리이다.

10 FTIR Interferogram 연속광의 간섭현상 광로차란 실지로 이동경의 움직인 거리이다.
광원의 파수 Interferogram 레이져 광로차란 실지로 이동경의 움직인 거리이다. Interferogram이 위와 같이 나와야 정상적인 기기임.

11 FTIR ZPD와 center burst  이동경 측과 고정경 측의 광로가 같을 때, 모든 파장의 빛이 동위상이 되어 서로 강해지고, 광 강도가 가장 강해진다 (한파장만 생각하면 안됨) . 이 광로차가 없는 위치를 ZPD(Zero Path Difference) 위치라 한다. 또한 Interferogram에서 ZPD위치에서 가장 강한 빛의 신호를 Center burst라 한다.  Center burst의 강도는 다음의 요인에 따라 변화한다. 간섭효율(장비의 광학 alignment의 차이) 광학계 전체의 throughput 효율(광학계에서 빛의 효율성, 손실의 유무) Sample에 의한 흡수

12 FTIR 간섭계의 이동경을 통과한 광원의 주파수 계산(p. 197): 보강간섭파수계산
1. 간섭계를 통과한 빛이 원래의 빛에 대하여, 한 주기의 차이가 나는 파장()영역을 만들기 위하여는, 거울이 /2 만큼 움직여야 한다.빛이 간섭계를, 즉 그림의 ‘M’ 구간을, 왕복해야 검출기에 도달. 2. 이동경이 Vm의 속도로, ‘/2’ Cm만큼 움직이는데 걸리는 시간을 라 하면, 한 주기의 파장 차이를 만들기 위해서는 (차원해석) 3. 검출기에 도달하는 (Interferogram) 신호의 주파수는 시간의 역수이므로, f=1/이다. 따라서, 위의 식은 4. 우리가 구하려는 파수는 1/이므로, 윗 식의 1/를 바꾸면 5. 따라서 파수는 이동경의 속도를 알면 특정시간에 이동경의 위치를 알 수 있고 파수도 알 수 있다. 컴퓨터는 특정시간에 간섭파의 파수를 기록가능: 1개의 파장이 정확하게 보강간섭이면 나머지는 상쇄간섭이라 생각 하면됨 예제 7-3(p198)은 자습.  주의 : IR영역에서는 파장 및 파수의 단위를 Cm으로 사용함에 유의한다.

13 FTIR FTIR 광학측정의 원리 이 부분 다음페이지에 설명
특정 파수의 흡수가 있을 경우, 그 파수는 interferogram에서 약해진다.

14 FTIR FT란? 간단히 필기하여 설명

15 FTIR 결국 FTIR에서 파수 산출과정은 다음과 같다 (샘플이 없는 Base line임). 실측데이터
샘플있는경우: 특정 빛 흡수 흡수된 빛의 파수는 이동경의 위치와 스펙트럼으로 결정 (간섭광의 파수는 이동경의 속도에 의해 결정되므로) FT 실측데이터 이동경이 한 사이클을 움직인 시간( 결국 slide 10의 “–d ~ +d” 및 이동경의 위치와 같다) 검출기가 측정하는 data FT (c)+(d) (a)에서 2개의 파장을 합치면 간섭에 의하여 (b)와 같은 합성파가 나타난다. (a)에서의 2개의 파장은 FT를 하면 (c)와 (d)처럼 나타나고, 이들 둘을 한 개의 그래프로 나타내면 (e)와 같이 나타난다. 즉 다양한 파장(파수)가 공존하는 측정데이터(b)를 FT변환하면 (e)와 같은 파수에 대한 spectrum을 구할 수 있다. ((주의)) 실지로 FT변환은 수학적으로 단순하지 않아 고성능 컴퓨터로만 가능하니(이동경 움직인 거리와 RFT가 복합), 원리를 이해하는데 목적을 두자. 샘플에서 특정파수가 흡수되면 그 파수의 간섭현상은 약해진다. 이것을 base라인과 비교하면 그 샘플의 파수 특이 스펙트럼을 계산할 수 있다.

16 FTIR FTIR의 장치구성도 FTIR을 간섭분광기라 부르는 경우도 있다. 정확한 표현은 아님

17 FTIR 컴퓨터는 다음을 처리한다. PC 결과적으로 주파수 변조에 의한 광원의 특성 sample 검출신호는 이동경의 이동거리(검출기에서 검출하지는 않고 컴퓨터가 저장), 시간에 따른 빛의 강도이다.

18 만들어진 샘플의 두께 계산법 (간이계산법) FTIR
광로의 길이 측정에서 원래 사용 하였다 (이동경 짧은거리 움직이며 laser scan을 실시). 보강 간섭의 수로 측정하는 원리 (고정경 광경로 차단). 윈도우의 두께는 보통 알고 있는 수치. Window 1은 반투명 반사거울이면 더 좋다. 그러나 보통은 투명하다. (window2,1 에서 반사된 빛이 원래의 빛”입사광”과 간섭현상을 일으켜 검출기에 도착한다). 일반적으로 샘플은 blank를 사용한다 Window1 Window2 sample b 입사광 반사광 반사광의 경우 시료의 두께: 2b 보강간섭의 조건; 두께가 파장의 정수배가 될 때 일어난다. Thickness= nλ=2b, 여기서 n은 정수. b에 대하여 정리하면, b=nλ/2 파장 1에 대하여: n1= 2b/λ1 파장 2에 대하여: n2= 2b/λ2

19 만들어진 샘플의 두께 계산법 (continued)
FTIR 만들어진 샘플의 두께 계산법 (continued) Δn (보강간섭의 수)= n1-n2=(2b/λ1 – 2b/λ2) 여기서) 1/λ 파수 교과서 그림 17-4 (SKOOG)

20 FTIR 그림 17-4

21 간섭계는 기기의 분해능이나 검출기에 도달하는 빛의 양을 제한하는 슬릿이 없음(슬릿은 빛의 양을 줄인다).
FTIR FTIR의 장점 측정 시간이 신속하여(슬릿없음) 짧은 시간에 여러 번 측정 반복 가능. 반응 속도 측정에 유리. S/N(signal to noise raito)의 비가 증가되어 감도 향상. 간섭계는 기기의 분해능이나 검출기에 도달하는 빛의 양을 제한하는 슬릿이 없음(슬릿은 빛의 양을 줄인다). 낮은 농도의 시료도 분석 가능.

22 측정 파수의 정밀도가 우수 (슬릿사용이 없고 주파수 변조사용).
FTIR 측정 파수의 정밀도가 우수 (슬릿사용이 없고 주파수 변조사용). 단색광의 빛을 방출하는 He/Ne laser를 내장하여 움직이는 거울의 정확한 위치를 추정. 거울의 속도를 일정하게 유지시키면 분해능 일정하게 유지 (거울의 속도에 의해 분해능이 결정됨) 컴퓨터에 디지털 형식으로 기억. 아날로그 오차가 발생하지 않음. 기기가 간단함(파장선택기 없음). 샘플의 열분해 또는 변질될 우려가 없음(측정시간 짧음). 기기 자동 검진 가능(ZPD검출)

23 FTIR의 단점 FTIR FT-IR의 간섭도의 비대칭성(interferogram에서)
각기 다른 주파수의 모든 성분이 동시에 최고 값을 갖게 되지 않기 때문 . 완벽한 대칭 불가 값비싼 검출기 사용(거울에 대한 검출기) 잡음을 제거하기 위해서 간섭계 의 움직이는 거울의 속도를 빠르게 해야 하기 때문. 내장된 컴퓨터가 고장 시 스펙트럼을 전혀 얻을 수 없음. 참고자료:IR분석의 개괄: 영문으로 되어 있음.

24 IR + UV/vis 응용분야 제약 산업 잉크 및 페인트 산업 주원료 및 부원료의 확인시험
화장품 산업 식물성 오일, 오일 혼합물의 확인시험 원료의 순도 분석 왁스 에멀젼의 확인시험, 분류 연고류의 함유물 분석 균질화 정도 (Homogenisation degree) 조절 향료 산업 원료의 확인시험 및 품질관리 유사 향료의 확인 시험, 분류 불순물, 첨가물 분석 혼합물의 품질관리 플라스틱 & 고무 산업 Homo-/ copolymer의 정성 분석 유화제, 첨가제등의 정성분석 고분자의 정성 분석 원료 분석 석영 가루의 입자 크기 분석 화학 산업 용매의 확인 시험 순도 시험 유기물과 무기물의 분석 (phosphates, Chloride, acetate salts) 에스테르화합물의 분석 모든 유기물의 분리분석 (carboxylic acids, amines, aldehyde resin) 제약 산업 주원료 및 부원료의 확인시험 Sugar 분류시험 천연물과 변성된 전분의 확인 시험 아미노산의 확인시험 및 품질관리 포장재료의 확인시험 (PVC, PVDC, PE, PP…) 입자도 측정(Lactoses, fillers, chemicals) Sugar 시럽류의 품질관리 잉크 및 페인트 산업 원료 확인 시험 (유화제, 안정제, 수지 등) 용매의 순도시험 안료의 분류시험 (수지함유량, 입자크기, 결정 형태, 분산도) 최종제품검사