Instrumental Analysis

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1 Instrumental Analysis
UV/vis 흡수분광법 (Skoog. p 294-)

2 기본원리 1 UV/Vis Theory 분광분석은 다음과 같이 도시할 수 있다. E’ + M M* M E=hv
여기 상태 (10-8s이하) 바닥상태 E’ M* M + M E=hv 들뜬 상태와 바닥상태의 에너지 차가 다양한 형태로 방출 (인광, 형광, 열, 광화학반응) 흡광분석 기타분석 원자 혹은 분자가 외부에서 빛 에너지를 흡수 분자운동(전자전이 및 진동, 회전, 병진) 바닥 상태에 있는 원자나 분자는 그 종류에 따라 특정 파장의 자외 및 가시광선을 흡수하여 전자전이를 일으키면서 흡수스펙트럼을 나타낸다. 이때 흡수하는 파장: 원자 또는 분자의 전자구조, 조성에 관계 흡수하는 빛의 세기 (흡광도):원자 또는 분자의 농도와 관계

3 빛의 흡수: 본질은 공명에너지의 전달과정이다.
공명에너지 전달 비디오 1 공명에너지 전달 비디오 2

4 UV/Vis Theory 참고 기타분석에서 사용되는 에너지 전이 형태

5 기본원리 2 UV/Vis Theory 조금 더 구체화하면,
자외선 또는 가시광선의 흡수는 화학종에 존재하는 결합전자가 야기한다. 즉, 흡수피크의 파장은 화학종에 존재하는 결합형태와 관계. 분자내의 작용기 확인가능 Lambert Beer법칙과 함께 정량-정성분석에 사용

6 X선 자외선 가시선 적외선 마이크로파 라디오파
UV/Vis Theory 기본원리 3 전자기 스펙트럼 범위 높음 주파수(f ) 낮음 UV Visible IR X선 자외선 가시선 적외선 마이크로파 라디오파 200 nm nm nm 짧다 파 장() 길다 Energy? 암산이 되지 않으면 앞장의 내용 공부바람.

7 Lambert Beer’s Law(p153) UV/Vis Theory P0: 입사광의 세기 P: 투과광의 세기
단파장 복사선 시료내의 물질은 서로 작용하지 않는다. Transmittance T=P/Po,, %T: T=P/P0100 Absorbance A=-logT=-log(P/P0)=log(P0/P) Lambert Beer’s law 여기서, : 몰흡광 계수, b: 광로의 길이, c: 농도 A=-logT=-log(P/P0)=bc : 몰흡광 계수=[L/(molcm)] Beer’s: 多성분계에 있어서 흡광도 Atotal=A1+A2+…An=1bc1+ 2bc2+… nbcn

8 실제 분석 시재의 흡광도 UV/Vis Theory
실제의 분석에 있어서 시료의 흡광도는 용매의 흡광도를 제거해 주어야 한다(Base Line제작). 그렇지 않은 경우 용매의 종류를 밝히는 것이 일반적이다. 이 경우, Aanalyte=Asolution-Asolvent (eq. 1) 여기서, Asolution: log(Posolution/Psolution) Asolvent: log(Posolvent/Psolvent) 입사광의 세기가 용액과 용질에서 동일하므로 Posolution = Posolvent = P0 따라서 eq. 1은 다음과 같이 전개된다. Aanalyte=log(P0/Psolution)-log(P0/Psolvent) = log(Psolvent/Psolution) (eq. 2) 어떤 물질의 흡광도는 입사광의 세기에 무관하게 (파장에 관계없이) 측정가능하다. 만약 입사광의 세기에 대한 함수라면 입사광의 세기를 검출할 검출기가 필요.

9 Lambert Beer’s Law: 현실적 한계
UV/Vis Theory Lambert Beer’s Law: 현실적 한계  이상적인 가정 전자기복사선과 시료분자와의 관계는 오직 흡수과정뿐이다.  산란, 반사,발광 기타 다양한 특성이 존재한다. 전자기복사선은 단색화된 빛이다.  복사선의 파장은 대부분 파장대가 넓고  단색화 장치를 사용해도 진짜 단색은 얻을 수 없다. 시료중의 물질은 서로 작용하지 않는다.  서로 연관관계가 풍부하다. 물질에 의한 빛의 흡수과정은 전부피의 어느 곳에서도 동일하다.  동일하다 볼 수 없다. P0 P b  다양한 빛의 특성이 존재한다.

10 UV/Vis Theory 빛의 산란과 흡광도 산란율 small 흡광도에러 산란율 big 흡광도
산란율이 클 때는 산란빛이 셀을 빠져나가고 산란율이 적을 때는 2차 흡광 및 간섭현상을 일으킨다. 즉, 2차 흡광에서 관여하는 분자의 수가 늘어나므로, 이로인한 흡광 및 간섭현상의 영향이 산란율보다 흡광도에 대한 영향이 크다.

11 UV/Vis Theory  농도에러(concentration deviation)
농도가 일정할 떄 흡광도와 빛이 통과한 거리는 선형이다(몰흡광도=일정 하다면). 그러나, 거리가 일정할 때 농도와 흡광도는 선형이 아닌 경우도 많다. 농도가 보통 0.01 M 이상일 경우 용액 내에서의 분자 혹은 이온들은 분자간 거리가 가까워 서로 간섭하여 다른 화학종의 흡광에 영향을 준다. c A 실제로 Q: 그러면 0.01 M이상의 고농도는 UV/Vis 및 분광장치로 측정이 불가능한가?

12 UV/Vis Theory  용매 굴절율에러(refractive index deviation)
용매 굴절율이 용매에 따라 서로 다른 것은 고려하지 않았다. 용매굴절율을 고려 한다면 다음과 같이 식이 변형되어야 한다. A =  bC  [ n / (n2 + 2)2] (굴절율 보정) 여기서, n은 용매의 굴절율이다. i=c/i 이므로 매질내에서 광속이 작으면 굴절율이 커지게 된다. 굴절율이 커질경우 보정이 필요하다. 점도가 큰 용매의 경우 매질에서의 광속도가 작아지므로 굴절율 보정이 필요하다.

13 UV/Vis Theory  화학적 한계(Chemical deviation)
용액내의 물질이 반응, 해리, 화합하여(Analyte의 농도가 변한다) 흡광도에 편차가 생긴다. 예1. Cr2O42- + H2O HCrO H+ + 2CrO42- dechromate monochromate Mono-와 de-의 몰흡광 계수가 다르므로 이 둘의 분율에 따라 전체 흡광도가 달라진다. 예2. 시료의 용매로서 buffer 용액을 사용할 경우는 특히 pH에 따른 변화가 크다. 0.37 mM methyl Red의 pH에 따른 흡광도. 왜 pH에 따라 흡광도의 변화가 큰 가?(pH에 의해 색깔이 변하고 있다) HInd + H2O ⇌ H3O+ + Ind- pH indicator(MR pH 4.4: Red,pH6.2:Yellow) Report: Buffer란 무엇이고, 어떤 것들이 있는가? pH Indicator란?

14 참고: Isobestic Point: 등흡광점
한 흡수화학종 X가 화학 반응으로 인해, 다른 흡수화학종 Y로 변하는 경우가 있는데, X와 Y의 각 파장에서의 흡광도는 다르기 때문에 흡광도가 반응의 진행에 따라 달라지게 된다. 어떤 특정 파장에서 X와 Y의 흡광도가 같은 점이 생기게 되면 이를 Isosbestic Point(등흡광점)이라 한다.

15 UV/Vis Theory  기계적 한계(Instrumental deviation, p317)
2. Beer의 법칙은 단파장 복사선에 사용된다. 실제분석에서는 연속파장, 다파장을 사용. 가장 간단한 다 파장 복사선인 경우는 2파장으로 구성되어 있다고 생각 할 수 있다. 이때, 광원이 ’와 ’’로만 구성이 되어 있다고 가정하자. 그러면, ’: (빛의 강도와 흡광도 관계 1) ’’: (빛의 강도와 흡광도 관계 2) 투과 빛의 강도(slide5) 용액 중 복사선의 강도(Psolution):P’+P’’(흡수된 부분을제외) 용매 중 복사선의 강도(Psolvent):P0’ + P0’’(용매는 투명하다 가정) 대입 Eq. 2와 위의 복사선 광도 관계로부터 Aanalyte= log(Psolvent/Psolution) 대입

16 UV/Vis Theory 빛의 강도와 흡광도 관계 1, 2로 부터
가정: ’=’’ (두 가지 파장영역에서 몰 흡광 계수가 같다면) Thus, A=’bc 로 Beer의 법칙을 유도 가능하다. 그러나 실지로 ‘’는 파장에 따라 다른 값을 가진다. (Skoog 그림 13-4, p318) 만약 같다면: UV/vis로 정성분석이 불가 즉 일반적인 분석기기는 하나의 파장에서 실험을 하여도, 다색복사선(파장의 편차를)을 가진 기계적 한계로 인하여 분광계에서 Beer의 법칙은 엄밀하게 적용되지 않는다

17 UV/Vis Theory 이 경우에만 Beer의 법칙이 성립.
실제로 몰흡광 계수는 그 화학종의 포획면적과(농도), 에너지 흡수전이가 일어날 확률(관능기의 특성), 및 사용 파장등에 의존한다. 두 파장에서의 몰흡광계수의 차이가 커지면 흡광도는 Beer의 법칙에서 더 큰 편차를 나타낸다.

18 UV/Vis Theory 또한, 다음과 같은 실측의 가정을 해보자. a= b= a파장 A b파장 C 
여기에서 a파장영역은 전 파장영역에서 편차가 작지만 b파장영역은 편차가 크다. 따라서 농도변화에 대한 편차가 b파장에서 크게 되고 위의 경우처럼 b파장은 농도에 대한 선형성이 적어진다. 이것이 다색복사선에 대한 일반적인 겉보기 기기편차로 기기적 한계라 할 수 있다.

19 UV/Vis Theory 다음과 같은 검출기의 감도도 기계적 한계의 일부이다. 감도 파장
즉, 검출기의 감도는 파장에 따라 일정한 것이 아니라 최대 감도 파장이 존재한다. 즉 각 파장이 가지는 에너지는 서로 다르고 어떠한 에너지 대를 관찰하기 쉬운가 하는 것은 검출기의 재료적인 특성이다.

20 UV/Vis Theory UV/vis 실제구성과 형태 monochromator 는 표시되지 않음

21 UV/Vis Theory monochromator(단색화장치)

22 UV/vis 실제구성과 형태 (single beam-analog)
UV/Vis Theory UV/vis 실제구성과 형태 (single beam-analog) Absorbance & Transmittance display Power indicator light Sample holder Wavelength selector Absorbance & Transmittance control Power switch Zero control 실험적 UV제작

23 UV/vis 실제구성과 형태 (dual beam, classic)
UV/Vis Theory UV/vis 실제구성과 형태 (dual beam, classic)

24 UV/vis 실제구성과 형태 (dual beam)
UV/Vis Theory UV/vis 실제구성과 형태 (dual beam) The dual-beam design greatly simplifies this process by simultaneously measuring P and Po of the sample and reference cells, respectively.

25 UV/vis 실험 동영상 다음시간 14장(SKOOG)