생물기기분석학 수업노트-11: 적외선 분광법
- 차 례 -
1. 개론
2. 원리 및 구조
(1) 원리
(2) 구조
3. 기기장치
(1) 광원
(2) 시료주입구
(3) 단색화 장치
(4) 검출기
(5) 기록기
4. 시료처치
(1) 기체상태
(2) 액체상태
(3) 고체상태
5. 적외선스펙트럼의 실제예
- 강 의 내 용 -
1. 개론
(1) 적외선 파장의 영역
1) 근적외선 (0.78～2.5μm)
2) 중간영역 적외선 (2.5～50μm): 적외선 분석에 유용한 영역
3) 원적외선 (50～50μm)
(2) 중간영역의 적외선
1) X-선 및 UV/Visible 선보다 에너지가 작다.
2) 원자내의 전자전이 현상를 일으킬 정도의 에너지가 안됨
3) 분자운동을 일으킴
a. 진동 (vibration)
b. 회전 (rotation)
c. 병진 (translation)
4) 분자의 진동에 의한 특정적 흡수스펙트럼이 나타남
2. 원리 및 구조
(1) 분자는 원자들의 결합으로 이루어짐 (신축성이 있음)
(2) 분자의 진동운동 (vibration)
1) 신축진동 (streching vibration): 원자들 사이의 결합길이가 변함
2) 굽힘진동 (bending vibration): 원자들 사이의 결합각이 변함
(3) 분자의 진동운동은 각 결합의 종류 및 세기 그리고 결합하는 원자의 종류에
따른 고유한 에너지가 필요
(4) 각각 고유한 진동 주파수 (파장) 에 해당하는 빛 에너지를 흡수해야 함
(5) H2O 분자의 기준 진동방식
1) 신축진동
a. 대칭 : 3652 cm-1
b. 비대칭: 3756 cm-1
2) 굽힘진동: 1596 cm-1
(6) CO2 분자의 기준 진동방식
1) 신축진동
a. 대칭 : 1340 cm-1
b. 비대칭: 2350 cm-1
2) 굽힘진동
a. 동일 평면 굽힘진동 : 667 cm-1
b. 비동일 평면 굽힘진동: 667 cm-1
(7) 흡수 피이크의 수
1) CH4: 이론상 9개
2) 벤젠: 이론상 30개
3) 구조상 대칭 구조를 갖기 때문에 실제는 이보다 작은 흡수 피이크를 갖음
4) -CH2-: 실제 5개의 흡수 피이크를 갖음
3. 기기장치
그림 1. 적외선 분광기 (IR spectrometer)의 외형
그림 2. IR spectrometer의 내부 구조
(1) 광원: 100-1,800℃까지 가열하여 빛을 냄
1) Nernst lamp
a. 금속 산화물의 결합제를 첨가하여 만든 작고 가는 막대
b. 4000～1000cm-1 범위의 파장에서 주로 이용
2) Glober lamp
a. 실리콘가바이드의 가는 막대
b. 고온에서 강도가 큰 적외선을 방출
c 600cm-1 이하 범위의 파장영역 적외선을 방출
3) He-Ne laser
- 최근의 많이 사용되는 FT-IR의 광원
(2) 시료주입구
1) 시료 용기 및 지지체는 적외선을 통과하는 재질로 만듬
2) 수용성 시료: AgBr, KRS-5
3) 비수용성 시료: KBr, NaCl의 plate를 사용
(3) 단색화 장치: 적외선 영역의 빛을 파장별로 정확하게 분리하는 장치
1) 프리즘: 물질에 따라 투과범위가 다름
a. 석영: 0.18 ~ 3.5μm
b. LiF: 0.11 ~ 6.0μm
c. CaF2: 0.12 ~ 8.5μm
2) 회절발 (grating): 광학적으로 평편하고 깨끗한 표면위에 많은 수를 조밀한 간격의 홈을 만들어 단색광을 선택함
(4) 검출기
1) 열전기쌍 (thermocouple)
a. 금속 또는 반도체성 금속합금의 가는 선
b. 열전기쌍이 적외선(IR)을 받으면 두 접촉점 사이에 온도차이가 생겨
전위가 발생
그림 3. 열전기쌍 검출기의 구조
2) 볼로미터 (bolometer)
a. 일종의 저항온도계
b. 백금이나 니켈 같은 금속의 길고 가는 조각 또는 반도체로 만들어졌음
그림 4. Thermistor-bolometer 적외선검출기; (a) soild, (b)optical coupled and (c) bridge circuit. (Courtesy of Barnes Engineering co.)
(5) 기록기
1) 자동기록계
2) 가로축: 주파수, 파수, 파장
3) 세로축: 흡광도 도는 투과도
4. 시료처치: 물질의 원래상태를 측정
(1) 기체상태
1) 길이 10cm의 특수 cell에 기체를 주입하여 측정
2) 유기화합물은 기체 상태로 측정하기에는 증기압이 낮음
(2) 액체상태: 액체 시료를 NaCl 평판 사이에 압입하여 측정
(3) 고체상태
1) 고체물질을 10～100배량의 kBr과 분쇄하여 잘 혼합한 후 진공압축
2) 투명형 단일 결정형의 disk를 만들어 측정
5. 적외선스펙트럼의 실제 예
(1) 관능기에 따른 진동수 및 그 특성 (참고: 최신기기분석학, p72 표4-1)
(2) n-hexylamine의 적외선 흡수 스펙트럼; (a) free amine and (b) hydrochloride
(3) chitin & chitosan
(4) 1,3-butadiene
(5) ref: http://www.wag.caltech.edu/home/jang/genchem/infrared.htm