생물기기분석학 수업노트-12: 원자 흡수 분광 광도법

- 차 례 -

1. 개론

2. 원리 및 구조

(1) 원리

(2) 기기장치

(3) 램프

(4) 시료원자화부

(5) 측광부

3. 시료 및 기타재료

(1) 표준시료

(2) 분석시료

(3) 순수와 유기용매

(4) 가연성 기체와 조연성 기체

4. 분석 조작

(1) 시료의 조제

(2) 측정조건의 결정

(3) 측정 순서

(4) 검량선의 작성된 정량법

(5) 시료 농도의 산출

(6) 간섭

(7) 용매

(8) 주의 사항

5. 분석결과의 정리 및 검토

(1) 분석결과의 정리

(2) 분석 오차의 원인

(3) 분석값의 신뢰성

- 강 의 내 용 -

1. 개론

http://ewr.cee.vt.edu/environmental/teach/smprimer/aa/aa.html

(1) 시료를 적당한 방법으로 해리(解離)시켜 중성원자로 증기화

(2) 바닥상태 (Ground State)의 원자가 이 원자 증기층을 투과하는 특유 파장의 빛을

    흡수하는 현상을 이용

(3) 광전측광(光電測光)과 같은 개개의 특유 파장에 대한 흡광도를 측정

(4) 시료중의 원소(元素) 농도를 정량하는 방법

(5) 시료중의 유해중금속 및 기타 원소의 분석

2. 원리 및 구조

(1) 원리 (참고: 최신기기분석, p90 그림 5-1)

   1) 중성 원자에 (전자기) 복사선을 쬐어 주면 원자는 복사에너지, 즉 광자를 흡수하여        전자가 높은 에너지 상태로 이동

   2) 높은 에너지 상태의 전자는 에너지를 방출하면서 원래의 상태로 돌아옴

   3) 전자를 높은 에너지 상태로 이동시키는데 필요한 에너지는 중성원자의 종류에

      따라 다름

   4) 원소에 따라 서로 다른 파장의 전자기 복사선을 필요로 함

        M (중성원자) + hν (전자기복사선, 빛 에너지) ↔ M* (들뜬상태)

   5) 전자의 전이 형상을 원자 흡수 (atomic absorption) 또는 원자 형광 (atomic fluorescence)라고 하며 원자흡수 또는 원자현광 스펙트럼이 나타남

(참고: 원자흡광분석기로 분석이 가능한 원소, 분흥색)

(참고: 기본원리)

(2) 기기장치 (참고: 최신기기분석, p92 그림 5-3)

   1) 광원부: 특정 파장의 빛을 방출

   2) 시료원자화부: 시료의 원자 증기화

   3) 단색화부: 특정 원소에 흡수된 특정한 파장의 빛만을 선택적으로 선별

   4) 측광부: 시료를 통과한 빛의 양을 측정

                      그림 1. AA spectrometer의 외형 모습

                     그림 2. AA spectrometer의 내부 구조

(3) 램프: 측정하려는 원소에 따라 특정한 종류의 램프가 필요

   1) 광원: 중공음극램프 (hollow cathode lamp) (최신기기분석학, P93 그림 5-4)

       a. 양극 (anode)

       b. 음극 (cathode): 특정 금속

       c. 내부는 불활성기체 (Ne 또는 Ar)

       d. 양극과 음극사이에 일정한 전압의 전류을 걸어주 내부의 불활성 기체원자들 중의 일부가 이온화가 되면서 음극쪽으로 가속화

       e. 음극의 특정 금속의 전자를 들뜬상태로 만들어줌

       f. 이러한 전자는 바닥상태로 되돌아가면서 음극 금속의 원자 성격에 따라 고유한 파장의 빛을 방출

       g. 램프는 측정하려고 하는 중성원자에 따라 특정한 램프가 필요 (특정 파장의 빛, 즉 전자기 복사선이 필요)

   2) 램프점 등장치

       a. 직류점등 방식

       b. 교류점등 방식: 광원의 빛 자체가 변조되어 있기 때문에 빛의 단속기                (chopper)가 필요하지 않음

              그림 3. 원자흡수, 원자형광 및 불꽃방출 분광법의 장치 비교

(4) 시료 원자화부

   1) 시료 원자화장치: 시료 중성원자를 원자 증기화하기 위한 장치

       a. 버어너 (참고: 최신기기분석, p95 그림 5-6 & 7)

          - 전문부 버어너: 시료 용액을 직접 불꽃 중으로 분무하여 원자화

          - 예혼합 버어너: 시료용액을 분무실내에 불어넣고 미세한 입자만을

                불꽃 중으로 보내는 방식의 버어너

          - 슬롯 버어너 (slot burner): 얇은 판막 모양 (laminar)의 안정된 불꽃을          만들기 위한 장치

                              그림 4. 전분무 버어너

                             그림 5. 예혼합 버어너

       b. 불꽃

          - 조연성 가스와 가연성 가스가 필요

                수소/공기, 수소/공기/아르곤, 수소/산소

          - 중성원자 (분석원소)의 화학적 성질에 따라 불꽃의 온도 및 조연성/ 가연성

               가스의 조합을 결정

          - 낮은 온도 (약 1,800℃)에서 높은 온도 (약 3,000℃)의 불꽃

       c. 가스유랑조절기: 가연성 가스와 조연성 가스의 압력과 유량 조절

   2) 광학계: 증기화된 원자에 빛을 투과시키기 위한 장치

       a. 조건

          - 빛이 투과하는 불꽃 중에서의 유효길이가 길러야 함

          - 불꽃으로부터 빛이 벗어나지 않도록 함

       b. 분광기 (파장선택부)

          - 광원램프에서 방사되어 불꽃을 통과하는 스펙트럼 가운데 필요한 분석선을

           선택하기 위한 장치

          - 회절격자

          - 프리즘

(5) 측광부: 원자화된 시료에 의하여 흡수된 빛의 흡수강도를 측정하는 검출기

   1) 검출기

       a. 광전기전지

       b. 광전관

       c. 광전자증배관

   2) 증폭기

3. 시료 및 기타재료

(1) 표준시료: 고순도의 1급 이상의 시약을 사용

(2) 분석시료

   1) 물에 용해시켜 희석한 후 분석

   2) 불용성 시료는 산, 알칼리, 유기용매 등에 녹여 희석 후 분석

(3) 순수와 유기용매: 순수한 물을 사용 (3차 증류수)

(4) 가연성 기체와 조연성 기체

   1) 가연성 기체는 순도가 높은 것

   2) 조연성 기체로서의 공기는 공기압축기

4. 분석 조작

(1) 시료의 조제

(2) 측정조건의 결정

   1) 버어너의 종류

   2) 불꽃의 종류

   3) 램프의 종류 및 전류값

   4) 분광기의 슬릿폭의 설정

(3) 측정 순서

   1) 측광부 작동

   2) 광원램프를 점등하여 적당한 전류값을 설정

   3) 가연성 및 조연성 기체의 확인

   4) 불꽃의 점화

   5) 분광기의 파장눈금을 분석선의 파장에 맞춤

   6) 시료용액을 불꽃 중에 분무시켜 지시값을 읽음

(4) 검량선의 작성과 정량법

   1) 검량선의 직선영역

       a. 저농도: 양호한 직선

       b. 고농도: 휘어진 선

   2) 최소한 3개 이상의 표준시료의 농도를 사용하여 흡광도를 측정하여 작성

   3) 검량선 작성의 방법

       a. 검량선법

       b. 표준첨가법

       c. 내부표준법

(5) 시료 농도의 산출

   1) 검량선을 사용하여 측정한 시료의 흡광도를 기준으로 농도 계산

   2) 단위: w/w (%), w/v (%), ppm

(6) 간섭

   1) 분광학적 간섭: 분석애 사용되는 스펙트럼에 관련된 문제

   2) 물리적 간섭: 기료 용액의 점성이나 표면장력 등에 기인하여 생기는 문제

   3) 화학적 간섭: 원소나 시료에 의한 문제

(7) 용매: 흡광도에 간섭을 일으키지 않는 용매를 사용

(8) 주의 사항

   1) 설치장소

       a. 고온 또는 극단의 저온, 급격한 온도의 변화가 없는 장소

       b. 습기가 많지 않고 직사관성을 쪼이지 않는 장소

       c. 가능한 한 먼지가 적은 장소

       d. 가능한 한 진동이 적은 장소

       e. 통풍이 잘되는 곳

   2) 고압 기체의 취급에 대한 주위점

       a. 가스통은 옥외에 설치

       b. 가스에 따른 배관 재료의 선택 문제

   3) 불꽃의 취급에 대한 주위점

       a. 역화와 폭팔 등에 주위

       b. 소화기 등의 소방 시설의 준비

5. 분석결과의 정리 및 검토

(1) 분석결과의 정리

(2) 분석 오차의 원인

(3) 분석값의 신뢰성