분광광도법

방사선과 에너지 전환

광자, 즉 방사선 양자의 가장 중요한 특성은 에너지입니다. 에너지 값(E)에 대한 공식은 6.626·10 ^-34 [J ·s]의 플랑크 상수(h)와 Hertz [Hz]로 표시되는 방사 주파수(v)의 곱입니다. 분광광도법은 다양한 범위의 전자기 방사선의 흡수 또는 방출로 인해 발생하는 분자의 에너지 전이를 활용합니다.

• 자외선(UV) 200-380 nm,
• 가시광선(Vis) 380-780nm,
• 근적외선(IR) 0.78~30000μm.

분광광도계의 기본 개념과 법칙

등면점

이는 흡광도-파장 시스템에 표시된 곡선의 교차점에서 발생하는 특정 파장에 해당하는 지점입니다. 여기서 용액 내 화합물의 두 가지 형태(해리된 화합물과 해리되지 않은 화합물)는 동일한 흡수율을 갖습니다. pH 의 변화는 위치를 변화시키지 않으며, 화합물에는 그러한 지점이 많이 있을 수 있습니다.

화합물의 흡수 스펙트럼

스펙트럼은 빛의 파장(λ)에서 화합물이 흡수하는 빛의 양을 측정한 것입니다. 강도 I ₀ 의 전자기 방사선(빛)이 샘플에 떨어지면 이 방사선 중 일부는 흡수되고 일부는 샘플을 통과합니다. 입사 방사선(I ₀ )과 투과 방사선(I _t )의 강도를 기록함으로써 용액에 흡수되거나(흡광도, A) 용액을 통과하는 빛의 양(투과율, T)을 결정할 수 있습니다.

흡광도

흡수 현상을 설명하는 양은 흡광도입니다. 이것은 자유 원자의 수에 비례하여 전자기 방사선의 강도를 측정하는 무차원 측정값입니다. 이 수치는 흡수량과 관련된 계산을 용이하게 하기 위해 도입되었습니다. 흡수는 전자기 방사선과 물질 사이의 상호 작용, 즉 물질이 에너지의 일부를 흡수하는 것입니다. 흡광도는 가산적이며 때로는 광학 밀도라고도 합니다. 기호적으로는 Abs 또는 A로 기록됩니다. 수학적으로 이는 테스트 샘플에 입사된 방사선 빔의 강도(I ₀ )와 테스트 샘플을 통해 투과된 방사선 빔의 강도 비율의 십진 로그입니다. ( _그것 ). 0부터 무한대까지의 값을 가질 수 있습니다. 이 관계를 설명하는 수학적 표현을 Beer-Lambert 법칙이라고 합니다. 주어진 파장에서의 흡광도는 흡수 계수(ε), 흡수층의 두께(보통 1cm) 및 테스트 용액의 농도에 따라 달라집니다.

투과율

투과율은 샘플에 입사하는 조도(I ₀ )에 대한 샘플을 통과하는 조도(I _t )의 비율로 기준을 통과하는 조도와 동일합니다. 가장 자주 백분율로 표시되며 범위는 0%에서 100%까지입니다. 이는 다음 공식으로 표현됩니다. 흡광도와 투과도의 관계는 다음과 같이 표현됩니다.

램버트 법칙

흡광도는 균질한 시료의 흡수층 두께에 비례한다고 합니다. 이는 흡수 계수(k)와 측정된 샘플 층의 두께(l)의 몫으로 기록될 수 있습니다.

비어-램버트 법칙

이는 용액에 의한 방사선 흡수에 관한 것이며 다음과 같이 공식화될 수 있습니다. 용매의 흡수 계수가 0이면 균일한 용액을 통과하는 단색 방사선 빔의 흡광도는 용액의 농도(c)에 정비례합니다. 그리고 흡수층(l)의 두께에 따라 달라집니다. Beer-Lambert 법칙은 흡광도의 정의이며 다음과 같이 쓸 수 있습니다. 몰 흡수 계수(ɛ)는 특정 용매와 특정 파장에서 물질의 특성 값입니다. 이는 분자의 에너지 준위 사이의 전이 확률에 비례하며 방사선 광자의 에너지에 직접적으로 의존합니다. 수치적으로는 흡수층 두께가 1 cm이고 농도가 1 mol/dm ³ 인 용액에서 나타나는 흡광도를 나타냅니다. 계수를 알면 흡광도의 크기를 측정한 후 검액의 농도를 알 수 있습니다. 선택적으로 용액의 예상 흡광도를 계수와 농도로부터 계산할 수도 있습니다. 이 공식은 주로 알려진 몰 흡수 계수와 경험적으로 측정된 흡광도를 사용하여 물질의 농도를 결정하는 데 사용됩니다. 이는 공식을 사용하거나 예상 농도 범위의 여러 지점에서 물질에 대한 검량선을 그려서 수행할 수 있습니다. Beer-Lambert 법칙은 흡수의 농도 의존성으로도 표현될 수 있습니다: A = f(C).

가산성의 법칙

Beer-Lambert 법칙은 용액에 하나의 흡수 물질이 있는 경우를 나타냅니다. 그러나 선택한 파장에서 방사선을 흡수하는 다중 성분 용액에 더 많은 물질이 있는 경우 이 용액(A)의 흡광도는 개별 성분(A ₁ , A ₂ ,…)의 흡광도 합과 같습니다. A=A ₁ +A ₂ +⋯+A _n . 각 성분의 흡광도는 농도와 해당 몰 흡수 계수의 곱이라는 점을 기억하고 주목할 가치가 있습니다. 이는 다성분 시스템의 분광 광도 분석에 사용되는 흡수의 제3법칙입니다.

흡수 법칙의 편차

흡수 법칙을 충족하기 위한 전제 조건은 시스템에 작용하는 방사선이 단색이고 강도가 너무 높지 않아야 한다는 것입니다. Beer-Lambert 법칙에서 벗어나는 이유는 다음과 같습니다.

• 측정 장비의 불완전성으로 인해 조건이 충족되지 않는 경우,
• 측정 중에 발생하는 화학 반응(예: 중합 , 가수분해, 응축,
• 용액의 탁도.

전자 흡수 스펙트럼의 응용

• 이를 통해 서로 다른 극성의 용매에서 스펙트럼을 검사하여 전자 전이 유형을 결정할 수 있습니다.
• 서로 다른 분자 형태의 흡수 밴드의 위치와 강도의 차이는 용액 내에서 이들 사이에 확립된 평형을 연구하는 데 사용됩니다( 구조 연구 , 호변이성체 평형).
• Beer-Lamber 법칙에 기초한 화합물 결정에 사용됩니다.
• 시험 물질의 λ _max 위치를 기반으로 한 추가 식별 방법으로 사용됩니다.
• 테스트 화합물의 순도를 결정하는 데 사용됩니다. 흡수 최대 위치를 이동하고 스펙트럼의 서로 다른 두 지점에서 흡광도 값의 비율을 비교합니다.

UV-Vis 전자 분광법

흡수 현상의 측면에서 UV-Vis 분광광도법은 특히 흥미로운 기술로 많은 물질의 정성적 , 정량적 분석을 가능하게 합니다. 방사선 흡수 현상은 다음과 같은 경우에 사용됩니다. 흡수가 농도에 선형적으로 의존하거나 흡수가 추가되는 경우, 즉 다성분 용액의 경우 해당 성분의 흡수의 합인 경우. 시스템에 분자간 상호 작용이 없을 때 조건이 충족됩니다. 용액을 통한 전자기 방사선의 통과로 인한 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 분석함으로써 바닥에서 여기 상태로의 원자가 전자의 전이가 관찰됩니다. 이 현상으로 인해 특정 파장의 방사선 일부가 흡수됩니다. 흡수는 이들 전자가 더 높은 에너지 준위로 전이된 결과이지만, 이것이 일어나기 위해서는 전자기 복사의 양자가 에너지 준위 사이의 에너지 차이의 균형을 맞출 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가져야 합니다. 분자에서 이러한 에너지는 몇 전자볼트에 불과하며 이는 UV-Vis 주파수와 정확하게 일치합니다.

발색단

UV-Vis 범위에서 흡수를 나타내는 화합물은 구조에 발색단, 즉 전자가 낮은 여기 에너지를 특징으로 하는 원자 그룹을 가지고 있습니다. 즉, 발색단은 가시 범위(180-800 nm)에서 방사선을 선택적으로 흡수하여 색상을 발생시키는 역할을 하는 분자(원자 그룹)의 일부입니다. 여기에는 방향족 고리(방향족 전자 6중주), 다중 결합(일부 – π형 결합), 탄소 원자와 카르보닐 그룹 C=O와 같은 다른 것 사이가 포함됩니다.

조색소

또 다른 원자 그룹은 조색소, 즉 UV-Vis 범위에서 흡수를 나타내지 않는 치환체이지만 이들의 존재로 인해 흡수 요소의 스펙트럼이 변경됩니다. 이는 발색단의 작용을 강화하는데, 이는 시스템에 없는 경우보다 테스트 물질의 훨씬 더 강렬한 색상의 형태로 종종 관찰할 수 있습니다. 또한 조색소를 더 긴 파장 쪽으로 흡수 최대값을 이동시키는 수욕 색소(예: –NH ₂ , -OH)와 최대 흡수를 더 짧은 파장 쪽으로 이동시키는 차색소 (예: –CH ₃ , -CO)로 나눕니다.

원자흡수분광법(AAS)

이것은 흡수 현상을 이용한 또 다른 기술이다. 이는 모든 상태(액체, 고체, 기체)의 샘플 형태로 화학 원소를 결정하는 데 사용되며 측정 자체는 자유 금속 원자에 의한 특정 파장의 방사선 흡수를 관찰하는 것을 기반으로 합니다. 이 기술의 기본은 원자가 전자기 복사를 방출할 수 있는 파장에서만 흡수할 수 있다는 것이며 이는 해당 원소의 특징입니다. 원자에 더 높은 에너지가 공급되면 전자는 더 높은 수준으로 여기되고 스펙트럼에서 더 많은 수의 선이 관찰됩니다. 공급된 에너지가 원자의 이온화 전위에 해당하면 Na ⁺ 와 같은 이온이 형성됩니다. 원자흡수분광법에 의한 정량분석의 기본은 흡수원자수에 대한 흡광도의 비례와 베르람베르 법칙이다.