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연구 분석법/분광분석법

UV-VIS를 통한 흡광도 분석

용감한공대생 2022. 6. 5. 16:48
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분광분석법의 기본 원리

분광분석은 크게 정량분석과 정성분석으로 나뉘는데, 정량분석은 시료의 양을 파악하고 정성분석은 시료의 종류를 파악하게 된다. 특정 파장의 빛이 시료를 통과하게 된다면 시료는 그 빛을 흡수하게 된다. 시료에 입사된 빛은 흡수(Absorbed), 반사(Reflected), 투과(Absorbed), 산란(Absorbed) 등의 4가지 상호작용을 하게 된다. 결과적으로 (입사된 빛의 세기 = 흡수+반사+투과+산란의 세기) 가 성립하게 된다.

여기서 투과와 흡수를 중점적 해석을 하게되면 다음과 같이 상황을 단순화 할수 있다. 이때 산란과 반사는 무시된다.  

투과도와 흡광도의 정의

입사된 빛이 시료를 지나게되면 시료는 그 빛을 흡수하게 되는데 I0>II0>I가 항상 성립하게 된다. 이때 투과된 빛의 세기를 입사된 빛으로 나눈 것을 투과도(Transmittance)라고 정의한다. 

 

Transmittance(T)=II0Transmittance(T)=II0

 

T는 0~1의 범위를 지니며 실제로는 100T인 퍼센트 투과도(Percent Transmittance)로 변환하여 0~100%로 사용한다.

 

이때 물질이 빛을 흡수하는 정도인 흡광도에 대한 정보도 필요한데 이 흡광도는 투과도를 상용로그화 한 값이다. 

 

Absorbance(A)=log(I0I)=log(T)Absorbance(A)=log(I0I)=log(T)

 

이때 투과도와 흡광도과의 관계는 다음과 같다.

흡광도와 투과도는 로그관계를 취하고 있는데, 이는 흡광도의 정의에서 기인한다. 얼핏 생각하면 왜 로그의 관계로 설명이 되야하는지 의야할 수 있지만 그 정의를 살펴보면 쉽게 이해할 수 있다.

흡광도는 빛의 감소에 따른 물리적 모델을 수학적으로 해석함으로서 얻어진다. 국소구간에 빛이 입사하여 길이가 b인 시료를 빛이 지나친다고 가정하자. 

 

시료의 어느 지점에 국소구간 dxdx를 지나며 감소한 빛의 양을 dIdI라고 한다면, dIdI는 처음 입사한 빛의 세기(I0I0)와 빛이 통과한 거리(dxdx), 단위 부피당 물질의 양에 비례하게 된다. 즉 빛이 감소하는 양은 처음 빛이 강할때, 빛이 통과한 거리가 길때, 지나치며 부딛치는 물질이 많을때 더 많이 감소한다는 가정을 세운 것이다. (ββ는 비례관계에 대한 상수이다)

 

dI=β×I×c×dxdI=β×I×c×dx

 

이때 적분을 통해 

 

dII=βcdxdII=βcdx

 

dII=βcdxdII=βcdx

 

lnI(x)=βcxlnI(x)=βcx

 

결과적으로 시료내의 x위치에서의 빛의 세기는 다음 식으로 전개된다. 이는 이전 포스팅의 x선 흡광과 비슷한 결의 증명 결과임을 확인할 수 있다.

 

I(x)=eβcxI(x)=eβcx

 

위에서 전개한 식을 빛이 입사해서 x=b 지점을 지날 때를 적분하여 입사광과 투과광의 관계로 풀게 되면 다음과 같이 증명할 수 있다.

 

IbI0dII=βcb0dxIbI0dII=βcb0dx

 

ln(I0I)=βcbln(I0I)=βcb

 

이때 로그가 취해진 왼쪽 수식을 흡광도로 정의에 대입하고 /beta/beta를 흡광계수로 두게 되면 우리에게 익숙한 Lambert-Beer's Law가 구해진다.

 

ln(I0I)=ϵcbln(I0I)=ϵcb

 

다음과 같은 정의로 인해 흡광도는 시료의 길이(b)와 시료의 농도(c)에 비례한다는 것을 수학적으로 정의할 수 있으며 투과도와 흡광도가 왜 로그관계를 가지는지 이해할 수 있다.

 

 

 

[출처]

1. QUANTITATIVE CHEMICAL ANALYSIS Eighth Edition, Daniel C. Harris Michelson Laboratory China Lake, California