Spectrometry (분광법)

Spectrometry is the study of the interaction of electromagnetic radiation (EMR) with matter; and its applications

There are many types of spectrometry – UV-Visible Molecular Absorption

– Infrared

– Fluorescence

– Atomic Absorption/Emission

– X-Ray Absorption/Emission

– Mass

Five basic components of an optical instrument

1. Light source (광원)

2. Sample holder

3. Wavelength selector (파장선택기)

4. Detector or transducer (검출기)

5. Signal processor (신호변환기) The orientation between these components varies with the

type of technique (absorption, emission, etc.)

2장. Ultraviolet-Visible Spectrometry

자외선 가시선 분광광도법은 광전자(입자)를 흡수하는 발색단(chromophore)기의 존재를 이용하여 분석

180～780nm 영역 10~380, 200~380nm, 380~780, 780~300,000nm

< 200nm 진공자외선, 진공상태 기기조작.

분자내 에너지와 광에너지 상호작용 이용

흡수(광) 정도가 물질의 성질(정성)과 양(정량)에 비례

흡수 (특정한 작용기의 존재 유무에 기인)

전자전이

ground 기저 상태 excited 들뜬/여기 상태

일반적 불포화결합(=, ≡) 화합물이 uv-vis 영역에서 빛 흡수

불포화결합 포함하고 있는 작용기=chromophore 발색단

빛 흡수 (매우 선택적), 상이한 발색단, 상이한 파장에서 최대 흡광 (분자속의 한 작은 원자단에 속하는 전자가 들뜨기 때문), 상이한 파장, 흡수되는 빛의 양에도 차이

Absorption commonly occurs with many

organic molecules

metals

metal-organic complexes

분자흡광= 용액의 transmittance T 와 absorbance A 측정

주요점: 흡광도와 농도의 선형비례 관계

A = abc =εbc = log (Po/P) = -log (T) Beer’s Law

T 1 0.1 0.01 0.001

%T 100% 10% 1% 0.1%

A 0.0 1.0 2.0 3.0

P0

hv

P

b

Co

nc

en

tra

tio

n (

c)

Po a beam of light with an (initial) radiant intensity

P intensity of the light after passage through the solution (where absorption occurs)

transmittance (T) = P/P0 (units = %)

absorbance (A) (units = none)

A = abc (or εbc)

a = absorptivity (L/g cm) 흡광계수

b = path length (cm) 통과길이

c = concentration (g/L) 농도

ε = 몰흡광계수 (L/mol cm)

used when concentration is in molar units

5.010000

5000

0

P

PT

P0 = 10,000 P = 5,000

-b- A = -log T = -log (0.5) = 0.3010

P0 = 10,000 P = 2,500

--2b--

25.010000

2500

0

P

PT

A =-log T = -log (0.25) = 0.6021

abcA

P

PTA

0

loglog

Thickness, b Transmittance, T A = -log T

0 1 0.000

1 0.5 0.301

2 0.25 0.602

3 0.125 0.903

4 0.0625 1.204

5 0.03125 1.505

6 0.015625 1.806

7 0.0078125 2.107

8 0.00390625 2.408

9 0.001953125 2.709

10 0.000976563 3.010

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Thickness, multiples of b

Ab

sorb

an

ce

absorption vs. transmission

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Thickness, multiples of b

Tra

nsm

itta

nce

A = abc

T = 10-abc

2.1. Beer’s Law 적용 한계

A와 b; A와 농도(b 일정) at high concentrations charge distribution effects occur

causing electrostatic interactions between absorbing species (묽은 용액 흡광에만 성립)

Chemical analyte dissociates/associates or reacts with

solvent(화학 편차/화학종 사이의 상호작용(전하분포에 서로 영향)

시료 농도에 따른 오차

Instrumental (기기 편차) ε = f(λ); most light sources are polychromatic not

monochromatic (small effect) 단색광과 다색광 ε 차이

stray light – comes from reflected radiation in the monochromator reaching the exit slit.

Instrumental limitations ε = f(λ) How/Why does ε

vary with λ? Consider a

wavelength scan for a molecular compound at two different wavelength bands

In reality, a monochromator can not isolate a single wavelength, but rather a small wavelength band

Instrumental limitations – stray light

How does stray light effect absorbance and beer’s Law?

A = -log P/Po = log Po/P

When stray light (Ps) is present, the absorbance observed (Aapparent) is the sum of the real (Areal) and stray absorbance (Astray)

Aapp = Areal + Astray =

As the analyte concentration increases ([analyte]↑), the intensity of light exiting the absorbance cell decreases (P↓) eventually, P < Ps

s

so

P P

P P log

Instrumental limitations – stray light

non-linear absorption (analyte vs. conc.) as a function of analyte concentration

Similar to polychromatic light limitations

• p. 24: 일반적으로

최소한의 상대오차

T= 0.368 (36.8%), A=0.434

2.2. 자외선 및 가시선의 흡광 화합종(흡광 원리)

물질통과 특정주파수 감소(흡수) : 복사선 E 일부가 물질의 원자 또는 분자로 이동(=흡수)

결과: 들뜬 상태됨 (높은 에너지 준위로 이동)

분자 전이 (molecular transition)

M + hν M* (들뜬입자, 수명 10-8~10-9 s)

이완과정 M-e (에너지 소실)

일반적 열로 변환 (흡광분광법)

혹은 형광/인광복사선 발광 (3장)

새로운 화학종 생성 (광화학반응)

전자 전이는 항상 진동, 회전전이를 수반

진동에너지 전이(적외선 영역 1~15 μm)

회전에너지 전이(마이크로파 10~10,000 μm)

전자전이 종류 : 자/가시선 흡수

결합전자 들뜸

흡수봉우리(화합종의 결합형태)

분자내 작용기, 흡광원자단 정량적분석

분자내 전자 4가지 다른 형태

(1) 결합에 관여하지 않는 닫힌 껍질(closed-shell) 전자들 매우 높은 에너지(자-가시선 영역 해당치 않음)

(2) 공유단일결합(covalent single bond) 전자들(σ전자들) 역시 자-가시선 에너지 흡수에 기여치 않음

(3) 비결합 바깥껍질(paired nonbonding outer-cell)

(η전자들) N, O, S 및 할로겐에서와 같이 짝지어진 (4) π궤도함수에 있는 전자들 (이중, 삼중 결합 전자들)

가장 쉽게 들뜸. 자-가시선 대부분 스펙트럼

H

C H

O

x x °°

°° σ, π, η

분자의 전자전이는 분자의 전자 구조와 밀접한 관계

UV 영역의 전자전이 = 주로 분자의 최외각 전자

원자가 결합하여 분자이루면 분자 궤도함수

결합분자오비탈(bonding molecular orbital)-낮은 에너지

반결합분자 오비탈(antibonding) - 높은 에너지

(바닥상태에 있는 분자 중의 전자들이 결합궤도함수를 점유)

결합 반결합 이동

σ,η,π-전자전이, d, f-전자전이, 전하이동전이

선택규칙

σσ*, ησ*, ηπ*, ππ* 전이

가장 쉽게 들뜸. 자-가시선 대부분 스펙트럼

* 높은에너지 흡수, vacuum UV

n * 높은에너지 흡수, 150~250 nm

n * 가장 낮은 에너지 흡수, 200~700 nm

* 중간에너지 흡수, 200~700 nm

발색단 chromophore 일반적 불포화 결합을 포함하는 흡광원자단.

유기물 경우 작용기

무기물의 경우에 2원자 이상으로 된 음이온 대부분 자외선부에서 흡수가 일어난다

η π*, π π* 전자전이

조색단 auxochrome 자신은 자외선부의 빛을 흡수하지 않으면서, 분자내에

존재하게 되면 최대 흡수 파장을 이동시킴

유기물에 의한 흡광

• many common organic compounds absorb in the UV region

무기물에 의한 흡광

• many free metals and inorganic metal complexes absorb in the visible region of the spectrum

Absorption by charge transfer complexes

• Many inorganic and organic complexes form charge transfer complexes

• A charge transfer complex consists of an electron donor group bonded to an electron acceptor group

• Charge transfer complexes exhibit broad band absorption in the visible region of the EMR spectrum

• Useful analytically because of the large molar absorption

(example) Charge-Transfer Complex

(example) Charge-Transfer Complex

Nitrite can be determined analytically by adding reagents to form a colored charge transfer complex.

The complex exhibits broad band absorption in the visible region of the EMR spectrum

The wavelength of maximum absorption (λmax) can be determined with a wavelength scan

Measurements are then made at λmax

λmax

Choice of solvents

Most absorption measurements are conducted by dissolving the analyte in a solvent

The solvent (and sample holder) should be transparent in the region of the spectrum where the analyte absorbs

2.3.분광광도계와 부분장치 분광 분석법 상당히 비슷한 기기 부품으로 구성

(광원/시료용기/파장선택기/검출기/신호처리 기록) 광원: 안정한 복사에너지 지원

시료용기 : 시료를 담는 투명한 용기

파장 선택기: 측정이용 한정된 파장 영역 분리하는 장치

검출기: 복사선 검출 또는 유용한 신호(일반적 전기) 변환

신호처리 기록: 독해 장치

광원

충분한 세기의 복사선, 안정하게 유지 - 연속광원 (넓은 파장 영역. 주로 분자흡수 분광법) - 선광원 (소수의 불연속적 복사선, 원자흡수, 라만등)

종류 : 중수소와 수소등 - 자외선 영역. 중수소나 수소를 전기적 160~375 nm 영역에서 유용

텅스텐 , 필라멘트등 - 가장 일반적 , 가시광 및

근적외선. 온도 2870K 방출하는 350~2500nm

영역

크세논, 아아크등 - 크세논 기체에 전류, 250~600nm

Light sources Two types: 1. Continuous source

– Produces spectra over broad range

– Tungsten lamp (provides visible spectrum; 400-1200 nm)

– Deuterium lamps (provides ultra-violet spectrum; 190-400 nm)

Tungsten Lamp

Deuterium Lamp

2. Discontinuous or Discrete sources

– produce only specific (discrete) wavelengths

– e.g. hollow cathode lamp (HCL) or an

electrodeless discharge lamp (EDL)

A hollow cathode lamp

파장 선택기 필요한 파장을 선택

어떤 파장 필요? 제한된 좁고 연속적인 파장의 다발 띠(band) 좁은 띠나비? 측정 감도 증가, 선택도 높임, 신호/농도 직선 가장 이상상태 (단일파장, 단일진동수 복사선,

but it's dream?)

두가지 형태 파장 선택기 : 필터, 단색화 장치

a. Filter - 흡수필터와 간섭필터 (interference filter) 흡수필터 (가시선영역. 일정부분의 스펙트럼 흡수. 색유리등) 간섭필터(두개의 투명한 금속필름사이에 투명한 유전체- CaF2 MgF2 채움. 두께조절 복사선의 파장 결정.

b. Chromator (단색화 장치): 넓은 범위에 걸쳐 연속적으로 복사선 파장을 변화시킬 필요 grating과 prism 부분장치 - 입구슬릿, 평행한 복사선(평행화 렌즈 또는 거울

프리즘/회절발(복사선을 성분파장으로 분산), 초점면/출구슬릿 최근 단색화 장치는 대부분 반사회절발(reflection grating) echellette-type 넓은 사용면, 좁은 비사용면

concave-grating holographic-grating 레이저 이용하여 회절발 제작

echelle-grating 에셀레트와 비슷. 낮은 홈선 밀도

Wavelength selector

Prisim (monochrometer)

Grating

monochromator

Grating monochromator

Isolates individual wavelengths of light from the spectrum produced by the light source(s)

Individual wavelengths are selected by rotating the grating or moving a mirror or slit.

Czerney-Turner Monochromator

• Monochromator slit settings – Effect on spectral resolution

• Decreasing slit width results in greater spectral resolution

측정기기 일반적 형태 : 홑빛살형, 겹빛살형, 다이오드배열

single beam

Light beam is split using a “chopper”

A double beam instrument is one in which the light

source can be passed (simultaneously) through both a reference and a sample cell

Purpose and approach

1. adjust light output of the instrument to 100% transmission (0 % absorbance)

2. allows correction of the sample absorbance signal for non-analyte absorbance

시료용기 (용기 cell 또는 cuvette)

사용 스펙트럼 영역의 복사선이 통과하는 물질

반사손실 최소화 빛의 방향에 대해 완전히 수직. 실린더형(통로길이, 반사손실) 주의 :

용기벽 지문. 다른 부착물. 사용전후 세척. 물리적 손상주의 (메탄올 세척후 휘발) 석영.용융실리카 (200 ~ 350nm),

규산유리 (350 ~ 2000nm), plastic (가시선 영역)

Sample holder Sample is placed in

a cell or “cuvette”

1, 5, & 10 cm path lengths are commonly available

Glass or plastic Visible region

Quartz or fused silica Ultra-violet and

visible region

Detectors

Two types

Heat sensitive detectors

Photon detectors

Types of photon detectors

Photovoltaic cells

Phototubes

Photomultiplier Tubes (PMT’s)

Photoconductivity

Silicon photodiodes

Signal processors/readout

Signal Processing Amplify the signal coming from the detector

Converts signal coming from detector into a form that is easily displayed. e.g. current to (DC) voltage

Many forms of readout Computer display

Digital or analog readout

Strip chart recorder

Integrator

2.4. 정성 및 정량분석

정성분석: 다소 제한. 넓은 흡수띠

정량분석 (가장 유용하게 이용)

비흡광 화학종

검정선 작성

표준물 첨가법

혼합물 동시분석: 흡광 화학종이 두종류 이상일 경우

44

검량선 작성 (standard curve)

signal: 시료에 대한 기기분석의 결과

blank signal: analyte를 함유하고 있지 않은 시료에 대한 signal

대부분의 경우 신호는 analyte 농도에 비례

S = mC + Sb m= sensitivity; Sb=blank signal

표준물질 첨가법:

A = εbVxCx/Vt + εbVsCs/Vt = unknown + known

= mVs + I m= εbCs/Vt I/m=VxCx/Cs

따라서 Cx = ICs/mVx

혼합물 동시 분석:

전체흡광도= 각성분 흡광도의 합(sum)

A1 = Ax1 + Ay1 = εx1bCx + εy1bCy

A2 = Ax2 + Ay2 = εx2bCx + εy2bCy

혼합물 동시 분석:

1M-H2SO4 에 K2Cr2O7 과 KMnO4 혼합용액 겹치는 흡수

스펙트럼 Amax440=0.405, Amax545= 0.712 혼합물 흡광도.

각 이온의 농도는? (Crλmax 440nm), (Mnλmax 545nm)

순수용액 흡광도 1M-H2SO4 에 K2Cr2O7 (10-3M) 과 KMnO4 (2x10-4M)

A440Cr=0.374, A545Cr= 0.009

A440Mn=0.019, A545Mn= 0.475

A1 = Ax1 + Ay1 = εx1bCx + εy1bCy

A2 = Ax2 + Ay2 = εx2bCx + εy2bCy