5. AAS(Atomic Absoption Spectrophotometry) 를

이용한 칼슘의 정량

오미석 손희영 신혜원

5.AAS(Atomic Absoption Spectrophotometry

기계의 원리

실험이론

실험방법

실험결과 및 분석

AAS 기기 사용 실험의 목적

AAS 의 원리와 구조를 알아본다 .

Ca 흡광도에 대한 간섭의 영향을

알아본다 .

미지시료 중 Ca 를 Calibration Curve 와

Standard Addition 방법으로 구해본다 .

AAS 기기의 원리(1) Beer’s law 분석 시료의 흡광도 측정 시 : Beer’s law 이용

A = εbC ε= 몰 흡광계수 , b= 시료관의 길이 , C= 시료의 농도 시료의 흡광 정도는 시료에서 빛을 흡수할 수 있는 원자들의 수에 비례 우리 실험은 광원이 시료에 조사한 처음 빛의 세기 I0 에서 시료를 투과한 빛의 세기 I 를 뺀 값을 통해 시료의 흡광도를 측정할 것이다 .

I0 I

(2) AAS 기기의 구성 개략도

Hollow Cathode Lamp 가 광원의 역할을 함 → 불꽃 원자화기에서 시료 가 용액 상태로 들어가 중성 원자화됨 → 시료가 흡수하고 난 후 투과된 빛을단색화장치가 단일 파장으로 바꾸어 줌 → 검출기가 단색화장치를 통과한 빛을 감지 → 신호를 증폭하기 위한 장치로 광전증배관이 사용됨 → 신호 도출

(3) AAS 기기의 구성

1) 광원 Hollow Cathode Lamp 의 구성 - 텅스텐 anode - Ne 이나 Ar 과 같은 불활성기체로 채워진 유리관에 밀봉되어 있는

cylindrical cathode

Hollow Cathode Lamp 의 작동 방식

Hollow Cathode Lamp 의 Ca 으로 만들어진 음극에 높은 전압을 걸어주면 Ar 이 Ar* 가 되면서 음극을 자극해 음극 표면에서 Ca 원자가 튕겨 나온다 .(sputtering)

튕겨 나온 Ca 원자는 주위의 Ar 과 다시 충돌해 Ca* 의 들뜬 상태로 Ca원자 고유의 공명선을 방출하면서 안정화된다 .

Hollow Cathode Lamp 의 장 , 단점 - 장점 음극에 분석하고자 하는 원소와 동일한 원소가 도포된 hollow cath-ode lamp 를 사용하여 원소의 고유한 공명선을 광원으로 사용함으로써 미지 시료 내에서 분석하고자 하는 원자만을 선택적으로 분석할 수 있다 .

- 단점 음극이 분석 원소와 동일한 원소로 만들어진 금속이나 합금이기 때문에 여러 원소를 동시에 분석하기에는 어려움이 따른다 . 따라서 여러 원소를 동시에 분석하기 위해서는 각각의 원소마다 음극을 따로 만들어서 실험해야 하는 번거로움이 있다 .

2) 원자화장치

사용한 원자화장치 : 사전혼합식 (premix type) 버너머리에 도달하기 전에 일어나는 작용 Nebulization: 분석시료가 든 용액을 작은 분무 방울로 만드는 과정 . 이때 분무방울의 크기가 고르지 않거나 너무 크면 원자화효율에 영향을 줄 수 있 으므로 흐름막이 (Flow Spoiler) 에 의해 응축되어 폐기된다 .

위와 같은 과정을 통해 시료가 분무되어 작은 방울이 되면 이를 연료 , 보조기체와 함께 미리 섞은 후 불꽃이 만들어질 버너 머리로 보내주는 과정이 진행된다 .

TIP! 원자화효율이란 ? AAS 에서 분석 시료의 흡광도를 정확히 측정해야 실험 오차를 줄일 수 있다 . 이를 위해서는 불꽃 원자화기로 들어갈 시에 용액 중의 이온 상태였던 Ca 이 원자화되는 과정이 중요하다 .

이 때 , 원자화효율이 높다 는 것은 시료의 분무 완성도가 높고 , 불꽃 속에서 시료 용 액의 용매도 잘 증발됨을 말한다 .

사전혼합식 원자화기의 장점 - 사전 혼합식 버너는 안정한 불꽃을 만들어 높은 감도의 결과를 얻을 수 있다 .

사전혼합식 원자화기의 단점 - 원자화 과정 중 용매의 증발이 일어나는 Desolvation

에서 혼합 용매의 증발이 불완전하게 일어남으로써 실험 결과 의 오차를 가져올 수 있다 .

- 불꽃이 분무함 안으로 역류해 들어가서 폭발하는 위험이 생길 수 있다 .

(4) 그 외 분광광도법에 쓰이는 기본적인 장치들

◇ 단색화장치 (Monochromator): 광원에서 발생한 빛을 각 성분 파장으로 분산시킨 뒤 좁은 띠의 파장을 선택하는 장치 .

◇ 검출기 (Detector): 광자가 검출기에 닿을 때 전기 신호를 발생시키는 장치 . 검출기의 응답은 입사 광자의 파장에 따라 달라진다 .

◇ 광전증배관 (Photomultiplier): 나오는 신호의 세기를 높이기 위해 가해준 광원의 빛을 증폭시키는 장치 .

실험 이론

- 간섭

- 표준물 첨가법

- 유기용매효과

간섭 (Interference)

분광 간섭 이온화 간섭 내열성 화합물의 형성 물리적 간섭

분광 갑섭 - 고체입자 , 증발 덜 된 용매방울 , 분자 등이 불꽃 속에서 산란 되어 영향

- 분석 원소와 비슷한 빛을 흡수하는 원소들의 영향

- 고온불꽃 사용 - 분석원소 흡수선과 가까이 있으면서도 원소에 의해 흡수되지 않는 선의 흡광도 측정하여 보정

이온화 간섭 알칼리 / 알칼리토 금속 들이 고온 불꽃에서 상당량 이온화 되어 중성원자가 덜 생김

Ca Ca2+ + 2e-

분석원소보다 이온화 잘되는 원소추가 . ( Na Na+ + e- ) 표준용액에 간섭원소 같은 양 가하기 . 시료와 표준 용액에 과량을 첨가해 보정 .

내열성 화합물의 형성 불꽃 속에서 측정원소와 음이온이 내열성 화합물을 형성 . 예 : P2O7

4- + 2 Ca2+ Ca2P2O7

- 간섭 요인 화학적으로 감소 또는 제거 ①Sr , La : 인산음이온과 반응 ②EDTA : 칼슘 -EDTA 킬레이트 형성

- C2H2-N2O 같은 고온 불꽃 사용

물리적 간섭 시료 용액 내의 염류 등의 성분에 의한 점도 , 표면장력 등의 물리적 성질 때문에 시료 공급 속도나 불꽃온도 , 원자화 효율에 영향

대부분 표준물첨가법 사용

표준물 첨가법 다양한 matrix effect 들을 동일한 조건의 표준물로 재현하기 어려울 때 사용 일정량의 시료 용액에 표준 물질의 농도를 0 에서 부터

단계적으로 변화시면서 가한 용액의 흡광도를 측정 후 표준곡선 작성해 시료의 농도 구하는 법

유기용매의 효과유기용매 사용시 전반적인 원자화 효율 증가

분무 속도 증가 , 더 미세한 방울 형성 , 유기 용매의 보다 나은 증발과 연소 ( 자체가 연료로 작용 )

실험 방법

- 분석프로그램 사용법

- 실험 기구 및 시약

- 실험 순서

AAS 기기 및 프로그램 사용방법

1. Power on

2. Fan on & Air 밸브 와 아세틸렌 가스 밸브open

3. 프로그램 실행

4.Flame 켜기 & DIW 넣기

4. 측정

Tip!!

시료 측정간 적당한 시간 (약 3~5 분 ) 튜브를 넣은 후 1~2ml 정도 흡입 된 후 측정 버튼 클릭

5. 종료

기구 및 시약기구 마이크로 피펫 , 500mL bottle 6 개 , 15ml 시험관 16 개

시약 50ppm Ca, 500ppm Ca, 4%SrCl2,

2000ppmNacl, 100ppm 인산이온 , 100ppm Al, 에탄올

방해실험 및 유기용매의 영향 실험 시약제조

구분 5ppm Ca5ppm Ca +10ppm 인산이온

5ppm Ca + 10ppm 인산이온 + 1% SrCl2

5ppm Ca + 1%SrCl2

5ppm Ca +

1000ppm Na

5ppm Ca + 10ppm

Al

50% 에탄올 + 5ppm Ca

50ppm Ca 1ml 1ml 1ml 1ml 1ml 1ml 1mlDIW 9ml 8ml 5.5ml 6.5ml 4ml 8ml 　

100ppm 인산 　 1ml 1ml 　 　 　 　4%SrCl2 　 　 2.5ml 2.5ml 　 　 　

2000ppm NaCl 　 　 　 　 5ml 　 　100ppm Al 　 　 　 　 　 1ml 　50% EtOH 　 　 　 　 　 　 9ml

실험 1. 방해 실험 a. 순수한 5ppm Ca 용액과 5ppm Ca 에 다른 물질이

첨가된 용액들의 흡광도를 측정하여 방해효과를 확인한다 .

구분 5ppm Ca

5ppm Ca +10ppm 인산이온

5ppm Ca + 10ppm 인산이온 + 1% SrCl2

5ppm Ca +

1%SrCl2

5ppm Ca + 1000ppm

Na

5ppm Ca +

10ppm Al

1 차

2 차

3 차

AVE.

SD.

실험 2. 유기용매의 영향

b) 50% 에탄올을 이용하여 만든 5ppm Ca 용액의 흡광도를 측정하여 순수한 5ppm Ca 용액의

흡광도와 비교한다 .

구분 5ppm Ca50% 에탄올+ 5ppm Ca

1 차2 차3 차AVE.SD.

실험 3. 미지시료 중의 Ca 의 정량 50ppm Ca 표준용액을 묽혀서 0, 2.5, 5.0, 7.5,

10,15ppm Ca 표준용액으로 만든다 . 각 용액의 흡광도를 측정하여 농도 대 흡광도의 검량선을

작성하여 미지시료의 농도를 구한다 .

　 0ppm Ca 2.5ppm Ca 5ppm Ca 7.5ppm

Ca10ppm

Ca15ppm

Ca

50ppm Ca 0 0.5 1 1.5 2 3

DIW 10 9.5 9 8.5 8 7

실험 4. 표준물 첨가법 미지용액 10.0ml씩을 취하여 세 개의 시험관에 넣는

다 . 위의 시험관에 500ppm Ca 표준용액을 50.0, 100,

150㎕씩을 각각 가한다 . 이 때 각 용액의 Ca 농도는 2.5, 5.0, 7.5ppm씩

증가한다 . 첨가된 Ca 농도에 따른 흡광도 변화를 그래프로

나타낸다 .Tip!방해 실험의 영향을 덜 받기 위해 실험 3,4 번을 1,2 번 보다 먼저 하는 것이 좋다 .

실험 결과 분석

실험 1&2 실험결과

5ppm Ca

5ppm Ca+

10ppm PO43-

5ppm Ca+

10ppm PO43-+1% SrCl2

5ppm Ca+

1% SrCl2

5ppm Ca+

1000ppm Na

5ppm Ca+

10ppm Al

5ppm Ca+50% EtOH

1 0.184 0.105 0.295 0.284 0.215 0.046 0.173

2 0.186 0.107 0.297 0.284 0.21 0.047 0.16

3 0.184 0.107 0.298 0.286 0.212 0.046 0.151

mean 0.185 0.106 0.297 0.285 0.212 0.046 0.161

std 0.001155 0.001155 0.001528 0.001155 0.002517 0.000577 0.01106

5ppm

Ca

5ppm

Ca+

10pp

m P

O43-

5ppm

Ca+

10pp

m P

O43-

+1%

SrC

l2

5ppm

Ca+

1% S

rCl2

5ppm

Ca+

1000

ppm

Na

5ppm

Ca+

10pp

m A

l

5ppm

Ca+

50%

EtO

H

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

실험 1. 방해실험 (Chemical Inter-ference)

Chemical Interference: sample 안에 들어있는 어떤 물질이 화학반응을 일으켜 원자화되는 Analyte 의 양이 줄어들게 만들어 흡광도를 감소시킨다 .

5ppm Ca5ppm Ca+

10ppm PO43-

5ppm Ca+10ppm PO43-

+1% SrCl2

5ppm Ca+1% SrCl2

1 0.184 0.105 0.295 0.284

2 0.186 0.107 0.297 0.284

3 0.184 0.107 0.298 0.286

mean 0.185 0.106 0.297 0.285

std 0.001155 0.001155 0.001528 0.001155

5ppm Ca 5ppm Ca+10ppm PO43-

5ppm Ca+10ppm PO43-+1% SrCl2

5ppm Ca+1% SrCl2

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

실험 1. 방해실험 (Ionization Inter-ference)

Ionization Interference: 쉽게 이온화되는 다른 원소가 존재하면 Sample 내의 Analyte 가 이온화되는 양이 적어져 흡광도가 커지는 현상

5ppm Ca 5ppm Ca+1000ppm Na

0.17

0.175

0.18

0.185

0.19

0.195

0.2

0.205

0.21

0.215

5ppm Ca5ppm Ca+

1000ppm Na

1 0.184 0.2152 0.186 0.213 0.184 0.212

mean 0.185 0.212std 0.001155 0.002517

양이온의 방해

열에 안정한 화합물 ( 산화물 )생성e.g. 마그네슘이나 칼슘을 정량할 때 알루미늄에 의해 흡광도 감소

5ppm Ca5ppm Ca+10ppm Al

1 0.184 0.0462 0.186 0.0473 0.184 0.046

mean 0.185 0.046std 0.001155 0.000577

5ppm Ca 5ppm Ca+10ppm Al

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

실험 2. 유기용매의 영향

유기용매 ( 에탄올 , 에스테르 , 케톤 등 ) 사용하면 흡광도 증가 -> 분무효율 및 용매증발 증가

5ppm Ca5ppm Ca+50% EtOH

1 0.184 0.173

2 0.186 0.16

3 0.184 0.151

mean 0.185 0.161

std 0.001155 0.01106

5ppm Ca 5ppm Ca+50% EtOH

0.145

0.15

0.155

0.16

0.165

0.17

0.175

0.18

0.185

0.19

실험 3. Calibration Curve 를 이용한 Ca 의 정량

Blank 의 흡광도를 빼준 보정 흡광도로 그래프 작성추세선 추가 ( 이 때 , y절편은 0 으로 지정 , R square 값 표시 )

y=0.028 일 때 , x=6.94(ppm)

ppm Ca 0 2.5 5 7.5 10 15

1 0.028 0.138 0.293 0.358 0.42 0.532

2 0.028 0.136 0.297 0.357 0.42 0.537

3 0.028 0.137 0.296 0.359 0.42 0.533

mean 0.028 0.137 0.296 0.358 0.42 0.534

std 0.0003 0.0008 0.0019 0.0012 0.0003 0.0025

RSD(%) 1.03 0.61 0.66 0.33 0.08 0.47

0 2 4 6 8 10 12 14 160

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6f(x) = 0.0405272727272727 xR² = 0.972198846327295

Ca STD

ppm

abs

실험 4. Standard Addition Method를 이용한 Ca 의 정량

구하고자 하는 시료의 농도는 x절편값

y=0.04x+0.3 ->X절편값은 6.96

Unk 50 100 150

1 0.279 0.42 0.538 0.598

2 0.281 0.418 0.528 0.597

3 0.282 0.423 0.531 0.604

mean 0.281 0.42 0.532 0.6

std 0.001 0.0068 0.0761 0.0018

RSD(%) 0.35 1.78 13.22 0.33

ppm 0 2.5 5 7.5

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

0.10.20.30.40.50.60.7

f(x) = 0.04276 x + 0.2979R² = 0.978177709489795

Ca 표준물 첨가법

Conc

Abs

참고문헌 Gary L.Miessler/Inorganic Chemistry/pearson 분석화학 / 이대운 외 3 인 공저 / 자유아카데미 /1977 기기분석 / 이대운 외 3 인 공저 / 대한교과서 /1993 분석화학실험 , 연세대학교 이과대학 화학과