Spectroscopy, 분광학

Spectroscopy, 분광학은 '다양한 파장의 빛'과 '물질'간의 상호작용을 연구하는 학문 및 분석화학의 한 분야입니다.
이러한 빛과 물질 간의 상호작용은 spectrometer, 분광계라고 부르는 장비를 통해 이루어지지요.

박사과정 중에 Spectroscopy에 대한 강의를 수강했을 때는, 수업의 시작이 양자역학이었습니다. ㅎㅎㅎ
사실 Spectroscopy의 기본은 양자역학이 맞죠.....하지만 여기서는 양자역학에 대한 이야기는 다루지 않겠습니다.
여기서는 이해하기 쉽고 직관적이고 좀 더 실용적인걸 이야기하고 싶어서요.

그럼 우선,

Spectroscopy에 대해서 알아볼까요?

일반적으로 진행되는 spectroscopic experiment, 분광 평가는 아래의 그림과 같이 진행됩니다.

스펙트럼을 얻는 과정

왼쪽의 그래프에서 알 수 있듯이, 분석에 사용되는 입사광 (incident beam of light)은 특정 강도와 다양한 파장을 (혹을 진동수를) 가지고 있습니다.

※ 빛의 진동수(ν)와 파장(λ)은 c가 빛의 속도일때에, ν = c/λ

이러한 입사광의 세기는, 분석하는 샘플과의 상호작용에 따라 변화하게 되고, (흡수, 산란, 반사)
이러한 빛의 세기의 변화를 파장 혹은 진동수에 따라 기록하면 왼쪽과 같은 스펙트럼을 얻을 수 있습니다.
빛과 샘플과의 상호작용은 '샘플의 종류' 및 '빛의 에너지'에 따라 다양한 메커니즘, 원리에 의해 발생하게 되며,
이에 대해서는 추후에 자세히 다루도록 하겠습니다.

변화한 빛의 세기를 기록할때에는 위 그림의 오른쪽 그래프처럼 Transmittance, 투과도를 기록해서 투과 스펙트럼으로 나타내기도 하지만
경우에 따라서는 좀 더 쉬운 이해를 위해 Absorbance, 흡수 스펙트럼으로 변환하여 나타내기도 합니다.
Transmittance을 absorbance로 나타내는 식은 아래와 같습니다.

투과도 흡광도 변환

여기서 It는 투과된 빛의 세기, I0는 샘플 통과 전 입사된 빛의 세기를 나타냅니다.
Transmittance는 입사된 빛의 강도에 대한 투과된 빛의 강도의 비율로 나타내어지며,
이에 로그함수를 적용하여 absorbance를 구할 수 있습니다.
결과적으로는 왼쪽의 표를 보시면 알 수 있듯이,
100%의 transmittance은 0의 absorbance를 의미하며,
10% transmittance는 1의 absorbance,
그리고 0.01의 transmittance는 5의 absorbance로 변환되게 됩니다.

이러한 변환 과정을 모든 파장에 대해서 진행한다면,
우리는 샘플이 어느 파장의 빛을 얼마나 흡수했는지 알 수 있는 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있습니다.
이렇게 얻어진 스펙트럼은 x축으로는 빛의 파장에 대한 정보, y축으로는 흡광도에 대한 정보를 나타내게 되겠지요.


그렇다면, 이렇게 spectoscopy에서 사용되는 빛에 대해서 좀 더 알아볼까요?

그러기 위해서는 지금까지 사용했던 '빛'이라는 표현을 '전자기파'로 바꾸는 것부터 시작하겠습니다.
왜냐면 빛은 일반적으로 오직 '가시광선 영역의 전자기파'를 의미하지만,
실제 분광학에서 사용되는 전자기파의 종류는 훨씬 다양하고 대부분의 경우 우리의 눈으로는 볼 수 없기 때문입니다.

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Electromagnetic wave, 전자기파

전자기파, 전자파, 전자기 방사선, 또는 전자기복사 모두 같은 전자기 에너지를 의미합니다.
(빛이라고 이해하셔도 사실 무방하긴 합니다. 우리가 흔히 생각하는 빛과는 다르게 눈에 보이지 않을 수도 있긴 하지만요.)

전자기파는 그 에너지 영역 (파장과 진동수)에 따라 아래와 같이 나누어질 수 있습니다.

출처: https://www.miniphysics.com/electromagnetic-spectrum_25.html

Gamma-rays (감마선)과 X-rays (X선)
감마선과 X선은 가장 높은 에너지 (즉, 높은 진동수)를 가진 전자기파입니다.
그렇기 때문에 이 두 가지 전자기파는 물질을 쉽게 통과할 수 있다는 특징이 있습니다.
X선의 경우, 0.002 ~ 10 nm 사이의 파장을 가진 전자기파로 이루어져 있습니다
※ XRD (X-ray diffraction)의 경우 X선을 이용하긴 하지만,
에너지의 흡수에 대한 분석이 아니고, 보통 한 가지 파장만을 이용하기 때문에 spectoscopy로 간주되진 않습니다.

Ultra-violet (자외선)
100 ~ 350 nm 파장대의 전자기파로 이루어진 자외선도 꽤 높은 에너지를 가지고 있습니다.
또한 UV를 아래와 같이 세 가지 영역으로 나누어 구분하기도 합니다.
Ultraviolet A: 315 nm to 400 nm
Ultraviolet B: 280 nm to 315 nm
Ultraviolet C: 100 nm to 280 nm

Visible light (가시광선)
350 ~ 750 nm 파장대로 구성되며, 이름에서 알 수 있듯이 유일하게 인간의 눈이 볼 수 있는 영역대의 전자기파입니다.
가시광선은 자외선과 함께 분자 내부의 Electronic transitions (전자전이)와 관련된 에너지를 갖고 있기 때문에,
흔히 사용되는 UV-vis spectoscopy에 쓰이는 전자기파에 포함됩니다.

Infra-red (적외선)
적외선도 파장에 따라 세 가지로 구분할 수 있습니다.
- Near-infrared (근적외선): 750 nm to 2500 nm
- Mid-infrared (적외선): 2.5 μm to 10 μm
- Far-infrared (원적외선): 10 μm to 1 mm
대부분의 UV-vis spectoscopy은 자외선 및 가시광선과 함께 근적외선 영역의 빛을 함께 사용합니다.
또한 적외선의 경우, 분자의 Vibrational transitions (진동운동)과 관련된 에너지를 가지고 있기 때문에
FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy)에 이용되며, Raman spectoscopy에도 이용됩니다.

 

Microwave radiation (마이크로파)
마이크로파의 파장대는 1 mm에서 1 m 사이입니다.
마이크로파의 에너지 영역대는 분자의 Rotational transitions (회전운동)과 관련이 있기 때문에,
Microwave rotational spectroscopy에 마이크로파를 사용합니다.

Radio waves (라디오파)
라디오파의 경우, 보통 통신을 위해 사용되는 전자기파입니다.

또한, 라디오파는 원자핵의 스핀 전이를 일으킬 수 있기 때문에 NMR (Nuclear magnetic resonance) 분석에 사용됩니다.


이처럼 서로 다른 종류의 전자기파는 서로 다른 에너지를 가지고 있고,
이러한 전자기파의 에너지는 우리가 분석하고자하는 물질들과 서로 다른 상호작용을 하기 때문에
분석 목적에 맞춰 어떠한 spectroscopy를 사용할지 결정해야 합니다.


예를 들면, 분자의 구조를 분석하기 위해서는 FTIR이나 Raman과 같은 분석방법을 사용하고
특정 분자의 정량 및 정성 분석을 위해서는 UV-vis spectroscopy를 사용합니다.
이밖에도 다양한 Spectroscopy 관련 분석방법들이 있지만, 이에 대해서는 다음 시간에 이야기해보도록 하겠습니다.

여기까지 읽어주셔서 감사합니다.
좋은 하루 보내세요!

-엠마리-