지난 시간에는 반도체 나노입자인 퀀텀닷의 정성분석을 위한 UV-Vis Spectroscopy에 대해서 알아봤는데요.
그렇다면 반도체가 아닌 다른 나노 입자들은 어떤 UV-vis absortion 특성을 보일까요?
오늘은 UV-Vis Spectroscopy로 분석할 수 있는 귀금속나노입자의 국부적 표면 플라즈몬 공명 (LSPR, Localized surface plasmon resonance)와 일반적인 나노입자들이 발생시키는 Rayleigh scattering(레일리 산란)에 대해서 알아볼게요.
귀금속나노입자의 UV-Vis Spectroscopy
우리가 흔히 알고있는 Gold, 금의 색깔은 빛나는 노란색이죠.
하지만 노란색의 금이 나노 사이즈의 입자가 되면 전혀 다른 색깔을 보여줍니다.
위 사진은 '금 나노입자'와 '일반적인 금'의 색상 차이를 보여주고 있습니다.
보시다시피, 금 나노입자는 일반적인 bulk상태의 금과는 다르게 보라색, 붉은색을 가지고 있습니다.
이렇게 금 나노입자의 색깔이 일반적인 금과 다른 이유는,
금과 같은 귀금속이 나노입자의 형태로 크기가 작아지면 기존과는 다른 광학적 특성을 가지기 때문입니다.
Localized surface plasmon resonance, 국부적 표면 플라즈몬 공명
귀금속 나노입자는 국부적 표면 플라즈몬 공명 (LSPR, Localized surface plasmon resonance)라는 광학적 성질을 가지고 있습니다.
이름도 긴 LSPR에 대해서 간략하게 알아봅시다.
금은 수많은 자유전자들을 가지고 있습니다.
그리고 금 나노입자의 크기가 입사되는 빛의 파장보다 작은 경우에,
금 나노입자의 자유전자들이 빛의 에너지를 흡수하여 진동 운동을 하게 되는데 이것이 LSPR입니다.
위 그림을 보시면, 외부에서 가해지는 전기장에 의해서 금속 나노입자의 자유전자가 집단적으로 진동하는 걸 보실 수 있습니다.
이러한 나노입자의 LSPR은 금속입자의 크기, 모양, 분산정도, 분산되어 있는 용매 등 다양한 조건에 영향을 받는데요,
즉, 다양한 조건에 따라 나노입자가 흡수하는 빛의 파장대가 달라지며, 우리가 보는 나노입자의 색깔도 달라지는 것입니다.
그렇다면, LSPR 현상을 나타내는 나노입자들을 UV-Vis Spectroscopy를 이용하여 분석하면 어떤 결과를 볼 수 있을까요?
위 이미지는 다양한 크기와 모양을 갖고 있는 금 나노입자의 UV-visible absorption와 TEM 투과전자현미경의 이미지입니다.
UV-vis 흡수 peak들을 보시면 알 수 있듯이, 금속 나노입자의 크기와 모양에 따라서 금 나노입자가 흡수하는 빛의 파장대가 달라집니다.
또한 금속의 재료와 금속 나노입자의 형태에 따라서도 UV-visible absorption의 영역대가 크게 달라질 수 있습니다.
위 그림에서 보실 수 있듯이,
백금(Platinum) 나노입자는 가장 단파장 영역대의 빛을 흡수하고
은(Silver) 나노입자들은 가시광선 영역,
그리고 금(gold) 나노입자의 경우 가시광선부터 근적외선 영역의 빛을 흡수할 수 있습니다.
이러한 LSPR현상을 다양한 분야에 적용하기 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있는데요,
이를 위해서는 원하는 광학적 특성을 가진 나노입자를 정밀하게 합성하는 것이 관건입니다.
다음에 혹시 기회가 된다면, 금속 나노입자의 모양과 크기를 제어하는 합성 방법들에 대해서도 한번 다뤄보도록 하겠습니다.
그렇다면 일반적인 나노입자들의 경우에는 UV-Vis Spectroscopy에서 어떠한 결과를 보여주게 될까요?
Rayleigh scattering, 레일리 산란
UV-Vis Spectroscopy로 나노입자가 포함된 샘플을 분석하다 보면
UV 영역 부근에서 빛의 산란에 의한 흡수 스펙트럼을 종종 관찰하게 됩니다.
아래 그림처럼요.
이 그래프는 빛을 산란시키는 나노입자를 포함한 용액의 UV-visible absorption을 보여주고 있습니다.
용액에 분산되어있는 나노입자의 크기가 빛의 파장보다 작을 경우에,
샘플로 입사된 빛은 용액 내부에서 나노입자에 의해 산란되게 됩니다.
이러한 빛의 산란을 레일리 산란 (Rayleigh scattering)이라고 합니다.
일반적인 UV-Vis Spectroscopy의 경우, 빛의 투과율을 측정하기 때문에
샘플이 '흡수'하는 빛의 파장뿐 아니라, '산란'하는 빛의 파장도 장비의 검출기(UV-Vis spectrophotometer)에 도달하지 못하게 되고
결과적으로 산란된 빛 역시 흡수 스펙트럼 결과값으로 나타나게 됩니다.
※ UV-Vis Spectroscopy의 작동원리에 대해서는 다음 시간에 다뤄보겠습니다.
그리고 이때 빛이 산란되는 강도는 파장이 짧은 빛일수록 강하기 때문에,
위에서 본 그림과 같은 UV-visible absorption이 관측되게 되는 것입니다.
이러한 레일리 산란은 정량 분석을 위한 UV-Vis Spectroscopy에서 오차를 만드는 요인으로 작용할 수 있기 때문에 주의해야 합니다.
오늘은 UV-vis spectroscopy 시리즈의 네 번째 내용으로,
금속 나노입자의 UV-visible absorption과 Rayleigh scattering에 대해서 살펴보았습니다.
다음은 UV-Vis Spectroscopy의 마지막 내용으로, UV-Vis Spectroscopy 장비의 작동원리에 대해서 알아보도록 할게요
여기까지 읽어주셔서 감사합니다.
좋은 하루 보내세요!
-엠마리-
'공부할 시간 > 분석장비' 카테고리의 다른 글
| DLS (Dynamic Light Scattering), 동적 광산란 - 나노입자의 사이즈 분석 (3) | 2023.04.13 |
|---|---|
| UV-Vis Spectroscopy, 분광광도계 - 작동원리 (2) | 2023.02.25 |
| UV-Vis Spectroscopy - 나노입자 정성 분석 (Qualitative analysis of nanoparticles) - 반도체 나 (0) | 2022.12.12 |
| UV-Vis Spectroscopy - 정량분석 (Quantitative analysis) (0) | 2022.11.30 |
| UV-Vis Spectroscopy의 원리 (1) | 2022.11.14 |
댓글