지난 글에서는 UV-Vis Spectroscopy의 분석 원리에 대해서 알아보았습니다.
특히, 유기분자가 특정 파장의 빛을 흡수하는 원리에 대해서 구체적으로 살펴보았었죠.
2022.11.14 - [공부할 시간/분석장비] - UV-Vis Spectroscopy의 원리
그럼 UV-vis spectroscopy를 실제 연구분야에서 어떻게 활용할 수 있을까요?
UV-Vis Spectroscopy의 활용 분야는 다양하지만,
그 중 가장 보편적으로 쓰이는 것 중 하나는 UV-Vis Spectroscopy를 이용해 시료 안에 들어있는 물질의 양을 측정하는 정량분석입니다.
UV-vis 빛의 흡수도를 분석하면, 해당 샘플에 특정 물질이 얼마만큼의 농도로 들어있는지 알아낼 수 있기 때문이죠.
Water treatment (수처리), catalytic activity (촉매반응)과 같은 연구분야에서는 이를 이용해서, 특정 물질의 농도 변화를 측정하여 실험 및 평가를 진행합니다.
그렇다면 UV-Vis Spectroscopy를 어떻게 정량분석에 사용하는지 구체적으로 알아봅시다.
오늘 글의 주제는
‘UV-vis spectroscopy를 이용하여, 용액에 들어있는 특정 유기물의 농도 확인하기’
입니다.
저는 오늘 가장 흔히 사용되는 염료 중 하나인, Methylene blue를 예로 들어 설명을 하도록 하겠습니다.
Beer-Lambert law, 베르-람베르트 법칙
대부분의 경우 UV-vis absorbance(흡광도)는 농도에 비례합니다.
왜냐면, 더 많은 분자가 빛과 상호작용하면 빛을 흡수하는 정도가 더 세질테니까요.
그리고 이것을 Beer-Lambert law, 베르-람베르트 법칙이라고 합니다.
베르-람베르트 법칙은 아래의 식으로 간단하게 표현할 수 있습니다.
여기서 각 기호가 의미하는바는 아래와 같습니다.
A: Absorbance → 흡광도, 빛 흡수율
ε: molar absorptivity 혹은 molar extinction coefficient → 시료의 흡광계수
l: the length of the light path → 빛이 시료를 통과하는 길이
c: the concentration → 시료의 농도
※ Transmittance(빛의 투과도)를 Absorbance로 변환하는 과정은 지난글을 참조해주세요.
2022.10.19 - [공부할 시간/분석장비] - Spectroscopy, 분광학
따라서 우리가
Step 1) 다양한 농도의 샘플을 준비하고
Step 2) 농도에 따른 UV-vis absorbance(흡광도)를 측정해서
Step 3) UV-vis absorbance와 농도간의 관계를 미리 파악해 놓는다면 → Calibrating
Step 4) 농도에 대한 정보가 없는 샘플의 UV-vis absorbance를 측정하고
Step 5) 그 값을 기존 데이터와 비교하여, 해당 샘플의 농도를 알아낼 수 있는거죠.
이때, 'UV-vis absorbance와 농도간의 관계'를 나타내는 그래프가 바로 Calibration curve (칼리브레이션 커브) 입니다.
그럼 먼저 농도를 알 수 없는 Methylene blue (메틸렌블루) 용액 샘플이 우리에게 주어졌고,
이제 이 샘플에 들어있는 Methylene blue의 농도를 구해야 한다고 했을때
우리는 우선,
Step 1) 다양한 농도를 가진 Methylene blue 용액들을 준비해야합니다.
이때 주의할 점은 우리가 만드는 Methylene blue 용액의 농도가 매우! 정확해야 한다는 것입니다.
그렇지 않다면 Calibration curve가 부정확하게 되어, 정확한 정량 분석이 불가능합니다.
Step 2) 준비한 Methylene blue 용액들의 UV-vis absorbance(흡광도)를 측정합니다.
용액마다 농도가 다르기 때문에, 위 그림처럼 다양한 세기를 갖는 absorbance 결과가 얻어집니다.
Step 3) UV-vis absorbance와 농도간의 관계를 나타내는 Calibration curve를 만듭니다.
아래에서 오른쪽 그래프가 Calibration curve입니다.
Calibration curve를 만드는 방법은
3-1. 우선 해당 물질의 UV-vis absorbance에서 가장 큰 Peak을 갖는 파장대를 고르고,
(Methylene blue의 경우 664 nm가 되겠지요.)
3-2. 그 파장대에서의 absorbance 값을 Y축으로, 그리고 농도값을 X축으로 그래프를 그리는 것입니다.
그러면 오른쪽과 같은 그래프를 얻을 수 있고
이것으로 우리는 UV-vis absorbance와 농도간의 관계를 파악할 수 있게됩니다.
Step 4) 농도에 대한 정보가 없는 샘플의 UV-vis absorbance를 측정합니다.
Step 5) 그리고 마지막으로 Step 4에서 측정한 absorbance 값을 기존 데이터와 비교하여, 해당 샘플의 농도를 알아낼 수 있습니다.
아래 그래프를 보시면 '농도에 대한 정보가 없는 Methylene blue 용액'의 absorbance 값은
0.015 mM 농도의 Methylene blue의 absorbance 값과 일치하며
이것으로 우리는 용액의 농도가 0.015 mM인것을 알 수 있습니다.
지금까지 보신것처럼
UV-vis spectroscopy를 이용한 정량분석은 직관적이고 간단합니다.
그런데 만약 '농도에 대한 정보가 없는 Methylene blue 용액'의 absorbance 값이 2를 넘어가게 되면 어떻게 해야 할까요?
대부분의 UV-Vis spectrometer 장비들은 2를 넘는 absorbance 값도 측정 가능합니다.
하지만 absorbance가 2라는 것은 Transmittance가 1%에 불과하다는 것을 의미하고
이와 같은 영역에서는 Beer-Lambert law, 베르-람베르트 법칙이 성립되지 않을 수 있습니다.
따라서 absorbance 값이 2를 넘어가는 진한 용액의 경우,
우선 해당 용액을 희석하여 농도를 구하고, 희석한 비율을 고려하여 원래 용액의 농도를 알아 낼 수 있습니다.
오늘은 UV-vis spectroscopy 시리즈의 두번째 내용으로
UV-vis spectroscopy를 활용한 정량분석 방법에 대해서 살펴보았습니다.
다음시간에는 금속 나노입자의 UV-visible absorption에 대해서 알아보도록 할게요
여기까지 읽어주셔서 감사합니다.
좋은 하루 보내세요!
-엠마리-
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