19. UV-Vis Spectrophotometer

1. 자외선 및 가시광선 분광 분석법

1.1원리

원자나 분자가 외부에서 에너지를 받으면 여러 가지 현상을 일으키는데, 이때 에너지의 크기에 따라 그 현상은 다르며 보통 빛 이라고 부르는 전자기 복사(electromagnetic radiation) 중에서 그 파장의 범위가 약 100nm에서 1000nm에 이르는 자외선-가시광선의 에너지는 원자나 분자 오비탈에 있는 전자들을 전이(transition) 시키는데 충분한 에너지이다.
다시 말하면, 바닥상태에 있는 원자나 분자가 자외선 및 가시광선을 흡수하면 전자 전이 (electronic transition)현상이 일어난다. 또 원자나 분자가 그 종류에 따라 서로 다른 특정한 파장의 자외선이나 가시광선을 흡수하면 전자전이를 일으킨다. 따라서 흡수하는 파장을 알게 되면 그 원자 또는 그 분자가 어떤 것인지를 알 수 있다. 그리고 흡수하는 빛의 양 즉 흡광도 (absorbance)를 알면 그 원자나 분자의 농도를 알 수 있다.

분자의 에너지는 회전에너지, 진동에너지, 전자에너지로 나눌 수 있다. 자외선-가시광선은 에너지로 환산할 경우, 전자에너지에 해당한다. 즉, UV-Vis흡수는 분자내의 전자, 특히 원자의 전자가 전이를 일으킨다. 이런 전자 전이는 분자내의 구조, 전자, 즉 분자의 화학결합상태 및 기하학적 구조의 특징에 따라 흡수되는 빛 에너지의 크기(Frequency) 및 세기(Intensity)가 다르게 나타난다. (자외선: 200 ~ 400 nm, 가시광선: 400 ~ 900nm, 사용범위: 190~820nm)

2. 기기 구성 요소
2.1 광원
이상적인 광원은 작은 노이즈와 장기간의 안전성을 가지고 전 파자에 걸쳐 일정한 세기의 빛을 주어야 한다.
1) 중수소 아크램프
자외선 영역에서 일정한 빛의 세기를 나타내고, 가시광선 영역에서도 유용한 빛의 세기를 제 공한다.
2) 텅스텐-할로겐 램프
자외선과 전 가시광선 영역에 걸쳐 일정한 빛의 세기를 나타낸다. 이 램프는 매우 작은 노이즈와 드리프트(drift)을 가지며 보통 1000시간 동안 사용할 수 있다.
2.2 분산장치
서로 다른 파장을 가진 파장의 빛을 각도로 분산되게 한다. 적당한 출사 및 슬릿을 사용하면, 광원 으로부터 빛의 특정한 파장을 선택할 수 있다.

2.3 검출기
검출기는 광신호를 전기적 신호로 바꾼다. 이상적인 검출기는 낮은 노이즈와 높은 감도를 가지 고 전 파장에 걸쳐 일정한 반응을 보여야 한다. 분광광도계는 보통 광전증배관 검출기나 광다이

오드 검출기를 가진다.

3. 응용분야
3.1정량분석
어느 물질에 분자 전이에너지(DE)에 해당하는 빛 에너지를 쬐어주면 빛의 흡수가 일어나는     데, 이때 흡수되는 빛 에너지는 빛의 파장(l) 또는 진동수(n)로 표시 되는데((DE=hn/l), 여기서 흡수띠의 세기는 흡수파장과 흡수의 강도를 나타내며 투광도(transmittance) 또는 흡광도      (abso--rbance)로 측정되며, 이러한 투광도 또는 흡광도는 물질의 전자전이 특성과 물질의 농     도와 관계가 있고 이는 Beer 법칙등을 이용하여 물질과의 정량적인 관계로 나타낼 수 있다.       Beer-Lambert 법칙의 일반식은 A = ε b c, 여기서 c는 용액의 농도이고, b는 빛이 투과하는 셀     의 길이, ε는 몰흡수율이다. ( 몰흡수율(ε)은 시료의 성질과 투과하는 빛의 파장에 의존하는 상수) 각 파장(λ)에 대한 빛의 흡광도(A)를 나타낸 그림을 스펙트럼이라 부른다. 셀의 길이 b      와 흡수율 ε가 일정한 상태에서 특정 파장에 대한 흡광도는 용액의 농도와 비례한다. 이때 흡광도 A와 c간의 직선적인 비례관계를 Beer-Lambert 법칙 이라 한다.

3.2 정성분석
복사선의 흡수에 관한 정성적인 분석은 가시광선 영역에서 빛의 흡수를 생각하면 쉽게 접근 할 수 있는데, 가시광선 영역에서 빛이 물체를 통과할 때 어떤 파장은 흡수되고, 흡수되지 않은 파장은 투과 한다. 이때 투과된 파장이 색으로 보이게 되며, 이색은 흡수된 색에 대한 보색(complementary)이 된다. 이와 같은 원리가 정성분석에 사용 되는 데 불투명한 물체들을 어떤 파장을 흡수하고 남아 있는 색은 반사되어 보이다. 예를 들어 과망간산 칼륨 용액은 525nm에서 최대 흡수값을 가지며 스펙트럼의 초록색 영역의 빛을 흡수하여 보라빛으로 보이게 된다. 즉, 독특한 흡수띠를 갖는 물질이나 작용기를 정성적으로 확인 한다.

3.3 정제 및 미량분석
유기물을 정제할 경우 미량 불순물이 강한 흡수광도를 나타내는 수가 많다. 이런 때에는 흡수 스펙트럼을 이용하여 불순물의 종류, 양, 등을 대략 결정할 수도 있으므로, 정제의 정도를 알 수 있다.

3.4 광도법 적정
반응물 또는 생성물의 농도 변화에 의하여 나타내는 흡광도의 변화로 종말점을 알아내는 직접적인 광도법 적정이 있고, 첨가한 지시약의 흡광도가 적가용액의 함수로서 나타나는 간접 광도법 적정이 있다. 적정곡선은 적가액의 부피에 대한 흡광도를 도시하여 얻으며, 반응물과 생성물의 흡수 특성에 따라 나타난다.

4. 실험결과(예시)

4.1 계산법

Specific Absorbance = 흡광도 측정값(abs)/(검체의 농도(%)×shell의 길이(Cm))×100

4.2 Specification Absorbance date 및 계산결과

5. 결과 및 고찰

Cefixime (LotNo : 04CFX-OS02016, 04CFX-OS02017) 두 Batches의 비흡광도(Specific Absorbance)의 값이 모두 기준치를 만족했다.