분석화학

3. 분류

분석화학은 크게 분석 대상과 분석 방법에 따라 분류할 수 있다. 전통적으로는 정성 분석과 정량 분석으로 나누어 왔다. 정성 분석은 그 양을 분석하지 않고 원소 번호나 화학 구성물을 알아내는 것을 말하며, 정량 분석은 그 구성 성분의 양을 알아내는 분석이다.

오늘날에는 분석화학을 분석 대상과 분석 방법, 두 가지 관점에서 나눈다.

3. 1. 분석 대상에 따른 분류

• 생분석: 생체 내 물질(핵산, 단백질, 탄수화물, 지방 등)을 분석하며, 유전체학(Genomics), 단백질체학(Proteomics) 등으로 세분화된다.
• 재료분석: 반도체 및 나노기술 발전에 따라 미세 구조, 조성, 격자 구조 등을 분석한다.
• 화학분석: 유기/무기 화합물의 화학 구조와 양을 분석하며, 습식/기기 분석법을 사용한다.
• 환경분석: 대기, 수질, 토양 내 오염 물질을 분석하며, 미국 환경청(EPA)의 시험 방법을 표준으로 사용하기도 한다.
• 법의학: 국립과학수사연구소나 CSI과학수사대에서처럼 범죄 수사나 친자 확인 등 법적 문제와 관련된 분석을 수행한다.

3. 1. 1. 생분석

• 염기서열분석: Genomics (Genomics)
• 단백질 분석: Proteomics (Proteomics)
• mRNA 분석: Transcriptomics (Transcriptomics)
• 대사물질 분석: Metabolomics (Metabolomics)

3. 1. 2. 재료분석

3. 1. 3. 화학분석

3. 1. 4. 환경분석

3. 1. 5. 법의학

3. 2. 분석 방법에 따른 분류

• 분광학적 분석법: 물질과 빛의 상호작용을 이용하는 방법으로, 원자흡수 분광법, 자외선-가시광선 분광법, 적외선 분광법, 핵자기 공명 분광법 등이 있다. 19세기 후반 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프에 의해 분광법이 발전하면서 스펙트럼을 이용한 화학 분석이 가능해졌다.
• 질량 분석법: 시료를 이온화시켜 질량 대 전하 비를 측정하는 방법으로, 전자 이온화, 화학적 이온화, 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화법 등 다양한 이온화 방식이 사용된다. 1896년 전후 빌헬름 비엔이 질량 분석법의 원리를 발견하였다.
• 분리 분석: 혼합물을 각 성분으로 분리하는 방법으로, 크로마토그래피, 전기영동 등이 있다. 1906년 미하일 츠베트가 크로마토그래피의 원리를 발견하여 분석 화학에 응용되었다.
• 결정학적 분석법: X선 결정학, 전자빔 결정학 등이 있다. 1913년 브래그 부자가 X선 회절을 확립하여 결정 구조 분석이 활발해졌다.
• 전기화학: 전기화학 전지에서 전위(볼트) 및/또는 전류(암페어)를 측정하는 방법이다. 전위차법, 쿠론법, 암페로메트리, 볼탐메트리 등으로 분류된다.
• 현미경: 광학 현미경, 전자 현미경, 주사 탐침 현미경 등으로 분류된다. 1931년 어니스트 러스카와 막스 크놀이 전자 현미경을 발명하였고, 1982년 게르트 비니히 등이 주사 터널링 현미경을 발명하였다.

3. 2. 1. 분광학적 분석법

• 핵자기 공명법 (NMR)
• 적외선 분광법 (IR)
• 라만 분광법
• X-선 분광법 (XRF)
• 자외선-가시광선 분광법 (UV-Vis)
• 근적외선 분광법 (NIR)
• Auger 전자분광법 (AES)
• X-선 광전자분광법 (XPS)
• 원소분광법 (AAS)
• 유도플라즈마분광법 (ICP-AES)

3. 2. 2. 질량 분석법

• 이온화 방식에 따른 분류
• * 전자 이온화 (Electron Impact: EI)
• * 화학적 이온화 (Chemical Ionization: CI)
• * 전자 분무 이온화 (Electrospray Ionization: ESI)
• * 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화법 (MALDI)
• * 2차 이온화법 (Secondary Ion Mass Spectrometry: SIMS)
• * 유도플라즈마이온화법 (Inductivly Coupled Plasma: ICP)

• 검출 방식에 따른 분류
• * Magnetic Sector (자기장에 의한 분리)
• * Quadrupole (전기장에 의한 분리)
• * Ion Trap (원형 전기장에 의한 분리)
• * Time Of Flight (비행시간형 질량분석법)
• * Fourier Transform (강한 자기장에 의하여 회전하는 이온의 분자량을 푸리에 분석을 통하여 분석하는 방법)
• 질량분석현미경 (Mass Spectral Imaging)

3. 2. 3. 분리 분석

• 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography)
• * 기체-고체 크로마토그래피(Gas-Solid Chromatograph)
• * 기체-액체 크로마토그래피(Gas-Liquid Chromatography)
• 액체 크로마토그래피(Liquid Chromatography)
• * 정상 크로마토그래피(Normal Phase Chromatography)
• * 역상 크로마토그래피(Reverse Phase Chromatography)
• * 겔 투과 크로마토그래피(Gel Permeation/Filtration Chromatography)
• 초임계 유체 크로마토그래피(Supercritical Fluid Chromatography)
• 평판 크로마토그래피(Planar Chromatography)
• 모세관 전기 영동(Capillary Elelctrophoresis)
• 겔 전기 영동(Gel Electrophoresis)

3. 2. 4. 결정학적 분석법

• X선 결정학
• 전자빔 결정학

3. 2. 5. 전기화학

• 전위차법: 전극 전위의 차이를 측정한다.
• 쿠론법: 전달된 전하량을 시간에 따라 측정한다.
• 암페로메트리: 전지의 전류를 시간에 따라 측정한다.
• 볼탐메트리: 전지의 전위를 적극적으로 변경하면서 전류를 측정한다.^[11][12]

3. 2. 6. 현미경

• 광학 현미경(Optical Microscopy)
• 형광 현미경(Fluorescence Microscopy)

• 

• 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy)
• 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscopy)
• 원자 탐침 현미경(Scanning Probe Miscroscopy)

4. 분자 이미지

분자 이미지는 기존의 분석 장비를 현미경에 연결하여 분자 정보를 가진 이미지를 만드는 방법으로 2000년대 들어 매우 활발하게 연구되고 있는 분야이다. 초기에는 전자 현미경 안에 설치된 각종 모듈을 이용하여 원자 정보나 작은 영역의 결정 정보를 가진 이미지를 만들었는데, 오늘날에는 광학 현미경이나 원자 탐침 현미경 등에 분광학 모듈을 결합하여 분석할 수 있게 되었다. 또한, 이차이온 질량분석기(SIMS)와 MALDI-TOF, 아주 최근에는 Electrospary를 이용하는 방법까지 개발되었다.

하지만 분자 이미지 분야는 아직 초기 단계이다. 미량을 분석하는 데 적합하지 않고 공간 분해능이 현미경에 비하여 아직은 많이 낮다는 단점이 있다. 또한, 대개는 만들어진 이미지가 대용량의 메모리를 필요로 하고 분석이 쉽지 않다. 그래서 컴퓨터 분야의 발전과 함께 앞으로 더 많은 발전이 기대되는 분야이다.

• 분광학 현미경 (Vibrational Imaging)
• 라만 분광학 현미경
• Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) Imaging
• Coherent Anti-Stoke Raman Spectroscopy (CARS) Imaging
• 적외선 분광학 현미경
• 질량 분석 현미경 (Mass Spectral Imaging)
• Matrix Assisted Laser Desoprtion Ionization (MALDI) Imaging
• Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) Imaging

5. Lab On A Chip & µTAS

Lab On A Chip은 소형화된 총체적분석(µTAS)을 목표로 보다 효율적인 분석화학을 만들려는 새로운 노력이다. 여러 가지 분석 방법을 서로 결합하고 이를 소형화해서 동전 하나 크기만한 작은 칩에 집적하는 일에 많은 중요성을 두고 있다.^[24] 이러한 소형화된 시스템은 대개 현미경과 연결되며 분자 수를 셀 수 있는 수준의 아주 미량을 분석할 수 있는 시스템을 만드는 데 중점을 두고 있으며, 이를 통하여 궁극적으로는 분자 한개, 세포 한개, 나노소자 등을 분석하려는 것을 목표로 한다. Lab On A Chip은 컴퓨터 산업에서 마치 진공관이었던 초기 컴퓨터가 현재는 수많은 집적회로로 구성됨으로써 컴퓨터 혁명이 이뤄졌던 것처럼 커다란 크기의 화학장비들을 집적하여 새로운 혁명을 만들어 낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.^[24]

분석 기술을 칩 크기로 축소하기 위한 노력이 기울여지고 있다. 이러한 시스템 중 기존 분석 기술과 경쟁력을 갖춘 예는 거의 없지만, 크기/휴대성, 속도 및 비용과 같은 잠재적 이점이 있는 총 분석 시스템(μTAS) 또는 랩온어칩과 같은 마이크로 단위의 분석 시스템 개발이 진행 중이다.^[24] 마이크로 스케일 화학은 사용되는 화학 물질의 양을 줄인다.^[24]

6. 분석화학 분야의 주요 업적

분석화학은 화학, 생물학, 의학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 해왔으며, 그 업적은 여러 노벨상 수상을 통해 인정받았다. 특히 2002년 노벨 화학상은 일본의 다나카 고이치가 MALDI-TOF를 이용한 단백질 분자량 검출로 수상하여 분석화학 분야의 위상을 높였다.

18세기에는 앙투안 라부아지에와 조지프 프리스틀리 등에 의해 원소가 발견되기 시작했다. 19세기에는 마이클 패러데이의 전기 분해 연구, 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프의 분광법 발전, 루이 파스퇴르의 키랄성 발견 등이 이루어졌다.

19세기 후반~20세기 초반은 분석화학의 중요한 발견이 이어진 시기였다. 빌헬름 뢴트겐의 X선 발견(1895년), 빌헬름 빈의 질량 분석법 원리 발견(1896년 전후), 미하일 츠베트의 크로마토그래피 원리 발견(1906년) 등이 분석화학에 응용되었다. 브래그 부자는 X선 회절을 확립하여 결정 구조 분석을 활성화했다(1913년).

1925년 루이 드 브로이가 전자의 파동성을 제창하면서, 1931년 어니스트 러스카와 막스 크놀이 전자 현미경을 발명했다. 이는 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경으로 발전했다.

1938년 이시도르 아이작 라비가 핵자기 공명을 발견하고, 펠릭스 블로흐 등에 의해 개량되어 핵자기 공명 분광법이 개발되었다.

1982년 게르트 비니히 등이 주사 터널링 현미경을 발명하고, 이를 바탕으로 원자간력 현미경 등 다양한 주사 프로브 현미경이 개발되었다.

6. 1. 주요 저널

• Analytical Chemistry|애널리티컬 케미스트리^영어
• Nature Biotechnology|네이처 바이오테크놀로지^영어
• Nature Methods|네이처 메서드^영어
• Lab on a Chip|랩 온 어 칩^영어
• 분석과학

6. 2. 학회

• 한국분석과학회^[1]
• Pittsburgh Conference|피츠버그 컨퍼런스^영어 미국 분석 전시회^[2]
• Analytica|아날리티카^de 독일 분석 전시회^[3]
• JAIMASHOW|자이마쇼^일본어(分析展) 일본 분석 전시회^[4]

참조

_[1] 서적 Fundamentals of Analytical Chemistry Brooks/Cole, Cengage Learning
_[2] 서적 Principles of Instrumental Analysis Brooks/Cole, Thomson
_[3] 웹사이트 Analytical technique http://www.wavesigna[...] 2013-01-17
_[4] 학술지 Basic Education in Analytical Chemistry https://www.jstage.j[...] 2014-01-10
_[5] 학술지 Review of analytical measurements facilitated by drop formation technology
_[6] 학술지 History of gas chromatography
_[7] 학술지 History of analytical chemistry in the U.S.A
_[8] 서적 Fundamentals of analytical chemistry 2014
_[9] 서적 Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications John Wiley & Sons
_[10] 서적 Fundamentals of Analytical Chemistry Saunders College Publishing
_[11] 서적 Fundamentals of analytical chemistry Saunders College Pub 1996
_[12] 서적 Electrochemical methods : fundamentals and applications 2001
_[13] 백과사전 CHROMATOGRAPHY https://www.scienced[...] Academic Press 2022-10-07
_[14] 학술지 Hyphenated techniques for analysis of complex organic mixtures
_[15] 학술지 High-performance Liquid Chromatography/NMR Spectrometry/Mass Spectrometry:Further Advances in Hyphenated Technology
_[16] 학술지 Chromatographic and hyphenated methods for elemental speciation analysis in environmental media
_[17] 학술지 Hyphenated techniques in anticancer drug monitoring
_[18] 학술지 Hyphenated techniques in anticancer drug monitoring
_[19] 학술지 Subdiffraction Multicolor Imaging of the Nuclear Periphery with 3D Structured Illumination Microscopy
_[20] 서적 Analytical Chemistry
_[21] 서적 Quantitative chemical analysis https://www.worldcat[...] 2015-05-29
_[22] 서적 Principles of instrumental analysis Thomson Brooks/Cole
_[23] 웹사이트 Health Concerns associated with Energy Efficient Lighting and their Electromagnetic Emissions http://www.emrpolicy[...] Trent University, Peterborough, ON, Canada 2011-11-12
_[24] 학술지 Prospects in analytical atomic spectrometry
_[25] 웹사이트 Analytical Chemistry - American Chemical Society https://www.acs.org/[...] 2017-05-26
_[26] 학술지 Indicators for the use of robotic labs in basic biomedical research: A literature analysis
_[27] 서적 Fundamentals of analytical chemistry Nelson Education
_[28] 서적 Modern analytical chemistry McGraw-Hill
_[29] 서적 Principles and practice of analytical chemistry Blackwell Science
_[30] 서적 Analytical chemistry of foods Springer Science & Business Media
_[31] 서적 Analytical chemistry of PCBs CRC Press
_[32] 학술지 Theranostics in the growing field of personalized medicine: an analytical chemistry perspective
_[33] 학술지 New safe medicines faster: the role of analytical chemistry
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_[35] 서적 Chemistry: with inorganic qualitative analysis Elsevier
_[36] 서적 Analytical chemistry and quantitative analysis Prentice Hall 2011
_[37] 서적 Chromatography Elsevier 2013
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_[40] 서적 Electrophoresis in practice Wiley-Vch 2001
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_[43] 서적 Concepts and methods of 2D infrared spectroscopy Cambridge University Press 2011
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_[47] 웹사이트 古典的分析化学から現在の分析化学へ http://www.chem.toku[...] 도쿠시마 대학 대학원 첨단기술과학 교육부 물질생명시스템공학전공 분석·환경화학 B-1강좌 2015
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_[51] 논문 Louis Pasteur's discovery of molecular chirality and spontaneous resolution in 1848, together with a complete review of his crystallographic and chemical work 2009
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_[53] 논문 The early history of x-ray diagnosis with emphasis on the contributions of physics 1895-1915 1995
_[54] 논문 The first clinical X-ray made in America--100 years 1995
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_[61] 논문 The reflection of X-rays by crystals 1913
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_[66] 논문 The development of the electron microscope and of electron microscopy 1987
_[67] 서적 Practical scanning electron microscopy: electron and ion microprobe analysis Springer Science & Business Media 2012
_[68] 서적 Transmission electron microscopy: physics of image formation and microanalysis Springer 2013
_[69] 논문 A new method of measuring nuclear magnetic moment 1938
_[70] 논문 핵자기공명의 과학에의 응용 1957
_[71] 서적 Nuclear magnetic resonance spectroscopy Elsevier 1988
_[72] 서적 Principles of nuclear magnetic resonance in one and two dimensions Clarendon press 1987
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