푸리에 변환 적외선 분광법

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1. 개요

푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)은 적외선 흡수 스펙트럼을 활용하여 물질의 구조, 분배, 반응 등을 연구하는 분석 기술이다. 분산형 분광기에 비해 펠게트, 자키노, 코네 장점을 가지며, 광원, 검출기, 빔 분할기, ATR, 푸리에 변환 등의 구성 요소로 이루어진다. FTIR은 마이컬슨 간섭계를 사용하여 빛의 간섭 현상을 측정하고, 간섭무늬를 푸리에 변환하여 스펙트럼을 얻는다. 이 기술은 나노물질, 단백질 연구, 적외선 현미경, GC-IR, 물질의 수분 함량 측정 등 다양한 분야에 응용되며, 유기 화합물의 확인, 작용기 종류 파악, 이성질체 확인, 반응 진행 여부 확인 등에 활용된다.

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푸리에 변환 적외선 분광법
개요
푸리에 변환 적외선 분광법 개략도
다른 이름	FTIR
분야	진동 분광법
작동 원리	간섭계를 사용하여 광원에서 나오는 빛 간섭 패턴을 생성하고, 이를 샘플에 통과시켜 투과 또는 반사된 빛을 분석하여 샘플의 적외선 스펙트럼을 얻음
측정 대상	물질의 적외선 흡수 및 투과 특성
분석 대상	기체 액체 고체
활용 분야	화학 재료 과학 식품 과학 환경 과학 약학 법과학
상세 정보
분광기 유형	푸리에 변환 분광기
광원	글로바 니크롬선 탄화 규소
검출기	파이로전기 검출기 (DTGS 등) 광전도 검출기 (MCT 등)
간섭계	마이켈슨 간섭계
빔 스플리터 재료	KBr (브롬화 칼륨) CaF2 (불화 칼슘)
샘플링 기술	투과법 반사법 감쇠 전반사법 (ATR) 확산 반사법 (DRIFT)
스펙트럼 범위	일반적으로 4000-400 cm⁻¹ (중적외선 영역)
분해능	일반적으로 0.1 cm⁻¹ ~ 4 cm⁻¹
데이터 처리	푸리에 변환 베이스라인 보정 대기 보정
장점
높은 감도	자콥의 이점(Jacquinot Advantage) 덕분에 높은 광량 처리량
높은 정확도	콘의 이점(Connes' Advantage) 덕분에 높은 파수 정확도
빠른 측정 속도	펠겟의 이점(Fellgett Advantage) 또는 다중화 이점 덕분에 짧은 시간에 전체 스펙트럼 측정 가능
넓은 적용 범위	다양한 샘플 형태 및 분석 목적에 적용 가능
단점
복잡한 데이터 처리	스펙트럼 해석 및 데이터 처리에 대한 전문 지식 필요
수분 간섭	대기 중 수분에 의한 스펙트럼 간섭 발생 가능
샘플 준비	일부 샘플의 경우 특별한 준비 과정 필요
램버트-비어 법칙의 제한	높은 농도에서는 램버트-비어 법칙이 잘 적용되지 않을 수 있음
응용
정성 분석	물질의 종류 식별 및 화학 구조 분석
정량 분석	특정 성분의 농도 측정
화학 반응 모니터링	반응 진행 과정 실시간 분석
표면 분석	박막 및 표면 코팅 분석
관련 기술

2. 원리

흡수 분광법 기술(FTIR, 자외선-가시광선 분광법 등)의 목표는 각 파장에서 샘플이 얼마나 많은 빛을 흡수하는지 측정하는 것이다.^[2] 이를 수행하는 가장 간단한 방법인 "분산 분광법"은 샘플에 단색광 빔을 비추고, 빛이 얼마나 흡수되는지 측정한 다음, 각기 다른 파장에 대해 반복하는 방식이다.

푸리에 변환 분광법은 이와 동일한 정보를 얻는 방법이지만, 덜 직관적이다. 이 기술은 샘플에 단색광 빔을 비추는 대신, 여러 주파수의 빛을 한 번에 포함하는 빔을 비추고 그 빔이 얼마나 흡수되는지 측정한다. 이후 빔은 다른 주파수 조합을 포함하도록 수정되어 두 번째 데이터 포인트를 제공하며, 이 과정은 짧은 시간 동안 빠르게 여러 번 반복된다. 그 후, 컴퓨터는 이 모든 데이터를 가져와 각 파장에서의 흡수가 무엇인지 역으로 추론한다.^[2]

위에 설명된 빔은 측정할 전체 파장 스펙트럼을 포함하는 광대역 광원에서 시작하여 생성된다. 빛은 마이켈슨 간섭계로 비춰지는데, 이는 모터에 의해 움직이는 거울 중 하나로 구성된 특정 구성이다. 이 거울이 움직임에 따라, 빔의 각 빛 파장은 파동 간섭으로 인해 간섭계에 의해 주기적으로 차단, 투과, 차단, 투과된다. 서로 다른 파장은 서로 다른 속도로 변조되므로, 각 순간 또는 거울 위치에서 간섭계에서 나오는 빔은 서로 다른 스펙트럼을 갖는다.^[2]

원시 데이터(각 거울 위치에 대한 빛 흡수)를 원하는 결과(각 파장에 대한 빛 흡수)로 변환하려면 컴퓨터 처리가 필요하다.^[2] 필요한 처리는 푸리에 변환이라는 일반적인 알고리즘을 사용한다. 푸리에 변환은 한 도메인(이 경우 cm 단위의 거울 변위)을 역 도메인(cm⁻¹ 단위의 파수)으로 변환한다. 원시 데이터는 "간섭도"라고 불린다.

FTIR 간섭도. 중앙 피크는 ZPD 위치("영 경로차" 또는 영 지연)에 있으며, 여기서 최대량의 빛이 간섭계를 통과하여 검출기로 전달된다.

2. 1. 적외선 흡수

에너지가 약한 적외선 영역의 복사선 흡수가 일어나는 경우에는 전자의 전이가 일어날 수 없고, 분자 에너지 중의 진동 에너지와 회전 에너지만이 증가하게 된다.

:

E=E_{vibration} + E_{rotation}

이때는 여러 진동 에너지 준위의 전이에 해당하는 좁은 흡수 봉우리가 조밀하게 나타나고, 각 진동 에너지 상태에는 대단히 작은 각종 회전 에너지에 해당하는 차를 가지는 봉우리가 나타난다. 그러나 액체나 고체 시료에서는 회전 운동이 일어나지 못하게 되어 있기 때문에 거의 순수한 진동 에너지의 좁은 흡수 스펙트럼만이 나타난다. 복사선의 전기장의 파동은 쌍극자 모멘트의 알짜 변동이 있는 분자 운동에 작용할 수 있고, 분자의 진동 및 회전 운동에 변화를 일으킬 수 있다. 예를 들어 일산화 탄소나 일산화 질소와 같은 분자의 전하 분포는 대칭적이 아니며, 한 개의 원자는 다른 원자보다 더 큰 전자 밀도를 갖는다. 따라서 원자 중심들 사이의 거리가 변동하면 즉시 전하의 진동이 일어나고, 진동하는 전기장은 복사선의 전기장 파동과 상호작용을 하게 된다. 복사선의 진동수가 분자의 진동수와 일치할 때에는 에너지의 전이가 일어나고, 분자 진동의 진폭이 변한다. 그 결과 복사선의 흡수가 나타나게 된다. 이와 비슷하게 비대칭 분자가 그 질량 중심의 주위로 회전할 때 주기적 쌍극자 변동이 일어나는 경우에는 복사선과 상호작용을 할 수 있게 된다. 한편,

N_2

,

O_2

, 또는

Cl_2

와 같은 동일핵종 분자가 진동 운동 또는 회전 운동을 할 때에는 쌍극자 모멘트의 알짜 변화가 일어나지 않으므로, 이러한 화합물은 적외선을 흡수하지 않는다. 그리고 액체와 고체 상태에서 회전 운동은 거의 일어날 수가 없고, 따라서 단지 진동 봉우리만이 나타날 뿐이다. 주로 용액과 고체의 스펙트럼을 취급하는데, 고체의 경우에는 회전 효과가 거의 없다.

적외선 흡수 스펙트럼은 상당히 간단한 화합물이라도 수많은 흡수 봉우리를 가지고 있으며, 두 가지의 서로 다른 화합물이 동일한 조건에서 같은 흡수 적외선 스펙트럼을 가지는 경우는 없다. 그러므로 시료물질의 적외선 스펙트럼이 표준물질의 스펙트럼과 동일한 조건에서 일치하면 시료물질이 표준물질과 같은 것이다. 일반적으로 적외선 스펙트럼에서 세로축은 투광도를, 가로축은

cm^{-1}

단위의 파수를 나타낸다. 이것은 파수가 에너지 및 주파수에 직접 비례하므로 편리하기 때문이다. 유기 화합물에서

C=C

,

C=O

,

C-H

,

O-H

와 같은 작용기가 적외선을 흡수하는 대략의 파수는 이미 알려져 있는 원자들의 질량과 그들 간의 결합력 상수로부터 대략 알 수 있다. ( 식

\nu =  \sqrt }

이용) 그러나 작용기를 구성하고 있는 다른 원자들의 상호작용을 받기 때문에 작용기의 파수는 변하게 된다. 그러나 그 파수는 어떤 일정한 범위 내에 있게 마련이다. 그동안 많은 화학자들의 노력으로 수많은 물질의 스펙트럼과 각종 작용기의 적외선 흡수 파수를 구하여 연구하고, 정리 발표하였으며, 또 각종 작용기와 흡수 파수의 상관표도 나와 있다.

적외선 흡수 스펙트럼은 분자의 진동과 관련이 있으며 분자의 운동 에너지에 상당하는 에너지가 흡수된다. 특히 적외선 영역에서 흡수 피크가 나타나지만 모든 분자가 적외선을 흡수하는 것은 아니고, 분자가 쌍극자 모멘트를 갖는 것이 조건이 된다. 이를 "적외선 활성"이라고 하며^[22], 조사된 적외선보다 물질을 투과한 적외선은 감쇠되어 이 차이가 대상 분자의 진동·회전 여기에 사용된 에너지가 된다^[22]。

분자의 진동 거동은 원자의 크기나 종류에 따라 다르므로 적외선 흡수 스펙트럼도 화합물마다 고유한 것이 되기 때문에 FT-IR 분광법으로 적외선 흡수를 조사함으로써 다음과 같은 용도로 사용된다^[22]。

분자, 이온, 결정의 구조, 분배, 반응 연구
분자의 여기 상태, 반응 중간체 연구
정성 분석, 물질의 동정
정량 분석
반응 프로세스의 모니터링

2. 2. 흡수 스펙트럼과 작용기

에너지가 약한 적외선 영역의 복사선 흡수가 일어나는 경우에는 전자의 전이가 일어날 수 없고, 분자 에너지 중의 진동 에너지와 회전 에너지만이 증가하게 된다.

:

E=E_{vibration} + E_{rotation}

이때는 여러 진동 에너지 준위의 전이에 해당하는 좁은 흡수 봉우리가 조밀하게 나타나고, 각 진동 에너지 상태에는 대단히 작은 각종 회전 에너지에 해당하는 차를 가지는 봉우리가 나타난다. 그러나 액체나 고체 시료에서는 회전 운동이 일어나지 못하게 되어 있기 때문에 거의 순수한 진동 에너지의 좁은 흡수 스펙트럼만이 나타난다. 복사선의 전기장의 파동은 쌍극자 모멘트의 알짜 변동이 있는 분자 운동에 작용할 수 있고, 분자의 진동 및 회전 운동에 변화를 일으킬 수 있다. 예를 들어 일산화 탄소나 일산화 질소와 같은 분자의 전하 분포는 대칭적이 아니며, 한 개의 원자는 다른 원자보다 더 큰 전자 밀도를 갖는다. 따라서 원자 중심들 사이의 거리가 변동하면 즉시 전하의 진동이 일어나고, 진동하는 전기장은 복사선의 전기장 파동과 상호작용을 하게 된다. 복사선의 진동수가 분자의 진동수와 일치할 때에는 에너지의 전이가 일어나고, 분자 진동의 진폭이 변한다. 그 결과 복사선의 흡수가 나타나게 된다. 이와 비슷하게 비대칭 분자가 그 질량 중심의 주위로 회전할 때 주기적 쌍극자 변동이 일어나는 경우에는 복사선과 상호작용을 할 수 있게 된다. 한편,

N_2

,

O_2

, 또는

Cl_2

와 같은 동일핵종 분자가 진동 운동 또는 회전 운동을 할 때에는 쌍극자 모멘트의 알짜 변화가 일어나지 않으므로, 이러한 화합물은 적외선을 흡수하지 않는다. 그리고 액체와 고체 상태에서 회전 운동은 거의 일어날 수가 없고, 따라서 단지 진동 봉우리만이 나타날 뿐이다.

적외선 흡수 스펙트럼은 상당히 간단한 화합물이라도 수많은 흡수 봉우리를 가지고 있으며, 두 가지의 서로 다른 화합물이 동일한 조건에서 같은 흡수 적외선 스펙트럼을 가지는 경우는 없다. 그러므로 시료물질의 적외선 스펙트럼이 표준물질의 스펙트럼과 동일한 조건에서 일치하면 시료물질이 표준물질과 같은 것이다. 일반적으로 적외선 스펙트럼에서 세로축은 투광도를, 가로축은

cm^{-1}

단위의 파수를 나타낸다. 이것은 파수가 에너지 및 주파수에 직접 비례하므로 편리하기 때문이다. 유기 화합물에서

C=C

,

C=O

,

C-H

,

O-H

와 같은 작용기가 적외선을 흡수하는 대략의 파수는 이미 알려져 있는 원자들의 질량과 그들 간의 결합력 상수로부터 대략 알 수 있다. 그러나 작용기를 구성하고 있는 다른 원자들의 상호작용을 받기 때문에 작용기의 파수는 변하게 된다. 그러나 그 파수는 어떤 일정한 범위 내에 있게 마련이다. 그동안 많은 화학자들의 노력으로 수많은 물질의 스펙트럼과 각종 작용기의 적외선 흡수 파수를 구하여 연구하고, 정리 발표하였으며, 또 각종 작용기와 흡수 파수의 상관표도 나와 있다.

적외선 흡수 스펙트럼은 분자의 진동과 관련이 있으며 분자의 운동 에너지에 상당하는 에너지가 흡수된다. 특히 적외선 영역에서 흡수 피크가 나타나지만 모든 분자가 적외선을 흡수하는 것은 아니고, 분자가 쌍극자 모멘트를 갖는 것이 조건이 된다. 이를 "적외선 활성"이라고 하며^[22], 조사된 적외선보다 물질을 투과한 적외선은 감쇠되어 이 차이가 대상 분자의 진동·회전 여기에 사용된 에너지가 된다^[22]。

분자의 진동 거동은 원자의 크기나 종류에 따라 다르므로 적외선 흡수 스펙트럼도 화합물마다 고유한 것이 되기 때문에 FT-IR 분광법으로 적외선 흡수를 조사함으로써 다음과 같은 용도로 사용된다^[22]。

분자, 이온, 결정의 구조, 분배, 반응 연구
분자의 여기 상태, 반응 중간체 연구
정성 분석, 물질의 동정
정량 분석
반응 프로세스의 모니터링

3. 방법

흡수 분광법 기술(FTIR, 자외선-가시광선("UV-vis") 분광법 등)의 목표는 각 파장에서 시료가 얼마나 많은 빛을 흡수하는지 측정하는 것이다.^[2] 이를 수행하는 가장 간단한 방법인 "분산 분광법" 기술은 시료에 단색광 빔을 비추고, 빛이 얼마나 흡수되는지 측정한 다음, 각기 다른 파장에 대해 반복하는 것이다. (예를 들어, 일부 UV-vis 분광계가 작동하는 방식이다.)

푸리에 변환 분광법은 동일한 정보를 얻는 덜 직관적인 방법이다. 이 기술은 시료에 단색광 빔(단일 파장으로 구성된 빔)을 비추는 대신, 여러 주파수의 빛을 한 번에 포함하는 빔을 비추고 그 빔이 얼마나 흡수되는지 측정한다. 다음으로, 빔은 다른 주파수 조합을 포함하도록 수정되어 두 번째 데이터 포인트를 제공한다. 이 과정은 짧은 시간 동안 빠르게 여러 번 반복된다. 그 후, 컴퓨터는 이 모든 데이터를 가져와 각 파장에서의 흡수가 무엇인지 추론하기 위해 역으로 작업한다.^[2]

위에 설명된 빔은 측정할 전체 파장 스펙트럼을 포함하는 광대역 광원에서 시작하여 생성된다. 빛은 마이켈슨 간섭계로 비춰지는데, 이는 모터에 의해 움직이는 거울 중 하나로 구성된 특정 구성이다. 이 거울이 움직임에 따라, 빔의 각 빛 파장은 파동 간섭으로 인해 간섭계에 의해 주기적으로 차단, 투과, 차단, 투과된다. 서로 다른 파장은 서로 다른 속도로 변조되므로, 각 순간 또는 거울 위치에서 간섭계에서 나오는 빔은 서로 다른 스펙트럼을 갖는다.^[2]

원시 데이터(각 거울 위치에 대한 빛 흡수)를 원하는 결과(각 파장에 대한 빛 흡수)로 변환하려면 컴퓨터 처리가 필요하다.^[2] 필요한 처리는 푸리에 변환이라는 일반적인 알고리즘이다. 푸리에 변환은 한 도메인(이 경우 cm 단위의 거울 변위)을 역 도메인(cm⁻¹ 단위의 파수)으로 변환한다. 원시 데이터를 "간섭도"라고 한다.

3. 1. 유기 화합물 확인 절차

유기 화합물의 적외선 스펙트럼을 통해 확인하고자 할 때에는, 먼저 시료 스펙트럼을 작성하여 3600

cm^{-1}

에서 1200

cm^{-1}

까지의 영역에서 어떤 작용기가 존재할 가능성이 가장 큰지를 참고 문헌을 통해 결정한다. 그 다음 단계에서는 가능성이 있는 모든 작용기를 포함하는 순수한 화합물의 표준 스펙트럼과 시료 스펙트럼을 비교한다. 이 때, 특히 1200~600

cm^{-1}

영역의 지문(finger print) 영역에서 신중하게 비교해야 한다. 왜냐하면 분자의 구조와 성분이 조금만 달라도 이 영역의 흡수 봉우리 분포가 크게 달라지기 때문이다. 따라서 이 영역에서 두 스펙트럼이 일치하면(다른 영역도 같을 때), 시료 물질은 표준 물질과 동일 물질이라고 볼 수 있다. 다시 말해, 분자 내에서 원자는 진동이나 회전을 하며, 이러한 움직임으로 인해 분자는 적외선 영역의 특정 파장 빛을 흡수한다. 흡수되는 빛의 파장은 분자 크기나 다른 부분의 구조와는 거의 관계없이 분자 내 원자 간 결합에 따라 달라진다. 따라서 이를 해석하면 원자 결합 종류나 분자 내 관능기 등에 대한 정보를 얻을 수 있다.^[1]

3. 2. 분자 진동과 흡수 파장

에너지가 약한 적외선 영역의 복사선 흡수가 일어나는 경우에는 전자의 전이가 일어날 수 없고, 분자 에너지 중의 진동 에너지와 회전 에너지만이 증가하게 된다.

:

E=E_{vibration} + E_{rotation}

이때 여러 진동 에너지 준위의 전이에 해당하는 좁은 흡수 봉우리가 조밀하게 나타나고, 각 진동 에너지 상태에는 대단히 작은 각종 회전 에너지에 해당하는 차이를 가지는 봉우리가 나타난다. 그러나 액체나 고체 시료에서는 회전 운동이 일어나지 못하게 되어 있기 때문에 거의 순수한 진동 에너지의 좁은 흡수 스펙트럼만이 나타난다. 복사선의 전기장의 파동은 쌍극자 모멘트의 알짜 변동이 있는 분자 운동에 작용할 수 있고, 분자의 진동 및 회전 운동에 변화를 일으킬 수 있다. 예를 들어 일산화 탄소나 일산화 질소와 같은 분자의 전하 분포는 대칭적이 아니며, 한 개의 원자는 다른 원자보다 더 큰 전자 밀도를 갖는다. 따라서 원자 중심들 사이의 거리가 변동하면 즉시 전하의 진동이 일어나고, 진동하는 전기장은 복사선의 전기장 파동과 상호작용을 하게 된다. 복사선의 진동수가 분자의 진동수와 일치할 때에는 에너지의 전이가 일어나고, 분자 진동의 진폭이 변한다. 그 결과 복사선의 흡수가 나타나게 된다. 이와 비슷하게 비대칭 분자가 그 질량 중심의 주위로 회전할 때 주기적 쌍극자 변동이 일어나는 경우에는 복사선과 상호작용을 할 수 있게 된다. 한편,

N_2

,

O_2

, 또는

Cl_2

와 같은 동일핵종 분자가 진동 운동 또는 회전 운동을 할 때에는 쌍극자 모멘트의 알짜 변화가 일어나지 않으므로, 이러한 화합물은 적외선을 흡수하지 않는다. 그리고 액체와 고체 상태에서 회전 운동은 거의 일어날 수가 없고, 따라서 단지 진동 봉우리만이 나타날 뿐이다.

적외선 흡수 스펙트럼은 상당히 간단한 화합물이라도 수많은 흡수 봉우리를 가지고 있으며, 두 가지의 서로 다른 화합물이 동일한 조건에서 같은 흡수 적외선 스펙트럼을 가지는 경우는 없다. 그러므로 시료물질의 적외선 스펙트럼이 표준물질의 스펙트럼과 동일한 조건에서 일치하면 시료물질이 표준물질과 같은 것이다. 일반적으로 적외선 스펙트럼에서 세로축은 투광도를, 가로축은

cm^{-1}

단위의 파수를 나타낸다. 이것은 파수가 에너지 및 주파수에 직접 비례하므로 편리하기 때문이다. 유기 화합물에서

C=C

,

C=O

,

C-H

,

O-H

와 같은 작용기가 적외선을 흡수하는 대략의 파수는 이미 알려져 있는 원자들의 질량과 그들 간의 결합력 상수로부터 대략 알 수 있다. ( 식

\nu =  \sqrt }

이용) 그러나 작용기를 구성하고 있는 다른 원자들의 상호작용을 받기 때문에 작용기의 파수는 변하게 된다. 그러나 그 파수는 어떤 일정한 범위 내에 있게 마련이다.

유기 화합물을 확인할 때에는 시료 스펙트럼을 작성하여 첫째, 3600

cm^{-1}

에서 1200

cm^{-1}

까지의 영역에서 어떤 작용기가 존재할 가능성이 가장 큰지를 참고 문헌을 통해 결정하도록 한다. 그리고 두 번째 단계에서는 가능성이 있는 모든 작용기를 포함하는 순수한 화합물의 표준 스펙트럼과 시료 스펙트럼을 비교하는 것이다. 이 경우에 특히 1200~600

cm^{-1}

영역의 지문(finger print) 영역에서 조심하여 비교하도록 한다. 왜냐하면 분자의 구조와 성분이 조금만 달라도 이 영역의 흡수 봉우리의 분포가 현저한 차이를 나타내기 때문이다. 그러므로 이 영역에서 두 개의 스펙트럼이 서로 일치하면(물론 다른 영역도 같을 때), 시료물질은 표준물질과 동일 물질이라고 볼 수 있다. 다시 말하면, 분자 내에서 원자는 진동이나 회전을 하고 있으며 이러한 움직임에 의해 분자는 적외선 영역의 특정 파장의 빛을 흡수한다. 흡수되는 빛의 파장은 분자의 크기나 다른 부분의 구조와는 거의 무관하게 분자 내의 원자 간 결합에 좌우된다. 따라서 이를 해석하면 원자의 결합의 종류나 분자 내의 관능기 등에 대한 정보를 얻을 수 있다.

적외선 흡수 스펙트럼은 분자의 진동과 관련이 있으며 분자의 운동 에너지에 상당하는 에너지가 흡수된다. 특히 적외선 영역에서 흡수 피크가 나타나지만 모든 분자가 적외선을 흡수하는 것은 아니고, 분자가 쌍극자 모멘트를 갖는 것이 조건이 된다. 이를 "적외선 활성"이라고 하며^[22], 조사된 적외선보다 물질을 투과한 적외선은 감쇠되어 이 차이가 대상 분자의 진동·회전 여기에 사용된 에너지가 된다^[22]。

분자의 진동 거동은 원자의 크기나 종류에 따라 다르므로 적외선 흡수 스펙트럼도 화합물마다 고유한 것이 되기 때문에 FT-IR 분광법으로 적외선 흡수를 조사함으로써 다음과 같은 용도로 사용된다^[22]。

분자, 이온, 결정의 구조, 분배, 반응 연구
분자의 여기 상태, 반응 중간체 연구
정성 분석, 물질의 동정
정량 분석
반응 프로세스의 모니터링

4. 장점

푸리에 변환 분광기는 주사(분산형) 분광기에 비해 다음과 같은 세 가지 주요 장점을 가진다.^[1]

'''다중화 또는 펠게트 장점''': 모든 파장의 정보를 동시에 수집한다. 고정된 검출기 노이즈에 의해 제한된 관측의 경우, 주어진 스캔 시간에 대해 더 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다. ''m''개의 분해 요소가 있는 스펙트럼의 경우, 이 증가는 ''m''의 제곱근과 같다. 또는, 주어진 분해능에 대해 더 짧은 스캔 시간을 허용한다. 실제로 여러 번의 스캔을 평균하여 스캔 횟수의 제곱근만큼 신호 대 잡음비를 증가시킨다.

'''처리량 또는 자키노의 장점''': 분산형 기기에서 단색화 장치는 입구 및 출구 슬릿을 통해 빛의 양을 제한한다. 간섭계 처리량은 소스에서 나오는 평행광선의 직경에 의해서만 결정된다. 슬릿은 필요하지 않지만, FTIR 분광기는 간섭계에서 평행광선의 수렴을 제한하는 조리개가 필요하다. 이러한 조리개를 자키노 스톱이라고 한다.^[1] 주어진 분해능과 파장에 대해 이 원형 조리개는 슬릿보다 더 많은 빛을 통과시켜 더 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다.

'''파장 정확도 또는 코네의 장점''': 파장 눈금은 간섭계를 통과하는 알려진 파장의 레이저 빔으로 보정된다. 이는 눈금이 회절 격자의 기계적 움직임에 의존하는 분산형 기기보다 훨씬 안정적이고 정확하다. 실제로는 정확도는 분해능에 따라 간섭계의 빔 발산에 의해 제한된다.

이 외에도 미광에 대한 감도가 낮다는 장점이 있다. 분산형 기기에서는 회절 격자의 불완전성과 우발적인 반사로 인해 미광이 발생하지만, FT 기기에서는 간섭계의 변조 주파수에 의해 겉보기 파장이 결정되므로 이러한 문제가 발생하지 않는다.

또한, 측정 시간이 신속하여 짧은 시간 내에 여러 번 측정 반복 가능하여 반응 속도 측정에 유리하고, 측정 파수의 정밀도가 우수하다. 거울의 속도를 일정하게 유지시키면 분해능을 일정하게 유지 가능하며, 컴퓨터에 디지털 형식으로 기억하기 때문에 아날로그 오차가 발생하지 않는다. 기기가 간단하다는 장점도 있다.

5. 구성 요소

FTIR 장치는 광원, 빔 분할기, 검출기 등 여러 구성 요소로 이루어져 있다.

'''광원 (IR Sources):''' FTIR에서는 측정하는 파장 영역에 따라 다른 광원을 사용한다.
중적외선(2μm~25μm): 탄화 규소(SiC)를 약 1200°C로 가열한 글로바(Globar)가 주로 쓰인다.
근적외선(1μm~2.5μm): 텅스텐-할로겐 램프가 일반적이다.
원적외선(50μm 이상): 수은 방전 램프가 열원보다 더 강한 출력을 낸다.^[8]
'''빔 분할기 (Beam Splitter):''' 입사된 빛을 50%는 투과시키고 50%는 반사시키는 장치이다. 넓은 범위의 스펙트럼을 측정하기 위해 여러 종류의 빔 분할기를 교환하여 사용한다.

마이컬슨 간섭계에서는 빔 분할기를 두 번 통과하는 빛과 한 번 통과하는 빛의 경로 차이를 보정하기 위해 보상판을 사용한다.
중적외선: 게르마늄 기반 코팅이 된 KBr이 주로 사용된다.
근적외선: CaF₂이 KBr보다 단단하고 수분에 강해 널리 쓰인다.
원적외선: 주로 고분자 필름 기반의 빔 분할기가 사용된다.^[9]
'''검출기 (Detectors):''' 적외선 복사 강도의 변화에 따른 온도 변화를 감지하는 열전형 검출기가 주로 사용된다.
중수화된 황산 트리글리신(DTGS) 또는 탄탈산 리튬(LiTaO₃) 검출기가 실온에서 작동하며, 일반적인 측정에 적합하다.
높은 감도나 빠른 응답 속도가 필요한 경우, 냉각된 광전 검출기를 사용한다.
중적외선: 액체 질소로 냉각된 수은 카드뮴 텔루라이드(MCT) 검출기가 널리 사용된다.
근적외선: 비냉각 인듐 갈륨 비소 포토다이오드 또는 DTGS가 일반적이다.
원적외선: 액체 헬륨으로 냉각되는 실리콘 또는 게르마늄 볼로미터가 사용된다.
'''전반사 감쇠(ATR):''' 고체나 박막 시료 표면 측정을 위한 FTIR 분광 광도계의 부속 장치로, 시료 조건에 따라 약 1µm 또는 2µm의 침투 깊이를 갖는다.
'''푸리에 변환:''' 각 파장에서 시료가 흡수하는 빛의 양을 측정하는 기술이다.
단색광을 사용하는 대신, 여러 주파수의 빛을 한 번에 포함하는 빔을 사용한다.
마이켈슨 간섭계를 통해 빛의 파장을 변조하고, 이 과정에서 얻은 데이터를 푸리에 변환하여 각 파장에서의 흡수 정도를 계산한다.^[2]
원시 데이터(간섭도)는 이산 푸리에 변환을 통해 파수(cm⁻¹) 영역으로 변환되며, 주로 고속 푸리에 변환(FFT) 알고리즘이 사용된다.

5. 1. 광원 (IR Sources)

중적외선 영역인 2μm~25μm (5000cm^-1–400cm^-1)의 경우, 가장 흔한 광원은 약 1200°C로 가열된 탄화 규소(SiC) 소자(글로바)이다. 출력은 흑체와 유사하다. 근적외선 영역의 더 짧은 파장인 1μm~2.5μm (10000cm^-1–4000cm^-1)에는 더 높은 온도의 광원이 필요하며, 일반적으로 텅스텐-할로겐 램프가 사용된다. 이들의 긴 파장 출력은 석영 덮개의 흡수에 의해 약 5μm (2000cm^-1)으로 제한된다. 원적외선, 특히 50μm (200cm^-1) 이상의 파장에서는 수은 방전 램프가 열원보다 더 높은 출력을 제공한다.^[8]

5. 2. 검출기 (Detectors)

원적외선 분광기에는 일반적으로 적외선 복사 강도 변화에 따른 온도 변화에 반응하는 열전형 검출기가 사용된다. 이러한 검출기의 감지 소자는 중수화된 황산 트리글리신(DTGS) 또는 탄탈산 리튬(LiTaO₃)이다. 이 검출기들은 실온에서 작동하며, 대부분의 일상적인 응용 분야에 적합한 감도를 제공한다. 최상의 감도를 얻기 위해서는 스캔 시간이 일반적으로 몇 초 정도 소요된다.

더 높은 감도나 빠른 응답이 필요한 경우에는 냉각된 광전 검출기가 사용된다. 중적외선에서는 액체 질소로 냉각된 수은 카드뮴 텔루라이드(MCT) 검출기가 가장 널리 사용되며, 이 검출기를 사용하면 10밀리초 만에 간섭무늬를 측정할 수 있다. 근적외선 시스템에서는 비냉각 인듐 갈륨 비소 포토다이오드 또는 DTGS가 일반적으로 사용된다. 광원과 빔 분할기 모두 비효율적인 원적외선에서는 매우 민감한 액체 헬륨 냉각 실리콘 또는 게르마늄 볼로미터가 사용된다.

5. 3. 빔 분할기 (Beam Splitter)

이상적인 빔 분할기는 입사 복사선의 50%를 투과하고 반사한다. 그러나 모든 재료는 제한된 광학 투과 범위를 가지므로, 넓은 스펙트럼 범위를 커버하기 위해 여러 빔 분할기를 상호 교환하여 사용할 수 있다.

단순한 마이컬슨 간섭계에서 하나의 빔은 빔 분할기를 두 번 통과하지만, 다른 빔은 한 번만 통과한다. 이를 보정하기 위해 동일한 두께의 추가 보상판이 통합된다.

중적외선 영역의 경우, 빔 분할기는 일반적으로 반사성을 갖도록 하는 게르마늄 기반 코팅이 된 KBr으로 만들어진다. KBr은 25μm (400cm-1) 이상의 파장에서 강하게 흡수되므로, 때로는 범위를 약 50μm (200cm-1)까지 확장하기 위해 CsI 또는 KRS-5가 사용된다. ZnSe는 수증기가 문제가 될 수 있는 대안이지만 약 20μm (500cm-1)로 제한된다.

CaF₂는 근적외선에 사용되는 일반적인 재료로, KBr보다 더 단단하고 수분에 덜 민감하지만 약 8μm (1200cm-1) 이상에서는 사용할 수 없다.

원적외선 빔 분할기는 대부분 고분자 필름을 기반으로 하며, 제한된 파장 범위를 커버한다.^[9]

5. 4. 감쇠 전반사 (Attenuated Total Reflectance, ATR)

전반사 감쇠(ATR)는 고체 또는 박막 시료의 표면 특성을 측정하기 위한 FTIR 분광광도계의 부속 장치 중 하나이다. 일반적으로 ATR은 시료 조건에 따라 약 1µm 또는 2µm의 침투 깊이를 갖는다.

5. 5. 푸리에 변환 (Fourier Transform)

흡수 분광법 기술(FTIR, 자외선-가시광선("UV-vis") 분광법 등)의 목표는 각 파장에서 샘플이 얼마나 많은 빛을 흡수하는지 측정하는 것이다.^[2] 이를 수행하는 가장 간단한 방법인 "분산 분광법" 기술은 샘플에 단색광 빔을 비추고, 빛이 얼마나 흡수되는지 측정한 다음, 각기 다른 파장에 대해 반복하는 것이다.

푸리에 변환 분광법은 동일한 정보를 얻는 덜 직관적인 방법이다. 이 기술은 샘플에 단색광 빔(단일 파장으로 구성된 빔)을 비추는 대신, 여러 주파수의 빛을 한 번에 포함하는 빔을 비추고 그 빔이 얼마나 흡수되는지 측정한다. 다음으로, 빔은 다른 주파수 조합을 포함하도록 수정되어 두 번째 데이터 포인트를 제공한다. 이 과정은 짧은 시간 동안 빠르게 여러 번 반복된다. 그 후, 컴퓨터는 이 모든 데이터를 가져와 각 파장에서의 흡수가 무엇인지 추론하기 위해 역으로 작업한다.^[2]

위에 설명된 빔은 측정할 전체 파장 스펙트럼을 포함하는 광대역 광원에서 시작하여 생성된다. 빛은 마이켈슨 간섭계로 비춰지는데, 이는 모터에 의해 움직이는 거울 중 하나로 구성된 특정 구성이다. 이 거울이 움직임에 따라, 빔의 각 빛 파장은 파동 간섭으로 인해 간섭계에 의해 주기적으로 차단, 투과, 차단, 투과된다. 서로 다른 파장은 서로 다른 속도로 변조되므로, 각 순간 또는 거울 위치에서 간섭계에서 나오는 빔은 서로 다른 스펙트럼을 갖는다.^[2]

언급했듯이, 원시 데이터(각 거울 위치에 대한 빛 흡수)를 원하는 결과(각 파장에 대한 빛 흡수)로 변환하려면 컴퓨터 처리가 필요하다.^[2] 필요한 처리는 푸리에 변환이라는 일반적인 알고리즘이다. 푸리에 변환은 한 도메인(이 경우 cm 단위의 거울 변위)을 역 도메인(cm⁻¹ 단위의 파수)으로 변환한다. 원시 데이터를 "간섭도"라고 한다. 실제 간섭계는 지연 값의 이산적인 값에 대해 측정된 일련의 강도로 구성된다. 연속적인 지연 값 사이의 차이는 일정하다. 따라서 이산 푸리에 변환이 필요하다. 고속 푸리에 변환(FFT) 알고리즘이 사용된다.

6. 역사

1957년에 최초로 생산된 저가형 분광 광도계로 적외선 스펙트럼을 기록할 수 있는 것은 퍼킨-엘머(Perkin-Elmer)사의 인프라코드였다.^[3] 이 기기는 2.5um에서 15um까지의 파장 범위 (파수 범위 4000cm-1에서 660cm-1)를 커버했다. 낮은 파장 제한은 기본 분자 진동으로 인한 가장 높은 알려진 진동 주파수를 포함하도록 선택되었다. 상한은 분산 요소가 암염 (염화 나트륨)의 단결정으로 만들어진 프리즘이라는 사실에 의해 부과되었는데, 이 결정은 약 15um보다 긴 파장에서 불투명해지기 때문이었다. 이 스펙트럼 영역은 암염 영역으로 알려지게 되었다. 이후 기기들은 브롬화 칼륨 프리즘을 사용하여 범위를 25um (400cm-1)까지, 요오드화 세슘을 사용하여 50um (200cm-1)까지 확장했다. 50um (200cm-1) 이상의 영역은 원적외선 영역으로 알려지게 되었고, 매우 긴 파장에서 마이크로파 영역으로 합쳐진다. 원적외선에서의 측정은 분산 요소로서 프리즘을 대체하기 위해 정확하게 새겨진 회절 격자의 개발이 필요했는데, 염 결정이 이 영역에서 불투명하기 때문이다. 또한 볼로미터보다 더 민감한 검출기가 필요했는데, 이는 방사선의 낮은 에너지 때문이었다. 그러한 검출기 중 하나가 골레이 검출기였다. 추가적인 문제는 대기 중의 수증기를 차단해야 한다는 것이었는데, 수증기는 이 영역에서 강한 순수한 회전 스펙트럼을 가지고 있기 때문이다. 원적외선 분광 광도계는 다루기 어렵고, 느리고, 비쌌다. 마이컬슨 간섭계의 장점은 잘 알려져 있었지만, 상업용 기기를 만들기 전에 상당한 기술적 어려움을 극복해야 했다. 또한 필요한 푸리에 변환을 수행하기 위해 전자 컴퓨터가 필요했는데, 이는 1965년에 출시된 PDP-8과 같은 미니컴퓨터가 등장하면서 가능해졌다. Digilab은 1969년에 세계 최초의 상업용 FTIR 분광계(모델 FTS-14)를 개척했다.^[1] Digilab FTIR는 현재 배리언(Varian, Inc.)으로부터 분광학 사업을 인수한 Agilent Technologies의 분자 제품군에 속해 있다.^[4]^[5]

7. 마이컬슨 간섭계 (Michelson Interferometer)

FTIR에 적용된 마이컬슨 간섭계는 흑체 복사체와 유사한 다색 적외선원으로부터 나온 빛을 콜리메이팅하여 빔 분할기로 보낸다.^[2] 이상적으로 빛의 50%는 고정 거울로 굴절되고, 50%는 이동 거울로 투과된다. 빛은 두 거울에서 빔 분할기로 반사되어 원래 빛의 일부가 샘플 구획으로 통과하고, 여기서 샘플에 초점을 맞춘다. 샘플 구획을 떠난 빛은 검출기에 다시 초점을 맞춘다. 두 간섭계 팔 사이의 광학적 경로 길이 차이를 ''지연'' 또는 ''광학적 경로차''(OPD)라고 한다. 간섭도는 지연을 변화시키고 다양한 지연 값에 대한 검출기 신호를 기록하여 얻는다. 샘플이 없을 때 간섭도의 형태는 파장에 따른 소스 강도 및 분할기 효율의 변화와 같은 요인에 따라 달라진다. 이는 모든 파장에서 보강 간섭이 일어나는 지연이 0일 때 최댓값을 가지며, 일련의 "지글거림"이 뒤따른다. 0 지연 위치는 간섭도에서 최대 강도를 찾아 정확하게 결정된다. 샘플이 존재할 때 배경 간섭도는 샘플의 흡수 밴드의 존재에 의해 변조된다.^[2]

상업용 분광계는 다양한 스캐닝 메커니즘을 갖춘 마이컬슨 간섭계를 사용하여 경로 차이를 생성한다. 이러한 모든 배열에서 공통적으로 필요한 것은 시스템이 스캔될 때 두 빔이 정확히 재결합되도록 하는 것이다. 가장 간단한 시스템은 한 빔의 경로를 변경하기 위해 선형으로 움직이는 평면 거울을 가진다. 이 배열에서 이동 거울은 빔이 재결합될 때 겹치는 방식에 영향을 주므로 기울어지거나 흔들려서는 안 된다. 일부 시스템은 정렬을 유지하기 위해 한 거울의 방향을 자동으로 조정하는 보상 메커니즘을 통합한다. 이러한 문제를 피하는 배열에는 평면 거울 대신 큐브 코너 반사기를 사용하는데, 큐브 코너 반사기는 방향에 관계없이 모든 입사 빔을 평행 방향으로 반사하는 특성을 가진다.

경로 차이가 회전 운동에 의해 생성되는 시스템은 매우 성공적인 것으로 입증되었다. 한 가지 일반적인 시스템은 반환 빔을 변위시키지 않고 경로를 변경하기 위해 회전할 수 있는 한 빔에 평행 거울 쌍을 통합한다. 또 다른 것은 간섭계의 한 팔의 경로가 다른 팔의 경로가 감소함에 따라 증가하는 이중 진자 설계이다.

매우 다른 접근 방식은 KBr과 같은 IR 투명 물질의 쐐기를 빔 중 하나로 이동시키는 것이다. 빔에서 KBr의 두께를 증가시키면 굴절률이 공기의 굴절률보다 높기 때문에 광학적 경로가 증가한다. 이 접근 방식의 한계는 파장 범위에 걸친 굴절률 변화가 파장 보정의 정확도를 제한한다는 것이다.

8. 간섭무늬 측정 및 처리 (Measuring and Processing the Interferogram)

흡수 분광법 기술(FTIR, 자외선-가시광선("UV-vis") 분광법 등)은 각 파장에서 샘플이 얼마나 많은 빛을 흡수하는지 측정하는 것을 목표로 한다.^[2] 푸리에 변환 분광법은 샘플에 여러 주파수의 빛을 한 번에 포함하는 빔을 비추고 그 빔이 얼마나 흡수되는지 측정한다. 이후, 빔은 다른 주파수 조합을 포함하도록 수정되어 두 번째 데이터 포인트를 제공하며, 이 과정은 짧은 시간 동안 빠르게 여러 번 반복된다. 그 후, 컴퓨터는 이 모든 데이터를 가져와 각 파장에서의 흡수가 무엇인지 역으로 추론한다.^[2]

위에 설명된 빔은 측정할 전체 파장 스펙트럼을 포함하는 광대역 광원에서 시작하여 생성된다. 빛은 마이켈슨 간섭계로 비춰지는데, 이는 모터에 의해 움직이는 거울 중 하나로 구성된 특정 구성이다. 이 거울이 움직임에 따라, 빔의 각 빛 파장은 파동 간섭으로 인해 간섭계에 의해 주기적으로 차단, 투과, 차단, 투과된다. 서로 다른 파장은 서로 다른 속도로 변조되므로, 각 순간 또는 거울 위치에서 간섭계에서 나오는 빔은 서로 다른 스펙트럼을 갖는다.^[2]

원시 데이터(각 거울 위치에 대한 빛 흡수)를 원하는 결과(각 파장에 대한 빛 흡수)로 변환하려면 컴퓨터 처리가 필요하다.^[2] 필요한 처리는 푸리에 변환이라는 일반적인 알고리즘이다. 푸리에 변환은 한 도메인(이 경우 cm 단위의 거울 변위)을 역 도메인(cm⁻¹ 단위의 파수)으로 변환한다. 원시 데이터를 "간섭도"라고 한다.

간섭무늬는 필요한 분해능에 따라 0 경로 차이에서 최대 길이를 측정해야 한다. 기계적 설계의 제한으로 인해 최고 분해능의 경우 스캔은 0의 한쪽에서 최대 OPD까지만 수행될 수 있다.

간섭무늬는 푸리에 변환을 통해 스펙트럼으로 변환된다. 이를 위해서는 두 빔 사이의 경로 차이가 동일한 간격으로 일련의 값으로 디지털 형태로 저장해야 한다. 경로 차이를 측정하기 위해 레이저 빔을 간섭계로 통과시켜 연속적인 최대값 사이의 간격이 레이저의 파장과 동일한 정현파 신호를 생성한다(일반적으로 HeNe 레이저^영어 사용). 이를 통해 아날로그-디지털 변환기가 레이저 신호가 0을 지날 때마다 IR 신호를 측정하도록 트리거할 수 있다. 또는 레이저 및 IR 신호를 더 작은 간격으로 동기적으로 측정할 수 있으며, 레이저 신호의 0 교차점에 해당하는 지점의 IR 신호는 보간법으로 결정된다.^[6]

푸리에 변환의 결과는 일련의 이산 파장에서의 신호의 스펙트럼이다. 인식할 수 있는 가장 짧은 파장은 이 데이터 점 사이의 간격의 두 배이다. 예를 들어, ()에서 HeNe 기준 레이저의 파장당 한 점이 있으면 가장 짧은 파장은 ()이 된다. 앨리어싱 때문에, 더 짧은 파장의 에너지는 더 긴 파장에서 오는 것으로 해석되므로 광학적 또는 전자적으로 최소화해야 한다. 스펙트럼 분해능, 즉 구별할 수 있는 파장 간의 간격은 최대 OPD에 의해 결정된다. 푸리에 변환을 계산하는 데 사용되는 파장은 0에서 최대 OPD까지 간섭무늬 길이에 정확한 수의 파장이 들어가도록 하여 기여도가 직교하도록 한다. 이로 인해 동일한 주파수 간격으로 점이 분리된 스펙트럼이 생성된다.

최대 경로 차이 에 대해 인접한 파장 및 는 간섭무늬에서 각각 및 사이클을 갖는다. 해당 주파수는 ν₁ 및 ν₂이다.

d = nλ₁	and d = (n+1)λ₂
λ₁ = d/n	and λ₂ =d/(n+1)
ν₁ = 1/λ₁	and ν₂ = 1/λ₂
ν₁ = n/d	and ν₂ = (n+1)/d
ν₂ − ν₁ = 1/d

간격은 최대 OPD의 역수이다. 예를 들어, 최대 OPD가 2 cm이면 의 간격이 발생한다. 이것은 한 지점의 값이 인접한 지점의 값과 독립적이라는 의미에서 스펙트럼 분해능이다. 대부분의 기기는 다른 OPD를 선택하여 다른 분해능으로 작동할 수 있다. 일상적인 분석을 위한 기기는 일반적으로 약 의 최상의 분해능을 가지며, 분광계는 최대 의 분해능으로 제작되었으며, 이는 10 m의 최대 OPD에 해당한다. 간섭무늬에서 0 경로 차이에 해당하는 점을 식별해야 하는데, 일반적으로 최대 신호가 발생하는 지점으로 가정한다. 이른바 중심 버스트는 실제 분광계에서는 항상 대칭적이지 않으므로 위상 보정을 계산해야 할 수 있다. 간섭무늬 신호는 경로 차이가 증가함에 따라 감소하며, 감소율은 스펙트럼의 특징의 너비와 반비례한다. OPD가 간섭무늬 신호가 무시할 수 있는 수준으로 감소할 수 있을 만큼 충분히 크지 않으면, 결과 스펙트럼의 특징과 관련된 원치 않는 진동 또는 측엽이 발생한다. 이러한 측엽을 줄이기 위해 간섭무늬는 일반적으로 최대 OPD에서 0에 접근하는 함수를 곱한다. 소위 아포다이제이션은 분해능의 약간의 감소를 감수하면서 모든 측엽의 진폭과 노이즈 수준을 줄인다.

빠른 계산을 위해 간섭무늬의 점 수는 2의 거듭제곱과 같아야 한다.

9. 분광 분해능 (Resolution)

간섭무늬는 길이 차원에 속한다. 푸리에 변환(FT)은 차원을 반전시키므로, 간섭무늬의 FT는 역 길이 차원([L⁻¹]), 즉 파수의 차원에 속한다. cm⁻¹ 단위의 분광 분해능은 cm 단위의 최대 지연의 역수와 같다. 따라서 최대 지연이 0.25cm이면 4cm-1 분해능을 얻게 되는데, 이는 저가형 FTIR 기기의 일반적인 사양이다. 최대 지연을 증가시켜 훨씬 더 높은 분해능을 얻을 수 있다. 이는 이동 거울이 거의 완벽한 직선으로 움직여야 하므로 쉽지 않다. 평면 거울 대신 코너 반사경을 사용하는 것이 도움이 되는데, 코너 반사경에서 나오는 광선은 빛의 축에 수직인 축에 대한 거울의 방향에 관계없이 입사 광선과 평행하기 때문이다.

현재 0.001cm-1 분해능의 분광기가 상용화되어 있다. 처리량의 이점은 고분해능 FTIR에 중요하다. 동일한 분해능을 가진 분산형 기기의 단색화 장치는 매우 좁은 입구 및 출구 슬릿을 갖기 때문이다.

1966년 자닌 코네스는 0.1cm-1 분해능으로 비너스산 CO₂의 진동-회전 스펙트럼을 기록하여 금성 대기의 온도를 측정했다.^[7] 마이컬슨은 자신의 간섭계를 사용하여 수소 원자 스펙트럼에서 수소 H_α 방출 띠를 두 개의 성분으로 분해하려 시도했다.^[1]

10. 응용 분야

푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)은 분산형 분광기가 사용되었던 모든 분야에서 활용될 수 있으며, 향상된 감도와 속도를 바탕으로 새로운 응용 분야를 개척했다.^[11] 매우 적은 에너지로도 스펙트럼 측정이 가능하여 지질학^[11], 화학, 재료, 식물학^[12], 생물학^[13] 등 다양한 분야에서 연구에 사용된다.

FTIR 분광법은 적외선 흡수를 조사하여 다음과 같은 목적으로 활용된다.^[22]

분자, 이온, 결정의 구조, 분배, 반응 연구
분자의 여기 상태, 반응 중간체 연구
정성 분석, 물질의 동정
정량 분석
반응 과정의 모니터링

FTIR은 유기화합물 확인, 분자 내 작용기 종류 파악, 미지 화합물 확인, 이성질체 확인, 수소 결합 연구, 유기 화학 반응 진행 여부 확인 등에 이용된다.^[22] 비어-람베르트 법칙을 이용하여 발색 과정 없이 정량 분석이 가능하며, 혼합물이나 유사 구조 화합물에서도 각 화합물의 흡수 띠를 선택하여 상호 영향 없이 분석할 수 있다. (공업 공정에서 발생하는 대기 오염 물질 분석)^[22]

FTIR은 소수성 막 환경에서 다양한 나노물질과 단백질을 연구하는 데에도 사용된다. 막횡단 단백질의 골격을 따라 극성을 직접 결정할 수 있으며,^[14]^[15] 유기 및 무기 나노물질의 결합 특성과 정량적 분석을 수행할 수 있다.^[16]^[17]

적외선 현미경과 결합하면 5 마이크로미터 미만의 작은 영역에서 시료를 관찰하고 스펙트럼을 측정할 수 있다. 선형 배열 또는 2차원 배열 검출기를 현미경과 결합하여 이미지를 생성할 수 있는데, 공간 분해능은 수만 개의 화소로 5 마이크로미터에 달한다. 각 화소에 대한 스펙트럼을 통해 다양한 화학 종의 분포를 확인할 수 있다. 이 기술은 조직 병리학의 대안, 제약 정제의 균질성 검사, 꽃가루 입자 구별 등 생물학적 응용 분야에 적용된다.^[18]

근접장 주사 광학 현미경 플랫폼에 통합하면 공간 분해능을 마이크로미터 이하로 더욱 향상시킬 수 있다. 나노-FTIR 기술은 극소량의 물질에 대해 10~20nm의 공간 분해능으로 광대역 분광법을 수행할 수 있다.^[19]

FTIR의 빠른 속도를 활용하여 가스 크로마토그래피로 화합물을 분리하는 동시에 스펙트럼을 얻을 수 있다. 그러나 이 기술(GC-IR)은 감도가 더 높은 GC-MS(가스 크로마토그래피-질량 분석법)에 비해 활용도가 낮다. GC-IR 방법은 동일한 질량을 갖는 이성질체를 식별하는 데 유용하다. 액체 크로마토그래피 분획은 용매 때문에 어렵지만, 겔 투과 크로마토그래피를 사용하여 폴리에틸렌에서 분자 크기에 따른 사슬 분기를 측정하는 예외적인 경우가 있다. 이는 염소화 용매를 사용하여 가능하다.

물질을 가열하면서 방출되는 기체를 측정하면, 무게 감소 측정과 함께 물질의 종류를 질적으로 식별할 수 있다.

FTIR 분석은 실험실 환경에서 비교적 얇은 플라스틱 및 복합 부품의 수분 함량을 측정하는 데 사용된다. 이 방법은 플라스틱에 오랫동안 사용되었으며, 복합 재료로도 확장되었다.^[20] 재료의 실제 수분 함량과 상관관계가 있는 약 5,200 cm−1에서의 흡수 밴드의 최대값을 이용한다.

적외선 흡수 스펙트럼은 분자의 진동과 관련이 있으며, 분자의 운동 에너지에 해당하는 에너지가 흡수된다. 모든 분자가 적외선을 흡수하는 것은 아니며, 분자가 쌍극자 모멘트를 갖는 경우에만 "적외선 활성"을 띤다.^[22] 조사된 적외선과 물질을 투과한 적외선의 차이는 대상 분자의 진동·회전 여기에 사용된 에너지를 나타낸다.

참조

_[1] 서적 Fourier Transform Infrared Spectrometry https://books.google[...] Wiley-Blackwell 2007-05-18
_[2] 서적 Principles of materials characterization and metrology Oxford University Press
_[3] 간행물 The Infracord double-beam spectrophotometer 1957
_[4] 웹사이트 Agilent Technologies to acquire Varian, Inc. for $1.5 Billion http://www.agilent.c[...] 2009-07-27
_[5] 웹사이트 Agilent Technologies completes acquisition of Varian, Inc., marking historic milestone for two Silicon Valley pioneers https://www.investor[...] 2010-05-14
_[6] 간행물 New Approach to high-precision Fourier transform spectrometer design 1996
_[7] 간행물 Near-Infrared Planetary Spectra by Fourier Spectroscopy. I. Instruments and Results 1966
_[8] 간행물 Comparison of the Radiance of Far-Infrared Sources
_[9] 서적 Handbook of Vibrational Spectroscopy, Vol 1 John Wiley and Sons 2002
_[10] 간행물 The determination of refractive index spectra by fourier spectrometry 1969
_[11] 간행물 Renal geology (quantitative renal stone analysis) by 'Fourier transform infrared spectroscopy' https://doi.org/10.1[...] 2008-09-01
_[12] 간행물 Investigating the impact of spectral data pre-processing to assess honey botanical origin through Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) https://www.scienced[...] 2023-06-01
_[13] 간행물 Using Fourier transform IR spectroscopy to analyze biological materials 2014
_[14] 간행물 Environment Polarity in Proteins Mapped Noninvasively by FTIR Spectroscopy 2012
_[15] 간행물 Site-Specific Hydrogen Exchange in a Membrane Environment Analyzed by Infrared Spectroscopy 2018
_[16] 논문 Structural, functional and magnetic ordering modifications in graphene oxide and graphite by 100 MeV gold ion irradiation Vacuum 2020-12-01
_[17] 논문 XRD, EDX, FTIR and ESR spectroscopic studies of co-precipitated Mn–substituted Zn–ferrite nanoparticles. https://doi.org/10.1[...] Ceramics International 2019
_[18] 간행물 Optimisation of classification methods to differentiate morphologically-similar pollen grains from FT-IR spectra https://www.scienced[...] 2024-02-01
_[19] 간행물 Structural analysis and mapping of individual protein complexes by infrared nanospectroscopy 2013-12-04
_[20] 간행물 Near-Infrared Spectroscopic Method for Monitoring Water Content in Epoxy Resins and Fiber-Reinforced Composites 2018
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