흡수 스펙트럼
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1. 개요
흡수 스펙트럼은 물질이 빛을 흡수하는 현상을 설명하며, 물질의 색은 흡수된 빛의 보색으로 나타난다. 람베르트-베어 법칙을 통해 빛의 흡수 정도를 정량적으로 분석하며, 이를 이용하여 용액 내 물질의 농도를 측정할 수 있다. 정량적 분석을 위해 시료를 발색 물질로 변환하고, 특정 파장의 빛을 사용하여 오차를 줄이며, 대조 실험과 검량선을 활용한다.
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2. 원리
분광 광도법의 기본 원리는 물질이 빛을 흡수하는 현상과 흡수된 빛의 양과 물질의 농도 사이의 관계를 설명하는 람베르트-베어 법칙에 기초한다. 색을 가진 물질은 특정 파장의 빛을 흡수한다. 따라서 용액에 빛을 통과시켜 흡광도를 측정하면, 용액 속에서 발색하는 물질의 농도를 알 수 있다. 이 측정법은 흡수하는 빛의 파장이 반드시 가시광선 영역일 필요는 없다는 점을 포함한다.
2. 1. 빛의 흡수
우리가 백색광 아래에서 광원이 아닌 물질의 색을 볼 때, 그 물질의 색은 그 물질이 흡수한 빛의 파장의 보색이다. 예를 들어, 붉은 물체를 볼 때, 실제로는 그 물체가 붉은색의 보색인 청록색을 흡수하고 있을 뿐이며, 그 물체를 청록색 빛 아래에서 보면 빛이 모두 흡수되어 버리기 때문에 그 물체는 검게 보인다.또한, 우리가 순수하게 보는 액체의 색은 그 액체 속의 색소에 의한 것이며, 예를 들어 붉은 액체가 있다면, 그것은 청록색 파장의 빛을 흡수하는 물질, 즉 붉은 색소가 액체 속에 존재한다는 것이다. 게다가 그 색소의 용액 중 농도가 높을수록 그 색은 더 진하게 보인다. 붉은색이 더 진하게 보인다는 것은, 눈에 들어오는 빛의 파장 중, 보색인 청록색 파장의 빛이 더 적어진다는 것이다.
2. 2. 람베르트-베어 법칙
람베르트-베어 법칙은 균질한 매질을 통과하는 빛의 강도 감소를 공식화한 것이다. 람베르트 법칙에 따르면, 세기 I0의 입사광이 시료를 거리 l만큼 진행했을 때 투과광의 세기 I는 다음과 같다.:
여기서 a는 매질마다 정해지는 비례 상수이며, 흡광 계수라고 부른다. 시료의 농도 c가 작을 때 베어 법칙이 성립하며, a와 c 사이에는 다음 관계가 성립한다.
:
ε는 시료의 종류에 따라 농도와 관계없이 정해지는 상수이며, c의 단위를 몰 농도(mol·dm−3), l의 단위를 센티미터로 했을 때의 ε를 몰 흡광 계수라고 한다. a는 시료의 농도 c와 비례한다. 빛의 흡수 정도인 흡광도 A는 다음과 같이 정의된다.
:
같은 종류의 시료에서 같은 거리를 통과한 빛의 흡광도 A는 시료의 농도 c와 비례한다. 따라서 용액 속에서 발색하는 물질의 농도를 측정할 때, 그 용액에 빛을 통과시켰을 때의 흡광도를 측정하면 농도를 알 수 있다. 단, 흡수하는 빛의 파장이 반드시 가시광선 영역일 필요는 없다.
3. 정량적 분석
시료 용액 중의 대상 물질 농도를 정량적으로 측정하려면, 먼저 그 물질을 발색하는 물질로 변환하고, 대상 물질이 흡수하는 파장 피크 부근의 빛만을 측정에 사용해야 한다. 또한, 그 빛이 대상 물질 이외의 물질에 흡수되지 않도록 해야 한다.
실험 과정에서 셀 자체의 빛 반사나 산란 등으로 오차가 발생할 수 있다. 이러한 영향을 줄이기 위해 대상 물질이 포함되지 않은 용액을 측정하여 흡광도를 0으로 하고 비교하는 대조 실험을 진행한다. 그 후 람베르트-베어 법칙에 따른 식을 사용하여 시료 용액과 비교하여 정량적으로 농도를 도출한다.
하지만 실제로는 오차의 영향을 최소화하기 위해 농도를 알고 있는 용액을 측정해 흡광도와 용액 농도의 관계를 나타낸 그래프인 검량선을 작성하여 활용한다. 람베르트-베어 법칙은 일반적으로 희박 용액에서만 성립하며, 농도가 높아짐에 따라 검량선은 직선이 아닌 곡선이 된다. 그러나 농도가 높아짐에 따라 흡광도가 높아지는 관계는 유지되므로, 흡광도로부터 농도를 측정할 수 있다.
3. 1. 시료 전처리
시료 용액 중의 대상 물질의 농도를 정량적으로 측정하려면, 먼저 그 물질을 어떤 형태로든 발색하는 물질로 변환해야 한다. 측정하고자 하는 물질과 변환 후의 색소 농도가 비례하면, 그 색소의 농도를 측정함으로써 간접적으로 목적 물질의 농도를 알 수 있다.3. 2. 파장 선택
대상 물질의 농도를 정량적으로 측정하려면, 우선 대상 물질이 흡수하는 파장의 피크 부근의 빛만을 측정에 사용해야 한다. 예를 들어, 백색광을 사용하여 붉은색 용액을 측정하면, 청록색 빛 이외에는 색소에 흡수되지 않고 통과하므로 빛의 강도와 용액 속 붉은색 색소의 농도가 비례하지 않게 된다. 또한, 대상 물질 이외의 물질에 의한 빛의 흡수를 최소화해야 한다.실험에 사용하는 셀 자체의 빛의 반사나, 빛이 용액 중에서 투과하지 않고 산란되는 경우 등으로 인해 오차가 발생할 수 있다. 실제 측정에서는 대상 물질이 포함되지 않은 용액도 함께 측정하여 흡광도를 0으로 설정하고 (대조 실험) 비교한다.
3. 3. 대조 실험
실제 측정에서는 대상 물질이 포함되지 않은 용액도 함께 측정하여 흡광도를 0으로 설정한다(I0을 이때의 투과광의 세기로 한다). 이는 실험에 사용하는 셀 자체의 빛의 반사나, 용액 중의 산란 등에 의한 오차를 보정하기 위함이다. 이를 대조 실험이라고 한다.3. 4. 검량선 작성
실제로는 오차의 영향을 최대한 줄이기 위해, 미리 농도를 알고 있는 용액을 측정하여 흡광도와 용액 농도의 관계를 나타낸 그래프인 검량선을 작성해 두고, 이것에 시료의 결과를 적용한다.3. 5. 농도 측정
실험에 사용하는 셀 자체의 빛의 반사나, 빛이 용액 중에서 투과하지 않고 산란되는 등의 이유로 오차가 발생할 수 있다. 실제 측정에서는 이러한 영향을 무시할 수 없으므로, 대상 물질이 포함되지 않은 용액도 대조 실험을 통해 측정하여 흡광도 0으로 설정하고(I0을 이때의 투과광의 세기로 하여) 비교한다. 그 후 람베르트-베어 법칙에 따른 식을 사용하여 시료 용액과 비교하여 정량적으로 농도를 도출한다.그러나 실제로는 오차의 영향을 최소화하기 위해, 미리 농도를 알고 있는 용액을 측정하여 흡광도와 용액 농도의 관계를 나타낸 그래프(검량선)를 작성하고, 여기에 시료의 결과를 적용한다. 람베르트-베어 법칙은 일반적으로 희박 용액에서만 성립하며, 농도가 높아짐에 따라 검량선은 직선이 아닌 곡선 형태를 띤다. 하지만 농도가 높아짐에 따라 흡광도가 높아지는 관계가 유지되고, 어떤 농도에 대해 특정 흡광도가 정해진다면 일대일 대응 관계가 성립하므로, 흡광도로부터 농도를 측정할 수 있다. 이 농도를 정량적으로 파악하기 위해서는 농도를 알고 있는 용액을 측정하여 농도와 흡광도의 관계를 그래프로 만들고, 이를 농도를 모르는 시료의 흡광도와 비교한다.
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