적외선 분광법

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1. 개요

적외선 분광법은 분자가 화학 구조에 따라 특정 진동수의 빛을 흡수하는 현상을 이용하는 분석 기술이다. 빛의 흡수는 분자의 진동 주파수와 일치하는 공명 주파수에서 발생하며, 분자의 구조, 원자 질량, 전자-진동 결합 등에 영향을 받는다. 이 기술은 기체, 액체, 고체 시료의 분석에 사용되며, FT-IR 분광법이 널리 사용된다. 적외선 분광법은 유기 및 무기 화학, 고분자 과학, 법과학, 식품 산업, 환경 감시, 재료 과학, 예술품 분석, 의학 등 다양한 분야에서 활용된다.

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적외선 분광법
적외선 분광법
적외선 분광계의 개략도
다른 명칭	IR 분광법
분야	분광학
감지	분자 진동 및 회전
감지 범위	적외선 스펙트럼
분석 대상	고체 액체 기체 얇은 박막
사용 방법	투과 반사 감쇠 전반사 (ATR)
관련 기술	푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR) 근적외선 분광법 테라헤르츠 분광법
원리
원리	분자의 진동 및 회전 에너지 준위 사이의 전이 특정 파장에서 적외선 흡수 흡수된 빛의 양을 측정하여 물질의 구조 및 구성 정보 획득
응용
응용 분야	화학 제약 환경 과학 식품 과학 고분자 과학 재료 과학
특징
특징	빠르고 비파괴적 분석 다양한 시료 형태 분석 가능 분자 구조 및 작용기 정보 제공 정량 분석 가능 저렴한 분석 비용
장비
장비	분광계: 광원, 분광기, 검출기 등으로 구성 FTIR 분광계: 마이켈슨 간섭계를 사용하여 간섭 신호를 얻고 푸리에 변환하여 스펙트럼 분석 근적외선 분광계: 근적외선 영역의 빛을 사용 테라헤르츠 분광계: 테라헤르츠 영역의 빛을 사용
참고 자료
참고 자료	The Journal of Pharmacy and Pharmacology
같이 보기
같이 보기	분광학 푸리에 변환 적외선 분광법 근적외선 분광법 테라헤르츠 분광법 적외선 분자 진동 분자 회전

2. 역사

물질에 적외선을 조사하면, 물질을 구성하는 분자가 빛의 에너지를 흡수하여 양자화된 진동 또는 회전 상태가 변화한다. 따라서 어떤 물질을 투과(또는 어떤 물질에서 반사)시킨 적외선은, 조사한 적외선보다 분자의 운동 상태 천이에 사용된 에너지만큼 약해진다. 이 차이를 검출함으로써, 분자가 흡수한 에너지, 다시 말해 대상 분자의 진동·회전 여기에 필요한 에너지를 구할 수 있다.

분자의 진동·회전 여기에 필요한 에너지는 분자의 화학구조에 따라 다르다. 따라서, 조사한 적외선의 파수를 가로축에, 흡광도를 세로축에 취하여 얻어지는 '''적외선 흡수 스펙트럼'''은 분자에 고유한 형태를 나타낸다. 이를 통해 대상 물질이 어떤 구조인지 알 수 있으며, 특히 유기화합물의 구조결정에 자주 사용된다. 스펙트럼 중 파수 1500cm^-1 이상의 부분을 '''진단 영역''', 그 이외의 부분을 '''지문 영역'''이라고 한다. 전자는 이중결합, 삼중결합 그리고 수소 원자와 결합하는 것의, 후자는 단일결합의 '''진동 여기''' 결과가 나타난다.

또한, 같은 분자라도 온도나 주변 상황(자유롭게 움직이고 있는가, 어떤 표면에 흡착되어 있는가 등)에 따라 적외선 스펙트럼은 미묘하게 변화한다. 이를 통해 물질의 표면 구조 등에 대해서도 알 수 있다.

적외선 분광법은 다른 분광법에 비해 감도가 높기 때문에, 기체나 미량의 시료를 대상으로 하는 경우가 많은 물리화학 연구에서도 자주 사용된다. 특히 작은 분자의 진동·회전 스펙트럼은 매우 세세한 구조까지 관찰할 수 있기 때문에, 이론화학에 의해 얻어진 결과에 실험적인 근거를 제공하는 것으로도 이용되고 있다.

3. 이론

적외선 분광법은 분자가 구조에 따라 특정 진동수의 빛을 흡수하는 현상을 이용한다. 이러한 흡수는 흡수된 빛의 주파수가 분자 진동 주파수와 일치하는 공명 주파수에서 발생한다. 이때의 에너지는 분자 퍼텐셜 에너지 곡면의 형태, 원자의 질량, 그리고 관련된 전자-진동 결합에 영향을 받는다.^[24]

적외선 분광 분석 결과의 예시; 이 그림은 브롬메탄(CH₃Br)의 것으로, 가로축에서 약 3000, 1300, 1000 cm⁻¹ 부근에 피크가 나타나 있다.

물질에 적외선을 조사하면, 물질을 구성하는 분자가 빛의 에너지를 흡수하여 양자화된 진동 또는 회전 상태가 변화한다. 이 차이를 검출함으로써, 분자가 흡수한 에너지, 즉 대상 분자의 진동·회전 여기에 필요한 에너지를 구할 수 있다.

분자의 진동·회전 여기에 필요한 에너지는 분자의 화학구조에 따라 다르다. 따라서, 조사한 적외선의 파수를 가로축에, 흡광도를 세로축에 취하여 얻어지는 '''적외선 흡수 스펙트럼'''은 분자 고유의 형태를 나타낸다. 이를 통해 대상 물질이 어떤 구조인지 알 수 있으며, 특히 유기화합물의 구조결정에 자주 사용된다. 스펙트럼 중 파수 1500cm^-1 이상의 부분을 '''진단 영역''', 그 이외의 부분을 '''지문 영역'''이라고 한다. 전자는 이중결합, 삼중결합 그리고 수소 원자와 결합하는 것의, 후자는 단일결합의 '''진동 여기''' 결과가 나타난다.

같은 분자라도 온도나 주변 상황에 따라 적외선 스펙트럼은 미묘하게 변화한다. 이를 통해 물질의 표면 구조 등에 대해서도 알 수 있다. 적외선 분광법은 다른 분광법에 비해 감도가 높기 때문에, 기체나 미량의 시료를 대상으로 하는 경우가 많은 물리화학 연구에서도 자주 사용된다. 특히 작은 분자의 진동·회전 스펙트럼은 매우 세밀한 구조까지 관찰할 수 있기 때문에, 이론화학에 의해 얻어진 결과에 실험적인 근거를 제공하는 것으로도 이용되고 있다.

일산화탄소(CO)나 염화수소(HCl)와 같은 분자의 진동은 적외선 분광법과 라만 분광법 모두에서 관측된다. 반면, 수소 분자(H₂)나 질소 분자(N₂)와 같이 핵이 같은 이원자 분자의 경우, 진동이 발생해도 쌍극자 모멘트는 변화하지 않으므로 적외선 흡수를 보이지 않는다(분극률은 변화하므로 라만 산란은 관측된다).

1934년 리처드 맥린 배저(Richard McLean Badger)가 발표한^[46] Badger의 규칙에 따르면, 결합의 강도(힘 상수)는 결합 길이와 상관관계가 있다. 즉, 결합 강도가 증가하면 결합 길이는 짧아지고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

3. 1. 분자 진동

적외선 분광법은 분자가 구조에 따라 특정 진동수의 빛을 흡수하는 현상을 이용한다. 이러한 흡수는 흡수된 빛의 주파수가 분자 진동 주파수와 일치하는 공명 주파수에서 일어난다. 이 에너지는 분자 퍼텐셜 에너지 곡면의 형태, 원자의 질량, 그리고 관련된 전자-진동 결합에 영향을 받는다.^[24]

보른-오펜하이머 근사와 조화 진동 근사에 따르면, 공명 주파수는 분자 전자 바닥 상태 퍼텐셜 에너지 곡면에 해당하는 정규 모드의 진동과 관련이 있다. 따라서 이는 결합의 종류와 관련된 원자의 질량 모두에 의존한다. 슈뢰딩거 방정식을 사용하면 진동 변화를 겪는 계의 진동 양자수에 대한 선택 규칙을 얻을 수 있다.

:

\bigtriangleup v =\pm 1

결합의 압축과 신장은 용수철과 비슷하지만, 실제 분자는 완벽하게 탄성적이지 않다. 원자 사이의 결합이 늘어나면 결합이 끊어지는 지점이 있어 분자는 비조화성을 띤다. P.M. 모스가 유도한 모스 퍼텐셜은 비조화적인 신장과 압축을 겪는 이원자 분자의 에너지 곡선에 잘 맞는 경험적 표현식이다. 슈뢰딩거 방정식을 사용하면 진동 변화에 대한 선택 규칙을 얻을 수 있다.

:

\bigtriangleup v = \pm 1, \pm 2, \pm 3, \cdot\cdot\cdot

^[25]

분자의 진동 모드가 적외선 활성을 가지려면 분자 쌍극자 모멘트의 변화가 있어야 한다. 영구 쌍극자는 필요하지 않으며, 규칙에 따라 쌍극자 모멘트의 ''변화''만 필요하다.^[26]

분자는 여러 방식으로 진동할 수 있으며, 각 방법을 '''진동 모드'''라고 한다. N개의 원자를 가진 분자의 경우, 선형 분자는 3N – 5개, 비선형 분자는 3N – 6개의 진동 모드(진동 자유도)를 갖는다. 예를 들어, 선형 이산화탄소(CO₂)는 4개, 비선형 물(H₂O)은 3개의 진동 모드를 갖는다.^[27]

이산화탄소 분자의 신축 및 굽힘 진동. 왼쪽 위: 대칭 신축. 오른쪽 위: 비대칭 신축. 아래 줄: 축퇴된 쌍의 굽힘 모드.

이원자 분자는 하나의 결합과 하나의 진동 띠만을 갖는다. 대칭적인 분자(N₂)는 적외선 스펙트럼에서 관찰되지 않고 라만 스펙트럼에서만 관찰된다. 비대칭 이원자 분자(CO)는 적외선 스펙트럼에서 흡수된다. 복잡한 분자는 많은 결합을 가지며, 진동 스펙트럼은 더 복잡해진다.

유기 화합물에서 흔한 CH₂X₂기(X는 다른 원자)는 아홉 가지 방식으로 진동할 수 있다. CH₂ 부분만을 포함하는 여섯 가지 진동은 두 가지 '''신축''' 모드(ν): '''대칭'''(ν_s) 및 '''비대칭'''(ν_as); 네 가지 '''굽힘''' 모드: '''가위질'''(δ), '''흔들림'''(ρ), '''흔들림'''(ω) 및 '''비틀림'''(τ)이다.

	대칭	비대칭
방사형	대칭 신축 (ν_s)	비대칭 신축 (ν_as)
위도 방향	가위질 (δ)	흔들림 (ρ)
경도 방향	흔들림 (ω)	비틀림 (τ)

이 그림은 C 원자의 "반동"을 나타내지는 않지만, 가벼운 H 원자의 운동보다는 훨씬 작다.

가장 기본적인 적외선 띠는 정규 모드의 여기에서 발생하며, 기저 상태에서 진동 양자수 ''v'' = 0에서 ''v'' = 1인 첫 번째 여기 상태로의 전이에서 발생한다. 배음띠는 기저 상태에서 ''v'' = 2인 두 번째 여기 진동 상태로의 전이로 인해 발생하며, 기본 띠 에너지의 약 두 배에서 나타난다. ''결합 모드''는 하나 이상의 정규 모드의 동시 여기를 포함한다. 페르미 공명은 두 모드의 에너지가 유사할 때 발생하며, 띠의 에너지와 강도에 예상치 못한 변화를 초래한다.

3. 2. 쌍극자 모멘트 변화

분자가 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변해야 적외선 흡수가 일어난다.^[24] 라만 효과는 분자가 진동하면서 분극률이 변할 때 나타난다.

일산화탄소(CO)나 염화수소(HCl)처럼 쌍극자 모멘트가 있는 분자는 적외선 분광법과 라만 분광법 모두에서 진동이 관측된다. 반면, 수소 분자(H₂)나 질소 분자(N₂)처럼 원자핵이 같은 이원자 분자는 진동해도 쌍극자 모멘트가 변하지 않아 적외선 흡수가 일어나지 않는다. (분극률은 변하므로 라만 산란은 관측된다.)

3. 3. 선택 규칙

보른-오펜하이머 근사와 조화 진동 근사(즉, 전자 바닥 상태에 해당하는 분자 해밀토니안이 평형 분자 구조 근처에서 조화 진동자로 근사될 수 있을 때)에서, 공명 주파수는 분자 전자 바닥 상태 퍼텐셜 에너지 곡면에 해당하는 정규 모드의 진동과 관련이 있다. 슈뢰딩거 방정식을 사용하면 진동 변화를 겪는 계의 진동 양자수에 대한 선택 규칙을 얻을 수 있다.^[24]

:

\bigtriangleup v =\pm 1

실제 분자는 완벽하게 탄성적이지 않다. 예를 들어 원자 사이의 결합이 늘어나면 결합이 끊어지고 분자가 원자로 해리되는 지점이 있다. 따라서 실제 분자는 완벽한 조화 운동에서 벗어나고 그 분자 진동 운동은 비조화성을 띤다. P.M. 모스는 비조화적인 신장과 압축을 겪는 이원자 분자의 에너지 곡선에 잘 맞는 경험적 표현식( 모스 함수)을 유도하였다. 슈뢰딩거 방정식을 사용하면 진동 변화를 겪는 계에 대한 선택 규칙을 얻을 수 있다.

:

\bigtriangleup v = \pm 1, \pm 2, \pm 3, \cdot\cdot\cdot

^[25]

적외선의 흡수는 분자 진동에 따라 쌍극자 모멘트가 변화할 때 발생한다. 한편, 라만 효과는 분자의 진동에 따라 분극률이 변화할 때 관측된다.

일산화탄소(CO)나 염화수소(HCl)와 같은 분자의 진동은 적외선 분광법과 라만 분광법 모두에서 관측된다. 반면, 수소 분자(H₂)나 질소 분자(N₂)와 같은 핵이 같은 이원자 분자의 경우, 진동이 발생해도 쌍극자 모멘트는 변화하지 않으므로 적외선 흡수를 보이지 않는다(분극률은 변화하므로 라만 산란은 관측된다).

3. 4. 비조화성

실제 분자는 완벽하게 탄성적이지 않기 때문에, 분자 진동은 비조화성을 띤다. 예를 들어 원자 사이의 결합이 늘어나면 결국 결합이 끊어져 분자가 원자로 해리되는 지점에 이르게 된다. 이러한 비조화적인 신축과 압축을 겪는 이원자 분자의 에너지 곡선은 P.M. 모스에 의해 유도되었으며, 모스 함수라고 불린다. 슈뢰딩거 방정식을 사용하면 진동 변화를 겪는 계에 대한 선택 규칙은 다음과 같다.^[25]

\bigtriangleup v = \pm 1, \pm 2, \pm 3, \cdot\cdot\cdot

3. 5. 배음띠와 결합 모드

분자의 진동에서 조화 진동자는 선택 규칙에 의해

\bigtriangleup v =\pm 1

전이만 허용되지만, 실제 분자는 비조화성을 띄므로

\bigtriangleup v = \pm 1, \pm 2, \pm 3, \cdot\cdot\cdot

와 같은 전이도 가능합니다.^[25] 이로 인해 기본 진동수(fundamental frequency)의 정수배에 해당하는 진동수에서 흡수띠가 나타나는데, 이를 배음띠(overtone)라고 합니다. 예를 들어, 기본 진동수가 ν에서 흡수가 일어난다면, 2ν, 3ν 등에서도 흡수가 나타납니다.

두 가지 이상의 진동 모드가 결합하여 새로운 진동 모드를 형성할 수 있는데, 이를 결합 모드(combination mode)라고 합니다. 결합 모드는 서로 다른 진동수의 합이나 차로 나타나는 진동수에서 흡수띠를 만듭니다. 예를 들어, 진동수 ν₁과 ν₂를 갖는 두 진동 모드가 결합하면, ν₁ + ν₂ 또는 ν₁ - ν₂에서 흡수가 나타날 수 있습니다.

만약 기본 진동 모드와 배음띠 또는 결합 모드의 진동수가 서로 비슷하면, 이들 사이에 상호작용이 일어나 흡수띠의 위치와 세기가 변하는 페르미 공명 현상이 발생할 수 있습니다.

3. 6. Badger의 규칙

많은 종류의 시료에서 어떤 결합 변형이 어떤 진동수와 관련되는지 할당이 알려져 있다. 이러한 경우, Badger의 규칙이라고 불리는 경험적 지침에 의존하여 결합 강도에 대한 추가 정보를 얻을 수 있다. 1934년 리처드 맥린 배저(Richard McLean Badger)가 처음 발표한^[46] 이 규칙은 결합의 강도(힘 상수 측면에서)가 결합 길이와 상관관계가 있다고 명시한다. 즉, 결합 강도가 증가하면 결합 길이가 짧아지고 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

3. 7. 동위원소 효과

구조에 따라 특정 진동수의 빛을 흡수하는 분자의 성질을 이용하여, 동위원소 치환에 따른 진동 주파수 변화를 관찰할 수 있다. 이러한 흡수는 공명 주파수에서 발생하는데, 이는 흡수된 빛의 주파수가 분자 진동 주파수와 일치할 때이다. 이 에너지는 분자 퍼텐셜 에너지 곡면의 형태, 원자의 질량, 그리고 관련된 전자-진동 결합에 영향을 받는다.^[24]

특히, 보른-오펜하이머 근사와 조화 진동 근사에서 공명 주파수는 분자 전자 바닥 상태 퍼텐셜 에너지 곡면에 해당하는 정규 모드의 진동과 관련이 있다. 따라서 이는 결합의 종류와 관련된 원자의 질량 모두에 의존한다. 슈뢰딩거 방정식을 사용하면 진동 변화를 겪는 계의 진동 양자수에 대한 선택 규칙을 얻을 수 있다.

:

\bigtriangleup v =\pm 1

일산화탄소(CO)나 염화수소(HCl)와 같은 분자의 진동은 적외선 분광법과 라만 분광법 모두에서 관측된다. 반면, 수소 분자(H₂)나 질소 분자(N₂)와 같이 핵이 같은 이원자 분자의 경우, 진동이 발생해도 쌍극자 모멘트는 변화하지 않으므로 적외선 흡수를 보이지 않는다.

4. 측정 방법

적외선 분광법에서 시료의 적외선 스펙트럼은 적외선 빔을 시료에 통과시켜 측정한다. 빔의 주파수가 분자 결합의 진동 주파수와 일치하면 흡수가 일어나는데, 투과된 빛을 조사하여 각 주파수에서 흡수된 에너지의 양을 파악한다. 이 측정은 단색화장치를 사용하여 파장 범위를 스캔하거나, 푸리에 변환 기기를 사용하여 전체 파장 범위를 측정한 후 투과율 또는 흡광도 스펙트럼을 추출하는 방식으로 수행된다.

이 기술은 주로 공유 결합을 가진 시료 분석에 사용되며, 띠의 수는 분자의 대칭성 및 복잡성과 관련이 있다.

물질에 적외선을 조사하면 분자가 빛 에너지를 흡수하여 진동 또는 회전 상태가 변한다. 투과 또는 반사된 적외선은 조사한 적외선보다 약해지는데, 이 차이를 검출하여 분자가 흡수한 에너지를 구한다. 이를 통해 대상 물질의 화학구조를 알 수 있으며, 특히 유기화합물의 구조결정에 자주 사용된다.

적외선 현미경을 사용하면 분해능 한계를 극복할 수 있는데, IR 근거리장 주사 광학 현미경(NSOM)^[33], 광열 미세 분광법, 나노-FTIR, 원자힘 현미경 기반 적외선 분광법(AFM-IR) 등이 이에 해당한다.^[34]

측정 대상에 따라 다음과 같은 방법이 사용된다.

반사흡수(RA)법: 금속 표면의 박막이나 분자 흡착종의 적외선 스펙트럼을 고감도로 측정하는 방법이다. 적외선의 p-편광을 큰 입사각으로 입사시켜 반사광을 측정한다.^[53]
외부반사법: 비금속 표면의 박막이나 분자 흡착종의 적외선 스펙트럼을 측정하는 반사 측정법이다. s-편광 및 p-편광 모두 이용 가능하며, 입사각에 따라 흡수 스펙트럼의 형태와 강도, 부호가 변한다.
감쇠전반사(ATR)법: 내부반사법의 일종으로, 시료를 굴절률이 큰 결정에 밀착시키고 입사각을 임계각보다 크게 하여 전반사가 일어나도록 한다.^[51] 전반사 시 계면에서 빛이 시료 쪽으로 들어갔다가 반사되는데, 시료에 흡수가 있으면 반사광의 에너지가 감소한다. 이 반사광을 측정하여 스펙트럼을 얻는다.

일반적으로 시료와 기준 물질의 스펙트럼을 모두 기록하여 적외선 검출기 등 스펙트럼에 영향을 줄 수 있는 변수를 제어하고 기기의 영향을 제거한다. 일부 기기는 저장된 수천 개의 기준 스펙트럼을 바탕으로 측정 물질을 자동으로 식별하기도 한다.

4. 1. 시료 준비

적외선 분광법에서 시료의 스펙트럼은 적외선 빔을 시료에 통과시켜 기록한다. 띠의 수는 대략적으로 분자의 대칭성 및 복잡성과 관련이 있다.^[29]

적외선 빔 경로에 시료를 고정하는 데에는 다양한 장치가 사용된다. 이러한 장치는 관심 영역에서의 투명성과 시료에 대한 내구성을 기준으로 선택된다. 일반적으로 시료와 "기준 물질"의 스펙트럼을 모두 기록하는데, 이 과정을 통해 적외선 검출기와 같이 스펙트럼에 영향을 줄 수 있는 여러 변수를 제어하고 기기의 영향을 제거할 수 있다.

광음향 분광법(photoacoustic spectroscopy)에서는 시료 처리가 거의 필요하지 않다. 액체 또는 고체 시료를 시료 컵에 넣고 광음향 셀에 삽입한 다음 측정을 위해 밀봉하면 된다.

감쇠 전반사(attenuated total reflectance) 분광법은 시료를 절단할 필요 없이 고체 시료를 분석하는 유용한 방법이다. 이 방법을 사용하면 시료를 단결정 표면에 압착하게 되는데, 적외선은 결정을 통과하고 두 물질의 계면에서만 시료와 상호 작용한다.

4. 1. 1. 기체 시료

기체 시료를 측정할 때에는 특수한 셀을 사용하여 투과 측정을 할 수 있다.^[51] 이 셀은 창판을 좌우에 끼운 원통형 등의 형태를 가진다.^[51]

4. 1. 2. 액체 시료

액체 시료는 두 장의 염판 사이에 끼워 넣을 수 있다. 염판은 보통 염화나트륨(NaCl, 일반 소금)을 사용하지만, 브롬화칼륨(KBr)이나 플루오르화칼슘(CaF₂)과 같은 다른 염도 사용된다.^[30] 염판은 적외선을 투과시키며 스펙트럼에 선을 나타내지 않는다.

최근에는 컴퓨터 필터링 및 결과 조작 기술의 발전으로 용액 상태의 시료를 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 물은 관심 영역에 걸쳐 넓은 흡광도를 나타내므로, 이러한 컴퓨터 처리 없이는 스펙트럼을 읽을 수 없다.

적외선 시료 용기 재료^[29]
재료	투명도 범위 (cm⁻¹)	주석
염화나트륨	5000-650	물, 저급 알코올, 일부 아민에 의해 부식(용해)됨
플루오르화칼슘	4200-1300	대부분의 용매에 불용성
염화은	5000-500	아민, 유황 함유 유기 화합물에 의해 부식(용해)됨

4. 1. 3. 고체 시료

고체 시료는 다양한 방법으로 준비할 수 있다.

누졸법(Nujol법): 시료를 유성 몰링제(보통 미네랄 오일 누졸(Nujol))와 함께 분쇄한다. 이 풀의 얇은 막을 염판에 바르고 측정한다.
정제법(錠剤法): 시료의 일정량을 특수하게 정제된 염(보통 브롬화칼륨(potassium bromide))과 미세하게 갈아서(큰 결정으로 인한 산란 효과를 제거하기 위해) 분말 혼합물을 만든 다음, 기계식 압착기로 압착하여 투명한 펠릿을 만든다. 분광기의 빔이 이 펠릿을 통과할 수 있다.^[30]
주조 필름법: 주로 고분자 재료에 사용되는 기술이다. 시료를 먼저 적절한 비흡습성 용매에 용해한다. 이 용액 한 방울을 KBr 또는 NaCl 셀 표면에 떨어뜨린다. 그런 다음 용액을 건조시켜 셀에 형성된 필름을 직접 분석한다. 필름이 너무 두꺼우면 빛이 통과할 수 없으므로 주의가 필요하다. 이 기술은 정성 분석에 적합하다.
미세 절편법(microtomy): 미세 절편법(microtomy)을 사용하여 고체 시료에서 얇은(20–100 μm) 필름을 절단하는 것이다. 이것은 예를 들어 파손된 플라스틱 제품을 분석하는 가장 중요한 방법 중 하나인데, 고체의 무결성이 유지되기 때문이다.

시료의 제조 방법은 측정 대상에 따라 다음과 같은 방법이 사용된다.

누졸법(Nujol법): 측정 물질을 적외선을 투과하는 용매에 녹여 NaCl 판으로 挟는다. 용매는 대부분 유동 파라핀(パラフィン)이 사용된다.
정제법(錠剤法): KBr 분말에 측정 물질을 고르게 섞어 압축하여 정제로 성형한다.^[51]

4. 2. 측정 장비

적외선 분광법에 사용되는 측정 장비는 광원, 시료부, 분광부, 검출기로 구성된다. 현재 널리 사용되는 장비는 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR) 장치이며, 회절격자를 이용한 분산형 적외선 분광 광도계도 있다.^[51]

FT-IR은 분산형에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.

펠게의 장점(다중화 장점): 모든 주파수의 정보를 동시에 수집하여 속도와 신호대잡음비를 높인다.
자퀴노의 투과율 장점: 분산 측정보다 훨씬 낮은 광량을 검출해도 된다.^[32]

물질에 적외선을 조사하면 분자가 빛 에너지를 흡수하여 진동 또는 회전 상태가 변한다. 투과 또는 반사된 적외선은 조사한 적외선보다 약해지는데, 이 차이를 검출하여 분자가 흡수한 에너지를 구하고, 이를 통해 대상 물질의 화학 구조를 알 수 있다. 특히 유기화합물의 구조 결정에 자주 사용된다.

적외선 현미경을 사용하면 분해능 한계를 극복할 수 있다. IR 근거리장 주사 광학 현미경(NSOM)^[33], 광열 미세 분광법, 나노-FTIR, 원자힘 현미경 기반 적외선 분광법(AFM-IR) 등이 이에 해당한다.^[34]

4. 2. 1. 광원

주요 광원으로는 12500~3800cm⁻¹ 영역에서는 텅스텐-요오드 램프가, 7800~240cm⁻¹ 영역에서는 고휘도 세라믹 광원이 사용된다.^[51]

4. 2. 2. 분광부

'''푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법'''은 적외선 스펙트럼을 기록할 수 있는 측정 기술이다. 이 방법은 "펠게의 장점" 또는 "다중화 장점"이라고 불리는 이점 덕분에 속도와 신호대잡음비가 모두 향상된다. 또한 "자퀴노의 투과율 장점"으로 인해 분산 측정보다 훨씬 낮은 광량을 검출해도 된다.^[32]

현재 널리 사용되는 적외선 분광 장치는 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR) 장치이다. FT-IR의 분광부에는 주로 마이켈슨 간섭계가 사용되며, 분광소자(프리즘이나 회절격자)는 사용되지 않는다.

FTIR 측정에서 얻은 간섭도. 가로축은 거울의 위치이고, 세로축은 검출된 빛의 양이다. 이것은 실제 스펙트럼을 얻기 위해 푸리에 변환될 수 있는 "원시 데이터"이다.

이 간섭계는 하나의 '''반투과거울'''과 두 개의 거울( '''고정거울'''과 '''이동거울''')로 구성된다. 작동 원리는 다음과 같다.

간섭계에 입사된 빛은 반투과거울에 의해 반사광과 투과광으로 나뉜다.
한쪽 빛은 고정거울에서 반사되고, 다른 한쪽 빛은 이동거울에서 반사되어 다시 반투과거울로 돌아와 합쳐져 검출기로 진행한다.
반투과거울에서 두 개의 거울까지의 광로가 같으면 빛의 간섭이 발생하지 않으므로 강도는 최대가 된다.
이동거울이 움직여 광로 차이가 발생하면 두 반사광 사이에 간섭이 발생하여 빛의 강도가 변화한다.
단색광(파장 λ)이라고 가정하면, 광로 차가 파장의 정수배(nλ)일 때 간섭에 의해 강해져 빛의 강도는 최대가 된다. 반면, 광로 차가 nλ + λ/2일 때 빛의 강도는 0이 된다.
이동거울을 연속적으로 움직이면 검출기에서 관측되는 빛의 강도는 사인 곡선을 그린다.

실제 측정에서는 빛이 연속광이므로, 관측되는 빛의 강도는 각 파장이 그리는 사인 곡선의 중첩이 되고, 간섭 패턴(인터페로그램)은 파수의 형태를 보인다. 이 간섭 패턴을 고속 푸리에 변환(FFT)함으로써, 각 주파수 성분을 가로축으로 한 스펙트럼으로 변환할 수 있다.

이 분광계에서는 FFT 연산에 견딜 수 있는 정확한 간섭무늬의 측정이 필요하므로, 이동거울의 위치를 정밀하게 측정하는 것이 필수적이다. 따라서, He-Ne레이저를 분광기 내부에 장착하여 적외선뿐만 아니라 레이저 광선의 간섭무늬도 동시에 측정하도록 설계되어 있다. 그 결과, 파수 도메인의 스펙트럼으로 변환한 후에도 정확한 가로축이 재현성 있게 얻어지고, 적산 측정을 이상적으로 수행할 수 있다. 즉, S/N비를 크게 향상시킬 수 있다.

4. 2. 3. 검출기

FT-IR의 검출기에는 주로 반도체형 카드뮴수은텔루라이드(HgCdTe, 약칭 MCT) 검출기 또는 초전형 황산트리글리신(Triglycine sulfate, 약칭 TGS(또는 중수소화된 DTGS)) 검출기가 사용된다. MCT는 어두운 적외선(5000～650 cm⁻¹)을 고감도로 검출하는 데 적합하며, 액체 질소 온도에서 작동한다. 반면, TGS는 상온에서 작동하며, 밝은 적외선을 넓은 다이나믹 레인지로 측정(7800～350 cm⁻¹)하는 데 적합하다. 따라서 투과율이나 반사율이 높은 시료를 측정하는 데는 TGS가 적합하고, 반대로 외부 반사법이나 다중 반사형 ATR 측정에는 MCT가 적합한 경우가 많다.

근적외선에는 InGaAs나 PbSe와 같은 검출기가 사용되며, 12500～3800 cm⁻¹을 검출한다.

4. 3. 기준 물질 비교

이중빔 흡수 분광계의 개략도. 적외선 광선이 생성되어 단색화장치(그림에는 표시되지 않음)를 통과한 다음 두 개의 분리된 빔으로 분리된다. 하나는 시료를 통과하고, 다른 하나는 기준 물질을 통과한다. 두 빔은 모두 검출기쪽으로 반사되지만, 먼저 분할기를 통과하여 두 빔 중 어느 것이 검출기에 들어가는지 빠르게 번갈아 가며 전환된다. 그런 다음 두 신호를 비교하여 출력물을 얻는다. 이 "이중빔" 설정은 광원의 강도가 시간에 따라 변동하더라도 정확한 스펙트럼을 제공한다.

시료와 "기준 물질"의 스펙트럼을 모두 기록하는 것이 일반적이다. 이 단계는 스펙트럼에 영향을 줄 수 있는 여러 변수(예: 적외선 검출기)를 제어한다. 기준 측정을 통해 기기의 영향을 제거할 수 있다.

적절한 "기준 물질"은 측정 및 목표에 따라 달라진다. 가장 간단한 기준 측정은 시료를 제거(대기로 교체)하는 것이다. 그러나 때로는 다른 기준 물질이 더 유용할 수 있다. 예를 들어, 시료가 비커에 담긴 물에 희석된 용질인 경우, 좋은 기준 측정은 같은 비커에 담긴 순수한 물을 측정하는 것이다. 그러면 기준 측정은 모든 기기 특성(사용되는 광원 등)뿐만 아니라 물과 비커의 빛 흡수 및 반사 특성도 제거하고, 최종 결과는 용질의 특성만(적어도 대략적으로) 나타낸다.

기준 물질과 비교하는 일반적인 방법은 순차적인 방법이다. 먼저 기준 물질을 측정한 다음 기준 물질을 시료로 교체하고 시료를 측정한다. 이 기술은 완벽하게 신뢰할 수 있는 것은 아니다. 적외선 램프가 기준 측정 중에는 약간 더 밝고 시료 측정 중에는 약간 더 어두운 경우 측정이 왜곡된다. "이중빔" 설정(그림 참조)과 같은 보다 정교한 방법은 이러한 유형의 효과를 수정하여 매우 정확한 결과를 제공할 수 있다. 표준 첨가법을 사용하여 이러한 오차를 통계적으로 제거할 수 있다.

그럼에도 불구하고 기체 종 검출에 사용되는 다양한 흡수 기반 기술 중 공진기 링다운 분광법(CRDS)은 교정이 필요 없는 방법으로 사용할 수 있다. CRDS는 광자 수명(레이저 강도가 아님) 측정을 기반으로 하기 때문에 어떠한 교정이나 기준 물질과의 비교도 필요하지 않다.^[31]

일부 기기는 저장된 수천 개의 기준 스펙트럼 저장소에서 측정 중인 물질을 자동으로 식별하기도 한다.

5. 응용 분야

1960년대, 디에틸톨루아미드(DEET) 살충제를 분석하는 데 사용된 적외선 분광 광도계

미국 식품의약국(FDA) 과학자가 휴대용 근적외선 분광법 장치를 사용하여 불법 물질을 탐지하는 모습

적외선 분광법은 유기 및 무기 화학 분야의 연구와 산업에서 널리 사용되는 신뢰할 수 있는 기술이다. 품질 관리, 동적 측정 및 모니터링, 법과학 분석, 폴리머 분석, 식품 분석, 환경 감시, 재료 과학, 예술품 분석, 의학 등 다양한 분야에 활용된다.

측정 및 모니터링: 적외선 가스 분석기를 사용하여 온실과 배양실의 이산화탄소(CO₂^영어) 농도를 장기간 측정하는 등 품질 관리 및 동적 측정에 사용된다.
법과학 분석: 형사 및 민사 사건에서 폴리머 분해를 식별하거나, 음주 운전 의심 운전자의 혈중 알코올 농도를 측정하는 데 사용된다.
폴리머 분석: 제조 과정에서 중합도를 측정하고, 폐플라스틱 재활용 과정에서 PET, HDPE 등 서로 다른 폴리머를 분류한다.
식품 분석: 다양한 식품의 화합물 농도를 측정한다.
환경 감시: DP-IR 및 EyeCGAs와 같은 가스 누출 감지 장치를 통해 천연 가스 및 원유 운송 과정에서 탄화수소 가스 누출을 감지한다.
재료 과학: 실리콘, 갈륨 비소 등 반도체 분석에 활용된다.
예술품 분석: 회화^[2], 서적^[3], 장식 필사본^[4] 등의 안료를 식별한다.
의학: 기계 학습 및 인공 지능과 결합하여 빠르고 정확하며 비침습적인 세균 감지에 활용될 수 있다.

최근에는 클라우드 기반 데이터베이스에 연결되는 소형 적외선 분광계^[10], 스마트폰 등에 내장 가능한 근적외선 분광 칩^[11] 개발도 진행 중이다. 촉매 연구에서는 촉매 특성화 및 중간체 감지에 유용하게 활용된다.^[12]^[13]^[14]^[15]

5. 1. 유기화학

적외선 흡수 스펙트럼은 비교적 간단한 장치로 측정할 수 있어, 오래전부터 화학 물질 동정에 이용되어 왔다.

적외선이 흡수되는 파장은 분자의 작용기(금속 착물의 경우 리간드)에 거의 고유하므로, 측정 대상 분자에 포함된 작용기를 알 수 있다. 특히 히드록시기(O-H), 카르보닐기(C=O), 니트로기(NO₂) 등은 특징적인 강한 흡수를 나타내어, 니트로 화합물, 케톤, 알데히드, 카르복실산, 카르복실산 유도체, 알코올, 페놀류의 정성 분석이 용이하다.

1300~650cm⁻¹ 영역(지문 영역)에는 미세한 흡수가 많이 나타나며, 그 패턴은 물질에 고유하다. 따라서 이 영역의 흡수를 기지 시료 또는 스펙트럼 데이터베이스^[52]와 대조하여 물질을 동정할 수 있다.

적외선 분광법은 구조 조사에 사용된다. 각 작용기는 특징적인 흡수 강도와 흡수 에너지(파수)를 갖는다. 흡수띠 에너지는 아래 상관표에 요약되어 있다.

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5. 2. 무기화학

적외선 분광법은 유기 및 무기 화학 분야의 연구와 산업에서 널리 사용되는 간단하고 신뢰할 수 있는 기술이다.

5. 3. 고분자 과학

적외선 분광법은 폴리머 제조 과정에서 중합도를 측정하는 데 유용하다. 특정 결합의 특성이나 양의 변화를 시간 경과에 따라 특정 주파수에서 측정하여 평가하며, 이를 통해 반응 메커니즘과 반응 진행 상황에 대한 정보를 얻을 수 있다.

또한, 적외선 분광법은 법과학 분석에서 폴리머 분해를 식별하고, 가정용 폐플라스틱 재활용 과정에서 PET, HDPE 등 서로 다른 폴리머를 분류하는 데에도 활용된다.^[9]

5. 4. 법과학

적외선 분광법은 형사 및 민사 사건에서 법과학 분석에 사용된다. 예를 들어 폴리머 분해를 식별하는 데 사용될 수 있으며, 음주 측정 의심 운전자의 혈중 알코올 농도를 측정하는 데에도 사용될 수 있다.^[2]^[3]^[4]

5. 5. 식품 산업

적외선 분광법은 다양한 식품의 화합물 농도를 측정하는 데 사용된다.^[6]^[7]

5. 6. 환경 감시

적외선 분광법은 유기 및 무기 화학 분야의 연구와 산업에서 널리 사용되는 간단하고 신뢰할 수 있는 기술이다. 품질 관리, 동적 측정 및 모니터링 응용 분야, 예를 들어 적외선 가스 분석기를 사용한 온실 및 배양실의 이산화탄소(CO₂^영어) 농도 장기간 무인 측정에 사용된다.

5. 7. 재료 과학

적외선 분광법은 실리콘, 갈륨 비소, 갈륨 질화물, 셀렌화 아연, 비정질 실리콘, 질화규소 등의 반도체 분석에 활용된다.^[5]

5. 8. 예술품 분석

적외선 분광법은 회화^[2], 서적^[3]과 같은 미술품^[4]의 안료 식별에 사용되었으며, 장식 필사본 등이 그 예이다.^[4]

5. 9. 의학

적외선 분광법은 의학 분야에서 질병 진단, 생체 분자 분석, 세균 감지 등에 활용된다.^[16] 특히 기계 학습 및 인공 지능과 결합하여 빠르고 정확하며 비침습적인 세균 감지에 잠재력을 가지고 있다. 핵산, 단백질, 탄수화물, 지방산 등 박테리아의 복잡한 화학적 구성을 분석하여 고차원 데이터 세트를 생성하고, 이를 통해 세균의 속(^[17]), 종(^[18]), 혈청형(^[19]) 분류 및 항균 감수성 검사(^[20])(^[21])(^[22])를 수행할 수 있다. 이는 광범위 항생제의 불필요한 사용을 줄이는 데 기여할 수 있다. 임상 응용을 위한 주요 한계는 기술 장비 및 샘플 준비 기술에 대한 높은 민감도로 인해 대규모 데이터베이스 구축이 어렵다는 점이지만, Bruker는 식품 미생물학을 위한 IR Biotyper를 통해 이 방향으로 노력하고 있다.^[23]

5. 10. 기타

적외선 분광법은 유기 및 무기 화학 분야의 연구와 산업에서 널리 사용되는 간단하고 신뢰할 수 있는 기술이다. 품질 관리, 동적 측정 및 모니터링 응용 분야(예: 적외선 가스 분석기를 사용한 온실 및 배양실의 CO₂ 농도 장기간 무인 측정)에 사용된다.

또한 형사 및 민사 사건 모두에서 법과학 분석에 사용되며, 예를 들어 폴리머 분해를 식별하는 데 사용된다. 음주 측정 의심 운전자의 혈중 알코올 농도를 결정하는 데 사용할 수 있다.

적외선 분광법은 회화^[2] 및 서적^[3]과 같은 다른 미술품^[4]의 안료 식별에 사용되었다. 예를 들어 장식 필사본을 들 수 있다.^[4]

적외선 분광법은 또한 폴리머 제조에서 중합도를 측정하는 데 유용하다. 특정 결합의 특성 또는 양의 변화는 시간 경과에 따라 특정 주파수에서 측정하여 평가한다. 기기는 일반적으로 매초 여러 스펙트럼을 현장에서 기록하여 반응 메커니즘(예: 중간체 탐지)과 반응 진행 상황에 대한 통찰력을 제공한다.

적외선 분광법은 반도체 마이크로 전자 분야에서 활용된다.^[5] 예를 들어, 적외선 분광법은 실리콘, 갈륨 비소, 갈륨 질화물, 셀렌화 아연, 비정질 실리콘, 질화규소 등과 같은 반도체에 적용할 수 있다.

적외선 분광법의 또 다른 중요한 응용 분야는 다양한 식품의 다양한 화합물의 농도를 측정하는 식품 산업이다.^[6]^[7]

적외선 분광법은 DP-IR 및 EyeCGAs와 같은 가스 누출 감지 장치에도 사용된다.^[8] 이러한 장치는 천연 가스 및 원유 운송 과정에서 탄화수소 가스 누출을 감지한다.

적외선 분광법은 가정용 폐플라스틱 재활용 과정에서 중요한 분석 방법이며, 서로 다른 폴리머(PET, HDPE 등)의 플라스틱을 분류하는 편리한 비접촉식 방법이다.^[9]

기타 개발에는 클라우드 기반 데이터베이스에 연결되고 개인의 일상적인 사용에 적합한 소형 적외선 분광계^[10] 및 스마트폰과 다양한 장치에 내장할 수 있는 근적외선 분광 칩^[11]가 있다.

촉매 연구에서는 촉매를 특성화하는 데 매우 유용한 도구일 뿐만 아니라 중간체를 감지하는 데에도 유용하다.^[12]^[13]^[14]^[15]

기계 학습과 인공 지능과 결합된 적외선 분광법은 박테리아의 빠르고 정확하며 비침습적인 감지에도 잠재력을 가지고 있다.^[16] 핵산, 단백질, 탄수화물 및 지방산을 포함한 박테리아의 복잡한 화학적 구성은 고차원 데이터 세트를 생성하며, 여기서 필수 기능은 전체 스펙트럼 아래에 효과적으로 숨겨져 있다. 따라서 필수 기능을 추출하려면 기계 학습 및 심층 신경망과 같은 고급 통계 방법이 필요하다. 속^[17], 종^[18] 및 혈청형^[19] 분류 수준에서의 박테리아 분류에 대한 이 기술의 잠재력이 입증되었으며, 항균 감수성 검사^[20]^[21]^[22]에도 유망한 것으로 나타났다. 이는 광범위 항생제로 불필요한 맹목적 치료를 줄이는 더 빠른 감수성 검사가 필요한 많은 임상 환경에서 중요합니다. 임상 응용을 위한 이 기술의 주요 한계는 기술 장비 및 샘플 준비 기술에 대한 높은 민감도로 대규모 데이터베이스를 구축하기 어렵다는 것이다. 그러나 Bruker는 식품 미생물학을 위한 IR Biotyper로 이 방향으로 시도해 왔다.^[23]

6. 추가 정보

적외선 분광법은 작용기들이 세기와 위치(주파수) 측면에서 특징적인 흡수띠를 나타내기 때문에 화합물의 구조 확인에 자주 사용된다.^[45] 이 흡수띠들의 위치는 적외선 분광법 상관표에 요약되어 있다.^[45]

적외선 분광기는 종종 다음 두 영역으로 해석된다.^[45]

작용기 영역 ( $\geq 1,500 \text{ cm}^{-1}$ ): 작용기당 하나 또는 몇 개의 흡수 봉우리(트로프)가 나타난다.^[45]
지문 영역 ( $< 1,500 \text{ cm}^{-1}$ ): 복잡한 패턴을 형성하는 많은 흡수 봉우리(트로프)가 나타나며, 이는 지문처럼 화합물을 확인하는 데 사용될 수 있다.^[45]

6. 1. 적외선 흡수 스펙트럼 해석

적외선 분광법은 작용기들이 세기와 위치(주파수) 측면에서 특징적인 흡수띠를 나타내기 때문에 구조 확인에 자주 사용된다. 이러한 띠의 위치는 적외선 분광법 상관표에 요약되어 있다.^[45]

분광기는 종종 두 영역으로 해석된다.^[45]

작용기 영역 ( $\geq 1,500 \text{ cm}^{-1}$ ): 작용기당 하나 또는 몇 개의 흡수 봉우리(트로프)가 나타난다.^[45]
지문 영역 ( $< 1,500 \text{ cm}^{-1}$ ): 복잡한 패턴을 형성하는 많은 흡수 봉우리(트로프)가 나타나며, 이는 지문처럼 화합물을 확인하는 데 사용될 수 있다.^[45]

물질에 적외선을 조사하면, 물질을 구성하는 분자가 빛의 에너지를 흡수하여 양자화된 진동 또는 회전 상태가 변화한다. 이 차이를 검출함으로써, 분자가 흡수한 에너지, 즉 대상 분자의 진동·회전 여기에 필요한 에너지를 구할 수 있다.

분자의 진동·회전 여기에 필요한 에너지는 분자의 화학구조에 따라 다르다. 따라서, 조사한 적외선의 파수를 가로축에, 흡광도를 세로축에 취하여^[51] 얻어지는 '''적외선 흡수 스펙트럼'''은 분자에 고유한 형태를 나타낸다. 이를 통해 대상 물질이 어떤 구조인지 알 수 있으며, 특히 유기화합물의 구조결정에 자주 사용된다. 스펙트럼 중 파수 1500cm^-1 이상의 부분을 '''진단 영역''', 그 이외의 부분을 '''지문 영역'''이라고 한다. 전자는 이중결합, 삼중결합 그리고 수소 원자와 결합하는 것의, 후자는 단일결합의 '''진동 여기''' 결과가 나타난다.

적외선 흡수 스펙트럼은 비교적 간단한 장치로 측정할 수 있기 때문에, 오래전부터 화학 물질의 동정에 이용되어 왔다.

적외선이 흡수되는 파장은 분자의 작용기(금속 착물의 경우 리간드)에 거의 고유하기 때문에, 측정 대상 분자에 포함된 작용기를 알 수 있다. 특히 특성기로서 히드록시기(O-H), 카르보닐기(C=O) 또는 니트로기(NO₂) 등은 특징적인 강한 흡수를 나타내므로, 니트로 화합물, 케톤, 알데히드, 카르복실산, 카르복실산 유도체, 알코올, 페놀류의 정성 분석은 용이하다.

특히 1300~650cm⁻¹ 영역(지문 영역)에는 미세한 흡수가 많이 나타나며, 그 패턴은 물질에 고유한 것이 된다. 따라서 이 영역의 흡수를 기지 시료 또는 스펙트럼 데이터베이스^[52]와 대조함으로써, 그 물질이 무엇인지 동정하는 것이 가능하다.

6. 2. 계산 적외선 현미경

적외선 현미경에는 IR 근거리장 주사 광학 현미경(NSOM)^[33], 광열 미세 분광법, 나노-FTIR, 원자힘 현미경 기반 적외선 분광법(AFM-IR)과 같이 분해능 한계를 뛰어넘는 다양한 형태가 존재한다.^[34]

참조

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_[50] 논문 Two-dimensional infrared spectroscopy of antiparallel beta-sheet secondary structure https://pure.rug.nl/[...] 2004-06-00
_[51] 간행물 一般試験法 2.25 赤外吸収スペクトル測定法, pp. 40–41 厚生労働省 2006
_[52] 간행물 参照赤外吸収スペクトル, pp. 1423-1569 厚生労働省 2006
_[53] 문서 외부반사법

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