자외선 가시광선 분광법

자외선 가시광선 분광법(Ultraviolet–visible spectroscopy; UV-Vis)은 시료가 자외선 영역 및 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 정도를 이용하여 시료를 정성 및 정량 분석하는 방법이다. 이 분석 방법과 이를 수행하는 기기를 간단히 UV-Vis (유브이 비즈)라고 부른다. 적외선 분광법과 함께 상당히 널리, 자주 사용되는 분석 기법이다.

원리

간단히 논하자면, UV-Vis는 시료가 빛 에너지를 흡수하여 시료 물질의 전자가 들뜲으로서 줄어드는 빛의 양을 확인하는 것이다. 흡수하는 빛 에너지의 양은 시료의 농도와 일정한 관계를 가지고, 흡수하는 빛 에너지의 파장은 시료의 분자 오비탈 또는 원자 오비탈과 관계가 있다.

비어의 법칙

이 법칙은 시료를 지나는 빛살의 길이가 일정하고, 시료가 들어있는 용매가 비흡수성일 때 적용되는 흡광도와 농도의 관계를 나타낸다.

[math]A\,{{=}}\,\epsilon_\lambda\,\mathit{b}\,C[/math]

여기에서 [math]A[/math]는 흡광도로서, 단위 없이 분광광도계로 측정되는 값이다. [math]\mathit{b}[/math]은 센티미터 단위로 나타내는 빛살이 지나는 용액의 두께인데, 시판중인 기기에서는 대부분 1 cm이다. [math]C[/math]는 시료의 몰 농도이다. [math]\epsilon_\lambda[/math]는 측정하는 파장 [math]\lambda[/math]에서의 몰 흡수 계수(또는 몰 흡광 계수, molar absorption coefficient)로서, 흡광도를 무단위로 만들기 위해 [math]L \cdot mol^{-1} \cdot cm^{-1}[/math]의 단위를 가지고 있다. 몰 흡수 계수는 물질의 고유한 값이다.

이 법칙은 단색광을 균일한 용액상의 저농도 시료에 쪼였을 때, 용액은 형광이 없으며 용질이 용매와 반응하거나 빛을 흡수하여 반응을 일으키지 않을 때 유효하다. 용액이 형광을 띠거나 빛을 흡수하여 반응하면 이 법칙을 사용해서는 안된다. 여러 시료가 섞여 있는 용액에서는 전체 흡광도를 각 물질의 흡광도의 합으로 표현할 수 있다. 수식으로 나타내면 아래와 같다.

[math]A_{total}\,{{=}}\,A_1\,+\,A_2\,+\,A_3\,+\,\cdots {{=}}\,\epsilon_1\,\mathit{b}\,C_1\,+\epsilon_2\,\mathit{b}\,C_2\,+\epsilon_3\,\mathit{b}\,C_3\,+\cdots[/math]

프랑스 수학자 람베르트(Lambert)의 연구를 토대로 독일의 비어(Auguste Beer)가 제시하였다. 국가에 따라서 비어-람베르트 법칙, 람베르트-비어 법칙이라고도 불린다.

파장의 범위

사용하는 파장의 범위는 대개 180 nm - 1100 nm이며, 고가의 기기는 3300 nm까지의 파장도 쪼일 수 있다. 대기중에서는 190 nm 아래 범위에서 산소와 물이 강한 흡수를 보여 사용할 수 없으므로, 190 nm 아래의 빛살을 쪼일 때에는 진공 상태를 만들어 주어야 한다. 실제 측정은 500 nm - 900 nm 범위가 많다.

기기의 구조

자외선 분광계는 그 구조를 극히 간략화하자면 광원, 빛살 선택기, 검출기로 이루어진다.

광원

중수소등, 텅스텐 필라멘트등, 제논 아크등이 주로 사용된다. 하나의 등으로는 넓은 파장의 빛을 얻을 수 없어서, 실제 기기에는 중수소등과 텅스턴 필라멘트등을 함께 넣어 필요한 파장 대역에서 더 좋은 빛을 자동으로 골라 쓰도록 만들어 놓는다. 광원의 램프는 수명이 정해져 있으므로, 예열을 제외하고는 너무 오랜 시간 켜놓아 램프의 수명을 깎아먹지 않도록 한다.

빛살 선택기

광원에서 뿜어져 나오는 여러 파장이 섞인 빛 중에, 측정에 이용할 단파장의 빛을 골라내는 장치이다. 여러 가지 구조가 있겠으나 기본적인 원리는 편광 반사판으로, 입사각과 반사각을 조절하여 여러 파장이 섞인 빛살에서 원하는 파장의 빛을 골라준다.

검출기

시료에 흡수되고 남은 빛의 세기를 측정하는 장치이다. 단일 파장의 빛만 측정하는 경우에는 광전 증폭관이나 광 다이오드가 쓰이지만, 여러 파장을 한꺼번에 찍을 때에는 측정 감도를 조금 희생하고 전하 결합 소자를 사용하기도 한다.

큐벳

시료를 담는 용기를 큐벳(cuvette) 또는 짧게 셀(cell)이라고도 부른다.

보통 3 mL 큐벳을 많이 사용하고, 적은 양의 시료를 사용해야 할 때에는 빛경로에 영향을 주지 않는 범위에서 큐벳 안쪽을 좁힌 1 mL 큐벳을 사용한다. 또한 지속적으로 빛경로에 반응물을 흘려주며 측정할 수 있는 흐름 셀도 제작하여 사용하기도 한다.

큐벳의 유리가 측정 범위의 빛살을 흡수하여 결과에 영향을 주지 않도록 특수한 광학적 성질이 요구된다. 석영이 가장 좋고, 플라스틱으로 된 큐벳도 쓸 수는 있다. 빛경로는 투명하게, 빛경로가 아닌 쪽은 흐리게 만들어서 실수로 빛경로에 손 자국을 내는 일이 없도록 한 제품이 많다.

응용

UV-Vis를 정성 분석에 이용할 때에는, 분석을 원하는 물질이 흡수하는 파장을 알고 있어야 한다.

신호 봉우리가 희미하게 묻히는 경우에는 등흡광법을 이용하여 원하는 물질의 파장을 찾아낼 수 있다.

함께 보기

• 스펙트로닉 20 : 분광계의 장수만세 모델

참고 문헌

• Skoog, Holler, Crouch, 『Principles of Instrumental Analysis』 6th ed., Thomson Higher Education, 2007.
• Rouessac, Rouessac, 『현대기기분석』 제6판, 기기분석교재연구회 역, 자유아카데미, 2009.