흡수 분광학

Absorption spectroscopy
전자파 방사선 흡수 개요. 이 예는 가시광을 이용한 일반 원리에 대해 논한다. 여러 파장의 빛을 발하는 흰색 빔 선원은 샘플에 초점을 맞춘다(보완적인 색 쌍은 노란색 점선으로 표시된다). 샘플을 타격하면, 존재하는 분자의 에너지 갭(이 예에서는 녹색 빛)과 일치하는 광자가 분자를 흥분시키기 위해 흡수된다. 다른 광자는 영향을 받지 않고 방사선이 가시 영역(400~700nm)에 있는 경우 샘플 색상은 흡수된 빛의 보완색이다. 투과된 빛의 감쇠를 인시던트와 비교함으로써 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있다.
2001년에 처음으로 외부 행성의 대기에 대한 직접적인 검출과 화학적 분석. 대기의 나트륨은 이 거대한 행성이 항성 앞을 지나갈 때 HD 209458의 별빛을 여과한다.

흡수 분광기법은 방사선 흡수를 샘플과의 상호작용으로 주파수나 파장의 함수로서 측정하는 분광기법을 말한다. 샘플은 복사장으로부터 에너지, 즉 광자를 흡수한다. 흡수 강도는 주파수의 함수에 따라 달라지며, 이러한 변화는 흡수 스펙트럼이다. 흡수 분광기는 전자파 스펙트럼 전체에 걸쳐 수행된다.

흡수 분광학은 분석 화학 도구로 사용되어 표본에 특정 물질의 존재를 결정하고 많은 경우 존재하는 물질의 양을 정량화한다. 적외선과 자외선이 보이는 분광기는 분석적 용도에서 특히 흔하다. 흡수 분광학은 분자 및 원자 물리학, 천문 분광학 및 원격 감지 연구에도 사용된다.

흡수 스펙트럼 측정을 위한 다양한 실험 접근법이 있다. 가장 일반적인 배치는 생성된 방사선 빔을 샘플로 유도하고 이를 통과하는 방사선의 강도를 검출하는 것이다. 전달된 에너지는 흡수를 계산하는 데 사용될 수 있다. 출처, 표본 배열 및 검출 기법은 실험의 주파수 범위와 목적에 따라 크게 달라진다.

흡수 분광기의 주요 유형은 다음과 같다.[1]

노 경 전자기 복사 분광형
1 엑스선 X선 흡수 분광기
2 자외선-가시성 UV-vis 흡수 분광기
3 적외선 IR 흡수 분광기
4 전자레인지 마이크로파 흡수 분광기
5 전파 전자 스핀 공명 분광기

핵자기공명분광기

흡수 스펙트럼

시각적으로 보이는 프라운호퍼 선이 있는 태양 스펙트럼

물질의 흡수 스펙트럼은 전자파 방사선의 다양한 주파수 범위에서 물질에 의해 흡수되는 입사 방사선의 분율이다. 흡수 스펙트럼은 주로 물질의 원자 및 분자 구성에 의해 결정된다[2][3][4]. 방사선은 분자의 두 양자 기계적 상태 사이의 에너지 차이와 일치하는 주파수에서 흡수될 가능성이 더 높다. 두 상태 사이의 전환으로 인해 발생하는 흡수를 흡수선이라고 하며 일반적으로 스펙트럼은 많은 선으로 구성된다.

흡수선이 발생하는 빈도와 그 상대적 강도는 주로 샘플의 전자적 및 분자 구조에 의존한다. 또한 빈도는 샘플 내의 분자, 고형물의 결정 구조 및 몇 가지 환경 요인(예: 온도, 압력, 전자기장) 간의 상호작용에 따라 달라진다. 선은 또한 스펙트럼 밀도 또는 시스템 상태의 밀도에 의해 주로 결정되는 폭과 형태를 가질 것이다.

이론

흡수선은 일반적으로 분자나 원자에서 유도된 양자역학적 변화의 특성에 의해 분류된다. 예를 들어, 회전선은 분자의 회전 상태가 변할 때 발생한다. 회전선은 일반적으로 마이크로파 스펙트럼 영역에서 발견된다. 진동선은 분자의 진동 상태의 변화에 대응하며 일반적으로 적외선 영역에서 발견된다. 전자선은 원자나 분자의 전자 상태 변화에 대응하며, 일반적으로 가시성과 자외선 영역에서 발견된다. X선 흡수제는 원자 속의 내부 껍질 전자의 흥분과 관련이 있다. 이러한 변화들은 또한 결합될 수 있다(예: 회전 진동 전환). 두 변화들의 결합 에너지에서 새로운 흡수선으로 이어진다.

양자 기계적 변화와 관련된 에너지는 주로 흡수선의 주파수를 결정하지만 주파수는 여러 가지 상호작용 유형에 의해 이동될 수 있다. 전기장과 자기장은 변화를 일으킬 수 있다. 이웃 분자와의 상호작용은 변화를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 가스 위상 분자의 흡수선은 그 분자가 액체 또는 고체 위상에 있고 이웃 분자와 더 강하게 상호작용할 때 크게 변화할 수 있다.

흡수선의 폭과 모양은 관측에 사용되는 기구, 방사선을 흡수하는 물질 및 그 물질의 물리적 환경에 의해 결정된다. 선은 가우스 분포나 로렌츠 분포의 형태를 갖는 것이 일반적이다. 또한 선은 전체 형상이 특징지어지는 대신 그 강도와 너비로만 묘사되는 것이 일반적이다.

흡수선 아래의 영역을 통합하여 파악한 통합 강도는 존재하는 흡수 물질의 양에 비례한다. 강도는 또한 물질의 온도와 방사선과 흡수기 사이의 양자 기계적 상호작용과도 관련이 있다. 이 상호작용은 전환 모멘트에 의해 정량화되며 전환이 시작되는 특정 하한 상태 및 전환이 연결되는 상한 상태에 따라 달라진다.

흡수선의 폭은 그것을 기록하는 분광계로 결정할 수 있다. 분광계에는 선이 얼마나 좁을 수 있는가에 대한 고유한 한계가 있으므로 관측된 폭은 이 한계에 있을 수 있다. 폭이 분해능 한계보다 크면 주로 흡수기의 환경에 의해 결정된다. 액체나 고체 흡수기는 이웃 분자들이 서로 강하게 상호작용하는 것으로 기체보다 더 넓은 흡수선을 갖는 경향이 있다. 흡수 물질의 온도나 압력을 증가시키는 것도 선폭을 증가시키는 경향이 있다. 또한 몇 가지 이웃한 전환이 서로 선이 겹치고 그 결과 전체적인 선이 아직 더 넓을 정도로 서로 가까이 있는 것이 일반적이다.

전송 스펙트럼과의 관계

흡수 및 전송 스펙트럼은 동등한 정보를 나타내며 하나는 수학적 변환을 통해 다른 하나의 정보로부터 계산될 수 있다. 전송 스펙트럼은 더 많은 빛이 샘플을 통해 전달되기 때문에 흡수가 가장 약한 파장에서 최대 강도를 가질 것이다. 흡수 스펙트럼은 흡수가 가장 강한 파장에서 최대 강도를 갖는다.

방출 스펙트럼과의 관계

철의 방출 스펙트럼

방출은 물질이 전자기 방사선의 형태로 에너지를 방출하는 과정이다. 방출은 흡수가 발생할 수 있는 모든 주파수에서 발생할 수 있으며, 이는 방출 스펙트럼에서 흡수선을 결정할 수 있게 한다. 그러나 방출 스펙트럼은 일반적으로 흡수 스펙트럼과 상당히 다른 강도 패턴을 가지므로 두 스펙트럼은 동등하지 않다. 흡수 스펙트럼은 아인슈타인 계수를 사용해 방출 스펙트럼에서 계산할 수 있다.

산란 및 반사 스펙트럼과의 관계

물질의 산란과 반사 스펙트럼은 굴절률과 흡수 스펙트럼의 영향을 받는다. 광학 맥락에서 흡수 스펙트럼은 일반적으로 소멸 계수에 의해 정량화되며 소멸과 지수 계수는 크레이머-크로니그 관계를 통해 정량적으로 연관된다. 따라서 흡수 스펙트럼은 산란 또는 반사 스펙트럼에서 도출될 수 있다. 이는 일반적으로 가정이나 모델을 단순화해야 하므로 파생된 흡수 스펙트럼은 근사값이다.

적용들

NASA 실험실 아황산가스 얼음의 적외선 흡수 스펙트럼은 목성의 달, Io credit NASA, Bernard Schmitt, UKIRT에 있는 ice의 적외선 흡수 스펙트럼과 비교된다.

흡수 분광법은 특이성과 양적 특성 때문에 화학적 분석에[5] 유용하다. 흡수 스펙트럼의 특수성은 혼합물에서 화합물을 서로 구별할 수 있게 하여 흡수 분광법을 매우 다양한 용도에서 유용하게 만든다. 예를 들어 적외선 가스 분석기를 사용하여 공기 중 오염 물질의 존재를 확인할 수 있으며, 오염 물질을 질소, 산소, 물 및 기타 예상 성분과 구별할 수 있다.[6]

또한 특수성은 측정된 스펙트럼과 기준 스펙트럼 라이브러리를 비교하여 알려지지 않은 샘플을 식별할 수 있게 한다. 표본에 대한 질적 정보가 도서관에 없더라도 판단할 수 있는 경우가 많다. 예를 들어 적외선 스펙트럼에는 탄소-수소 또는 탄소-산소 결합이 존재하는지를 나타내는 특성 흡수 대역이 있다.

흡수 스펙트럼은 Beer-Lambert 법칙을 사용하여 존재하는 물질의 양과 정량적으로 관련될 수 있다. 화합물의 절대 농도를 결정하려면 화합물의 흡수 계수에 대한 지식이 필요하다. 일부 화합물에 대한 흡수 계수는 기준 선원에서 구할 수 있으며, 대상 농도를 알고 있는 교정 표준의 스펙트럼을 측정하여 결정할 수도 있다.

원격 감지

분석 기법으로서 분광학의 독특한 장점 중 하나는 계측기와 샘플을 접촉시키지 않고도 측정이 가능하다는 것이다. 샘플과 기기 사이를 이동하는 방사선은 스펙트럼 정보를 포함하므로 원격으로 측정이 가능하다. 원격 스펙트럼 감지는 많은 상황에서 중요하다. 예를 들어, 측정은 운전자나 계측기를 위험에 노출시키지 않고 독성 또는 위험 환경에서 수행할 수 있다. 또한 샘플 재료는 기기와 접촉할 필요가 없으므로 교차 오염을 방지할 수 있다.

원격 스펙트럼 측정은 실험실 측정과 비교하여 몇 가지 난제를 나타낸다. 관심 표본과 기기 사이의 공간에는 스펙트럼 흡수도 있을 수 있다. 이러한 흡수제는 표본의 흡수 스펙트럼을 가리거나 혼동시킬 수 있다. 이러한 배경 간섭도 시간이 지남에 따라 달라질 수 있다. 원격 측정에서 방사선의 선원은 햇빛이나 따뜻한 물체의 열 복사 같은 환경적 선원이 되는 경우가 많으며, 이로 인해 스펙트럼 흡수를 선원 스펙트럼의 변화와 구별할 필요가 있다.

이러한 과제를 단순화하기 위해 차등 흡수 스펙트럼 분석은 차등 흡수 기능에 초점을 맞추고 레일리 산란으로 인한 에어로졸 소멸, 소멸 등 대역 흡수를 생략하는 등 어느 정도 인기를 얻었다. 이 방법은 지상 기반, 공기에 의한, 위성 기반 측정에 적용된다. 일부 지상 기반 방법은 대류권 및 성층권 추적 가스 프로파일을 검색할 수 있는 가능성을 제공한다.

천문학

허블우주망원경에 의해 관측된 흡수 스펙트럼

천문 분광학은 특히 중요한 원격 스펙트럼 감지 유형이다. 이 경우 관심 대상과 표본은 지구에서 너무 멀리 떨어져 있어 전자기 방사선이 이를 측정할 수 있는 유일한 수단이다. 천문 스펙트럼에는 흡수 스펙트럼 정보와 방출 스펙트럼 정보가 모두 들어 있다. 흡수 분광법은 성간 구름을 이해하고 그 중 일부가 분자를 포함하고 있다는 것을 결정하는 데 특히 중요하다. 흡수 분광법은 또한 극외 행성의 연구에도 사용된다. 전달 방법에 의한 외부 행성의 검출은 또한 흡수 스펙트럼을 측정하여 행성의 대기 구성,[7] 온도, 압력, 척도 높이를 결정할 수 있게 하고, 따라서 행성의 질량을 결정할 수도 있다.[8]

원자 및 분자 물리학

주로 양자역학 모델인 이론적 모델은 원자와 분자의 흡수 스펙트럼이 전자 구조, 원자 또는 분자 질량, 분자 기하학과 같은 다른 물리적 특성과 관련되도록 허용한다. 따라서 흡수 스펙트럼의 측정은 이러한 다른 특성을 결정하는 데 사용된다. 예를 들어 마이크로파 분광법은 높은 정밀도로 결합 길이와 각도를 결정할 수 있다.

또한 스펙트럼 측정은 이론적 예측의 정확도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어 수소 원자 흡수 스펙트럼에서 측정한 램 시프트는 측정 당시 존재할 것으로 예상되지 않았다. 그것의 발견은 양자 전자역학의 발전을 촉진하고 유도했으며, 현재 램 시프트의 측정은 미세 구조 상수를 결정하는 데 사용된다.

실험 방법

기본접근법

흡수 분광법에 대한 가장 간단한 접근법은 선원으로 방사선을 생성하고, 검출기로 방사선의 기준 스펙트럼을 측정한 다음, 선원과 검출기 사이에 관심 물질을 배치한 후 샘플 스펙트럼을 재측정하는 것이다. 그런 다음 측정된 두 개의 스펙트럼을 결합하여 물질의 흡수 스펙트럼을 결정할 수 있다. 샘플 스펙트럼만으로는 흡수 스펙트럼을 결정하기에 충분하지 않다. 즉 선원의 스펙트럼, 선원과 검출기 사이의 다른 물질의 흡수 스펙트럼, 검출기의 파장에 따른 특성 등 실험 조건의 영향을 받기 때문이다. 기준 스펙트럼은 이러한 실험 조건에 의해 동일한 방식으로 영향을 받게 되며 따라서 조합은 물질의 흡수 스펙트럼만을 산출한다.

전자기 스펙트럼을 커버하기 위해 광범위한 방사선원이 사용된다. 분광법의 경우, 흡수 스펙트럼의 넓은 영역을 측정하기 위해서는 일반적으로 선원이 넓은 파장의 무리를 커버하는 것이 바람직하다. 어떤 선원은 본질적으로 넓은 스펙트럼을 방출한다. 이러한 예로는 적외선의 글로브나 기타 흑체원, 가시광선의 수은등, 자외선 및 X선관이 있다. 최근 개발된 광폭 스펙트럼 방사선의 새로운 원천은 싱크로트론 방사선으로 이 모든 스펙트럼 영역을 포괄한다. 다른 방사선원은 좁은 스펙트럼을 생성하지만 방출 파장은 스펙트럼 범위를 커버하도록 조정할 수 있다. 이러한 예로는 마이크로파 영역의 클라이스트론과 적외선, 가시 및 자외선 영역의 레이저를 들 수 있다(모든 레이저가 조정 가능한 파장을 가지는 것은 아님).

방사선 출력을 측정하기 위해 사용되는 검출기도 관심 파장 범위에 따라 달라진다. 대부분의 검출기는 상당히 넓은 스펙트럼 범위에 민감하며 선택한 센서는 종종 주어진 측정의 민감도와 소음 요건에 더 많이 의존한다. 분광학에서 흔히 볼 수 있는 검출기의 예로는 마이크로파 내 헤테로디네 수신기, 밀리미터파 및 적외선 내 발광계, 적외선 내 수은 카드뮴 텔루라이드 및 기타 냉각된 반도체 검출기, 가시광선과 자외선 내 광다이오드 및 광전자 증배관이 있다.

선원과 검출기가 모두 넓은 스펙트럼 영역을 커버하는 경우 스펙트럼을 결정하기 위해 방사선의 파장을 해결하는 수단도 도입할 필요가 있다. 분광기는 각 파장의 힘을 독립적으로 측정할 수 있도록 방사선의 파장을 공간적으로 분리하는 데 종종 사용된다. 또한 스펙트럼을 결정하기 위해 간섭측정법을 사용하는 것이 일반적이다.푸리에 변환 적외선 분광법은 이 기법의 널리 사용되는 구현이다.

흡수 분광학 실험을 설정할 때 고려해야 하는 다른 두 가지 문제에는 방사선을 지시하는 데 사용되는 광학 및 표본 물질의 보유 또는 함유 수단(큐벳 또는 셀이라고 함)이 포함된다. 대부분의 UV, 가시 및 NIR 측정의 경우 정밀 석영 큐벳을 사용해야 한다. 두 경우 모두 관심의 파장 범위에서 상대적으로 자기자신의 흡수가 적은 소재를 선택하는 것이 중요하다. 다른 물질의 흡수는 표본으로부터의 흡수를 방해하거나 가릴 수 있다. 예를 들어, 여러 파장 범위에서 대기 중의 가스는 간섭 흡수 기능을 가지기 때문에 진공 상태나 희귀 가스 환경에서 샘플을 측정할 필요가 있다.

특정 접근 방식

참고 항목

참조

  1. ^ Kumar, Pranav (2018). Fundamentals and Techniques of Biophysics and Molecular biology. New Delhi: Pathfinder publication. p. 33. ISBN 978-93-80473-15-4.
  2. ^ J. Michael Hollas ISBN 978-0-470-84416-8의 모던 스펙트럼 분석(Paperback)
  3. ^ 대칭 및 분광법: Daniel C의 진동 및 전자 분광법에 대한 소개 해리스, 마이클 D 베르톨루치 ISBN 978-0-486-66144-5
  4. ^ 피터 F에 의한 원자와 분자의 스펙트럼 버나스 ISBN 978-0-19-517759-6
  5. ^ 제임스 D. 잉글 주니어와 스탠리 R. 크라우치, 분광화학분석, 프렌티스홀, 1988, ISBN 0-13-826876-2
  6. ^ "Gaseous Pollutants – Fourier Transform Infrared Spectroscopy". Archived from the original on 2012-10-23. Retrieved 2009-09-30.
  7. ^ Khalafinejad, S.; Essen, C. von; Hoeijmakers, H. J.; Zhou, G.; Klocová, T.; Schmitt, J. H. M. M.; Dreizler, S.; Lopez-Morales, M.; Husser, T.-O. (2017-02-01). "Exoplanetary atmospheric sodium revealed by orbital motion". Astronomy & Astrophysics. 598: A131. arXiv:1610.01610. Bibcode:2017A&A...598A.131K. doi:10.1051/0004-6361/201629473. ISSN 0004-6361. S2CID 55263138.
  8. ^ de Wit, Julien; Seager, S. (19 December 2013). "Constraining Exoplanet Mass from Transmission Spectroscopy". Science. 342 (6165): 1473–1477. arXiv:1401.6181. Bibcode:2013Sci...342.1473D. doi:10.1126/science.1245450. PMID 24357312. S2CID 206552152.

외부 링크