제10장 원자 방출분광법
atomic emission spectroscopy
방출분광법 (플라스마, 아크 및 스파크)
• 낮은 화학적 방해 : 온도가 매우 높기 때문
• 동시분석 가능
– 하나의 들뜸 조건으로 십여 개 정도 원소들의 스펙트럼
– 불꽃 광원은 불리 : 원소마다 최적 들뜸 조건 이 크게 다르기 때문
• 플라스마 광원의 이점
– 내화성 화합물을 만드는 원소 (붕소, 인, 텅스 텐, 우라늄, 지르코늄, 니오브) 측정 가능
– 비금속 (브롬, 요오드 및 황) 정량 가능
• 복잡한 방출 스펙트럼
– 수천 개의 방출선 : 정성 분석에는 유리 – 정량분석의 경우에는 스펙트럼 방해 가능
– 흡수법의 경우보다 더 큰 분해능과 더 비싼 광 학장치가 필요
• 원자방출법과 원자흡수법
– 상호 보완적인 관계
– 원자흡수법 : 간단, 값싼 장치, 낮은 유지비, 높 은 정밀도, 덜 숙련된 작동자도 만족스런 결과
10A 플라스마 광원의 방출분광법
• 플라스마 : 상당한 농도의 양이온과 전자 를 포함하는 전도성 기체 혼합물
• 아르곤 플라스마
– 방출법 분석에 자주 사용, 시료로부터 생긴 양 이온이 소량 존재, 아르곤 이온과 전자가 주된 전도성 화학종,
– 플라스마에서 생성된 아르곤 이온 → 외부 에 너지원으로부터 에너지 흡수 → 이온화 → 10,000 K 정도의 높은 온도 유지
플라즈마 (plasma) (스펀지 140회)
• 세가지 형태의 플라스마
– 유도쌍 플라스마 (inductively coupled plasma : ICP)
– 직류 플라스마(direct current plasma : DCP) – 마이크로파 유도 플라스마(microwave
induced plasma : MIP) : 거의 사용 안 함
10A－1 유도쌍플라스마 광원
• ICP 광원 : 토오치(torch)
– 3개의 동심 원통형 석영관
– 가장 큰 석영관 : 지름 ~2.5cm – 관의 위부분 : 물로 냉각시키는
유도코일
– 유도코일 : 라디오파 발생기에 의하여 작동 (27.12~40.68 MHz, 0.5~2kW의 에너지 발생)
그림 10-1 전형적인 ICP 광원. A 위치는 토오치의 방 사모양을 보여주며, B 위치는 축 모양을 보여준다.
• 아르곤
– 동심 원통형 석영관 안으로 도입
– 소모속도 : 5∼20 L/min (높은 유지비) – Tesla코일의 스파크에 의해 이온화
– 이온들과 전자들은 유도코일에 의해 유도 발 생한 요동하는 자기장과 작용 → 저항(ohm)열 발생 → 높은 온도 생성 → 석영관의 단열 필 요
– 단열 : 아르곤을 석영관의 벽에 접선 방향으로 통과 → 중심관의 내부벽 냉각
시료도입
• 중심 석영관을 통해 1 L/min 유속의 아르곤 흐름에 의해 ICP로 도입
• 집중 유리 분무기
– 베르누이 효과에 의해 tip으로 운반
– 시료용액은 빠른 속도를 가진 기체에 의해 다양 한 크기의 미세 물방울로 쪼개지고 플라스마 속 으로 운반
그림 10-2 Meinhard 분무기. 분무기체가 모세관을 굳게 둘러싼 외각을 통해 흐른다. 이것은 팁에서 압력을 감소시키고 시료를 분 무시킨다. 팁에서 고속기체는 용액을 안개 방울로 만든다.
• 전열 증기화
– 플라스마 속으로 고체와 액체 시료를 도입시료 – 원자화보다는 단지 시료도입에만 사용
– 뚜껑이 없는 흑연막대 위에서 시료 증기가 생성
→ 아르곤 흐름에 의해 플라스마 토오치 속으로 이동
– 불연속 신호
– 선형 측정농도 범위가 넓고, 방해현상이 거의 없 으며, 정밀도 (5%－10%), 낮은 검출한계 (∼1 ng) 와 미량시료(∼5 μL)
그림 10-3 전열 증기화 장치.
플라스마모습과 그 스펙트럼
• 전형적인 플라스마
– 매우 세고 밝게 빛나는 백열, 중심부는 불투명, 그 위 부분은 불꽃모양의 꼬리
– 중심부 : 석영관 위로 수 mm, 아르곤의 원자 선스 펙트럼이 겹쳐 있는 연속 스펙트럼을 방출
• 연속스펙트럼 : 아르곤 이온 또는 다른 이온들이 전자와 재결합하면서 생성
– 중심부 위 10∼30 mm 영역 : 연속 스펙트럼이 없 어지므로 플라스마는 광학적으로 투명
– 스펙트럼 : 유도코일 위 15∼20 mm 높이에서 측 정 (바탕복사선으로부터 아르곤 선이 거의 모두 없어지므로)
분석물의 원자화와 이온화
그림 10-4 전형적인 유도쌍 플라 즈마 광원의 온도 분포.
• 플라스마의 온도분포
– 시료 : 5500~8000 K – 원자화는 더욱 완전 – 화학적 방해도 낮음
– 이온화에 의한 방해 효과 무시 : 아르곤의 이온화로 생긴 전자농도 >> 시료 성분의 이온화로 생기는 전자농도
• 플라스마 광원의 또 다른 장점
– 화학적으로 비활성인 환경에서 원자화 : 분석 물이 산화물을 형성하지 못하므로 원자의 수 명이 증가
– 플라스마 단면에서의 온도분포가 균일 : 자체 흡수와 자체반전 효과 없음
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