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Exploring Chemical Analysis Fourth Edition

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(1)

Exploring Chemical Analysis

Fourth Edition

Chapter 19:

Spectrophotometry:

Instruments and Applications

Copyright © 2005 by W. H. Freeman & Company

Daniel C. Harris

(2)

19장 분광광도법 : 기기 및 응용

(3)

19-2 혼합물의 분석

• 혼합물의 흡광도





 [X] [Y] [Z]

A ε X b ε Y b ε Z b

(4)

그 림 19-12 Ti(IV) (1.32 mM), V(V) (1.89 mM) 및 두 이온이 함 유된 미지 혼합물의 과산화수소 착물에 대한 가시선 스펙트럼.

통로길이가 1 cm인 흡수용기 속 에 있는 모든 용액은 0.5 wt%

H2O2와 ~0.01 M H2SO4를 함유 하고 있다.

)

"

( [Y]

[X]

A"

) '

( [Y]

[X]

A'

"

Y

"

X

' Y '

X

에서 에서

ε b ε b

ε b ε b

(5)

등 흡수점 (isosbestic point)

• 등흡수점 (isosbestic point)

– 두 화학종의 몰 흡광계수가 같은 파장

– 단지 두 개의 주요 화학종이 존재한다는 증거

그림 19-13 pH 함수로서 pH 4.5와 pH 71. 사이에 서 나타낸 3.7×10-4 M 메 틸 레드의 흡수 스펙트럼

(6)

• 메틸레드의 등흡수점

– 같은 농도의 Hin과 In-는 465 nm에서 교차

 

) ]

[In [HIn]

( A

] [In [HIn]

] In [ ]

HIn [

A

[HIn]

] log [In

p pH

In H

HIn

465

465

465 In 465

HIn 465

465 In 465

HIn

- a

일정

일정  

b

b b

K

(7)

19-3 분광광도 적정

• 분광광도적정 (spectrophotometric titration)

– 종말점을 검출하기 위해 빛의 흡수 또는 방출 을 이용

아포트랜스페린 + 2Fe3+ = (Fe3+

)

2

트랜스페린

그림 19-15 나이트릴로트라이아세트산 철(III)에 의한 아포트랜스페린의 분광광 도 적정. 흡광도는 묽힘을 고려하여 보정 되어야 한다. 철을 가하기 전 용액의 초 기 흡광도는 색깔을 띠는 불순물에 의한 것이다.

(8)

Fe3+ 은 중성용액에서 Fe(OH)3로 침전되기 때문에 나이트 릴로트라이아세트산염을 사용한다. Fe3+은 나이트릴로트 라이아세트산염은 4개의 O와 N원자를 통해 Fe3+와 결합 한다.

(9)

대표적인 광도법 적정 곡선. 분석물(A), 생성물(P), 적정시약(T).

분석물 A + 적정액 T → 생성물 P

(10)

19-4 분자가 빛을 흡수하면 어떤 변화가 일 어날 것인가?

• 바닥상태 + 빛 → 들뜬상태

• 들뜬상태 → 바닥상태 + 빛 (또는 열)

(11)

분자 + 빛 → 들뜬 전자/들뜬 진동/들뜬 회전 상태

(12)

폼알데하이드의 전자상태

• C-H : σ 결합

• C=O : σ 결합, π 결합

• 바닥상태 : 평면구조

• 들뜬상태 : 피라미드구조

– C-O 결합의 약화

– C-O 결합의 길이 증가 – 결합각 감소

그림 19-16 바닥상태 (S0)와 최저 들뜬 단일항 (S1)에 있는 폼알데하 이드의 기하구조

(13)

그림 19-17 에너지 준위와 궤 도함수 모형을 나타낸 폼알데 하이드의 분자 궤도함수. 세 개의 σ 결합과 1개의 n 결합 은 완전히 겹쳐있다 (σ1~ σ4).

(14)

• 폼알데하이드의 전자 전이

– 가능한 전이 : S1, T1 – n → π*(T1) : 397 nm – n → π*(S1) : 355 nm – 에너지 : S1>T1

(15)

폼알데하이드의 진동 및 회전 상태

• 적외선 : 진동 운동 변화

• 마이크로파 : 회전 운동 변화

• 진동에너지 > 회 전에너지

그림 19-19 폼알데하이드의 여섯 가지 진동형태. 운동을 일으키는 데 요구되는 적외선의 파수는 cm-1로 나타낸다.

(16)

복합된 전자, 진동 및 회전전이

• 분자 + 빛 (>전자전이에 필요한 에너지)

– 전자전이 + 진동전이 + 회전전이

• 폼알데하이드 + hv

– 전자전이 : S0 → S1 전자상태

– 진동전이 : S0 바닥진동상태 → S1 들뜬진동상태 – 회전전이 : S0 회전상태 → S1 회전상태

• 넓은 흡수 띠

(17)

그림 18-9 0.915 ppm의 질소를 함 유한 아질산 이온 표준용액으로 출 발한 반응 18-7의적자색 생성물의 스펙트럼

그림 20-14 HNO3에 녹인 청동의 원자 흡수 스펙트럼

분자흡수 스펙트럼

원자흡수 스펙트럼

(18)

흡수된 에너지는 어떻게 될까?

• S

0

+ hv → S

1

들뜬 진동 및 회전준위 → ?

• 진동이완 (vibrational relaxation)

– S1 의 최저 진동준위로 이동(R1) – 에너지는 열로 전환

그림 19-20. 분자가 자외선 또는 가시선 광자를 흡수한 다음 일으킬 수 있는 물리적 과정. S0는 분자의 바닥상태 이고, S1과 T1은 각각 최저 들뜬 단일항 및 삼중항 상태 이다. 직선화살표는 광자가 관련된 과정을, 구부러진 화 살표는 비복사전이를 나타낸다. R은 진동이완이다.

(19)

• 내부전환 (internal conversion)

– S1과 에너지가 같은 S0 (높은 진동상태)로 이동 – 바닥진동상태로 전이 (R2)

– 에너지는 인접 분자로 이동

• 흡수 → R

1

→ 내부전환 → R

2

: 흡수된 hv는 열로 전환

그림 19-20. 분자가 자외선 또는 가시선 광자를 흡수한 다음 일으킬 수 있는 물리 적 과정. S0는 분자의 바닥상태이고, S1과 T1은 각각 최저 들뜬 단일항 및 삼중항 상 태이다. 직선화살표는 광자가 관련된 과 정을, 구부러진 화살표는 비복사전이를 나타낸다. R은 진동이완이다.

(20)

• 계간전이 (intersystem crossing)

– S1 → T1의 들뜬 진동준위

– R3 이완 → T1의 최저진동준위 – 계간전이 : T1 → S0

– R4 이완

그림 19-20. 분자가 자외선 또는 가시선 광자를 흡수한 다음 일으킬 수 있는 물리 적 과정. S0는 분자의 바닥 상태이고, S1과 T1은 각각 최저 들뜬 단일항 및 삼중 항 상태이다. 직선화살표는 광자가 관련된 과정을, 구부 러진 화살표는 비복사전이 를 나타낸다. R은 진동이완 이다.

(21)

그림 19-20. 분자가 자외선 또는 가시선 광자를 흡수한 다음 일으킬 수 있는 물리적 과정. S0는 분자의 바닥상태이고, S1과 T1은 각각 최저 들뜬 단일항 및 삼중항 상태이다. 직선화살표는 광자가 관련된 과정을, 구부러진 화살표는 비복사전이를 나타낸다. R은 진동이완이다.

internal conversion

intersystem crossing

(22)

• 형광과 인광

– 형광 (F) : S1 → S0전이 – 인광 (P) : T1 → S0 전이 – λ : 형광 < 인광

– 수명 : 인광(10-4~10-2 초)>형광(10-8~10-4 초)

(23)

• 흡수와 형광

– 에너지 : 흡수 > 형광 – 거울상

그림 19-21 안트라센의 스펙트럼은 대표적인 흡 수와 형광의 근사적인 거울상의 관계를 보여준 다. 형광스펙트럼은 흡수 보다 낮은 에너지에서 나타난다.

(24)

• 거울상?

그림 19-22. 흡수 및 방출 스 펙트럼을 나타내는 구조와 스 펙트럼이 서로 근사적인 거울 상이 되는 까닭을 보여주는 에 너지 준위 그림. 흡수에 있어 서 파장 λ0는 최저에너지에서 그리고 λ+5 는 최고에너지에서 나타난다. 방출에 있어서 λ0 는 최고에너지이고 λ-5 는 최저에 너지이다.

(25)

• 광화학 (photochemistry)

– 빛의 흡수에 의해 일어나는 화학반응

• 발광 (luminescence)

– 광발광 (photoluminescence) : 형광, 인광 – 화학발광 (chemiluminescence)

• 화학반응 → hv 방출 (야광봉)

(26)
(27)

19-5 분석화학에서의 발광

• 발광 (luminescence)

– 형광, 인광 등

– 광원 시료 검출기 : 900

• 산란 복사선에 의한 방해 최소화

– 흡수보다 예민

• 촛불 : 50,000-500 vs. 0+500 ?

• 흡수 : -log(P/P0), 상대적

• 형광 : I = kPoC, 농도에 비례

• 단일 분자에서의 방출을 검출

(28)

그림 19-23. 발광 실험의 개략적 모형도. 시료는 단일 파장의 빛에 의해 조사되고 방출은 여러 파장 범위에 걸쳐 관찰된다. 방출 단색 화 장치는 방출스펙트럼을 측정하기 위해 동시에 한가지 단일 방 출 파장만을 선택한다.

4

(29)

셀레늄의 형광분석

• Se

– 생명에 필수적인 미량원소

– Glutathion peroxidase : Se을 함유한 효소, 세 포에 유해한 ROOH의 파괴를 촉진

– 높은 농도의 Se은 유독

• Se의 형광분석

(30)

그림 19-25. 셀레늄을 함유 한 생성물의 형광 검량선.

곡선과 최대점은 자체흡수 에 기인한 것이다.

• 자체흡수 (self-absorption)

– 인접한 분자가 형광을 흡수

– 농도 증가 → 자체형광흡수 증가 → 비선형 검 량선

• Quench : 자체형광흡수로 방출이 감소

(31)

그림 19-26. 효소결합면역흡착제 분 석법. 대상 분석물질과 특성적으로 반응하는 항체1은 고분자성 지지체 에 결합되어 있으며 이것을 미지시료 로 처리한다. 과량의 결합되지 않은 분자들을 씻어버린 후 나머지 분석물 질은 항체1에 결합되어 있다. 그 다음 결합된 분석물질은 항체2로 처리하 는데 이것은 분석물질에 있는 다른 자리를 인식한다. 효소가 항체2에 공 유결합한다.

효소결합면역흡착제 분석법 (Enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)

(32)

그림 19-27. 항체2에 결합된 효소는 (a)색깔을 띠거나 (b)형광성 생성 물을 형성하는 반응에서 촉매로 작용한다. 면역분석법에서 결합된 각 각의 분석물질 분자들은 쉽게 측정할 수 있는 여러 개의 색깔을 띤 분 자나 형광성 생성물을 형성한다.

참조

관련 문서

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