본문내용
1. 형광분석법의 기본 원리와 실험
1.1. 형광의 개념과 특성
1.1.1. 형광의 정의와 발생 원리
형광이란 물질이 빛에 조사될 때, 빛 에너지를 흡수하여 들뜬 상태로 된 후 바닥 상태로 되돌아갈 때에 나오는 빛이다. 물질이 빛을 흡수하면 진동과 회전 전위의 변화를 수반하는 전자 전위의 변화가 발생한다. 즉 빛의 흡수로 인해 원자나 분자의 전자 배열이 바닥 상태(ground state)에서 들뜬 상태(excited state)로 바뀌게 된다. 일반적으로 들뜬 상태의 원자나 분자는 매우 불안정하기 때문에 흡수한 빛 에너지를 열의 형태로 방출하거나 다른 파장의 빛으로 재방출하여 원래의 바닥 상태로 되돌아가게 된다. 이때 전자가 전이할 때 스핀 변화가 없으며 수명이 짧다는 것이 형광의 특징이다.
1.1.2. 형광의 특성
형광의 특성은 다음과 같다.
첫째, 형광물질이 방출하는 형광의 강도는 시료 중의 형광 물질의 농도와 비례한다. 이를 이용하여 형광 분석법으로 시료 중 형광 물질을 정량 분석할 수 있다. 형광 강도(F)는 K(비례 상수)와 C(형광 물질의 농도)의 곱으로 표현된다. 즉, F = K × C이다.
둘째, 형광 광도법은 흡광 광도법에 비해 감도가 높으며, 형광을 내지 않는 분자종이 비교적 한정되어 있어 목적하는 성분을 선택적으로 검출할 수 있다. 형광을 내지 않는 물질도 화학반응을 통해 형광물질로 만들어 분석할 수 있다.
셋째, 흡수 스펙트럼과 형광 스펙트럼의 모양은 분자 고유의 것이므로 이를 이용하여 시료의 성분을 확인하고 정량할 수 있다. 형광 광도법에서는 측정하고자 하는 물질의 최대 흡수 파장과 최대 형광 파장을 독립적으로 설정할 수 있기 때문에 선택성이 좋다.
넷째, 형광 물질의 들뜬 상태 수명을 측정할 수 있어 2개 이상의 분자를 비교하여 검출할 수 있다. 또한 매우 저농도에서도 정량이 가능하며, 광범위한 물질을 대상으로 한다.
다섯째, 형광 물질의 형광 강도는 여러 요인에 의해 영향을 받는다. 예를 들어 전자 전이 형태, 분자구조, pH, 온도 등에 따라 형광 강도가 변화한다. 따라서 이러한 요인들을 고려하여 형광 분석법을 설계해야 한다.
1.2. 형광 스펙트럼의 이해
1.2.1. Stokes Shift
Stokes Shift"란 분자가 빛을 흡수하여 들뜬 상태가 되었다가 바닥 상태로 되돌아올 때 방출하는 형광의 파장이 흡수 파장보다 더 길어지는 현상을 말한다.
분자가 빛을 흡수하면 들뜬 상태가 되는데, 이 때 분자는 보다 높은 진동 에너지 준위로 전이하게 된다. 하지만 들뜬 상태의 분자는 매우 불안정하기 때문에 빠르게 가장 낮은 진동 준위로 이완된다. 이 과정에서 열에너지를 방출하게 되며, 그 후 바닥 상태로 전이하면서 형광을 발생한다. 이 때 방출되는 형광의 파장이 흡수된 빛의 파장보다 더 긴 것이 Stokes Shift의 특징이다.
Stokes Shift가 발생하는 이유는 분자가 들뜬 상태에 있을 때 발생하는 진동 이완 과정에서 에너지가 소실되기 때문이다. 들뜬 상태의 분자는 여러 가지 진동 준위 중 하나로 전이하게 되는데, 이 때 열에너지 등의 형태로 에너지가 손실된다. 그 결과 분자가 바닥 상태로 돌아올 때 방출하는 형광의 에너지는 흡수된 빛의 에너지보다 낮아지게 되어 형광의 파장이 더 길어지게 된다.
Stokes Shift는 형광 현상을 이해하는데 매우 중요한 개념이며, 형광분석법에서 형광 물질을 선택하고 측정 파장을 설정하는데 활용된다. 또한 Stokes Shift의 크기는 분자의 구조 및 극성 등에 따라 달라지므로, 이를 이용하여 분자의 특성을 분석할 수도 있다.
1.2.2. 흡수 스펙트럼과 형광 스펙트럼의 거울상 관계
흡수 스펙트럼과 형광 스펙트럼의 거울상 관계는 분자의 바닥 상태와 들뜬 상태에서의 구조가 유사할 때 나타나는 특징이다. 분자가 빛을 흡수하면 전자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 전이되는데, 이때 전자는 모든 에너지 준위로 전이될 수 없고 정해진 경로를 따라 가장 낮은 에너지 준위로 이동하게 된다. 이후 들뜬 상태의 전자가 바닥 상태로 떨어지면서 형광을 방출하는데, 이 때 발생하는 형광 스펙트럼은 흡수 스펙트럼과 거울상 관계를 가지게 된다.
즉, 분자의 바닥 상태와 들뜬 상태에서 핵의 배열이 유사하다면 전자가 들뜸과 동시에 가장 낮은 진동 준위로 빨리 이완되기 때문에, 형광 방출 스펙트럼이 흡수 스펙트럼의 거울상 형태를 띠게 된다. 이러한 거울상 관계는 분자의 구조 정보를 제공하는 중요한 지표로 활용될 수 있다.""
1.3. 형광 분석법의 장점
1.3.1. 선택성과 감도
형광 분석법은 선택성과 감도가 뛰어나다는 장점이 있다.
먼...
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