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캐털레이즈의 반응속도

Abstract본 실험에서는 과산화수소 분해 반응에 효소로 사용되는 캐털레이즈를 사용하여 과산화수소, 즉 기질의 농도에 따른 반응속도의 변화를 실험적으로 측정한다. 먼저 세포 내에서 생화학 반응을 매개하는 촉매인 효소에 대해 알아보고, 효소가 단백질이라는 것에 기반하여 변성될 시 제대로 작동하지 못하는 원리를 탐구한다. 또한 Michaelis-Menten mechanism에 대해 배우며 효소의 기능을 농도와 그 반응속도의 관점에서 살펴본다. 이를 도시한 Lineweaver-Burk plot을 사용하여 Michaelis 상수와 최대 생성 속도의 의의를 알아본다.Introduction효소효소의 역할효소(Enzyme)는 특정 반응에 직접 참여하지는 않으나 그 반응을 매개하여 반응속도를 빠르게, 또는 느리게 바꾸는 촉매물질을 말한다. 이때 반응속도가 빨라지게 하는 것을 정촉매, 느려지게 하는 것을 부촉매라고 부른다. 효소는 정촉매로, 반응의 활성화 에너지(activation energy), 즉 물질이 변화할 수 있는 전이 상태(transition state)에 도달하기 위해 필요한 에너지를 공급하여 반응속도를 높인다. 반응물과 생성물 간의 자유 에너지 차이에는 영향을 미치지 않으나 반응을 위해 넘어야하는 에너지 장벽(energy barrier)를 낮추거는 작용을 하는 것이다.효소의 특성효소는 아미노산 사슬, 즉 폴리펩타이드인 단백질이며, 이 단백질 구조에 따라 효소는 각각 특이적인 형태를 가진다. 따라서 효소가 기질(substrate)와 반응할 때, 기질은 효소의 활성 부위(active site)에 결합하는데, 이 활성 부위가 효소의 단백질 구조에 따라 결정되게 된다. 이 때문에 효소는 효소-기질 특이성, 즉 하나의 효소에는 하나의 기질만이 결합할 수 있는 특징을 갖는다. 효소의 활성을 돕는 추가적인 구성요소는 보조인자(cofactor)라고 하는데, 조효소 또는 무기 금속 이온이 그 역할을 수행한다.효소의 특성효소는 기질과 결합하여 효소-기질 복합체(ES)를 형성한다분히 합성할 수 있으나, 생명 유지에 필수적인 다른 9종의 필수 아미노산들은 직접 합성할 수 없어 외부로부터 섭취해야 한다.펩타이드펩타이드(Peptide)란 둘 이상의 아미노산이 탈수 축합 반응을 일으킨 결과로, 한 쪽 아미노산의 아미노기와 다른 쪽 아미노산의 카복실기 사이에서 물이 빠져나오며 축합되는 펩타이드 결합으로 만들어진다. 펩타이드를 형성하는데 사용된 각각의 단량체를 잔기(residue)라고 하며, 이러한 잔기들이 기본적으로 백 개 이상정도 결합한 고분자를 폴리펩타이드(polypeptide)라고 한다.구조와 변성단백질의 일차 구조는 펩타이드 사슬에 잔기들이 배열되어 있는 순서를 가리키는 말이다. 각 잔기들의 선형결합으로 이를 표현한다. 이차 구조는 이런 사슬들이 갖는 형태로, 수소 결합에 의해 나선형 구조가 고정된 알파 나선 구조와 나란히 놓여있는 베타 병풍 구조로 나뉜다. 삼차 구조는 이차 구조의 잔기들이 서로 상호작용하여 특수하게 접히며 만들어지는 삼차원 구조이다. 주로 사슬 상에 있는 소수성, 친수성 부분의 위치에 따라 특정한 구조로 접히게 된다. 사차 구조란 이웃한 폴리펩타이드끼리 연결되어 또 하나의 압축된 구조를 형성하는 것으로, 네 종류의 폴리펩타이드 단위체로 구성된 헤모글로빈이 그 예이다.단백질의 이러한 구조가 파괴되어 원래의 형태를 유지하지 못하는 것을 변성(denaturation)이라고 하며, 단백질은 약간의 열을 가해도 쉽게 변성되고 이는 다시 되돌리지 못하는 비가역적 현상이기 때문에 단백질을 다룰 때는 온도를 높지 않게 유지시켜주는 것이 중요하다.Michaelis-Menten mechanismMichaelis-Menten mechanism효소의 반응속도를 실험적으로 확인하려면, 효소의 농도가 충분히 낮은 상황에서 초기 반응속도를 확인하는 것이다. 그에 대해 다루는 본 매카니즘을 이해하기 위해서는, 효소가 갖는 특징들을 알아야 한다. 먼저 효소는 매우 효과적인 정촉매로, 기질의 수천분의 1정도 밖에 되지 않는 농도에서도 반응을 매우 계(-1000~3000hPa까지 측정이 가능한 기체압력센서 A 사용), 250mL 삼각 플라스크 7개, 30% 과산화수소, 감자, 강판, 천, 100mL 시험관, 피펫, 열교반기, 얼음(아이스박스), 5mL 메스실린더실험 과정30% 과산화수소를 증류수로 묽혀서 0.5, 1, 2, 3, 4, 6% 용액을 만든다. 이때, 6% 용액은 2개를 준비한다.감자 즙을 원심분리를 하거나 천으로 짜서 추출액을 얻고, 시험관에 넣어 얼음이 담긴 아이스박스에 보관한다.압력계의 압력을 0으로 맞추고, 과산화수소 30mL에 추출액 2mL를 넣고 잘 흔들면서 과산화수소 농도가 낮으면 10초, 높으면 5초 간격으로 압력 변화를 기록한다. 이때 압력은 200hPa를 넘지 않을 때까지 측정한다.추출액을 끓는 물에 가열하여 단백질을 변성시켜 측정한 결과를 control로 사용한다.발생한 산소가 차지하는 부피와 온도를 측정한다.Data and Results시간(s)-압력(hPa) 표시간(초)0.50%1.00%2.00%3.00%4.00%6.00%6.0% (끓인 감자)105.292.6231.713.2113.2122.460209.257.9140.9532.2339.6452.8503013.2213.2239.6351.5263.0679.2704018.517.1568.782.23100.415023.7918.4781.9199.09117.586029.0793.8114.94132.127034.36104.37133.28145.3380114.94158.5490125.51169.11100134.46110144.01120153.26130158.54주어진 raw data의 data 2를 이용했다.시간(s)-농도(10^-4M) 표시간(초)0.50%1.00%2.00%3.00%4.00%6.00%6.0% (끓인 감자)102.131.32166.676.6711.30203.733.420.616.22026.70306.686.7202631.8400409.348.6634.741.550.750129.3341.35059.46014.647.4출액의 퍼센트에 0.1L를 나누고 다시 분자량으로 나누어 주었다. 위 그래프4에서 각각 구한 생성 속도 v를 각각 적고 역수를 취해주었다.DiscussionMichaelis-Menten mechanism의 확인마지막 표5를 확인하면, 최종 결과를 정리해보았을 때 Michaelis-Menten mechanism이 성립함을 알 수 있다. 일정 이하의 기질의 농도에서라면, [S]가 증가할수록, 생성 속도 v가 빨라지는 것을 생각한다고 앞에서 언급한 바 있다. 비록 1%, 2% 용액들은 그 실험값들이 부족하여 오차가 생겼으나, 과산화수소의 농도가 2~6%로 증가함에 따라 생성 속도 v도 함께 증가하는 것을 표에서 확인할 수 있다. 또한 Michaelis-Menten mechanism에서는 일정 이상으로 기질의 농도가 높아지면, 기질의 농도에 따른 생성 속도의 증가량이 점점 줄어들다가 마침내 0이 되는 임계점이 발생하고, 이는 모든 효소들이 기질에 의해 포화되었기 때문이라고 설명한다. 비록 그 임계점까지는 확인할 수 없었으나, 2~3% 사이의 구간에서는 비교적 큰 폭으로 생성 속도가 증가했으나 농도가 높아질수록 그 증가하는 폭이 점점 줄어드는 것으로 보아 이러한 설명 또한 참임을 알 수 있다. 더욱 더 높은 농도와 오랜 시간을 두고 실험 데이터를 얻는다면 최대 생성 속도에 도달하는 임계점 또한 찾을 수 있을 것으로 보인다.Michaelis 상수의 실험적 증명과 그 의의마지막 표5에서 [S], v 뿐만 아니라 그것들의 역수까지도 구했다. 그 이유는 해당 값들의 변화를 이용하여 Lineweaver-Burk plot을 적용하면 최대 생성 속도 와 함께 Michaelis 상수 을 구할 수 있기 때문이다. 위의 Introduction에서 언급한 식을 살펴보자.이 식에서 1/v를 y, 1/[S]를 x로 바꾸어 좌표평면에 그려본다면 이는 곧 일차함수 꼴의 직선 함수를 나타낼 것임을 쉽게 알 수 있다. 따라서 y절편 값을 읽으면 그것이 곧 최대 생성 속도의 역수가 되고, 이렇게 구한 life, VA: W. H. Freeman and Company, 2012,김희준, 『일반화학실험』, 자유아카데미, 2010.캐털레이즈의 반응속도 과제 _ 화학부 김동윤 2020-12896감자로부터 나온 추출액을 물에 끓였을 때 실험결과가 확연히 달라지는 이유는 무엇인가? (효소의 반응원리에 대해 서술할 것)본 보고서의 Introduction을 참고하면, 효소는 아미노산 사슬, 즉 폴리펩타이드인 단백질이며, 이 단백질 구조에 따라 효소는 각각 특이적인 형태를 가진다. 따라서 효소가 기질(substrate)와 반응할 때, 기질은 효소의 활성 부위(active site)에 결합하는데, 이 활성 부위가 효소의 단백질 구조에 따라 결정되게 된다. 이 때문에 효소는 효소-기질 특이성, 즉 하나의 효소에는 하나의 기질만이 결합할 수 있는 특징을 갖는다. 그러나 단백질의 이러한 구조가 파괴되어 원래의 형태를 유지하지 못하는 것을 변성(denaturation)이라고 하며, 단백질은 약간의 열을 가해도 쉽게 변성되고 이는 다시 되돌리지 못하는 비가역적 현상이기 때문에 단백질을 다룰 때는 온도를 높지 않게 유지시켜주는 것이 중요하다. 따라서 효소, 즉 단백질의 구조가 바뀐다는 것은 곧 기질과 결합하는 활성 부위의 구조가 바뀐다는 뜻이므로, 열을 가하면 캐털레이즈가 더 이상 과산화수소와 반응할 수 없도록 그 구조가 변성된다는 뜻이다. 변성된 효소는 기질과 결합하지 못하므로 반응을 촉진시키지 못해6% 과산화수소 용액 200mL를 이용하여 2% 과산화수소 용액 100mL를 만들려면 어떻게 해야하는지 계산과정을 서술하시오.6% 과산화수소 용액 200mL에는 200*6/100=12(mL)의 과산화수소가 포함되어 있다. 2% 과산화수소 용액 100mL에는 과산화수소가 2mL만 존재하므로, 6% 용액을 200/6mL만큼만 가져와 나머지 400/6mL의 물을 추가로 가해주면 2%의 과산화수소 용액 100mL를 만들 수 있다.이 실험에서 캐털레이즈는 과산화수소를 분해한다. 이의 반응식을 쓰시.

자연과학| 2024.09.26| 12페이지| 2,000원| 조회(342)

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FRET

FRET1. Abstract본 실험에서는 시간-상관 단일 광자 계수기(Time Correlated Single Photon Counting, TCSPC)를 이용하여 DNA의 서로 다른 상보적인 가닥에 표지가 되어있는 두 형광단 Cy3와 Cy5 간의 Förster 공명 에너지 전이(Förster Resonance Electron Transfer, 이하 FRET)의 형광 세기와 수명을 측정함으로써 donor dye와 receptor dye 사이의 거리에 따른 FRET 효율을 계산해본다. 이를 위해 우선 형광의 발생 메커니즘을 이해하고 TCSPC의 작동 원리 및 방법을 알아보며, FRET이 발생할 수 있는 조건과 생체 분자 내에서의 FRET 측정의 역할과 의미를 확인한다. 또한 실제 실험에서 측정된 FRET 효율로 구한 두 dye 사이의 거리와 이론적인 DNA의 구조에 대한 정보로부터 구한 거리를 비교함으로써 두 값의 차이가 발생하는 원인에 대해 고찰하고 본 실험에서의 다양한 원인에 대해 고찰한다. 이러한 과정을 통해 FRET의 개념과 발생 원리를 이해함으로써 생체 분자 연구에서의 적용 방법에 대해서 알아본다.2. Introduction1) 형광형광은 분자, 원자 혹은 나노 입자 등이 빛을 흡수하여 단일항 들뜬 상태로 이동한 후, 다시 안정적인 바닥 상태로 돌아가면서 빛을 방출하는 현상이다. 이 현상은 전자 전이에 의해 발생하게 된다. 형광 과정에서 분자가 빛을 흡수하면, 일반적으로 단일항 바닥 상태(S0)에서 첫 번째 들뜬 상태(S1)로 전이되게 된다. 그러나 이때 S1의 바닥 진동 상태가 아닌 더 높은 에너지의 진동 모드를 갖도록 들뜨게 되는데, 이는 전자의 이동속도가 핵에 비해 매우 빠르기 때문에 Franck-Condon 원리에 의해 수직 전이가 일어나기 때문이다. 이후 분자는 Kasha의 법칙에 의해 매우 빠른 속도, 즉 ps 수준의 시간 동안 빠르게 이완하여 S1의 바닥 진동 상태로 돌아간다. 이때 형광 방출은 이 이완 과정보다 훨씬 느린 ns 수준의 시간달받은 에너지가 acceptor dye에서 relaxation되며 바닥 상태로 돌아가면서 형광을 방출하는 것이다. 이때 이러한 비방사 전이는 양자역학적으로 허용되지 않는 현상이기 때문에, FRET이 일어날 수 있으려면 donor의 spectrum과 acceptor의 spectrum이 일정 이상 겹치는 부분이 존재해야 하고 따라서 두 dye 사이의 거리가 nm 수준으로 매우 가까워야 한다. 이 두 dye 사이의 거리를 r이라고 하고, Förster radius에 대해 FRET 효율을 계산하면 로 나타난다. 즉 실험적으로 측정된 FRET 효율을 통해 두 dye 사이의 거리를 역으로 계산할 수 있다.3또는 실험을 통해 구한 형광 세기나 수명을 사용하여 FRET 효율을 계산할 수도 있는데, acceptor가 없이 donor만 존재할 때의 값과 두 dye가 pair를 이룰 때의 값을 사용하면 된다. 형광 세기를 사용하면 의 식으로, 수명을 사용하면 의 식으로 FRET 효율을 계산할 수 있고, 본 실험에서는 TCSPC로 측정한 결과를 사용해 FRET 효율을 계산한다.3FRET이 발생할 수 있을 정도로 가까운 거리에 두 dye가 위치하려면 그 사이의 거리가 2~10nm 내의 범위에 들어와야 하는데, 이는 주로 생체분자에 해당하는 크기로 FRET은 생체분자들을 연구하는데 유용하다. 본 실험에서는 대표적인 생체 분자인 DNA에 대해 FRET을 관찰하기 위해 FRET dye pair로 자주 사용되는 Cy3와 Cy5를 사용한다. 이 두 dye는 photobleaching이 잘 일어나지 않아 안정하면서도 흡광 계수가 크기 때문에 FRET에서 자주 사용되며, 본 실험에서는 하나의 단일가닥 ssDNA에 Cy3를, 다른 가닥에 Cy5를 표지로 사용하여 두 가닥이 annealing 되는지의 여부에 따른 dye 사이의 FRET 효율을 확인한다. 또한 두 dye 사이의 거리에 따른 FRET 효율 변화를 확인하기 위해 두 dye가 동일한 염기 위치에 있는 T0 dsDNA와 그 사이에 thymi 6]는 560nm 위치의 Cy3 형광에 대해 T0 dsDNA decay를 파란색으로, IRF를 빨간색으로 나타낸 시간 대 세기의 spectrum을 나타낸 것이다. Decay에 IRF를 보정하여 exponential fitting을 2회 진행한 결과 계산된 FRET lifetime은 그림에 로 나타나 있으며 0.4460으로 측정되었다. 이 수명은 위의 D-only ssDNA의 수명인 0.6712로부터도 유의미하게 감소한 값이며, T30 dsDNA의 수명인 0.6115보다도 그 차이가 큰 것을 알 수 있다. 이는 T0 dsDNA의 Donor와 Acceptor 사이의 거리가 더 가깝기 때문에 FRET이 더 잘 일어날 수 있었고 따라서 Cy5 형광 peak이 우세해지며 Cy3의 수명이 더 크게 짧아진 것으로 해석할 수 있다. 실제로 이를 통해 이 시료의 FRET 효율을 계산하면 의 값을 얻을 수 있고, 이는 T30 dsDNA의 FRET 효율 0.08895보다 유의미하게 큰 값임을 알 수 있다.4. Discussion1) 실험 결과 분석 및 형광 측정 방식 비교FRET efficiencyT30 dsDNAT0 dsDNAT0 – T30 differenceIntensity0.0650.890.825Lifetime0.088950.33550.2466[표 1] 실험 결과로 계산된 시료에 따른 FRET 효율.위 [표 1]은 T30 dsDNA와 T0 dsDNA에 대한 실험 결과로 구한 FRET 효율을 정리한 것이다. 형광 세기로 구한 효율과 수명으로 구한 효율 모두 T30 dsDNA보다 T0 dsDNA에서 유의미하게 큰 값이 계산되는 것은 동일하게 나타났다. 그러나 형광 세기로 측정한 효율이 수명으로 구한 효율보다 T30 dsDNA에서는 더 작게 나타났으며 T0 dsDNA에서 훨씬 더 크게 나타났으므로 두 DNA 사이에서 더 큰 효율 차이를 보였다.이는 두 형광 측정 방식의 차이에서 기인하는 오차로, 시간 분해 측정 방식에서 구한 수명이 해당 실험 시점에서의 형광단에 특정된 값이기 stacking을 이루고, 나머지 하나의 dye는 바깥쪽을 향하고 있는 구조로 두 dye가 배향되어 있을 것임을 생각할 수 있다. 또한 이러한 배향은 T30 dsDNA에서도 T30 ssDNA 부분에서 Cy5만이 π-π stacking을 하고 있으며 Cy3는 바깥쪽을 향해 있는 형태의 구조에 동일하게 적용할 수 있으므로, 서로 다른 두 DNA에서 배향에 대한 고려 없이 T30 dsDNA와 T0 dsDNA의 결과를 동일하게 해석해볼 수 있을 것이다.3) 오차 원인 분석본 실험에서 각각 일정 상태 측정 방식과 시간 분해 측정 방식으로 구한 FRET 효율과 dye pair 사이의 거리는 모두 이론값에 대해 유의미한 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 오차를 발생시킬 수 있는 원인으로 우선 가장 큰 것은 Förster radius를 결정하는 방식일 것이다. Förster radius는 의 식을 통해 계산되는데, 여기서 는 orientation factor, 는 Donor의 양자 수득률, 는 Donor spectrum과 Acceptor spectrum 사이의 overlap intergral, n은 용매의 reflective index를 각각 나타낸다. 따라서 이러한 다양한 변수들이 해당하는 실험 조건에서 어떤 값을 가지도록 설정할 것인지에 따라 Förster radius는 크게 영향을 받게 된다. 일반적으로 Förster radius는 이론적으로는 5nm ~ 6nm 사이의 값을 가지는 것으로 계산되나, 각 문헌들의 실험 조건에 따라 계산이 모두 다르므로 하나의 문헌 값만을 사용하여 본 실험의 결과를 유의미하게 분석하는 것은 불가능하고, 실제로는 본 실험의 Förster radius 값을 실제로 구하여 대입함으로써 더 엄밀한 분석을 할 수 있을 것이다.3[그림 8] 염기쌍 개수와 dye가 기울어진 각도에 따른 FRET 효율 그래프.7일반적으로 Förster radius를 정할 때에는 사용하고자 하는 형광단이 fully flexible하며 완전히 자유롭게 움직인 왔다. 위 연구에서도 마찬가지로 FRET이 두 dye, 즉 Donor와 Acceptor 사이의 거리 의존적 상호작용임을 활용하여 FRET을 분자 수준의 거리와 상호작용을 측정하는 효과적인 도구로 활용했다. INCLUDEPICTURE "https://www.mdpi.com/ijms/ijms-13-14929/article_deploy/html/images/ijms-13-14929f8-1024.png" * MERGEFORMATINET [그림 10] FRET을 이용한 pre-mRNA splicing 감지 방법.10이러한 FRET을 활용하면 특히 전사, 복제 및 수선 과정에서의 핵산이 거동하는 메커니즘을 이해하는 데 유용한데, 위 [그림 10]에서 확인할 수 있듯이 pre-mRNA splicing은 진핵생물의 유전자 발현에서 중요한 과정으로, intron이 제거되고 exon이 서로 결합하여 필요한 mRNA를 형성하는 과정이다. Spliceosome이라고 불리는 작은 snRNA와 단백질의 복합체가 이 과정을 매개하는데, 위 연구에서는 단일 분자에 대한 smFRET을 사용함으로써 살아있는 세포에서 spliceosome이 어떻게 pre-mRNA를 변형하는지를 관찰할 수 있었다. INCLUDEPICTURE "https://www.mdpi.com/ijms/ijms-13-14929/article_deploy/html/images/ijms-13-14929f5-1024.png" * MERGEFORMATINET [그림 11] spliceosome의 pre-mRNA splicing mechanism.10위 [그림 11]과 같이 spliceosome은 다양한 snRNP(small nuclear ribonucleoprotein particles)가 복합체를 이루었다가 해체하기를 반복하며 서로 상호작용을 통해 splicing을 조절하는 복잡한 과정을 반복한다. 이러한 과정에서의 pre-mRNA나 snRNA의 conformational change를 정확하게 확인하기 위하여 Cy3와 Cy

자연과학| 2024.09.26| 12페이지| 2,000원| 조회(111)

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Cu detection

Cu detection1. Abstract본 실험은 전기분석의 기본이 되는 전기화학의 다양한 이론 및 순환전압전류법(이하 CV), 시간전류법(이하 CA), 시간전하법(이하 CC) 등의 분석 방법과 원리를 학습하고 이를 실제 배터리에 사용되는 양극재 시료에 적용해봄으로써 배터리 성능에 치명적인 영향을 줄 수 있는 Cu를 정성 및 정량 분석하는 것을 목표로 한다. 이러한 목적을 위해 기본적인 전기분석 뿐만 아니라 사전 농축 단계를 통해 검출 한계를 매우 낮출 수 있는 양극벗김전압전류법(이하 ASV)의 원리에 대해 알아보고 측정 결과를 pH과 전위에 따른 금속 이온의 열역학정 상태를 나타내는 Pourbaix diagram을 통해 확인한다. 본 실험에서 Model Sample (이하 MS)는 고농도의 NCM(Nickel, Cobalt, Manganese)를 pH 2.00의 0.1M NaNO3 용액에 녹여 사용했고, Battery Sample (이하 BS)는 NCM 용액 하에서 실제 배터리와 비슷한 조건으로 제작된 시료를 사용했다. 우선 Cu 농도에 따른 CV의 peak을 확인하고 MS에 대한 ASV 결과로 교정곡선을 그려봄으로써 미량의 금속 검출에 대한 ASV의 유효성을 확인한 후 ASV를 사용해 BS의 교정곡선을 그리고 미지시료의 농도를 정량 분석하는 과정을 거쳤다. 이렇게 구해진 미지시료의 농도는 약 2128 µM으로 구해졌으나, 교정곡선 내에 들어온 값이 아니기 때문에 정확한 결과라고 이야기할 수 없고, 또한 BS 뿐만 아니라 MS에서도 농도에 대한 측정치의 선형성이 만족되지 않은 결과들이 다수 관찰되었다. 따라서 이러한 오차가 발생한 원인에 대해 분석하고 실제 ASV에서 사용되는 더 정확한 실험 방법과 BS가 MS에 대해 갖는 차이점들을 논의한다.2. Data & Results1) MS의 Cu 농도에 따른 CV[그림 1] MS의 Cu 농도에 따른 CV.위 [그림 1]은 MS에 각각 0.02mM, 0.1mM copper nitrate hydrate 용액을 첨가했ning을 진행했으나, 이러한 직접적인 전극 세척 과정은 실험을 통틀어 초기 한 번 밖에 수행하지 않았다. 실험 도중에는 증류수를 이용해 전극을 세척하는 과정만을 거쳤는데, 다수의 실험을 통해 전극에 불순물이 남아 있었거나 이전에 흡착되었던 물질이 그대로 다시 사용되게 되면 극미량의 시료를 검출할 수 있도록 감도가 높은 ASV를 선택한 본 실험에서는 작은 오차도 실험 오류에 크게 작용했을 것이다. 또한 이러한 ASV의 민감도는 전극 뿐만 아니라 사용하는 cell이 제대로 세척되지 않았거나 pipet tip 등으로 인해 시료가 오염되는 등의 오차 원인에 의해서도 실험 결과가 크게 바뀔 수 있었던 원인이 되었을 것이다. 따라서 각 실험마다 전극과 cell을 잘 세척하고 최대한 외부 불순물이 cell에 영향을 주지 못하도록 빠르게 세척을 진행해야 할 것이다.실험 설계 자체에서도 오차가 발생할 수 있다. 본 실험에서는 다양한 농도의 여러 용액에 대한 측정을 반복적으로 진행했는데, 각 용액의 정확한 농도나 pH, 온도 등 오차를 발생시킬 수 있는 다양한 조건들을 확인하며 진행한 것은 아니다. 특히 농도는 직접적으로 전기분석 신호의 크기에 영향을 주게 되며, pH는 반응종의 mechanism을 바꿀 수 있고, 자석 교반을 지속적으로 실시한 실험의 경우 온도가 많이 변화하며 오차가 생겼을 수 있다. 이러한 요인들 역시 약간의 차이만 발생하더라도 미량의 시료 검출 실험에서는 큰 차이를 낼 수 있기 때문에 매 실험 전에 측정하여 그 차이를 보정하거나 일정한 조건을 유지하는 개선 방안을 생각해볼 수 있을 것이다. 또한 ASV를 진행할 때 타이머를 맞춰 시간을 측정해가며 수동으로 교반을 종료하는 과정을 거쳤는데, 시작 시점이나 종료 시점을 사람의 손으로 맞춘 것이기 때문에 재현성이 떨어지게 되므로 각 실험에서의 조건을 동일하게 맞추지 못하는 문제가 발생했을 것이다. 이는 교반을 자동화한 장치를 사용하거나 병렬적으로 실험을 동시에 진행해 최대한 오차를 줄일 수 있을 것이다.본 실험 내의 NCM 용액 자체가 가지는 충전 전류에 의해 Cu의 농도가 높아지더라도 그로 인한 패러데이 전류의 형성을 방해했을 가능성이 있다. ASV는 양극 벗김을 활용하는 전기분석이므로 분석하고자 하는 시료가 양극에서 모두 흡착되었다가 다시 벗겨지는 과정이 완전히 일어나야 한다. 그러나 NCM 용액이 Cu보다 상당한 과량으로 존재하기 때문에 전극 표면에서의 흡착이나 double layer의 형성 등으로 Cu의 흡착을 방해할 수 있고, 따라서 전하량이 Cu 농도에 정비례하지 못하고 2차식과 같은 형태로 적은 농도일 때 전하량의 변화폭이 적다가 일정 이상의 농도를 넘어서야 비로소 비례하는 전하량이 측정되는 경향성을 보일 수 있다.또한 전위를 가한 방식에 따라서도 선형성이 달라질 수 있을 것이다. 본 실험에서는 MS의 ASV를 측정하기 위해 일반적인 CA와 같은 방법으로 0.3V와 -0.2V의 전위 스텝을 바꾸어 걸어주며 음극 전착과 양극 벗김을 진행했다. 그러나 전위 스텝은 기기 한계로 인해 실제로 완전한 계단 스텝이 아닌 약간의 기울기를 가지며 매우 빠르게 증가하는 전위를 걸어주게 되는 것으로, 본 실험의 설계처럼 처음의 전류 peak에서 얻는 전하량이 매우 중요한 경우 정확한 peak 전류의 시작점을 알지 못하면 계산 결과의 오차가 커질 수 있다. 본 실험에서도 실제 BS에 대한 전류를 ASV로 구해보았을 때 초반의 전류가 일정하게 유지되며 실제 peak의 시작보다 조금 앞에서 측정이 시작되었다는 것을 확인할 수 있는데, 정확한 기준이 없어 이를 제외할 수는 없으나 이 전류를 적분하여 전하량을 구할 때 미량의 Cu에 대해서는 그 시점에 따라 큰 차이를 보일 수 있다는 점을 시사한다. 따라서 실제로 ASV에서 석출된 시료는 기본적인 CA에서 사용하는 전위 스텝이 아니라 보통 선형주사전압전류법 (Linear Sweep Voltammetry, 이하 LSV)와 네모파전압전류법 (Square Wave Voltammetry, 이하 SWV)와 같은 방법을 사용하여 양의 전위를phy 등의 다양한 분석 분야에서 고체상 추출법(SPE)나 액체-액체 추출법(LLE) 등을 사용해 시료를 전처리 함으로써 LOD를 낮추어 검출 확률을 높이는데 적용된다.두 번째 방법으로는 전극 자체의 표면을 새롭게 바꾸어 민감도를 향상시킴으로써 LOD가 더 낮은 전극을 사용하는 것이다. 예시로 그래핀이나 탄소 나노튜브와 같은 나노물질들을 전극에 코팅하게 되면 전극의 표면적이 넓어지며 촉매 활성이 향상되기 때문에 분석으로 얻을 수 있는 신호의 세기가 강해지게 된다. 대표적으로 금 나노입자와 탄소 나노튜브를 사용해 전극 표면을 코팅하여 미량 glucose를 효과적으로 검출할 수 있도록 LOD를 낮춘 glucometer 등이 있다.6세 번째 방법으로는 전기화학적 증폭 기술을 사용하는 것이 있다. 이는 측정하려는 시료의 전류나 전압 등의 특정한 전기화학적 특성을 증폭시킴으로써 미량의 시료에서도 큰 신호를 얻어내어 LOD를 낮추는 방법이다. 대표적으로 biosensor 분야에서 다양하게 적용되는데, RNA 검출 한계를 낮추기 위하여 관찰하고자 하는 RNA의 특정 cascade reaction을 DNA nanosphere를 매개로 하는 전기화학적 증폭 기술로 증폭시켜 얻은 신호로써 미량의 RNA를 검출하는 방법 등이 연구되어 왔다.72) 배터리 양극재 NCM에 대한 조사 (어느 물질로 구성되는가)- 실제 배터리 샘플과 제조한 NCM-Cu 용액의 전하량 신호 차이가 왜 나는지 설명최근 급부상하고 있는 2차 전지의 주요한 종류 중 하나인 리튬 이온 배터리에는 과거부터 지금까지 다양한 양극재가 연구되고 사용되어 왔다. 리튬 이온 배터리는 에너지를 저장하고 방출하는 화학적 장치로, 양극, 음극, 전해질, 그리고 분리막으로 구성된다. 양극은 리튬 금속 산화물로 만들어지며, 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 리튬 철 인산염(LFP) 등이 사용되어 충전 시 리튬 이온을 저장하고 방전 시 방출한다. 음극은 주로 흑연으로 만들어지며, 충전 시 리튬 Cu15의 다양한 농도별 specific capacity 그래프.위 [그림 12]에서도 확인할 수 있듯, 배터리 양극재에 Fe, Al, Cu 등의 불순물이 들어가게 되면 그 농도에 따라 배터리의 용량이 바뀌게 된다. 즉 BS와 같은 실제 배터리 시료에 다른 종류의 금속이 포함되어 불순물이 존재한다면, 이 불순물이 용액의 전기화학적 성질 자체에 영향을 주게 되므로 용액에 첨가한 Cu가 ASV에 의해 빠르게 반응한 후에도 지속적으로 다른 side reaction이 일어나며 음의 전류가 발생했고, 이로 인해 계속해서 감소하는 음의 전하량 CC를 보이게 되었다고 해석할 수 있다. 그러나 위 [그림 12]에서도 확인할 수 있듯이 배터리 용량은 불순물의 농도가 증가한다고 해서 단순히 선형적으로 떨어지는 관계가 아니라, 불순물이 일정 이하의 농도일 때는 오히려 배터리 용량이 증가하는 경향을 보이다가 일정 이상으로 증가하면 다시 감소하는 등의 다양한 형태를 나타낸다. 따라서 이러한 복잡한 경향성은 본 실험의 BS에 대해 구한 CC가 첨가한 Cu 농도에 따라 등간격으로 변화하지 않고 전하량의 증감이 섞여 있는 결과와 일치하며, 교정곡선의 비선형성에도 영향을 미쳤을 것으로 예상된다.5. Reference1) Wu, J.; Xiao, L.; Shen, L.; Ran, J.-J.; Zhong, H.; Zhu, Y.-R.; Chen, H. Recent Advancements in Hydrometallurgical Recycling Technologies of Spent Lithium-Ion Battery Cathode Materials. Rare metals/Rare Metals 2023, 43 (3), 879–899.2) Celante, V. G.; Freitas, M. B. J. G. Electrodeposition of Copper from Spent Li-Ion Batteries by Electrochemical Quartz Crystal Microbalance and Imp

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Electrochemistry

Electrochemistry (CV)1. Abstract전기화학은 전자기학적으로 작동되는 회로와 분자로 구성된 화학적 시스템의 경계에서 일어나는학문으로, 주로 전류의 흐름에 의해 야기되는 화학적 변화나 화학반응으로 인해 발생하는 전기적 현상들에 대해 연구한다. 이러한 전기화학의 원리를 화학적인 분석 방법에 적용하여 전극과 분석 용액으로 구성된 시스템을 사용해 빠르고 정확한 분석 결과를 얻는 기법을 전기분석이라고 한다. 본 실험에서는 전기화학적 분석 기법에 대한 이해를 바탕으로 전기화학 측정 시스템을 구성하여 주어진 시료를 정성 및 정량 분석하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 다양한 전기화학 측정법 중 순환전압전류법, 시간전류법, 시간전하법의 원리와 특징을 이해하고 그에 해당하는 분석 이론인 Randles-Sevcik, Cottrell, Anson 식을 이해하며 이를 실제 Ruthenium Hexamine(이하 RuHex) 시료에 실험으로 적용해봄으로써 시료의 정성 및 정량 분석을 시행한다. 또한 순환전압전류법에서 p-benzoquinone의 pH에 따른 전위 변화를 관찰하며 양성자 결합 전자 전달 반응에서의 전기분석의 응용에 대해서도 함께 알아본다.2. Introduction1) 전기분석전기화학적 분석 기법은 전기화학적 시스템에서 전극의 전위를 조절하면서 전류를 측정하거나, 전류를 조절하면서 전위를 측정하는 방법으로 나눌 수 있다. 전위를 조절하면서 전류를 측정하는 기법은 일반적으로 전해질에 산화환원종(redox species)이 존재할 때 사용된다. 이 기법에서 전극의 전위가 분자 내 전자의 최고 점유 분자 오비탈(HOMO)보다 낮으면, 분자에서 전극으로 전자가 이동하여 산화 반응이 발생하고 전류가 흐른다. 반대로, 전위가 분자 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO)보다 높으면, 전극에서 분자로 전자가 이동하여 환원 반응이 발생하고 전류가 흐른다.이러한 전위 조절 기법은 전기 이중층(electric double layer)의 형성에 의한 충전 전류와 산화환원 끝난 후 최종 전극의 상태를 동일한 조건의 CV로 한 번 더 측정한 것이다. 왼쪽 그림을 보면 처음 cleaning을 진행할 때에는 아직 전극 표면에 불순물이 남아 있어 다양한 모양의 CV 그래프가 관찰되었기 때문에 겹쳐 그리면 그래프의 선이 두꺼워지게 되지만, 오른쪽 그림처럼 최종적으로는 하나의 CV 형태로 안정화된 것을 보아 불순물이 모두 제거되었다고 판단할 수 있었다.[그림 2] 0.1M KNO3 용액의 N2 purging 전후 potential window위 [그림 2]은 본 실험에서 농도 측정을 위해 사용한 시료 RuHex를 녹이는 데 사용한 용매 0.1M KNO3 용액의 N2 purging 전후의 CV potential window를 나타낸 것이다. N2 purging을 하기 이전의 파란색 CV를 살펴보면 큰 potential 편차를 보이며 fluctuation을 나타내지만 N2 purging 이후의 주황색 CV는 거의 0 근처에서만 약한 변동성을 나타내는 것으로 보아, N2 purging이 성공적으로 진행되어 용액과의 부반응을 일으키는 대기 중 산소가 모두 제거되었다는 것을 알 수 있다. 그러나 이 결과를 실제 CV 전류에서 보정하지 않았는데, 그 이유는 discussion에서 논의할 것이다.[그림 3] RuHex의 scan rate에 따른 CV와 Randles-Sevcik plot.위 [그림 3]의 왼쪽 그림은 동일한 0V ~ -0.4V의 범위에서 scan rate가 각각 25, 50, 100, 200 mV/s일 때의 RuHex의 CV를 나타낸 그래프이다. 상대적인 high potential에서 위를 향해 있는 peak가 산화 peak이며 RuHex(III) RuHex(II) + e 의 반응에 해당되고, 상대적인 low potential에서 아래 방향 peak가 환원 peak이며 RuHex(II) + e RuHex(III) 의 반응에 해당된다. 또한 scan rate가 커질수록 각 peak의 전류가 더 크게 관찰되는 것을 확인할 수 있는데, 이하였으나 전극의 노후화나 cleaning 횟수의 부족 등으로 제거되지 않은 불순물이 여전히 전극에 남아있었을 가능성이 있다. 마찬가지로 실험을 계속 진행해 나가며 각 실험 사이에 전극과 용기를 3차 증류수로 세척해주었는데, 이때 이전 실험의 용액이 남아 있었을 경우 다음 실험의 농도 측정에 영향을 미칠 수밖에 없었을 것이다. 이러한 실험 기구에서의 불순물로 인한 오차는 cleaning 과정의 CV가 확실히 하나의 일정한 그래프로 수렴하는 것을 확인할 때까지 cleaning을 계속 진행하고 매 실험이 끝날 때마다 다시 cleaning을 진행하는 등의 추가적인 방법을 통해 개선할 수 있을 것이다. 또한 각 실험에서 사용한 식의 온도 기준이 다르기 때문에 생기는 오차도 고려해야 한다. Introduction에서 확인한 Randles-Sevcik 식과 PCET에서 사용한 Nernst 식은 원래 모두 온도와 연관이 있는데, Randles-Sevcik의 계산에서는 25°C를 가정했을 때 본 실험에서의 계산에 사용된 상수를 대입해 구할 수 있고, Nernst 식은 300K을 가정했을 때 59.2mV라는 상수를 얻게 된다. 따라서 실제 온도가 가정과 큰 차이를 보였다면 계산 결과가 정확하지 않을 수밖에 없으므로, 온도와 관련된 식을 사용할 때는 실험 당시 온도를 확인하는 것이 중요할 것이다. 또한 다양한 시료 용액 준비 시의 농도의 정확성으로 인한 계통적 오차나 기기 자체에서 오는 오차도 존재할 것이다.2) 황산 CV에서 각 부분의 의미 해석과 전극의 real surface area 구하는 방법본 실험에서는 가장 먼저 Au 전극을 cleaning하기 위해 0.1M H2SO4 용액에 Au 전극을 넣고 100회 CV를 진행했다. 이때 나타난 CV의 개형은 [그림 7]과 같은데, cleaning이 모두 진행된 오른쪽 그림의 경우 아래 [그림 7]과 같은 형태를 띄는 것을 확인할 수 있다.[그림 7] 0.1M KOH 용액에서 Au 전극의 CV.3위 [그림 7]은 기준전극 RHE에 ground data를 보정하는 것이 실제로 더 안정화된 실험 결과에 오히려 악영향을 줄 수 있다고 판단하여 사용하지 않았다.4) CA 결과의 비선형성과 충전 전류 고찰본 실험에서는 quiet time을 5초, operating time을 1초로 하여 CA를 진행했다. 이때 여기서 구한 Cottrell plot과 Anson plot 모두에서 초기 시간에 대한 CA 결과 값이 선형성을 이탈하는 현상을 보였기 때문에, 두 plot 모두 마지막 5개의 CA 결과 값만 가지고 선형회귀를 진행하여 농도를 구한 바 있다. 이러한 선형성 이탈의 이유로는 우선 실험에 사용한 potentiostat의 기계적 한계를 생각해볼 수 있다. CA는 기본적으로 전기화학 반응이 불가능한 전위에서 가능한 전위로의 순간 전위 step을 주어 그 때의 전류를 측정하는 방식이다. 그러나 실제로는 물리적 한계로 인해 potentiostat이 변화시키는 전압이 순간적으로 일시에 바뀔 수 없으므로 필연적인 기울기를 가지고 변화하게 된다. 따라서 초기 시간에 대한 결과는 이러한 기울기를 갖는 step에서의 오차를 포함하기 때문에 선형성에서 이탈할 수밖에 없게 된다. 특히 Cottrell plot의 경우 모든 CA 결과를 전부 plot한 그래프에서는 선형성이 거의 관찰되지 않았는데, 이는 짧은 operating time과 관련이 있다. 본 실험에서는 operating time을 1초로 두고 매우 짧은 시간동안 CA를 측정했는데, 그 초기 시간대에는 필연적으로 충전 전류에 의한 값도 포함이 되었기 때문에 오차가 발생할 수밖에 없다. 이러한 오차는 operating time을 더 늘려서 충전 전류가 완전히 사라진 뒤의 시간에 대한 실험 결과를 추가적으로 얻어서 선형성을 확보함으로써 해결할 수 있을 것이다.본 실험에서 얻은 Anson plot은 기울기가 음수로 나타났으나 y 절편은 양수로 나타났는데, 이때의 y 절편은 충전 전류에 의한 전하량을 의미하며 로 계산되었다. 이는 전기적 이중층의 형성에 대한 Go peak 전류의 크기가 커지는 것이다. 그러나 측정되는 peak 전류만을 키우기 위해 이러한 scan rate를 계속해서 높일 수만은 없는데, 이는 scan rate를 높이는 것이 전극 표면에서 발생하는 산화 환원 반응을 더 빠르게 진행시키는 것을 의미하기 때문이다. Scan rate가 일정 이상 높아지게 되어 전극 표면에서의 산화 환원 반응의 속도가 이 짧은 시간 안에 모두 일어날 수 없게 되면, 표면에서의 화학반응이 완전히 일어나지 못하거나 아예 사라지기 때문에 CV가 반응 속도에 따라 왜곡되며 peak가 관찰되지 않고 결국 원하는 분석을 할 수 없게 된다. 따라서 관찰하고자 하는 산화환원종의 반응 속도를 고려하여 scan rate를 적정 수준으로 설정하는 것이 중요하다.그러나 scan rate를 증가시키는 것이 측정되는 전류의 크기를 증가시켜 전반적인 감도를 개선할 수 있는 것이 사실이므로, 특정 반응들에 대해 scan rate를 매우 빠르게 걸어주어 미량의 변화도 관찰할 수 있는 FSCV (Fast Scan Cyclic Voltammetry)가 등장했다. FSCV는 최대 1,000,000 V/s 정도 까지의 매우 빠른 scan rate를 사용하여 CV를 진행하는 것이 특징이며, 일반적인 반응을 관찰하기에는 scan rate가 매우 크지만 탄소 섬유 미세전극 등을 활용하여 생체 내의 반응을 높은 감도와 좋은 시간 분해능으로 측정할 수 있는 기법이다. 주로 생물학적 시스템에 대해 신경 전달 물질, 호르몬이나 대사 산물들을 민감하게 검출할 수 있으며 탄소 섬유 미세전극을 활용해 세포 단위의 반응을 연구하거나 특정 뇌의 영역을 정밀하게 조사할 수도 있기 때문에 신경화학 연구에서도 많이 사용한다.96. Conclusions본 실험에서는 전기화학적 분석 기법들을 통해 RuHex의 농도를 측정해보았고, pH에 따른 p-benzoquinone의 환원 경로를 분석해보았다. 각각 CV, CA, CC에서 Randles-Sevcik, Cottrell, Anson 식과 pl73.

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Quantitative Fluorescence Analysis

Fluorescence Analysis1. Abstract형광 정량분석은 시료가 포함하고 있는 형광물질이 빛을 흡수했다가 방출할 때 나타나는 형광의 세기를 측정하여 미지시료의 농도를 측정하는 분광학적 분석법이다. 본 실험에서는 퀴놀린 고리를 가지며 높은 형광 양자 수득률과 교정 곡선의 선형 범위가 넓은 퀴닌을 형광물질로 사용하여 서로 다른 두 가지 미지시료들의 농도를 계산했다. 이러한 형광 정량분석의 원리를 이해하고 측정 방법에 대해 알아보기 위해, 다양한 퀴닌 표준 용액으로 그린 교정 곡선에 미지시료의 형광 세기를 대입하여 역으로 농도를 구하는 교정 곡선 방법과, 동일한 양의 미지시료에 퀴닌 표준 용액의 양을 다르게 한 후 동일한 부피로 묽혀 원래 미지시료의 농도를 선형회귀로 구하는 표준물 첨가법을 사용했다. 또한 형광물질이 분석 물질 외의 다른 물질과 반응하여 나타나는 matrix 효과 중 하나인 소광 효과를 관찰하기 위해 염화나트륨을 사용하여 염화 이온이 보이는 소광 효과를 Stern-Volmer plot을 통해 확인했다. 실험 결과 교정 곡선을 사용해 구한 미지시료의 농도는 각각 6.080 ppm과 25.56 ppm, 표준물 첨가법을 사용해 구한 농도는 각각 4.425 ppm과 4.100 ppm으로 서로 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있었고, 이에 대한 실험 오차 원인 및 개선 방안을 고찰했다. Stern-Volmer plot 역시 기존 Stern-Volmer 식의 선형성을 만족하지 못하는 결과를 나타냈는데, 그 이유에 대해 분석하고 추가 실험 방향을 제시했다.2. Introduction1) 형광형광은 분자가 빛을 흡수하여 들뜬 상태로 여기되었다가 바닥 상태로 떨어지며 광자의 형태로 에너지를 방출하는 현상을 말한다. 이러한 형광을 나타내는 물질을 형광물질이라고 하며, 형광물질의 순도가 100%이면 여기 파장에 관계 없이 일정한 방출 스펙트럼을 나타낸다. 이때 형광물질이 빛을 흡수하면 Franck-Condon 원리에 의해 분자는 바닥 상태에서 들뜬 상태의지시료 1의 형광 spectrum과 교정 곡선 대입.위 [그림 2]은 미지시료 1의 형광을 측정해 나타낸 spectrum와 위에서 구한 교정 곡선에 최대 세기를 갖는 파장을 빨간색 점으로 대입한 그래프이다. 교정 곡선에 대입해 구한 미지시료 1의 농도는 0.1216ppm이므로 5배 희석을 고려하면 원래 농도가 6.080 ppm으로 계산된다.[그림 7] 미지시료 2의 형광 spectrum과 교정 곡선 대입.위 [그림 7]은 미지시료 2의 형광을 측정해 나타낸 spectrum와 위에서 구한 교정 곡선에 최대 세기를 갖는 파장을 빨간색 점으로 대입한 그래프이다. 교정 곡선에 대입해 구한 미지시료 2의 농도는 0.5112ppm이므로 50배 희석을 고려하면 원래 농도가 25.56 ppm으로 계산된다.표준물 첨가법의 경우 25배 희석된 미지시료 1mL에 퀴닌의 농도를 0.1 ppm씩 바꾸어 가며 총 10mL의 동일한 부피의 용액을 5개 만든 후 실험을 진행했다. 따라서 최종 미지시료는 250배 희석되어 있는 상태이며, 측정한 형광 spectrum을 통해 그린 선형회귀 그래프와 결과는 아래와 같다.[그림 8] 미지시료 1의 표준물 첨가법 형광 spectrum과 선형회귀 그래프.위 [그림 8]는 미지시료 1의 형광을 표준물 첨가법을 통해 측정해 나타낸 퀴닌의 농도별 형광 spectrum과 각 농도에서의 형광 세기 최댓값을 활용해 그린 선형회귀 그래프이다. 선형회귀 식은 y = 6898 x + 122로 나타났으며, 여기서 구한 x 절편 값이 -0.0177이었으므로 미지시료 1의 농도는 다시 250을 곱해준 4.425 ppm이다.[그림 9] 미지시료 2의 표준물 첨가법 형광 spectrum과 선형회귀 그래프.위 [그림 9]는 미지시료 2의 형광을 표준물 첨가법을 통해 측정해 나타낸 퀴닌의 농도별 형광 spectrum과 각 농도에서의 형광 세기 최댓값을 활용해 그린 선형회귀 그래프이다. 선형회귀 식은 y = 7046 x + 116로 나타났으며, 여기서 구한 x 절편 값이 -0.0 본 실험에서는 얻은 형광 스펙트럼이 각각 440 nm와 460 nm에서 두 개의 peak이 관찰되었는데, 문헌에 따르면 더 파장이 작은 쪽이 S0–S2 excitation, 큰 쪽이 S0–S1 excitation에 해당하는 peak이다.5 모든 과정에서 사용한 형광 세기는 형광 spectrum 내의 최댓값으로 결정했기 때문에, 실제로는 최대 형광 세기가 관찰된 파장이 모두 다를 수 있을 것이다. 따라서 slit width를 증가시켜 더 좋은 분해능을 얻으면 두 excitation에 대한 peak을 더 잘 분리할 수 있을 것이므로, 최대 형광 세기가 관찰된 파장의 결과를 더 일관적으로 구할 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 분해능을 늘린다는 것은 필연적으로 signal-to-noise ratio가 감소하여 신호의 세기와 감도가 감소하는 부차적인 효과를 동반하므로, 적절한 slit width를 선택해 최대한의 sharp peak을 얻는 것이 중요하다.2) Conjugation과 형광의 관계형광을 관찰하는 것은 기본적으로 분자의 excitation에 해당하는 energy level gap만큼의 빛 에너지가 방출되는 것이 우리 눈에 보이는 것이다. 따라서 형광은 분자의 S0-S1 excitation gap, 즉 HOMO-LUMO gap이 우리 눈에 보이는 가시광선의 영역으로 들어오도록 조정된 상태에서만 관찰된다. 따라서 π-bond의 conjugation이 형광 관찰 가능 여부에 중요한 영향을 끼치는데, 문헌에 따르면 conjugation length가 증가할수록 형광이 관찰되는 최대 파장의 길이가 증가하고 형광 양자 수득률 역시 증가하는 경향을 보인다. 이는 conjugation의 안정화 효과에 의한 HOMO-LUMO gap의 에너지 감소로 설명할 수 있다. Conjugation length가 증가할수록 일반적으로 분자의 excited state가 안정해지게 되고, ground state와 excited state간의 에너지 차이인 HOMO-LUMO gap이 줄어낮아져야 하기 때문에 모든 scatter가 우상향하는 방향으로 이동하며 선형 추세선이 나타나야 하는데, 이러한 선형성에서 매우 벗어난 결과라는 것을 알 수 있다. 이는 실험을 진행할 때 소광제를 넣지 않은 퀴닌 용액을 준비하며 생긴 오차로 생각되는데, [그림 10]에서 확인할 수 있듯 파란색으로 표시된 염화 이온 0 ppm 용액이 염화 이온의 농도가 증가해 소광 효과가 발생한 50, 100 ppm보다도 오히려 형광 세기가 낮아 더 낮은 spectrum이 나타난 것을 볼 수 있었다. 이러한 오차를 감안하여, 소광제를 넣지 않은 0 ppm 용액을 실험 데이터에서 제외하고 50 ppm 용액을 기준으로 다시 Stern-Volmer plot을 진행한 결과 아래 [그림 11]과 같이 우상향 scatter와 선형성을 잘 확인할 수 있었다. 이는 실제 소광제가 없을 때의 형광 세기를 기준으로 하는 Stern-Volmer 식과는 다르기 때문에 Stern-Volmer 상수를 구하는 데는 사용할 수 없으나, 소광제에 의한 소광 효과가 소광제 농도에 대해 선형적으로 나타난다는 사실을 보여주는 것은 가능하다.[그림 11] 0 ppm 용액을 제외하고 50 ppm 용액에 대해 도시한 Stern-Volmer plot.5. Homework1) 소광(quenching)의 의미와 종류, 예시, 이번 실험에서 사용한 소광 효과와의 비교소광이란 형광을 나타내는 물질이 다른 물질로 인해 그 형광 세기가 감소하게 되는 모든 현상을 말하며, 크게 dynamic quenching과 static quenching으로 구분할 수 있다. 먼저 본 실험에서 가정한 Stern-Volmer model에서 사용된 dynamic quenching은 형광물질과 소광제가 서로 충돌하는 등의 상호작용을 통해 excitation state에 있던 형광물질이 ground state로 non-radioactive transition을 하게 되며 형광을 방출하지 않기 때문에 생기는 소광 효과이다. 이는 물질 간의 거리에 의존하는 떨어질 수 있다.126. Conclusion본 실험에서는 교정 곡선과 표준물 첨가법을 사용해 두 가지 서로 다른 미지시료에서 퀴닌이 나타내는 형광 spectrum을 관찰함으로써 그 농도를 계산해보았다. 퀴닌 표준 용액을 사용해 미리 준비한 교정 곡선에 미지시료의 측정치를 대입하여 역으로 농도를 구할 수 있었고, 동일한 양의 미지시료에 대해 퀴닌 표준 용액의 첨가량을 다르게 하여 선형회귀를 실시함으로써 농도를 구할 수도 있었다. 그러나 실제 실험 과정에서 교정 곡선을 사용해 구한 미지시료의 농도와 표준물 첨가법을 사용해 구한 농도가 상당히 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었고, 이는 표준물 첨가법을 사용할 때의 미지시료 준비 과정에서 실험 오류가 있었던 것으로 생각된다. 본래 교정 곡선으로 구하는 방법은 matrix 효과를 고려하지 못하지만 표준물 첨가법은 다른 조건들이 일정한 상황에서 형광물질인 퀴닌의 농도만을 바꾸어 측정하므로 matrix 효과를 고려하지 않아도 되기 때문에 더 정확한 방법이라고 말할 수 있다. 따라서 선형 범위에 해당하는 실험들을 다시 설계하여 여러 번 반복함으로써 불확정도를 최대한 줄인 후 outlier들을 Grubbs test로 제거하는 등의 데이터 전처리를 통해 더 정확한 농도 측정을 할 수 있을 것이다.또한 염화나트륨을 사용하여 염화 이온에 의한 dynamic quenching이 퀴닌의 형광 세기에 어떠한 영향을 미치는지를 Stern-Volmer model을 통해 확인해보았다. Stern-Volmer plot 역시 0 ppm 용액의 문제로 인해 선형성을 잃고 우상향하는 그래프를 보이지 못했는데, 해당 용액을 다시 준비하고 실험했을 때 0 ppm 용액의 형광 spectrum이 50 ppm 용액의 형광 spectrum보다 높은 형광 세기를 보이는 것을 확인한 상태로 실험을 계속 진행하며 형광 세기가 소광되는 효과를 확인한 후 결과를 분석하면 더 나은 plot을 계산할 수 있을 것이다. 또한 static quenching의 결과도 함께

자연과학| 2024.09.26| 12페이지| 2,000원| 조회(135)

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