분광학과 UV/Vis·FT-IR 분석법

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분광학(Spectroscopy)과 물질의 정성 분석

✔️ 분광학의 시작은 17세기 아이작 뉴턴이 백색광이 프리즘을 통과할 때 여러 색의 빛들로 나누어지는 것을 발견한 당시로 거슬러 올라갑니다. 즉 뉴턴의 발견인 프리즘의 분광능과 빛의 (연속) 분광 스펙트럼은 분광학의 기본이 되는 것으로, 분광학이란 그 이름 그대로 빛(광)을 나누어(분) 분석하는 것입니다.

물론 이때 분석의 대상이 되는 것은 빛이아니라 그 빛이 통과하는 물질이며, 이러한 분석법에 대한 아이디어는 19세기 프라운호퍼선의 발견과 더불어 각 원소가 특이적인 흡수, 방출의 선 스펙트럼을 나타낸다는 발견과 함께 시작되었습니다. 이러한 19세기까지의 발견과 이를 이용한 분광학은 선 스펙트럼을 통해 여러 원소들의 존재를 밝혀냈고, 또한 지구과학1 내용과 같이 별의 분광 스펙트럼을 통한 분광형 결정과 표면온도의 파악 등에 활용되어 오고 있습니다.

❗️19세기까지의 고전적 분광학은 가시광선 영역의 파장으로만 빛을 제한하였으나 20세기에 이르러 분광학에 활용되는 빛의 파장 범위는 가시광선을 넘어 보다 넓은 범위로 확장되었으며, 이는 현대의 NMR, FT-IR, UV/vis 흡광계 등 최신 분광학 기기, 기술들의 배경이 되었습니다.

❗️분광학의 기본적 원리는 파장 혹은 주파수를 기준으로 빛을 나누고 각 파장 혹은 주파수의 빛이 물질을 지나갈 때 상호작용(흡수, 방출, 산란 등)하는 것을 통해 다양한 물질의 특성을 밝혀내는 것입니다. 특히 최신 기기들을 통해 어떤 물질(원소)의 존재를 확인하는 '정성 분석' 뿐만 아니라 유기화학적 측면에서 물질의 화학 구조를 파악하는 것까지 손쉽게 이루어지며 이러한 이유로 분광학은 생명공학을 비롯한 다양한 학문 분야의 기본 기술로 여겨지고 있습니다.

⇢ 지구과학1에 소개되는 별의 분광 스펙트럼은 분광학의 발전 과정의 초기에 해당하는 내용이라 할 수 있습니다. 이번 탐구에서는 별의 분광 스펙트럼과 유사한 원리로 물질을 분석하는 자외가시부(UV/Vis) 흡광법과, 가시광선 외 파장 범위에 해당하는 적외선을 활용한 현대의 분광 분석 장비인 FT-IR(Fourier-Transform Infrared spectroscopy)에 대해 살펴보며 지구과학에서도 소개되는 분광학의 개념이 의약학 분야에 어떻게 활용되고 있는지를 탐구해보도록 하겠습니다.

✔️ 지구과학1 교과 내용 중 별의 분광 스펙트럼을 통해 분광형을 결정하고 표면 온도를 파악하는 것을 보며, 빛을 이용하여 그 빛이 통과하는 물질의 특성을 파악하는 원리가 별 외에 우리 주변의 물질들에도 적용될 수 있는지에 궁금증을 가지게 되었다. 그러한 호기심에서 시작된 탐구의 과정 중에서 '분광학'이라는 빛을 활용한 분석의 학문 분야가 있다는 것을 알게되었고 이러한 학문적 배경에서 NMR, FT-IR, 자외가시부 흡광계 등 다양한 분석 장비들이 개발되어 의약학, 생명공학 분야에 기본 도구로서 사용되고 있다는 것을 알게되었다. 이번 탐구에서는 이러한 내용들을 정리해보며 최신의 분광학 기기, 기술들이 내가 진로로 하는 의약학 분야에 어떻게 활용되고 있는지를 자세히 탐구해보려한다.

별의 분광 스펙트럼 분석

✔️ 별의 분광형에 따라 표면온도를 추정하기 위해서는 우선 분광 스펙트럼에 대한 이해가 필요합니다. 고온의 광원에서 나온 빛(백색광)은 모든 파장의 빛이 포함되어 있으며 프리즘 등에 의해 연속 스펙트럼을 나타냅니다. 이때 이러한 빛이 저온의 기체를 지나가게 되면, 그 기체를 구성하는 원소들에 의해 특정 파장의 빛이 흡수되며 연속 스펙트럼에서 특정 파장의 빛이 선으로(흡수선) 빠진 흡수 스펙트럼이 나타나게 됩니다. 이때 원소의 종류에 따라 흡수하는 빛의 파장이 다르기 때문에 흡수선의 위치 역시 각각의 원소에 특이적으로 나타나게 됩니다.

❗️ 원자가 전자를 잃고 이온화되면 에너지를 흡수하는 양상이 완전히 달라지며 따라서 흡수선의 위치도 달라지게 됩니다. 별의 표면 온도는 에너지에 비례하며, 에너지의 크기는 원소들의 이온화 정도에 영향을 미치게 됩니다. 아주 높은 표면 온도의(분광형 O형) 별에서는 높은 에너지가 (분자 내) 원자 간 결합을 모두 끊어버리기 분자선은 당연히 존재하지 않으며, 또한 높은 에너지로 대부분의 원소들을 이온화시켜 다양한 원소들의 흡수 스펙트럼이 사라지게 됩니다. 다만, 수소와 헬륨은 이온화에 필요한 에너지가 다른 원소들보다 크기도 하며 또한 우주를 구성하는 비중이 가장 큰 원소이기에 높은 표면온도의 분광형에서도 흡수선이 관찰됩니다.

⇢ 따라서 각 표면온도에 따라 존재하는 표면 주변부 근처 대기에 존재하는 중성 원자의 종류가 달라지므로 흡수 스펙트럼이 다르게 나타나며, 각각의 온도에 따른 흡수 스펙트럼 종류와 세기를 기준으로 하여 별의 분광형을 7가지(O, B, A, F, G, K, M)로 분류하고 각 분광형은 고온의 0에서 저온의 9까지 세분화 하여 분류에 활용하고 있습니다. 즉, 흡수 스펙트럼으로 별의 분광형을 결정하면, 이는 별의 표면온도가 얼마인지를 알려주는 지표라 할 수 있습니다.

분광학, 빛과 물질 상호작용 원리

✔️ 빛의 입장에서, 빛과 물질의 상호작용을 빛이 가지는 이중성 중 '입자성'으로 설명할 수 있습니다. 이는 물리학2에 해당하는 내용으로, 물리학2를 배운 학생이라면 지난 탐구 내용을 참고하여 광전효과, 콤프턴 효과와 함께 전자의 광자 흡수를 설명할 수 있을 것입니다.

❗️반면 빛이 조사되는 물질의 입장에서의 상호작용은 화학 혹은 통합과학적 내용으로 설명할 수 있습니다. 오비탈 이론이 등장하기 이전 보어의 원자모형을 토대로 설명하자면 원자핵을 중심으로 여러개의 원형 궤도가 존재하며, 전자는 이러한 궤도 위에서 원자핵을 중심으로 원운동하게 됩니다. 이때 각 껍질 위에서 전자가 가지는 에너지 준위는 양자화 되어 있으며 원자핵에 가까울수록 에너지 준위는 낮아지게 됩니다. 양자화 되어 있다는 것은 값들이 불연속적임을 의미합니다. 만약 1번째 껍질의 에너지 준위가 10, 2번째 껍질의 에너지 준위가 20, 3번째 껍질의 에너지 준위가 30이라면, 전자가 가질 수 있는 에너지 준위 값은 10, 20, 30 중 하나이며 그 사이의 값(ex. 15)은 존재할 수 없음을 의미합니다.

❗️전자가 원자핵에 가장 가까운 껍질에 위치할 경우 에너지 준위가 가장 낮아지며 이는 전자가 안정됨을 의미합니다. 이때의 전자 상태를 바닥상태(Ground state)라 합니다. 반면, 전자가 2번째, 3번째, 4번째 등의 바깥 껍질에 위치할 경우 에너지 준위가 높아지며 불안정해집니다. 이러한 전자 상태를 들뜬상태(Excited state)라 합니다. 바닥상태의 전자는 광자를 흡수함으로서 에너지를 얻고 들뜨게 됩니다. 이를 전자의 여기(Excitation)이라 하는데, 만약 1번째 껍질의 에너지가 10, 2번째 껍질의 에너지가 20, 3번째 껍질의 에너지가 30, 4번째 껍질의 에너지가 40이라면, 1번째 껍질의 전자가 들뜰 때 흡수할 수 있는 에너지는 10(1→2), 20(1→3), 30(1→4)입니다.