적외선 분광 분석기 FT-IR의 분석 원리는 무엇일까?

분석은 간단하지만 해석과 원리가 어려운 장비 FT-IR의 원리에 대해 알아보자

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FT-IR이란 무엇인가?

FT-IR은 Fourier transform infrared spectroscopy을 줄여 부르는 말로 푸리에 변환 적외선 분광기를 의미합니다. 다양한 소재의 분자 구조와 성분에 대한 정보를 빠르고 정확하게 얻을 수 있어서 많은 소재 연구 분야에서 활용하고 있습니다. 이번 포스팅에서는 FT-IR의 분석 원리에 대해 소개하겠습니다.

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FT-IR의 분석 기본 원리: 분자의 결합, 작용기의 진동 전이

FT-IR이 분석하는 분석 원리를 이해하기 위해서는 먼저 분자 결합기 또는 작용기의 진동 전이라는 개념에 대해 먼저 이해를 해야 합니다.

조금 자세히 설명해 보겠습니다.

분자 결합기/작용기는 에너지 준위에 따라 진동하는 특성이 있습니다. 이때 에너지를 흡수하거나 방출할 때 준위가 변하는 것을 전이라고 하고, 진동 전이는 진동 에너지 준위가 변화하는 것을 의미합니다.

FT-IR은 이 진동 전이의 특수한 성질을 이용합니다. 바로 진동 전이의 에너지 준위가 정수로만 존재한다는 것인데요.

보다 쉽게 예를 들어 설명을 드리면 진동 에너지 준위는 0, 1, 2, 3… 과같이 정수로 표현되는 간격을 가질 수 있다는 것이고 가장 가까운 정수 사이에 (0.1, 1.1, 1.2 등) 사잇값이 존재하지 않는다는 의미입니다. 즉, 에너지 준위 차에 해당하는 만큼의 에너지가 공급되지 않으면 진동 전이는 일어나지 않습니다.

FT-IR은 이 진동 전이의 특수한 성질을 가지고 적외선과 시료의 상호작용으로 인한 적외선 파장의 변화를 이용합니다.

진동 전이

진동 전이의 원리를 설명한 개략도

FT-IR의 적외선 분석

적외선 영역의 복사선을 시료에 조사하면 복사선은 시료에 흡수되거나 투과를 하게 됩니다. 이때 적외선은 분자의 결합기나 작용기에 진동 전이만 발생시킬 수 있는 에너지를 공급합니다. (사실 여기서도 다른 전이에 대한 중요한 개념이 있지만 너무 복잡해 생략하겠습니다.)

핵심은 적외선의 에너지양이 다른 전이를 일으키지는 않으면서 진동 전이를 일으킨다는 것입니다. 적외선으로 인한 진동 전이는 결합의 특성에 따라서 서로 다른 주파수 영역에서 일어나고 이것을 기반으로 분자의 결합에 대한 정보를 얻을 수 있는 것입니다.

진동 전이는 결합 강도가 강할 수록, 결합 원자의 질량이 낮을 수록 높은 주파수 영역에서 발생합니다. 따라서 적외선 조사 후 스펙트럼을 얻었을 때 피크가 발생하는 영역을 확인한다면 유용한 정보를 얻을 수 있습니다.

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