분광계란 무엇입니까? UV, VIS 및 IR 분광계 설명
1. 분광계란 무엇입니까?
분광기는 물리적 특성의 스펙트럼 성분을 분리하고 측정하는 기기를 총칭하는 용어입니다. 분광기는 연속적인 변수를 측정하는 장치로, 스펙트럼의 구성 성분들을 원래의 혼합물에서 분리하여 보여줍니다.
분광계에는 여러 가지 변형이 있으며 가장 일반적인 것 중 일부는 핵자기 공명(NMR) 분광계, 질량 분석계 및 광학 분광계입니다.
1.1 NMR 분광계
NMR 분광계는 샘플이 강하고 일정한 자기장에 놓일 때 핵 스핀의 상호 작용을 관찰하고 측정합니다. NMR 신호는 핵이 핵의 주파수와 공명하는 주파수에서 자기장과 상호 작용할 때 생성됩니다.
분자 내 원자를 둘러싸고 있는 분자 내 자기장은 공진 주파수에 따라 변화하므로 시료의 분자 구조가 드러납니다.
1.2 질량분석기
질량 분석기는 이온의 질량 대 전하 비율을 측정하고 샘플에 존재하는 원소의 구성을 식별합니다. 이것은 샘플을 이온화하여 작동하며, 이로 인해 일부 분자가 질량 대 전하 비율에 따라 하전되고 분리됩니다.
그런 다음 이러한 이온은 하전 입자를 감지할 수 있는 장치에 의해 감지됩니다.
1.3 광학 분광계
광학 분광계는 일반적으로 전자기 스펙트럼의 광학 영역 근처에서 빛, 즉 자외선, 가시광선 및 적외선의 특성을 측정합니다.
파장에 따른 광도의 흡수와 방출의 변화로 물질을 식별할 수 있습니다.
이 기사에서는 광학 분광계에 초점을 맞출 것입니다.
2. 분광기의 작동 원리
분광기는 입구 슬릿, 격자 및 검출기의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.
2.1 입구 슬릿
광원에서 나온 빛이 입구 슬릿으로 들어가고 슬릿의 크기에 따라 기기에서 측정할 수 있는 빛의 양이 결정됩니다. 슬릿 크기는 또한 분광계의 광학 해상도에 영향을 미치며 슬릿 크기가 작을수록 해상도가 좋아집니다.
빔은 슬릿을 통과한 후 발산되고 발산된 빔을 평행 거울에 반사시켜 빔이 평행하게 됩니다. 시준된 광선은 회절 격자를 향합니다. 격자는 분산 요소로 작용하여 빛을 구성 파장으로 나눕니다.
2.2 그레이팅
모노크로메이터는 프리즘에서의 광학 분산 현상 또는 회절 격자로부터의 회절을 사용하여 특정 파장의 빛을 선택합니다. 전통적인 분광계에서는 프리즘을 사용하여 빛을 분산시켰습니다.
그러나 회절 격자가 발명되면서 프리즘보다 더 많은 장점을 가지게 되면서 현대 분광계에서 가장 많이 사용되는 모노크로메이터가 되었습니다.
두 장치 모두 빛을 여러 색상으로 분할할 수 있지만 회절 격자를 사용하면 프리즘보다 더 넓은 각도로 색상을 퍼뜨릴 수 있습니다. 또한 프리즘은 UV 영역에서만 더 높은 분산을 갖는 반면 회절 격자는 UV, VIS 및 IR 스펙트럼에 걸쳐 높고 일정한 분산을 갖습니다.
빛이 회절 격자에 닿으면 각 파장은 다른 각도로 반사됩니다. 다양한 크기의 회절 격자는 다양한 파장 범위를 결정하는 데에도 사용됩니다.
빔은 격자에서 반사된 후 다시 발산하므로 두 번째 거울에 부딪혀 초점을 맞추고 검출기로 향합니다.
2.3 검출기
검출기는 빛의 스펙트럼을 캡처하고 파장의 함수로 빛의 강도를 측정합니다. 이 데이터는 디지털화되어 소프트웨어에 그래프로 표시됩니다.
3. 분광계의 부품
위 섹션에서는 분광계의 작동 방식에 대해 설명했습니다. 이 섹션에서는 분광계의 구성 요소와 각 구성 요소의 다양성에 대해 설명합니다.
3.1 광원
분광계에서 일반적으로 발견되는 광원은 텅스텐 할로겐, 중수소, 크세논 아크, LED, 수은 아르곤, 아연 또는 레이저로 만들어집니다.
3.2 입구 슬릿
슬릿은 5μm에서 800μm까지 다양한 크기와 1mm에서 2mm 높이로 제공됩니다. 슬릿의 크기는 용도에 따라 다르며 가장 일반적으로 사용되는 슬릿의 폭은 10, 25, 50, 100 및 200μm입니다.
거울 3.3 개
거울의 가장 일반적인 유형은 일반적으로 평면 및 구형 거울입니다. 구면 거울은 오목 구면 거울과 볼록 구면 거울의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 그러나 분광계에서는 일반적으로 오목한 구형 거울이 사용됩니다.
3.4 회절 격자
시중에는 Ruled Grating과 Holographic Grating의 두 가지 유형의 회절 격자가 있습니다.
규칙 격자는 규칙 기계에서 다이아몬드 형태의 도구를 사용하여 반사 표면에 홈을 물리적으로 에칭하여 생성되는 반면, 홀로그램 격자는 두 개의 UV 빔을 사용하여 간섭 패턴을 구성하는 간섭 리소그래피로 알려진 프로세스에 의해 생성됩니다.
Ruled grating은 특정 파장에 대해 블레이즈 처리가 가능하며 일반적으로 holographic grating보다 효율성이 높습니다.
홀로그램 격자는 보다 균일한 홈 형태와 간격을 갖는 경향이 있으며 광학적으로 생성되기 때문에 미광을 덜 생성합니다.
3.5명의 홀더
샘플은 일반적으로 액체이지만 기체와 고체도 테스트할 수 있습니다. 샘플은 일반적으로 큐벳이라고 하는 투명한 셀 안에 배치됩니다. 일부 장비에서는 큐벳 대신 시험관을 사용할 수도 있습니다.
큐벳을 만드는 데 사용되는 재료는 분광계가 다루는 스펙트럼 범위에 따라 다릅니다. 용융 실리카 또는 석영 유리는 UV에서 IR 영역까지 투명하기 때문에 일반적으로 사용됩니다.
3.6 검출기
다양한 분광계에는 매우 다양한 검출기가 사용되며, 일반적으로 사용되는 검출기로는 광전자 증배관(PMT), 광다이오드, 광다이오드 어레이, 전하 결합 소자(CCD), 볼로미터 및 다중 채널 분석기(MCA)가 있습니다.
3.7 인터페이스
대부분의 분광계 시스템은 USB, RS-232 또는 이더넷을 통해 컴퓨터와 인터페이스합니다. 기술 발전으로 최신 시스템은 Wi-Fi 및 Bluetooth를 사용하여 무선으로 데이터를 전송할 수 있습니다.
3.8 소프트웨어
데이터 수집을 위해 분광기와 함께 사용할 수 있는 소프트웨어는 다양합니다. 대부분의 분광기 제조업체는 자사에서 생산하는 분광기와 호환되는 소프트웨어도 함께 제공합니다. 예를 들어, StellarNet의 분광기에는 SpectraWiz라는 자체 소프트웨어가 포함되어 있습니다.
이러한 기성 소프트웨어 외에도 다른 소프트웨어(예: LabVIEW, Visual C, C#, VB, MS Excel용 VBA 및 MATLAB)를 사용하여 프로그램을 코딩 및 생성하고 필요에 따라 사용자 정의할 수 있습니다.
4. 분광계 사용
분광계에는 몇 가지 용도가 있습니다.
한 가지 예는 200 – 400nm의 스펙트럼 범위를 활용하는 UV 분광계로, 너비 200μm의 입구 슬릿과 함께 홈 크기가 2400g/mm이고 2000픽셀의 CCD 검출기가 있는 홀로그램 격자와 함께 설치되어 감지할 수 있습니다. 벤젠과 같은 유기 분자의 불순물은 시클로헥산에서 흔히 발견되는 불순물이며 그 존재는 스펙트럼의 255nm에서 피크로 흡수하여 쉽게 감지할 수 있습니다.
5. 광학 분광계의 종류
광학 분광계는 두 가지 방식으로 분류할 수 있습니다. 첫 번째 방법은 파장에 의한 것이고 두 번째 방법은 빛의 상호 작용 속성에 의한 것입니다.
5.1 파장
5.1.1 자외선(UV)
자외선 분광법은 200~400nm 파장 범위의 자외선을 사용하여 시료가 흡수하거나 반사하는 빛의 양을 측정하고 시료 내 원소의 농도를 측정합니다.
샘플의 전자는 분자가 UV 광에서 방출되는 에너지를 흡수함에 따라 바닥 상태에서 더 높은 에너지 상태로 여기됩니다. 전자가 가진 에너지의 양은 흡수할 수 있는 파장의 길이에 비례합니다.
샘플 식별은 샘플이 UV 광을 흡수할 때 생성된 스펙트럼을 알려진 화합물의 스펙트럼과 비교하여 수행됩니다.
UV 분광계는 일반적으로 중수소 아크, 크세논 아크 또는 텅스텐 할로겐 램프를 사용합니다. 사용되는 격자 유형은 일반적으로 홀로그램 격자이고 사용되는 검출기는 일반적으로 PMT, 포토다이오드, 포토다이오드 어레이 또는 CCD입니다. 검출기는 일반적으로 14μm x 200μm의 픽셀 크기로 제공됩니다.
UV 분광기는 재료 과학, 품질 관리, 석유 화학, 식품 및 농업, 생명 과학, 광학 부품 등과 같은 산업에서 일반적으로 사용됩니다.
또한 일반적으로 불순물 검출, 화합물의 관능기 유무, 화합물 식별, 유기 화합물의 구조 규명 등과 같은 응용 분야에 사용됩니다.
5.1.2 가시(VIS)
VIS 분광기는 UV 분광기와 동일한 방식으로 작동하지만, 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역, 즉 400nm에서 700nm 사이의 파장을 이용하여 자외선과 반응하지 않는 화합물을 식별한다는 점이 다릅니다.
이 장비는 또한 투과율 또는 흡광도 강도를 측정하여 샘플의 물질 농도를 결정할 수 있습니다.
텅스텐 할로겐, 크세논 램프 및 LED는 일반적으로 VIS 분광계의 광원으로 사용됩니다.
UV 분광계와 동일한 유형의 회절 격자 및 검출기를 사용합니다. VIS 분광계는 또한 UV 분광계와 동일한 산업 및 응용 분야에서 주로 사용됩니다.
5.1.3 적외선(IR)
적외선 분광기는 적외선을 이용하여 유기 분자의 진동 전이를 관찰함으로써 적외선 스펙트럼에서 물질을 식별합니다.
IR 빛은 700nm에서 1mm 사이의 세 부분으로 나눌 수 있습니다. 가시 스펙트럼과 관련하여 근적외선, 중적외선 및 원적외선입니다.
중적외선 이후의 광자는 공유 결합된 원자에서만 진동 여기를 유도할 수 있으며 에너지가 충분히 크지 않기 때문에 전자를 여기시킬 수 없습니다.
샘플은 IR 방사선을 흡수하고 이러한 진동에 에너지가 상응합니다. 이를 통해 화합물의 흡수 스펙트럼을 기록할 수 있으며 스펙트럼은 각 화합물에 고유합니다.
넓은 범위의 데이터를 수집하는 푸리에 변환 IR(FTIR) 분광계는 원시 데이터를 스펙트럼으로 변환하기 위해 푸리에 변환을 사용합니다.
근적외선, 중적외선 및 원적외선은 각각 텅스텐-할로겐 램프, 글로바 및 수은 램프를 사용합니다. 설치된 격자 유형은 일반적으로 격자 격자입니다. NIR 분광계는 일반적으로 픽셀 크기가 25μm x 500μm인 InGaAs 포토다이오드를 사용하는 반면 MIR 분광계는 픽셀 크기가 48.5μm x 48.5μm인 초전기 검출기를 사용하고 FIR 분광계는 픽셀 크기가 75μm x 75μm인 a-Si 또는 VOx 볼로미터를 사용합니다.
이것은 일반적으로 제약, 환경 안전, 식품 및 재료와 같은 산업에서 찾을 수 있습니다. IR 분광계를 활용하는 응용 프로그램에는 단백질 특성화, 우주 탐사, 화합물 식별, 나노스케일 반도체 분석 등이 포함됩니다.
5.2 상호작용
5.2.1 흡수
이름에서 알 수 있듯이 흡수 분광법은 소스가 있는 샘플의 파장 또는 주파수의 함수로 방사선의 흡수를 측정합니다.
샘플은 소스에서 에너지를 흡수하고 흡수 강도는 주파수에 따라 달라지며, 이 변화는 흡수 스펙트럼을 생성합니다. 이 분광법 방법은 전자기 스펙트럼에서 수행됩니다.
흡수 분광법은 샘플에 존재하는 화합물을 결정하고 그 농도를 측정하는 데 사용됩니다. 위에서 언급한 UV, VIS 및 IR 분광법은 흡수 분광법의 예입니다.
흡수 분광법에 사용되는 가장 일반적인 광원은 중공 음극관 램프이며 PMT가 검출기로 사용됩니다. 이것은 원격 감지, 천문학, 원자 및 분자 물리학에서 자주 사용됩니다.
5.2.2 반사율
반사율 분광법은 샘플에서 반사되거나 산란된 빛의 양을 측정합니다.
샘플에서 반사되거나 샘플을 통해 굴절되는 소스의 광자는 산란되었다고 합니다.
그런 다음 이러한 산란된 광자를 감지하고 기록합니다. 그 결과 반사율 대 파장 플롯이 생성됩니다.
반사 분광 시스템은 일반적으로 레이저, 초발광 다이오드, LED 또는 할로겐 램프를 광원으로 사용하고 CCD, 포토다이오드 또는 MCA를 검출기로 사용합니다.
반사 분광계는 조직 농도에 대한 정보를 제공하기 위해 의료 산업에서 사용되며 환경 과학 및 지질학과 같은 산업에서도 사용할 수 있습니다.
5.2.3 투과율
투과 분광법은 변경되지 않은 샘플을 통과하는 빛의 양을 측정하는 것을 말합니다.
그것은 흡수 분광기와 매우 밀접하게 관련되어 있으므로 유사한 설정을 공유합니다.
투과 스펙트럼은 더 많은 빛이 샘플을 통과할수록 흡수가 가장 약한 파장에서 가장 높은 피크를 갖습니다.
스펙트럼 범위에 따라 다른 광원이 사용됩니다. LED, 텅스텐 할로겐 또는 중수소 램프가 자주 사용됩니다. 일반적으로 선택되는 검출기는 포토다이오드와 CCD입니다. 이것은 종종 제약 분석에 사용됩니다.
5.2.4 형광
UV 분광법에서 언급했듯이 샘플의 전자는 빛을 흡수하고 바닥 상태에서 다양한 진동 상태로 구성된 더 높은 전자 상태로 이동할 때 여기됩니다.
여기된 전자는 광자를 방출하여 기저 상태로 전환할 수 있으며 이 과정을 형광이라고 합니다.
전자가 바닥 상태의 다양한 진동 수준으로 떨어질 수 있으므로 방출된 광자는 다양한 양의 에너지를 포함하므로 강도와 파장이 다양합니다.
따라서 형광 분광법은 샘플의 형광 양을 측정하는 것으로 정의됩니다. 일반적으로 전자 여기를 위해 UV 또는 VIS 범위의 빛을 사용합니다.
형광은 형광 분광계로 측정되며 방출의 강도 및 파장 분포와 같은 형광의 다양한 특성을 측정합니다. 그런 다음 방출 스펙트럼은 샘플이 방출하는 파장을 나타냅니다.
형광을 측정하는 기기는 형광계로 알려져 있습니다. 형광 측정기는 일반적으로 레이저, LED, 크세논 아크 또는 수은 증기 램프를 광원으로 사용합니다. 포토다이오드 또는 PMT는 일반적으로 형광 분광법의 검출기로 선택됩니다.
이 분광법은 일반적으로 의료, 생화학 및 환경 모니터링 산업에서 찾을 수 있습니다. 응용 분야로는 인체 조직의 암 진단, 불순물 감지 또는 물질 농도 식별 및 측정, 감염을 유발하는 다양한 박테리아, 바이러스 및 기생충 감지 등이 있습니다.
5.2.5 산란
빛이 물질을 통과할 때 대부분은 원래 방향으로 계속되지만 일부는 다른 방향으로 산란됩니다.
이 기술은 라만 산란 이론을 기반으로 합니다. 산란 효과는 물질에 의한 광자의 비탄성 산란으로 빛의 방향이 바뀌고 샘플과 상호 작용한 후 광자에 의해 에너지가 손실됨을 의미합니다.
일반적으로 분자는 입사 광자로부터 진동 에너지를 얻습니다.
산란되는 대부분의 빛은 에너지가 변하지 않으며 이것이 Rayleigh 산란입니다. 라만 산란은 산란된 광자의 극히 미세한 부분(약 1/10만)으로 구성됩니다.
샘플의 진동 변화를 분석하여 화학 조성, 결정도 및 분자 상호 작용과 같은 특성을 결정할 수 있습니다. 위에서 언급한 바와 같이 라만 산란은 매우 약하기 때문에 빛을 조사하기 위해서는 고감도 분광기가 필요합니다.
이 기기는 화학, 물리학, 제약, 예술 및 의료와 같은 산업에서 일반적으로 사용됩니다. 분자 식별 및 화학 결합 검사, 물질 구조 특성 규명 및 연구, 패키지 위조 의약품 발견, 바이오미네랄 연구 등에 도움이 됩니다.
6. 라만 분광계
라만 분광법은 빛(일반적으로 레이저)과 재료의 화학 결합의 상호 작용을 기반으로 합니다.
빛은 샘플에서 직접 산란되고 필터를 통과하여 Rayleigh 산란에서 입자를 제거합니다.
라만 산란의 나머지 빛은 검출기로 향하기 전에 회절 격자로 향합니다.
결국 각 피크와 강도가 샘플에 대한 일부 정보를 제공할 수 있는 라만 스펙트럼을 생성합니다.
라만 분광계는 연속파 레이저만을 광원으로 사용합니다.
적색에서 근적외선까지의 스펙트럼 범위의 레이저가 일반적으로 사용되지만 최근에는 청색과 녹색의 가시광선 레이저 사용이 증가하고 있습니다.
또한 모노크로메이터로 홀로그램 격자를 사용하고 감지기로 CCD를 사용합니다.
7. 분광계 대. 분광광도계
사람들은 분광계와 분광광도계를 혼동하는 경우가 많습니다. 분광광도계는 물질의 파장에 따른 빛의 투과율과 흡수율을 측정하는 기기입니다.
일반적으로 근자외선에서 가시광선, 근적외선 범위의 빛을 다룹니다. 분광 광도계 자체에는 분광계와 샘플을 더 잘 비추는 광원이 포함되어 있습니다.
작동 원리는 샘플에 도달할 빛의 파장을 선택하기 위해 모노크로메이터를 사용하는 분광계와 유사합니다. 샘플의 불투명도에 따라 빛이 반사되거나 투과됩니다. 그런 다음 검출기는 반사되거나 투과된 빛의 강도를 기록합니다.
검출기가 광도의 변화를 측정하기 위해 다른 파장에서 모노크로메이터로 이를 반복합니다. 최종 출력은 파장의 함수로서 흡수 스펙트럼이 됩니다.
8. 신뢰할 수 있는 분광계를 어디에서 구입해야 합니까?
이제 분광계와 해당 응용 프로그램이 무엇인지 알았으므로 신뢰할 수 있는 제품을 구입할 수 있는 곳을 알아야 합니다. 다음에서 신뢰할 수 있는 분광계를 구입할 수 있습니다. Wavelength Opto-Electronic.
당사는 190 – 2300nm의 파장에서 UV, VIS 및 NIR 측정을 위한 광학 분광계를 제공하는 StellarNet 분광계의 유통업체입니다. StellarNet 분광계는 휴대가 가능하고 움직이는 부분이 없는 소형으로 설계되었습니다.
