원자흡광분광법의 이해
Introduce Atomic Absorption Spectiometer
1. 기본 개요
- 중성원자의 복사선 흡수 성질을 이요하여 원소의 미량 성분에 대한 정량분석
- 70여개 원소에 대한 정량분석을 위한 분석장비
- 높은 정밀성 및 고감도 분석
- 상대적으로 높은 능력의 선택성
- 상대적으로 빠른 분석시간 및 사용방법의 용이
2. 분석 어플리케이션(응용분야 사례)
- 임상시료에 포함된 대한 동(Cu) 및 망간(Mn) 함량 분석
- 니켈(Ni) 및 코발트(Co) 파우더에 포함된 인(P) 규소(Si) 알루미늄(Al) 함량 분석
- 혈액 플라즈마의 철(Fe) 망간(Mn) 셀레늄(Cs) 분석
- 석유화학제품에 대한 함유원소 분석
- 정제유, 합성섬유제품, 페인트, 오일, 도료 등의 시료에 포함된 알루미늄(Al) 철(Fe) 동(Cu) 분석
- 생물학적 체액, 분비물, 조직 등에 함유된 나트륨(Na) 칼슘(Ca) 리튬(Li) 루비듐(Rb) 등 분석
- 물, 폐기물, 퇴적물, 토양 등에 함유된 중금속 분석
- 표면처리산업, 도금산업, 금속공업의 금속원소 성분 정량분석
- 기타 응용분야--환경, 농업, 화학, 금속, 재료, 식품, 의학, 약학 등 산업전분야의 원소 정량분석에 응용
3. 원자흡광분광광도계의 기본원리
- 모든 원소는 고유한 복사선을 흡수하는 전이현상이 발생한다.
- 원자흡수현상은 원자별로 폭이 좁은 고유한 파장의 복사선을 조사할 때 발생한다. (예, 나트륨589.0nm)
- 원소별로 적용되는 광원은 원소주기율표상의 원자번호에 적용을 받는다.(Obeys Beer-Lambert's Low)
- 주기율표상의 원자번호는 재현된 검량선을 적용하여 흡수 파장을 측정할 수 있다.
4. 원자별 흡수 파장의 예
- 원소별 공명선은 AAS 분석방법의 장점 중 하나인 높은 선택성을 제공한다.
- 철(Fe) : 248.3nm ● 나트륨(Na) : 589.0nm ● 납(Pb) : 283.3nm ● 리튬(Li) : 670.7nm
- 동(Cu) : 324.8nm ● 칼륨(K) : 766.5nm ● 스트론튬(Sr) : 460.9nm ● 루비듐(Rb) : 780.0nm
5. Beer's Law 의 한계
- 화학적 및 장비 구조상의 영향(1.원자화 파장 및 분무 에어로졸의 변화, 2.농도의 비-균질성 및 투과길이)
- 고-농도에서의 흡광 계수의 편차(정전기학상 0.01M+)
- 미립자 물질로 인한 광원의 산란
- 샘플의 형광 및 인광으로부터의 영향
- 높은 분석함량에서의 굴절률의 변화
- 농도 변화에 따른 화학적 안정상태의 변화
6. 원자 흡수(Absorption) 및 방출/형광(emission/Fluorescence)
- 원자흡수(Atomic Absorption)-복사선을 쬐어주면 원자는 복사에너지(광자:Photron)를 흡수하여 바닥상태에서 높은 에너지준위로 전이를 일으켜 들뜬상태로 된다.
- 원자방출/형광(emission/fluorescence)-들뜬 원자는 흡수했던 에너지를 방출하여 원래의 바닥상태로 돌아오는 성질을 가진다.
7. 스펙트럼의 종류
- 연속 스펙트럼(Continuous Spectrum)
- 방출 스펙트럼(emission Spectrum)
- 흡수 스펙트럼(Absorption Spectrum)
<Spectrum & spectrum lines>
8. AAS 측정
- 투과율(T) 및 흡광도(A)를 측정
- T=I/Io : I - 검출 세기(intensity) Io - 원래 세기(intensity)
- A=-logT=log(I/Io)
- 농도는 표준시료의 흡수 검량선을 기준으로 계산된다.
- 다양한 샘플의 표준시료 제작시(구매시) 가급적 분석할 샘플과 동일한 조건/재질/메트릭스로 제작하는 것이 가장 간섭으로 인한 오차값을 제거하고 정확한 측정값을 구할 수 있다.
9. AAS 시스템의 구성
- 광원 : Light Source
- 원자화장치 : Atomizer
- 단색화장치 : Monochrometor
- 검출기 : Detector
9.1 광원(Light Source)
- 대부분의 원소 분석 작업에 있어서 AAS 분석법의 광원은 속 빈 음극 램프(Hollow Cathode lamp)가 사용된다.
- HCL 은 텅스텐(W) 양극과 원통형 음극이 봉입된 유리관 구조이며, 네온이나 아르곤 가스가 1~5torr 압력으로 채워져 있다.
- HCL에 전류를 공급하면, 양극에서 틩겨나온 금속 원자는 여기되거나 특유한 복사선을 방출하고 바닥상태로 돌아간다.
- 이 과정에서 HCL 선명하고 집중적인 방출스펙트럼 라인을 보여준다.
9.2 원자화장치(Atomizer)
- 원자화장치는 시료에 열에너지를 공급하여 용매를 증발하고 시료중의 화합물 상태를 해리시켜 증기상태의 중성원자를 생성시키는 장치이다. 불꽃방식으로는 에어/아세틸렌(Air/C2O2) 불꽃 또는 높은 온도의 아산화질소/아세틸렌(N2O/C2H2) 불꽃 비-불꽃방식으로는 흑연로(Graphite Furnace), 탄소강, 증기발생방식 등의 원자화장치가 일반적으로 사용된다.
- 불꽃분석모드 : Flame Atomizer
- 흑연로분석모드 : Graphiter Furnace Atomizer
- 증기발생/수소화물 발생장치 : Vapor Generation/Hydride Generation
9.2.A 불꽃 원자화장치(Flame Atomizer) 및 분무기(Nebulizer)
- 분무기에 의해 불꽃 원자화장치로 시료(분석할 용액)를 흡입한다.
- 분석액은 연료 및 산화가스와 혼합되어, 연소기로 이동한다.
- 불꽃으로 열을 가해 용액을 증발시킨다.
- 분무된 작은 물방울을 고체입자로 변형시킨다. (고체 입자는 용해되거나 녹아서 분자로 되거나 해리되어 증발한다.)
- 용액은 흡입기에 의해 모세관을 통하여 분무된다.
- 분무된 용액은 임펙트 구슬에 의해 에어로졸(작은 물방울)로 변한다.
- 거름막을 통하여 일정크기 이상의 작은 물방울은 별도의 수집통으로 보내진다.
- 거름막을 통과한 에어로졸(작은물방울)은 연소가스와 혼합되어 더욱 양질의 에어로졸이 된다.
- 에어로졸은 불꽃 연소기로 보내어져 원자화된다.
<불꽃 원자화장치 및 분무기>
9.2 B 불꽃 구성 (Flame configuration)
- 불꽃은 크게 3개의 영역으로 구분된다.
- 각 불꽃 영역의 모양/크기는 산화제, 연료 및 불꽃의 화학조성에 따라 변화한다.
9.2 C 불꽃 분석의 연료 및 산화제의 특성
▷ 에어/아세틸렌 불꽃(Air/C2H2 Flame)
- 여러 원소에 대해 간편하게 원자화 할 수 있어서 범용적으로 사용되어진다. (Cu Pb K Na 등)
- 일반적으로는 간섭이 심하지 않다.
- 불꽃의 화학적 환경에 영향을 주는 주요 요소가 없다.
▷아산화질소/아세틸렌 불꽃(N2O/C2H2 Flame)
- 용해하기 어려운 성분의 원소분석에 사용 (Al Si W 등)
- 더 높은 온도의 불꽃을 필요로 하는 원소 분석에 사용(3000°C)
- 산화/환원을 방지하기 위한 안정제(예:란타염-Lanthanum Salts) 추가작업이 요구되기도 한다.
▷ 에어/아세틸렌 불꽃(Air/C2H2 Flame) 및 아산화질소/아세틸렌 불꽃(N2O/C2H2 Flame) 모두를 사용하는 분석작업
- 원소간에 간섭효과가 발생하는 샘플에 적용
- 간섭효과에 대한 대응방법
1. 더 높은 온도의 아산화질소/아세틸렌 불꽃을 사용하여 간섭요소 제거
2. 완충제 요소나 화학적 변경자를 분석물질과 비교하여 간섭그룹에 추가
9.2 D 불꽃분석의 한계
- 비능률성: 일반적으로 샘플의 10% 정도만이 불꽃에 도달하여 분석작업에 사용됨
- 원래의 시료가 훨씬 더 불꽃연소가스와 희석
- 불꽃의 온도, 불꽃내부에서 불꽃가스와 분석액간의 상호작용, 구성요소와 분석액간의 상호작용으로 인해 원자형성에 영향을 준다.
- 광원(빛살)이 지나가는 천분의 몇 초 동안만 원자가 존재한다.
- 더 나은 원자화 효율 및 더 오래된 중성증기 상태가 앞으로의 기술개발 숙제이다.
9.3 흑연로 원자화장치(Graphite Furnace Atomizer)
- 비-불꽃 원자화방법으로써 고온 전기로법의 하나로써 탄소막대(Carbon rod)법과 함께 가장 일반적으로 사용된다.
- 작은 크기의 흑연관을 두 전극 사이에 접촉시켜서 만든 원자화장치이다.
- 흑연로의 온도제어는 전극에 로드하는 전압 및 로드 시간으로 제어하며, 분석대상에 따라 적합한 실험조건으로 분석한다.
- 고급형 흑연로의 경우 일반흑연로가 아닌 횡축가열방식(Transversly Heated Graphite Furnace)으로 디자인되어서, 높은 수준의 등온 온도분포 기술을 제공한다.
- 횡축 가열 방식의 흑연로의 경우 메모리 효과 감소, 낮은 비율의 바탕값, 고-효율의 원자화 효과, 등온 온도분포 상태로 인해 향상된 성능으로 분석이 어려운 시료에 대한 분석작업이 가능하다.
- 흑연로 가열 과정에서 발생할 수 있는 시료 및 원자화자체의 산화 및 흑연로 증기 제거를 위한 불활성 기체(Ar or Ne)를 공급해야 한다.
- 불꽃 분석모드에 비해 시료의 소모량이 적다.
- 흑연로 내부의 정확한 위치에 시료를 위치시키기 위해서는 일반적으로 마이크로 피펫/매뉴얼 주입 보다는 자동시료주입기를 사용해야 정확한 분석을 할 수 있다.
- 건조 단계(Dry stage:100˚C 이하), 회화단계(Ash stage:1500˚C 이상), 원자화 단계(Atomizer stage:2500˚C 이상)의 단계를 통해 분석작업이 일바적으로 진행된다.
- 최신 기술로는 건조-회화-원자화 단계가 최대 30단계로 조절하여 시료 및 대상 물질에 따라 높은 효율로 정확한 분석작업을 수행할 수 있다.
- ppb 단위까지 분석이 가능하다.
<불꽃+흑연로 동시 장착된 AAS 분석기> <흑연로 튜브 사진>
9.4 냉-증기 발생장치/수소화물발생장치(Vapor Generation/Hydride Generation)
- 수은(Hg) 및 수소화물 원소(Sn Te Pb As Sb Bi Se) 분석에 사용되며, 극소량(ppb 이하)에 대한 분석이 가능하다.
- 즉, 휘발성이 큰 원소를 분석할 때 사용되며, 시료용액에 환원제(예:SnCl2)를 가하여, 중성상태 원자를 만들어서, 연동펌프를 통한 혼합과정을 거쳐 원자화장치(석영 튜브 등)보내어서 분석한다.
- 원자화과정에서 화학적 방법으로 중성원자를 만들어서, 원자생성 효율이 뛰어나 높은 감도의 분석환경을 제공한다.
<가스/리퀴드 분리장치 + 3중 mixing/reaction manifolder + 연동펌프 사진> <석영튜브 원자화장치>
9.5 단색화장치(Monochromator)
- 입구슬릿, 반사경, 분산원소, 출구슬릿으로 구성되어 있다.
- 단색화장치의 유일한 기능은 단일 원자 공명선을 단리시키는데 있다.(분해능-Resolution)
- 공명선 분리가 쉬운 원소가 있다.(Cu 스펙트럼 선의 경우 324.8nm, 327.4nm 공명선 분해 및 분석이 쉬움)
- 공명선 분리가 어려운 원소가 있다.(As 스펙트럼 선의 경우 248.3nm, 248.0nm, 249.0nm, 공명선 분해 및 분석이 어려움)
- 기기에 따라 0.2nm, 0.6nm, 1.2nm 등 다양한 대역폭(Bandpass:슬릿너비)를 지원하며, 분석기 성능, HCL 성능에 따라 적합한 슬릿너비를 선택해서 분석작업을 해야 한다.
- Czerny-Turner 단색화장치, Ebert-Fastie 단색화장치, Littrow 단색화장치 있다.
9.5.1 Czerny-Turner 단색화장치
- 가장 일반적으로 AAS 분석장비에 적용되는 단색화장치이다
- 두개의 분리된 반사경을 적용한 단색화 장치로써, 1번 반사경은 입수된 빛을 Grating(격자)로 보내는 집중시키는 기능을 담당하고, 2번 반사경은 Grating(격자)에서 나오는 빛을 검출기로 보내는 집중시키는 기능을 담당한다.
- 뛰어난 분해능 및 높은 빛살 처리능력을 보여준다.
9.5.2 기타 단색화장치
a. Ebert-Fastie 단색화장치:
- 1개의 큰 반사경을 사용
- 낮은 빛의 처리량 및 낮은 분해능
- 값이 싼 적은 비용이 강점
b. Littrow 단색화장치
- 1개의 반사경, Ebert-Fastie 구조보다 작은 사이즈의 반사경을 사용
- 광학 수차 및 오차가 발생할 개연성이 Ebert-Fastie 보다 더 높음
9.6 검출기(Detector)
- 단색화장치를 통과한 빛의 세기를 측정하는 기능이다.
- 일반적으로 고-감도 및 높은 신호 증폭능력 및 낮은 노이즈 발생의 특징을 갖는 광전증폭관(PMT)이 널리 사용된다.
9.6.1 광전증폭관(Photomultiplier Tubes)
광전증배관은 광자계수기의 한 종류이며, PMT에서 산출된 시그널은 연쇄반응의 결과물로써, 측정 가능한 전류를 산출한다.
- 광자는 광-방사성 음극을 충돌하여, 음극에서 전자를 방출하게 한다.
- 광전음극과 다이노드 사이에 1~100V의 전압을 걸어주어 전자가 진행방향으로 가속되어 다이노드와 계속적으로 충돌하게 된다.
- 즉 더 많은 양의 전자를 발생하게 된다.(예:+5 이상의 전자를 방출)
- 첫번째와 두번째 다이노드 사이의 전압차이는 전자가 두번째 다이노드와 충돌하게 하여, 더 많은 양의 전자를 발생하게 방출하는 효과가 있다.
- 이 연쇄반응은 8~12회 다이노드를 연속적으로 충돌하는 방식으로 작동한다.
- 최종적으로, 한 개의 광자는 수천-수백만의 전자를 발생시킨다.
- 마지막 다이노드에서 방출된 전자는 양극에서 수집되어 그 결과로 측정된 전류는 증폭과정을 거쳐 데이터 수집 및 분석 프로그램으로 보내진다.
- 시그널은 광전음극으로부터 방출된 고유한 광도를 가진 분석가능한 측정값으로 변환한다.
- 시그널의 강도는 빛의 세기와 직접적인 비례관계를 갖는다.
<광전증폭관(PMT) 내부 흐름도>
10. 원자형광분광법의 간섭(Interference) 및 해결방법
10.1 분광학적 방해(Spectral Interference)
▷ 분석원소의 공명선과 다른 원소의 방출선과 겹치는 경우에 간섭효과 발생 또는 하나 이상의 광원이 지나서 흡수되지 않는 선이 존재
하는 경우 연속스펙트럼이나 엷은 띠흡수, 분산의 경우에 간섭효과가 발생한다.
- 다른 원소의 흡수띠와 분석원소의 공명선과 겹치는 경우에는 원자흡수의 특이성으로 인해 거의 발생가능성이 없다.
- 방해물질의 제거 또는 다른 공명선을 사용한다.
▷ 샘플을 고온으로 처리하는 과정에서 발생하는 화학반응의 복잡성으로 직접적/간접적으로 간섭효과가 발생한다.
- 경험 및 실험 데이터에 의한 측정 및 측정상태 조정으로 해결
- 실험자의 분석 숙련도가 요구된다.
10.2 화학적 방해(Chemical Interference)
▷ 샘플용액이 100% 해리되어 중성원자 상태로 원자화 되지않고, 용액내의 이온과 결합하여 열에 안정한 화합물을 형성하여 감도가 낮
아지는 경우에 발생.
▷ 용액 내의 염료/원소 및 휘발성 화합물을 형성하여 더 많은 양이 불꽃에 도달하여 증기밀도가 높아져 감도가 증가하는 경우에 발생
- 해방제를 첨가하여 열에 안정한 화합물을 생성
- 더 높은 온도의 불꽃을 사용하여 생성된 화합물을 분해시켜 원자화 감소를 제거
10.3 물리적 방해(Physical Interference)
▷ 기준용액과 시료용액의 구성성분의 차이로 인해 발생
▷ 시료용액내에 있는 염류 등의 성분에 의해 점도, 표면장력 등의 물리적 성질을 이유로 시료공급속도 등에 의해 발생
- 물리적 간섭을 제거하기 위해서는 시료용액과 동일한 조건의 표준용액을 제조 및 사용하면 되지만, 매우 어렵고 대부분의 시료용
액은 염류를 포함하고 있음
- 표준물 첨가법을 사용하여 물리적 방해요소 제거
10.4 기타 방해
▷ 이온화 방해: 높은 온도의 불꽃에 의해 분석원소가 이온화를 일으켜 중성원자가 덜 생기는 경우
- 분석원소보다 이온화를 더 잘 일으키는 원소 추가
▷ 불특정 방해(흡수): 광원의 복사선이 불꽃 내의 생성된 입자들에 의해 산란되어 흡광도가 증가
▷ 불꽃내의 시료의 불완전한 원자화로 분자가 형성되어 광원으로부터의 복사선을 흡수하는 경우
a. 불꽃에서는 비교적 적으나, 250nm 이하의 파장에서 측정하는 경우 영향이 커짐
b. 가용성 물질의 양이 1% 이상인 경우 영향이 커짐
c. 유기물의 농도가 높은 경우 영향이 커짐
d. 분석원소의 농도가 1ppm 이하인 경우 영향이 커짐
- 연속광원법, 두가지 분석 검량선 사용법, Zeeman 보정법, Smith-Heiftjie 보정법 등 바탕값 보정법으로 간섭효과 보정