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Thermo Scientific FTIR 분광분석기 및 현미경 자료
FTIR 분광법에 대해 자세히 알아보고 필요한 자료 확인하기
여기서 FTIR의 가장 기초적인 부분(FT와 IR의 의미)에서부터 TGA-IR 등의 복합 기법을 사용한 응용에 이르기까지 모든 내용을 확인할 수 있습니다. 페이지를 살펴보는 동안 투과 실험을 위한 시료 전처리 방법, FTIR 현미경법의 강력한 성능, 그리고 화학 구조와 적외선 스펙트럼의 관련성을 설명한 차트에 대한 정보를 확인할 수 있습니다. 해당 콘텐츠는 지속적으로 업데이트되므로 자주 방문해주시기 바랍니다.
FTIR 기본 정보
이 섹션은 FTIR에 대해 알아보기 위한 시작점으로, FTIR의 의미와 작동 방식에 대해 설명합니다. 또한 주요 샘플링 기법을 소개하고, 질문에 대한 답을 얻기 위해 이러한 기법들을 어떻게 활용할 수 있는지에 대해 보다 자세한 설명을 제공합니다.
FTIR 분광법 소개
FTIR 분광학은 학술, 분석학, QA/QC, 법의학 연구실에서 광범위한 분석 기회를 제공합니다. 간단한 화합물 식별에서부터 공정 및 규제 모니터링에 이르는 모든 과정 전반에서 FTIR은 광범위한 화학 응용분야를 포괄하며, 특히 폴리머 및 유기 화합물에 유용합니다. 아래의 튜터리얼을 통해 널리 보급된 이러한 기법의 기본 정보와 가치에 대해 자세히 알아보십시오. 동영상에는 두 가지 일반 검출기와 아포디제이션(Apodization) 기능에 대해서도 간략히 설명되어 있습니다.
FTIR은 무엇입니까?
FTIR은 푸리에 변환 적외선(Fourier transform infrared) 기술의 약자로, 기본적인 적외선 분광학 방법입니다. 적외선을 시료에 통과시키면 일부는 시료에 흡수되고 일부는 통과(투과)됩니다. 검출기에 감지되는 최종 신호는 시료의 분자 '지문'을 보여주는 스펙트럼입니다. 적외선 분광학이 유용한 점은 서로 다른 화학 구조(분자)는 각기 다른 스펙트럼 지문을 형성한다는 것입니다.
그렇다면 FTIR은 무엇일까요?
푸리에 변환은 검출기의 출력을 해석 가능한 스펙트럼으로 변환합니다.
FTIR은 구조를 파악할 수 있는 패턴을 포함한 스펙트럼을 만들어 냅니다.
튜터리얼 보기에서 "FTIR"의 의미와, "FT" 부분과 "IR" 부분이 함께 작동하는 방식에 대해 간단히 설명합니다.
FTIR은 어떻게 작동하고 이를 사용하는 이유는 무엇입니까?
FTIR은 인터페로미터를 사용하여 IR 빔에 배치한 물질의 정보를 기록합니다. 분석자는 푸리에 변환으로 얻은 스펙트럼으로부터 재료를 식별하거나 정량할 수 있습니다.
- FTIR 스펙트럼은 인터페로그램을 인식 가능한 스펙트럼으로 '디코딩'하여 만들어집니다.
- 분자들은 특정한 IR 지문을 나타내므로 스펙트럼의 패턴으로 시료를 식별할 수 있습니다.
FTIR 샘플링 소개
FTIR에는 다음과 같은 4가지 주요 샘플링 기법이 있습니다.
- 투과
- 감쇠 전반사(ATR, Attenuated Total Reflection)
- 정반사
- 확산반사
각 기법에는 장단점이 있으므로 특정 시료에 맞게 사용해야 합니다.
FTIR의 샘플링 및 응용
FTIR은 단순한 목적의 도구일 수도 있지만 동시에 아주 유연한 연구용 기기일 수 있습니다. 투과 또는 ATR 같이 특정 샘플링 장치에 사용하도록 구성된 FTIR을 사용하면 분광분석기를 통해 다음과 같이 광범위한 정보를 얻을 수 있습니다.
- 가장 일반적으로, 미지의 물질 식별
- 첨가물 또는 오염물질 등의 정량 정보
- 적외선 흡수의 증가 또는 감쇠를 통한 키네틱 정보
- 그 밖에도 TGA, GC 또는 레오미터 등의 장치와 결합하여 더욱 복합적인 정보를 얻을 수 있음
궁극적으로 FTIR은 경제적인 대안이 될 수 있습니다.
튜터리얼 보기에서 복합 샘플링 등 FTIR 시료 분석 기법에 대한 보다 자세한 설명을 제공합니다. 예시를 통해 가능한 분석에 대해 간략히 설명합니다.
주요 FTIR 검출기 동영상
주요 FTIR 아포디제이션(Apodization) 동영상
분광법 및 분광분석기를 위한 참조 차트
FTIR 샘플링 기법
이 심화 교육 섹션에서는 투과, 반사, DRIFTS 및 ATR 액세서리와 이들의 사용 및 관리 방법에 대해 설명합니다. 여러 방법 중 하나를 선택하기 위한 근거를 명확히 하고 각 방법의 장점을 집중 조명합니다. 여기서 중요한 것은 시료 전처리와 실험 최적화입니다.
여러 가지 시료 처리 방법을 이해하는 것이 중요한 이유는 무엇일까요?
특정한 시료 처리 기법은 특정 시료 유형에 대해 다른 기법보다 효과적일 수 있습니다. 시료에서 최고 품질의 스펙트럼을 얻으려면 해당 시료 유형에 가장 적합한 처리 기법을 이해하는 것이 중요합니다. 가능한 최적의 스펙트럼 데이터를 얻음으로써 분석 결과의 신뢰도를 높일 수 있습니다.
FTIR 시료 분석 기법
4가지 시료 처리 기법을 자세히 살펴보고 이러한 기법들이 작동하는 방식과 어떠한 유형의 시료를 분석할 수 있는지, 그리고 각 기법을 사용하는 데 따른 이점에 대해 알아보십시오.
작동 원리
투과 기법은 별도의 액세서리가 필요하지 않습니다. 적외선(IR) 빔에 시료를 직접 배치하면 됩니다. 적외선(IR) 빔이 시료를 통과하면 투과된 에너지를 측정하여 스펙트럼을 생성합니다. 그러나, 분석자는 투과 측정을 수행하기 전에 펠렛, 멀(mull), 필름 등 시료를 준비해야 합니다. 이는 전문지식이 필요하며 시간이 오래 걸릴 수 있습니다.
분석할 수 있는 시료의 유형
투과 기법을 사용하면 많은 유형의 시료에 대해 우수한 품질의 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 투과 기법은 단독으로 사용하거나 다음과 같은 시료의 분석을 위해 현미경 또는 액체/기체 셀 등의 액세서리와 함께 사용할 수 있습니다.
- 펠렛 또는 멀 형태의 유기 분말
- 열가소성 분말
- 가용성 폴리머
- 폴리머 박막
- 정형의 폴리머(전처리 필요)
- 비정형의 폴리머(전처리 필요)
- 어두운 폴리머 필름(탄소 충전 제외)
- 액체(자유 유동성 또는 점성)
- 기체(고농도에서 미량에 이르기까지)
투과 기법의 장점
- 경제성 – 셀(cell)과 마운트(mount)는 일반적으로 저렴합니다.
- 잘 확립되었음 – 가장 전통적인 형태의 시료 측정 기법입니다.
- 우수한 스펙트럼 정보 – 정성적 측정에 이상적입니다.
- 정량 작업에 우수함 – 다수의 표준적인 작업 절차들이 투과 기법에 기반합니다.
작동 원리
ATR 액세서리는 IR 빔이 시료에 닿을 때 내부적으로 반사된 빔에서 발생하는 변화를 측정합니다. IR 빔을 특정 각도에서 높은 굴절률을 가진 광학적으로 조밀한 결정체에 비춥니다. 이 내부 반사는 결정체 표면을 넘어 결정체와 접촉하는 시료까지 확장되는 소멸파(Evanescent Wave)를 생성합니다.
시료가 에너지를 흡수하는 IR 스펙트럼 영역에서는 소멸파(evanescent wave)가 감쇠합니다. 감쇠된 빔은 결정체로 돌아와 결정체의 반대편 끝을 통과하고 적외선 분광분석기의 검출기로 향합니다. 검출기는 IR 스펙트럼을 만들 수 있도록 감쇠된 IR 빔을 인터페로그램 신호로 기록합니다.
ATR로 분석할 수 있는 시료의 유형
ATR은 흡수성이 강하거나 두꺼운 시료에 이상적입니다. 이러한 시료는 투과 기법으로 측정할 경우 종종 강한 피크를 산출합니다. ATR은 ATR 결정체 표면으로부터의 거리에 따라 소멸파(evanescent wave)의 강도가 지수적으로 감소하며, 이러한 특성으로 인해 일반적으로 시료 두께에 덜 민감합니다.
ATR에 적합한 기타 고체에는 균질 고체 시료, 다층성 고체의 표면층 또는 고체의 코팅 등이 있습니다. 다이아몬드와 같은 경질 ATR 결정체 물질을 사용하면 비정형 모양의 경질 고체도 분석할 수 있습니다. 이상적인 고체:
- 라미네이트
- 페인트
- 플라스틱 제품
- 고무
- 코팅
- 천연 분말
- 분말로 분쇄할 수 있는 고체
ATR은 또한 액체 분석에 종종 선호되는 방법입니다. 단순히 결정체에 액체 한 방울을 떨어뜨리면 되기 때문입니다. ATR을 사용하여 분석할 수 있는 대상:
- 자유 유동성 수용액
- 점성 액체
- 코팅
- 생물학적 물질
ATR의 장점
- 최소한의 시료 전처리—시료를 결정체에 놓고 바로 데이터를 수집할 수 있습니다.
- 빠르고 쉬운 세척-간단히 시료를 제거하고 결정체의 표면을 세척하면 됩니다.
- 자연 상태 그대로 시료 분석—스펙트럼 수집을 위해 가열하거나, 펠렛으로 압착하거나, 갈 필요가 없습니다.
- 두껍거나 흡수성이 강한 시료에 적합-흑색 고무와 같이 까다로운 시료에 이상적입니다.
작동 원리
IR 빔(beam)을 미립자 물질에 집중시키면 입사 빔(beam)이 여러 방향에서 입자와 상호작용을 일으킬 수 있습니다. 첫째, 복사선(radiation)은 입자를 관통하지 않고 입자의 최상층 표면에서 반사될 수 있습니다. 둘째, 그 빛은 입자를 관통하지 않고 입자 표면에서 다중 반사될 수 있습니다. 실제 확산반사는 하나 이상의 시료 입자 속으로 입사복사의 관통과 이후 발생하는 시료 매트릭스의 산란을 통해 얻습니다.
DRIFTS 액세서리는 시료와 적외선 투과 매트릭스(KBr 등)의 혼합물을 채운 시료 컵에 적외선 에너지를 향하게 합니다. 적외선은 입자와 상호작용한 다음, 입자 표면에서 반사되어 빛이 시료 전체로 이동하면서 확산되거나 산란을 일으킵니다. 이후 출력부 미러가 이 산란된 에너지를 분광분석기의 검출기로 보냅니다. 검출기는 스펙트럼을 만들 수 있도록 변형된 IR 빔을 인터페로그램 신호로 기록합니다. 일반적으로 백그라운드(background)는 DRIFTS 액세서리를 배치한 상태에서 IR 매트릭스만 채워진 컵을 사용하여 수집합니다. 우수한 정량 및 정성 데이터는 적절한 시료 전처리를 통해 수집할 수 있습니다. 그러나 광길이(pathlength)로 인해 정량 데이터에는 투과 기법과 ATR 기법이 확산반사 기법보다 선호됩니다.
분석할 수 있는 시료의 유형
DRIFTS는 일반적으로 미세 분말(10미크론 미만)로 갈 수 있는 유기 및 무기 시료 분석 모두에 사용되며 브롬화칼륨(KBr) 등의 분말 매트릭스와 혼합하여 사용합니다. 일반적인 시료 유형:
- 연성 분말 및 혼합 분말
- 정제(Tablets)
- 경질 폴리머
DRIFTS 기법은 크고 까다로운 표면의 분석을 위해 실리콘 카바이드(silicon carbide) 종이를 사용할 수도 있습니다. 실리콘 카바이드 종이는 분석을 위해 소량의 다양한 시료를 마찰하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기법은 다음과 같은 물질에 대해 기존 샘플링 기법을 대체할 수 있는 타당한 대안입니다.
- 도료 및 바니시 표면
- 정제(Tablets)
- 경질 폴리머
확산반사 기법의 장점
- 시료 전처리가 없거나 거의 필요하지 않음 – 시료 컵에 넣기만 하면 됩니다.
- 빠르고 쉬운 세척 - 컵을 아무렇게나 놓고 공기나 물로 세척하면 됩니다.
- 압축 KBr 펠렛 또는 지저분한 멀(mull) 불필요 - 시료를 말끔히 녹이거나 KBr 분말과 희석할 수 있습니다.
작동 원리
실제 정반사는 반사율의 원리를 기반으로 한 표면 측정 기법입니다. 이 원리는 모든 시료가 노출된 빛의 주파수에 따라 변화하는 굴절률을 가지는 것을 말합니다. 정반사는 시료를 통과하는 에너지를 검사하는 대신 시료 표면에서 반사된 에너지, 즉 굴절률을 측정합니다. 굴절률의 변화 비율이 높은 주파수 대역을 검사하면 시료의 흡수도와 관련된 추정을 내릴 수 있습니다. 실제 정반사 기법은 우수한 정성적 데이터를 제공합니다.
반사-흡수 기법은 동일한 원리로 작동하지만 시료의 특성으로 인해 표면층을 통과한 에너지의 일부가 전체 시료에 흡수된 후 표면층 아래의 밑층에서 반사됩니다. 실제 정반사 및 반사-흡수 기법의 조합은 두 기법에 대한 조건을 모두 충족할 때 가능합니다. 투과 스펙트럼에 대한 정성적 비교를 원하는 경우 데이터에 Kramers-Kronig 보정식을 적용하여 확산의 효과를 제거할 수 있습니다.
분석할 수 있는 시료의 유형
정반사 기법은 일반적으로 크고 편평한 반사성 유기 및 무기 시료 분석 모두에 사용됩니다. 반사-흡수는 위의 조건 중 하나가 위배되고 시료가 표면 바로 아래에 반사성 밑층을 가진 경우에 가능합니다. 이 분석 유형이 주로 사용되는 대상:
- 금속 표면
- 반사성 기질 위의 얇은 필름
- 실리콘 웨이퍼
- 금속 위의 라미네이트된 물질
정반사 기법의 장점
- 단층 시료에 대한 민감도 - 금속 기질 상에서 옹스트롬 (Angstrom) 두께를 가진 코팅을 검출할 수 있음
- 비파괴 분석 - 분석하는 동안 접촉이나 시료 손상이 없음
- 광범위한 소모품 사용 가능 - 시료의 크기와 표면층의 두께에 따라 주요 분광분석기 및 현미경 액세서리를 이용할 수 있음
FAQ
FTIR 및 FTIR 현미경법 분야에서 시장을 선도하는 당사의 전문지식은 기기 뿐만 아니라 넓은 경험과 전문성 있는 직원들을 통해 확인할 수 있습니다. 여기에 이전에 받았던 여러 질문을 모아 두었습니다. 앞으로도 이 섹션에 질문과 답변이 추가됩니다.
투과율로 스펙트럼을 표시하면 더 작은 피크를 강조하는 경향이 있으므로 종종 시료를 시각적으로 더욱 잘 평가할 수 있습니다. 흡수율 스펙트럼은 스펙트럼이 농도와 선형 관계이므로 정량 분석, 스펙트럼 배제 또는 기타 조작에 사용됩니다(투과율 스펙트럼은 선형이 아님). 검색이나 보다 일반적인 사용에 관해서는 개인적인 선호의 문제입니다. 이전 문헌은 투과율을 가장 많이 사용한 경향이 있는 한편, 선형성의 특징 때문에 세부 피크 분석에는 흡수율을 사용하였습니다.
아포디제이션은 인터페로그램에서 작동합니다. 원시(raw) 데이터가 있는 경우(Thermo Scientific OMNIC 소프트웨어에서 확인란 하나를 설정하여 수행할 수 있음) 아포디제이션을 변경하여 쉽게 post-processing을 할 수 있습니다. 인터페로미터는 일반적으로 푸리에 변환 스펙트럼보다 더 많은 메모리가 필요하므로 이전 소프트웨어 패키지는 메모리를 절약하기 위해 인터페로그램을 메모리에서 제거합니다. 인터페로그램이 없는 경우 재처리할 수 없습니다. 아포디제이션은 시간 영역(time domain) 함수입니다.
아포디제이션은 약(Happ-Genzel)에서 강(Blackman-Harris)으로 증가시킬 수 있습니다. 함수가 강하게 적용될수록 라인 형태에 더 큰 영향을 미칩니다. 대부분의 일반적인 사용에서는 분해능이 4파수(wavenumber) 이상이면 강한 아포디제이션도 스펙트럼을 심하게 왜곡하지 않습니다. 그러나 라인이 좁거나, 기체상 분광법에서는 아포디제이션의 효과가 클 수 있습니다. 넓은 피크에서의 강한 아포디제이션은 라인 폭에 최소한의 영향을 미쳐 Boxcar(실질적으로 아포디제이션 없음)에 대한 신호 대 잡음비를 개선합니다. H-G는 라인 폭에 대한 영향이 “완만“하고 신호 대 잡음비가 좋아 원래 OMNIC 기본값이었습니다(아직도 종종 그러함). 일반적으로 신호 대 잡음비는 H-G, Norton-Beer Weak, NB-Medium, NB-Strong, Blackman-Harris 순으로 개선되지만 라인 모양도 같은 순서로 영향을 받습니다.
정량 작업은 2가지 접근법 중 하나가 필요합니다. 먼저, 흡수율을 알거나 계산할 수 있을 것입니다(Beer의 법칙에서 엡실론). 이는 굉장히 드문 경우입니다. 일반적으로는, 일련의 교육/보정 표준을 개발하고 스펙트럼을 기록합니다. 그런 다음, Thermo Scientific TQ Analyst 소프트웨어와 같은 케모메트릭스 패키지를 사용하여 Beer의 법칙 또는 더 복잡한 모델링을 통해 분석을 자동화하거나, 스프레드시트에 기본 정보(피크 높이 또는 피크 면적)를 기록한 다음 선형(또는 비선형) 회귀를 사용할 수 있습니다. 이는 일반적으로 크로마토그래피나 원자 분광학에서 수행하는 것과 동일합니다.
FT-IR은 유기나 무기에 관계없이 쌍극자 모멘트의 변화에 반응합니다. 금속 산화물, 카보네이트, 카르보닐이 좋은 예입니다. 기본 방정식에 따르면 파수는 스프링 상수(결합 강도)의 제곱근과 1/(감소된 질량의 제곱근)에 비례합니다. 간단히 말해 결합에 관여한 원자의 질량이 증가하면 파수가 감소합니다. 다수의 무기물은 ferrocene, acetylferrocene, cadmium oxide와 같이 400cm-1 미만의 피크를 가집니다. 이로 인해 “원적외선“ 광학을 사용해야 합니다. 많은 법의학 사용자들은 무기물 함량으로 인해 페인트 조각을 식별하는 데 원적외선이 유용하다는 점을 밝혔습니다. 이제 원적외선 ATR을 가능하게 하는 여러 ATR 액세서리가 있습니다(대부분 모노리쓰 다이아몬드 장치). Thermo Scientific Nicolet iS50 FT-R 분광분석기는 내장 ATR로도 원적외선 성능을 쉽게 낼 수 있도록 설계되었습니다. 마지막으로 이 부분에 더 관심이 있는 경우 FTIR 영업 담당자와 상담을 통해 기능과 한계에 대해 알아보시기 바랍니다.
DRIFTS는 중적외선과 근적외선 모두에 사용됩니다. 중적외선에서 확산반사(DRIFTS)는 KBr과 같은 희석제와 3~10%의 시료를 혼합해야 합니다. 이는 시료가 혼합되기 때문에 일반적으로 바람직하지 않습니다. 그러나 확산반사(DRIFTS)는 분말 물질이 고온, 고압, 반응성 기체 혼합물에 노출되는 촉매 연구에 아주 많이 사용됩니다. 여러 액세서리 공급업체가 이를 위해 특별히 장치를 제작하고 있습니다. 근적외선에서 DRIFTS는 희석 없는 직접 측정을 사용합니다. 용기 벽(플라스틱 백 등)을 통해 분석할 수 있는 휴대용 프로브가 많이 있으므로 물질에 닿거나 오염시키지 않고 시료를 분석할 수 있습니다. ATR에서는 시료를 결정체에 닿게 함으로써 시료와 접촉이 수반됩니다. ATR은 일반적으로 희석이 필요하지 않으며 DRIFTS에서는 까다로울 수 있는 신용카드나 자동차 범퍼와 같은 고체에 적합합니다. 특수한 경우를 제외하고 대부분의 경우 중적외선에서 ATR이 DRIFTS을 대체해 왔습니다. 반면 DRIFTS는 근적외선 영역에서 아직도 가장 주효한 방법입니다.
단백질 분석에서 한 가지 중요한 실험 단계는 워터 밴드(water bands)를 제거하는 것입니다(대부분의 단백질이 완충액에 보관되므로). 이로 인해 고도로 조절된 경로의 투과 셀 또는 ATR이 필요합니다. 대부분의 과거 작업은 BaF2 또는 유사한 윈도우를 사용하여 6~10미크론 경로 투과 셀에서 수행되었습니다. 분석 영역은 약 1400~1750cm-1 사이로, 윈도우는 투과성입니다. 최근 실리콘, 게르마늄 또는 다이아몬드 윈도우를 사용한 ATR 장치가 더욱 많이 보급되었습니다. 결정체에 대한 단백질의 반응과 결합이 ZnSe 장치에서 발생할 수 있습니다(표면 전하로 인해). 가끔은 바람직하지만 그렇지 않은 경우도 있습니다. 대부분의 문헌은 투과 셀에 기초하고 있습니다. 단백질 분석은 기술과 일관성이 요구되므로 대다수 실험실에서 교육이 필수입니다.
Beer-Lambert 법칙은 안정적인 시료 및 재현 가능한 조건에 기반하고 있습니다. ATR에서는 두 가지 문제가 있습니다. 첫째, 시료가 일정한 방식으로 결정체에 접촉해야 합니다. 물질이 거칠거나 결정질인 경우 재현성을 확보해야 합니다. 물질을 미세한 가루로 갈아야 할 수 있습니다. 둘째, 감쇠 전반사(ATR)은 약 1~4미크론의 깊이로 시료를 검사하는 표면 기법입니다. 첨가물 또는 타겟 분자가 멀리 이동하면 신호가 손실됩니다. 이러한 경우 전체 시료와 전체 두께를 조명하는 투과 기법이 적합한 선택일 수 있습니다(두께에 따라 다름). 일부의 경우 압력을 가하면 시료의 결정도나 폴리머 가닥 배향에 변화가 생겨 신호가 변할 수 있습니다. 더 자세한 결과를 확인하기 위해서는 사용된 특정 시료에 대한 이해가 필요합니다.
For Research Use Only. Not for use in diagnostic procedures.