기기분석-Introduction

1.1 기기분석이란 무엇인가?

 

 기기분석이란 물질을 기기를 이용하여 정량적이고 정성적으로 분석하는 것을 말합니다. 정량적이라는 것은 수치로 표현하는 것이라고 생각하면 됩니다. 예를 들어 물질의 온도가 몇 도인지? 물질의 질량은 몇 그램인지 등등이 정량적 분석입니다. 정성적이라는 것은 물질의 성질을 표현하는 것인데요. 예를 들어 부드럽다, 거칠다, 딱딱하다 등등입니다. 물론 이런 성질들도 정량적으로 표현할 수 있으면 좋겠죠. 그래서 만들어진 것들이 modulus, 인장 강도 등입니다. 그러니까 기기분석은 다시 말해 기기를 이용해서 물질의 성질을 알아내는 것! 이라고 간단히 말할 수 있습니다.

 

기기분석에는 정말 다양한 종류가 있는데요, 그 중에서 가장 대표적인 분석이 spectroscopy입니다. 이것은 빛을 이용한 물질의 분석입니다. 빛을 이용해 물질을 분석한다는 것이 잘 이해가 가지 않으실 분도 있을 텐데요. 빛에 대한 이해가 일단 필요합니다. 빛이란 무엇일까요? 빛에 대해 정말 오랫동안 여러 의견이 있어왔는데요. 현재 빛의 정의는 전자기파라는 것입니다. Fig. 1. 그림에서 볼 수 있듯이 빛이란 것은 전기장과 자기장의 파동으로 이루어져 있습니다. 파동이란 것은 파장과 진폭이 존재합니다. 빛도 여러 종류가 있는데요 이는 파장으로 나뉘어집니다.

FIg. 1 빛은  전자기파이다. -위키피디아(전자기파)

 다시 설명할게요. 이 부분에 대해 이해하는 것이 매우 중요합니다. 빛이란 것은 전자기파로 정의할 수 있으며, 전자기파란 전기장과 자기장의 파동이다. 파동은 파장과 진폭이 존재하고, 빛의 종류는 파장 별로 나뉘어진다. 일단 이것만 안다면 전자기 스펙트럼을 이해할 수 있을 것입니다. Fig. 2 (빛에 대해 궁금한 내용이 더 있다면, 위키피디아에 빛 또는 전자기파로 검색을 해 보시면 더 자세히 알 수 있을 것입니다.) Fig. 2를 보시면 파장에 따라 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, x-선, 감마선 등으로 나뉩니다. 전자기파는 에너지를 가지고 있으며 이는 파장이 짧을 수록 큰 에너지를 갖습니다. x-선이나 감마선에 노출되면 위험한 것이 이런 이유입니다. 세포들이 큰 에너지를 가진 전자기파에 의해 공격을 받기 때문입니다. 자외선 차단제를 피부에 바르는 것 또한 이런 이유 때문입니다.

Fig. 2 전자기스펙트럼 -위키피디아(전자기스펙트럼)

 이처럼 전자기파는 에너지를 가지며, 물질에 부딪혔을 때, 그 물질에 어떠한 영향을 끼칩니다. 에너지가 클수록 더 큰 영향을 끼치겠죠? 이런 원리를 이용한 것이 spectroscopy입니다. 

 가장 원시적인 spectroscopy는 우리의 눈을 이용한 분석입니다. Fig. 2를 보시면 가시광선 영역이 있습니다. 파장으로 구분하면 대략 400~700 nm 부분입니다. 가시광선은 우리가 볼 수 있는 전자기파 영역입니다. 즉 인간 기준입니다. 어떤 동물들은 우리가 보지 못하는 영역 대의 전자기파도 볼 수 있다고 합니다. 아무튼 우리가 본다는 것은 가시광선 영역의 빛을 눈안의 수용체가 받아들이고 뇌에서 해석하는 것 까지의 과정을 의미합니다. 어떤 물질이 노란색이다라는 것을 어떻게 알 수 있을까요? 이는 간단합니다. 그 물질이 노란색 빛을 우리 눈에 보내기 때문입니다. 하지만 물질 자체가 빛을 내뿜는 경우는 흔하지 않습니다. 대부분 빛을 반사하는 경우이죠. 태양빛을 반사하거나, 형광등 빛을 반사합니다. 태양빛을 기준으로 말씀드리겠습니다. 태양빛은 가시광선 영역의 모든 파장을 가지고 있습니다. 뉴턴이 최초로 프리즘을 이용해서 빛을 7가지 색으로 나누었죠. 노란색 물질이란 것은 가시광선 영역의 파장이 그 물질에 부딪혔을 때, 노란색 영역의 빛을 제외한 나머지 색의 영역을 흡수하고, 노란색 파장만 반사합니다. 즉 다시 말해 빛과 물질의 상호작용이 일어났고, 우리 눈은 그 상호작용의 결과를 관찰하는 것이라고 해석할 수 있습니다. 빛에 대해 공부하신 분들은 이 내용이 별거아닌 내용이지만 본다는 것에 대해 깊이있게 생각해보지 않으신 분들은 이 내용이 조금은 신선한 충격이지 않을까 싶네요. 

 아무튼 가장 원시적인 spectroscopy에 대해 알아보았습니다. 우리 눈은 색깔 뿐만 아니라 질감도 구별해낼 수 있습니다. 이것은 정성적인 분석인 것이죠. 광택이 나는 물질에 대해 만져보지 않더라도 매끄럽다는 것을 알 수 있는 것처럼 말이죠. 하지만 눈으로 분석하는 것은 한계가 있습니다. 특히 정말 작은 물질의 경우 말이죠. 다시 Fig. 2를 봐주세요. 파장의 대략적 척도로 나타난 그림들을 보시면 한 눈에 알 수 있습니다. 자외선 부터는 분자의 영역으로 들어갑니다. 눈으로 물 분자를 하나하나 구분할 수 있나요? 우리눈은 그렇게 성능이 좋지 못합니다. 물 분자를 보려면 어떻게 할까요? 가시광선이 아닌 더 짧은 파장의 빛을 쏴야겠죠. 가시광선은 분자를 측정하기엔 파장이 너무 깁니다. 물질에 대해 분석하려면 빛과 물질이 상호작용을 해야 하는데 가시광선의 파장이 너무 길어 그 물질과 부딫히지 않고 그냥 지나쳐 갑니다. 라디오파가 멀리멀리 갈 수 있는 이유이기도 하죠. 아무튼 우리 눈은 짧은 파장의 빛을 식별해낼 수 없기 때문에 이를 식별할 수 있는 장치가 필요하죠. 이것이 우리가 여러 분석을 할 수 있는 기기를 만들고 공부하는 이유입니다. 더 작은 물질을 더 정확히 보고 싶은 욕구 때문이죠. 

 

 다음 포스팅은 spectroscopy 중 NMR에 대해 공부한 내용을 올리도록 하겠습니다.