Facebook Google+ twitter
LINE it!

소형 FTIR, IRSpirit를 활용한 수질 시료 중 미량 성분 분석

Analysis of Minor Components in Water Using the IRSpirit

■ 서론
중적외선 영역에서 물은 강하게 흡수되기 때문에 수용액에서 저농도의 미량 성분을 검출하고 식별하기는 매우 어렵습니다. 물의 흡수 밴드는 너무 커서 미량 성분의 스펙트럼의 검출을 어렵게 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 여러 가지 처리 방법 및 샘플링 기술이 개발되었지만, 의미 있는 결과를 얻기 위해서는 감도와 안정성이 높은 FTIR이 필요합니다. 여기서는 안정적으로 높은 감도의 분석을 지원하는 SHIMADZU의 소형 FTIR 장비 인 신제품 IRSpirit 모델을 사용하여 차이 스펙트럼 방법과 샘플 농축 기술에 대해 설명합니다.

Fig.1 SHIMADZU IRSPirit 소형 퓨리에변환 적외선 분광광도계

■ FT-ATR을 이용한 수용액 분석
오염 부하량 모니터링은 업계에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 여기서는 규제된 오염 물질 배출을 방지하기 위한 하류 모니터링뿐만 아니라, 제조 공정에서 사용되는 수질 또한 최종 제품의 품질에 영향을 미칠 수 있으므로 수질을 특성화하는 상류 모니터링 또한 중요합니다. 온라인 TOC(Total Organic Carbon)는 수질 모니터링에 일반적으로 사용되며 유기 탄소의 빠른 정량화를 제공합니다. 그러나 증가된 부하량에 기여하는 유기 화합물의 화학적 조성을 파악하기는 어렵습니다. 하지만, FTIR은 수질 모니터링에서 화학적 조성을 파악하는데 유용하게 사용됩니다. 온라인 TOC 측정이 유기 물질의 증가를 탐지하면 FTIR은 오염원을 성분을 식별하여 문제를 해결할 수 있습니다. 그러나 아쉽게도 FTIR은 미량의 오염 물질 분석에서 이상적이지 않습니다. 의미 있는 스펙트럼을 얻기 위해서는 5 % 이상의 높은 농도가 필요하기 때문입니다. 검출한계는 매우 샘플에 의존적입니다. 다음에서, 다양한 농도의 스쿠로오스(sucrose) 용액에 샘플링 기술을 적용하여 유기 화합물을 검출할 수 있는 농도 수준을 알아보겠습니다.

■ IRSpirit 전용 ATR 액세서리- QATR-S
샘플 농축 측정은 IRSpirit을 위해 새로 고안된 전용 QATR-S 단일 반사 ATR 액세서리로 수행되었습니다. 이 액세서리의 마운트는 IRSpirit의 샘플 구획에 장착되어 모든 면을 측정할 수 있으며, 크기가 큰 시료도 자르지 않고 측정 가능합니다(Fig. 1). 다이아몬드(Diamond)와 게르마늄 크리스탈(Germanium crystals)이 모두 사용 가능하며 사용자가 쉽게 교체할 수 있습니다. 시료를 크리스탈에 밀착시키는 스윙 클램프 메커니즘은 과도한 조임으로 인한 크리스탈의 손상을 방지하는 토크 리미터를 포함합니다. QATR-S는 IRSpirit에만 장착할 수 있습니다.

■ 물의 ATR 스펙트럼
Fig. 2는 물의 ATR 스펙트럼 입니다. 측정 조건은 Table 1에 자세히 나와 있습니다. 물은 3,800 ~ 2,800 cm-1 (OH Stretch), 1,800 ~ 1,500 cm-1 (OH Band) 및 <1,000 cm-1 (Molecular libration)에서 강한 흡광도를 가집니다.
이러한 스펙트럼의 특징은 OH와 NH, C=O와 CH2 및 분자 지문 영역과 겹쳐지므로 수용액에서 미량의 유기 성분을 검출하기가 어렵습니다.

Fig. 2 물의 ATR 스펙트럼

Instrument IRSpirit-L(KBr window)
QATR-S(Wideband diamond disk)
Resolution 4 cm-1
Accumulation 45
Apodization Sqr Triangle
Detector LiTaO3

Table 1 측정 조건

■ 차이 스펙트럼(Difference Spectrum) 프로세싱 메소드
차이 스펙트럼(Difference Spectrum)은 혼합물의 스펙트럼에서 물의 적외선 스펙트럼을 뺀 값입니다. 분석하고자 하는 성분의 농도가 충분히 높으면 분자의 스펙트럼을 검출할 수 있습니다. Fig. 3 (a) 및 Fig. 3 (b)는 각각 0.5 % 및 5 % 농도의 스쿠로오스(Scurose) 용액의 측정 결과 입니다. 물과 스쿠로오스(Scurose) 용액의 스펙트럼은 각각 검은색과 빨간색으로 표시되어있고, 차이 스펙트럼(Difference Spectrum)은 파란색으로 표시되어있습니다. 0.5 % 농도의 스쿠오로스((Scurose) 수용액은 물의 기여도를 뺀 후에 의미 있는 스펙트럼의 특징을 제공하기에는 감도가 너무 낮습니다. 5 % 농도 용액의 차이 스펙트럼(Difference Spectrrum)은 1,200 ~ 900 cm-1의 범위로, 지문 영역에서 피크를 보입니다. 이 특징들은 알코올에서의 C-O Strech, 지방족 에테르(> 1000 cm-1)의 C-O-C Strech 및 CH2 변형 모드 (<1000 cm-1)로 예측됩니다.

Fig. 3 차이 스펙트럼(Difference Spectrum) 프로세싱 메소드

■ 농축 시료 처리 기술
시간에 따라 수분을 증발시키면서 수용액에서 분석하고자 하는 성분의 농도를 증가 시킵니다. 우선, ATR의 크리스탈에 소량의 수용액 시료를 올려 놓고 점차적으로 농축 된 용액을 남기기 위해 물을 증발시킵니다(Fig. 4). 이 기술은 시료의 농도가 실험 과정에서 계속해서 변화하기 때문에 정량 분석 보다는 정성 분석에 적합합니다.

Fig. 4 시료 농축 처리 기술 – 시간에 따른 용질의 농도 변화

스쿠로오스(Sucrose) 용액 10 μL를 ATR로 측정하였습니다. 시료는 Fig.4와 같이 표면 장력 때문에 방울(Drop) 형태로 유지되어 있습니다. 먼저, 시료를 ATR에 올린 직후 FT-ATR스펙트럼을 측정하였고, 이후 20분, 22분이 경과 한 후 재 측정하였습니다. 이 방법으로 세 가지의 서로 다른 농도의 스쿠로오스(Sucrose) 스펙트럼이 조사되었습니다. 그림 0.1, 0.5, 5 %의 Fig. 5(a), (b)및 (c)에서 t=0의 검정 스펙트럼, t=20분의 적색 측정 스펙트럼 및 t=22분의 청색 스펙트럼 데이터를 확인할 수 있습니다. 그 결과, 시간이 흐르고 물이 증발하면서, 스쿠로오스(Sucrose)의 분광 특성이 더욱 두드러지게 된 것을 확인하였습니다. 앞서 설명했던 다른 스펙트럼 처리 방법과는 달리, 0.1 % 농도 용액의 스쿠로오스(Sucrose) 성분은 22분이 경과하고 물이 증발된 후에 최종적으로 분석될 수 있었습니다. 이 측정은 단일 반사 ATR을 사용하여 분석했으므로 충분한 샘플을 사용하여 결정을 적절히 적용할 수 있다면, 다중반사 ATR액세서리를 사용해 농도가 더 낮은 용액을 분석할 수도 있습니다.

Fig. 5 시료 농축 처리 기술 – 스쿠로오스(Scurose) 용액의 농도 변화에 따른 스펙트럼 분석

■ 결론
수용액에 포함된 저농도의 성분을 검출하기 위한 처리 및 샘플링 방법을 적용하여, SHIMADZU의 초소형FTIR, IRSpirit의 탁월한 안정성과 높은 감도로 저농도 용액에서 스쿠로오스(Scurose)를 성공적으로 분석한 결과를 확인하였습니다.