적외선 분광기(IR, Infrared Spectrophotometer)는 물질이 적외선 영역(약 700nm~1mm)의 빛을 흡수하여 분자 내의 진동, 회전 상태가 변화하는 특성을 분석하는 장치. 

이는 분자의 구조, 결합, 그리고 화학적 조성을 파악하는 데 중요한 정보를 제공.

작동 원리

적외선 흡수와 분자 진동

적외선이 분자에 흡수되면, 분자는 고유의 진동 또는 회전 상태로 전이 함.

특정 파장의 적외선이 흡수되며, 이는 분자 내 결합(예: C-H, O-H, C=O 등)의 고유 진동수와 일치.

스펙트럼의 생성 

흡수된 적외선의 강도와 파장 간의 관계를 그래프로 나타내면 적외선 스펙트럼(IR Spectrum)이 생성 됨. 

이 스펙트럼의 각 흡수 피크는 특정 화학 결합 또는 기능기를 나타 냄.  

적외선 영역

근적외선(NIR, Near Infrared): 700nm~2.5µm

중적외선(MIR, Mid Infrared): 2.5µm~25µm (일반적으로 분석에 사용)

원적외선(FIR, Far Infrared): 25µm~1mm 

주요 구성 요소

광원 

글로바(Globar): 실리콘 카바이드 막대에 전류를 가해 적외선을 방출.

Nernst Lamp: 희토류 산화물을 사용.

LED: 근적외선 영역에서 사용. 

단색화 장치 

회절 격자 또는 프리즘을 사용해 복합광을 분리하여 특정 파장의 적외선을 선택. 

시료 홀더 

시료의 형태(액체, 고체, 기체)에 따라 선택.

액체: 셀에 주입. 

고체: KBr 또는 NaCl과 혼합 후 펠릿으로 제작. 

기체: 셀에 충진. 

검출기 

DTGS(Deuterated Triglycine Sulfate): 중적외선 영역에서 사용.

MCT(Mercury Cadmium Telluride): 높은 감도를 요구하는 경우 사용. 

인터페로미터 (FT-IR의 경우) 

Fourier 변환 적외선 분광기(FT-IR)는 Michelson Interferometer를 사용해 적외선을 변조하여 시간 도메인 신호를 생성 후 Fourier 변환으로 스펙트럼을 얻음.  

측정 방법

샘플 준비 

액체: NaCl, KBr로 제작된 투명 셀에 시료를 주입. 

고체: 분말 형태로 만들어 KBr 펠릿 제작 또는 ATR(Attenuated Total Reflectance) 기술 사용. 

기체: 기체 셀에 시료 충진. 

데이터 수집 

적외선을 시료에 조사.

시료가 흡수한 특정 파장 및 강도를 검출기로 측정. 

데이터 해석

흡수된 파장은 분자의 진동수에 대응하며, 각 흡수 피크는 특정 화학 결합을 나타냄. 

흡수 파장 범위와 해석 

O-H: 3200~3600cm⁻¹ 

C-H: 2800~3000cm⁻¹ 

C=O: 1700~1750cm⁻¹ 

N-H: 3300~3500cm⁻¹

적외선 스펙트럼의 예시

스펙트럼의 축 

X축: 파수 (cm⁻¹),  ν ~ = 1/ λ, 적외선의 파장에 반비례.

ν ~ : 파수 (cm⁻¹) 

λ: 파장 (cm)

주요 피크 해석 

큰 O-H 피크 (3200~3600cm⁻¹): 알코올, 페놀. 

뾰족한 C-H 피크 (2800~3000cm⁻¹): 알칸, 알켄. 

강한 C=O 피크 (1700~1750cm⁻¹): 카보닐 그룹(예: 케톤, 알데하이드, 카복실산).

적외선 분광기의 응용 분야

화학 

유기 화합물 및 고분자 구조 확인.

화학 반응 중간체 분석. 

제약 

약물의 화학적 순도 및 구조 확인.

고형 제제의 결정형 분석.

환경 

대기 오염 물질 분석(예: CO₂, NOₓ, CH₄). 

수질 오염 물질 탐지.

식품

식품의 지방, 단백질, 탄수화물 조성 분석. 

식품 첨가물 및 오염 물질 검사.

생명 과학

단백질 구조 및 결합 해석.

DNA/RNA의 분광학적 분석.

장점과 한계

장점 

정성 및 정량 분석 가능: 분자의 고유 흡수 피크로 특정 물질 동정 가능. 

빠르고 비파괴적: 시료를 소모하지 않고 빠르게 분석 가능. 

FT-IR 기술로 높은 감도: 시간과 스펙트럼 해상도를 동시에 확보. 

한계 

혼합물 분석 제한: 복잡한 혼합물에서는 신호 해석이 어려울 수 있음. 

투명도 문제: 물 또는 불투명 시료는 준비가 어려움. 

정밀도 한계: 특정 기능기만 분석하므로 상세한 구조 분석은 어려움.

최신 기술: ATR-FTIR

ATR(Attenuated Total Reflectance) 기술은 시료를 간단히 접촉시키는 것만으로 적외선 스펙트럼을 측정. 

샘플 준비가 간편하며, 고체, 액체, 젤 등 다양한 시료 분석에 적합.

적외선 분광기(IR Spectrophotometer)를 생산 및 판매하는 주요 업체.

Thermo Fisher Scientific

제품명: Nicolet Summit FTIR Spectrometer

전력 요구 사항: 100~240V AC, 50/60Hz, 약 100W 

특징: 고감도 검출기와 사용자 친화적인 소프트웨어를 갖춘 FTIR 분광기.

Bruker

제품명: VERTEX 80/80v FT-IR Spectrometer

전력 요구 사항: 100~240V AC, 50/60Hz, 약 200W

특징: 고해상도와 넓은 스펙트럼 범위를 제공하는 연구용 FT-IR 분광기.

Agilent Technologies

제품명: 4500 Series Portable FTIR

전력 요구 사항: 내부 배터리(약 4시간 사용 가능) 또는 100~240V AC, 50/60Hz

특징: 휴대용으로 설계되어 현장 분석에 적합한 소형 FTIR 분광기.

JASCO

제품명: FT/IR-4100

전력 요구 사항: 100~240V AC, 50/60Hz, 약 150W

특징: 다양한 액세서리와 함께 고성능을 제공하는 FT-IR 분광기.

PerkinElmer

제품명: Spectrum Two FT-IR Spectrometer

전력 요구 사항: 100~240V AC, 50/60Hz, 약 100W

특징: 컴팩트한 디자인과 사용 편의성을 갖춘 FT-IR 분광기.

Shimadzu

제품명: IRTracer-100

전력 요구 사항: 약 150W

특징: 높은 감도와 빠른 스캔 속도를 제공하는 FTIR 분광기.

ABB

제품명: MB3000 FT-IR Spectrometer

전력 요구 사항: 약 100W

특징: 견고한 디자인과 낮은 유지보수 비용을 갖춘 FT-IR 분광기.

Horiba

제품명: LabRAM HR Evolution

전력 요구 사항: 약 150W

특징: 라만 및 FTIR 기능을 통합한 분광기.