5. 분광광도계의 구성

분광광도계는 크게 전자기 복사선을 형성하는 광원, 복사선을 각 파장별로 분광 시켜주는 단색화 장치, 샘플을 넣는 시료부, 샘플을 통과한 빛을 읽는 검출기로 나눌 수 있다.

즉, 광원(텅스텐, 중수소, 제논램프 등)에서 유래한 빛은 여러 개의 반사경과 필터, 단색화장치(monochromator/슬릿, 회절격자로 구성)를 통해 특정 파장의빛으로 여과되고, 이 빛이 시료를 지나면 시료의 성분 및 농도에 따라 일부 빛이 흡수되고 나머지는 검출기(detector)에 전달되게 된다. 이때 빛의 조사량과검출량의 차이를 이용하여 흡광도를 구할 수 있다.

가. 광원

광원이란 빛을 생성하여 흡광도를 측정하는 전 파장영역에 일정한 세기를 유지하며 충분한 복사선 에너지를 공급 하는 역할을 한다.

UV-Vis 영역을 측정하는 데 사용되는 대부분의 분광광도계에는 텅스텐과 중수소 램프(D2, Detrium)가 모두 사용된다. 이런 기기에서는 램프를 바꾸기 위해 광원 선택기를 사용하거나, 하나의 넓은 범위의 광원이 되도록 두 광원의 빛을 동시에 사용한다.

텅스텐 램프 (Tungsten lamp)

필라멘트를 텅스텐으로 만든 진공 백열전구로 325~1100nm의 가시광선 영역에서 재현성 있는 일정한 빛의 세기가 나오며 보통 10,000시간 동안 사용이 가능하다.

 

 

중수소램프(Deuterium lamp)

190~325nm의 자외선 영역을 측정할 수 있으며 중수소 램프가 내는 빛의 세기는 램프 사용시 여러 요인에 의해 감소된다. 보통 1000시간 사용 후에는 빛의 세기가 크게 감소하게 된다. Lamp의 교체 시기는 원하는 분석감도, 파장범위, 램프 자체 성능에 따라 결정하며 lamp에서 자외선이 방출되므로 눈에 직접적인 노출을 피하여야 한다.

 

제논램프(Xenon)

190~1100nm의 자외선에서 가시광선 영역까지 측정이 가능한 램프로 고압의 제논 가스 속에서 일어나는 방전에 의한 발광을 이용하는데 여러 가지 광원중에서 자연광에 가장 가까운 빛을 내지만 변동이 심한 단점이 있다.

 

 

나. 단색화 장치

입사슬릿, 분산장치, 방출슬릿으로 구성되어 있다. 단색화 장치는 광원에서 입사된 다색광을 분광 시켜 원하는 만큼의 단색광을 만들어 주는 장치이다. 과거에는 프리즘을 사용하였으나, 요즘은 회절격자(Grating)를 이용하여 분광 시킨다.

회절 격자란, 1mm 간격에 600-2000개 정도의 홈을 만든 코팅 유리판 등을 말하며 단색화 장치의 핵심 부분이다.

회절격자를 회전시킴으로써 임의의 단색광을 입사슬릿으로 부터 나오게 하며, 이 빛은 다시 회절격자를 통해 분산되어 방출슬릿으로 전달된다. 다시 말해, 광원으로 부터 들어온 연속파장의 자외선 및 가시선을 각 파장별로 분산시켜 단색파장으로 만드는 장치이다.슬릿의 폭이 좁을 수록 파장 범위가 좁은 광이 얻어지므로 해상 능력은 좋아지나 광원의 에너지 값이 감소하여 검출능이 낮아질 수 있다.

 

다. 시료부

샘플을 담을 수 있는 용기를 말하며 측정하는 샘플의 종류, 볼륨, 측정하고 싶은 파장에 따라 선택하여 사용한다. Cuvette 자체가 빛을 흡수하면 시료의 정확한 측정이 어려워 cuvette은 모든 파장에서 완전히 빛을 투과시켜야 하고 재질에 따라 크게 3가지로 구분된다.

유리	플라스틱 셀보다 고가지만 내구성이 좋아 오랫동안 사용 가능하며 320nm 이하의 파장에서 강하게 흡광 하므로 이 영역에서의 측정에는 부적합하다.
석영	석영셀은 210nm 이하(고순도의 경우 190nm이하)에서도 좋은 투광도를 보인다. 자외부와 가시부에서 모두 사용이 가능하지만 고가 이다.
플라스틱	주로 일회용으로 사용하며 320nm 이하의 파장에서 강하게 흡광 하므로 이 영역에서의 측정에는 부적합하다. 플라스틱 재질에 따라 사용할 수 있는 용매가 제한된다.

 

라. 검출기

광신호를 전기적 신호로 변환하는 장치로 낮은 노이즈와 높은 감도를 가지고 전 파장에 걸쳐 일정한 반응을 보이는 것이 이상적이다. 보통 광전자증배관(PMT : Photo Multiplier Tube)이 사용되는데 광량에 따라 1u sec 이하의 빠른 응답속도로 광 전류를 발생시키며, 이를 증폭시켜 값을 표시한다. 그 외에 포토다이오드(Photodiode) 및 Photodiode & CCD가 있다.

 

광전자증배관	빛을 증폭시켜주는 역할을 하는 detector인 광전자증배관은 광량에 따라 전자를 방출하며, 관(tube) 안에서 초기 방출된 전자를 증폭 한다.
다이오드	넓은 동적 범위를 가지며 고체상태로 광전자증배관 검출기보다 더 견고하다. 최근에는 여러 개의 광다이오드 검출기를 연결하여 사용하며, 장점으로는 시료 분석 시 scan 기능이 있어 전파장의 데이터를 볼 수가 있다.

 

      

광전자증배관                   다이오드                               Photodiode & CCD