적외선 분광법 (infrared spectroscopy : 약 IR)과 근적외 분광법 (near-infrared spectroscopy : 약 NIR).
각각 스펙트럼 정보를 분석하고 다양한 분야에 응용하는 분광법으로 널리 알려져 있지만, 그 차이는 어디에 있는 것일까요.
이번에는, 근적외 분광법과 적외 분광법에 대해서, 이하 3개의 관점으로부터 각각의 특징을 씻어내, 차이를 해설해 갑니다.
- 취급하는 파장과 그 특성
- 측정 가능한 정보
- 분석 대상
분광기에 관한 기초 지식이나 어플리케이션 사례나 제품 등 여러가지 정보를 정리한 페이지를 작성했습니다. 아래 링크를 참조하십시오.
근적외 분광에 관해서는 수분 측정, 중적외 분광에 관해서는 오일 측정의 사례 등도 소개하고 있습니다.
취급하는 파장과 그 특성
빛에는 파장 영역마다 이름이 붙여져 있습니다. 우리의 눈에 보이는 빛의 범위를 가시광이라고 하며, 가시광 영역보다 긴 파장의 빛이 ‘적외선’입니다.
적외선(세키가이센)은 가시광선의 적색보다 파장이 길고(주파수가 낮음), 전파보다 파장이 짧은 전자파이다. 인간의 눈으로는 볼 수 없는 빛이다.
적외선은 가시광에 비해 ‘파장이 긴 빛’입니다.적외선은 영어로 “infrared”라고 말하지만, 이것은 적외선이 “가시광역의 붉은 빛”의 바깥쪽에 있기 때문에, 라틴어로 빨강을 넘는다는 의미를 가지는 “infra-red”라고 이름이 붙여집니다 .
적외선은 파장에 따라
- 근적외선
- 중적외선
- 원적외선
세 가지로 분류됩니다. 근적외선 분광법은 「근적외선」을, 적외선 분광법에서는 「중적외선」의 파장의 빛을 취급합니다.
근적외 분광법과 적외 분광법에서는, 각각 취급하는 파장이 다르다.
- 근적외 분광법 : 측정 대상에 「근적외선」을 조사, 근적외 스펙트럼 데이터를 획득
- 적외 분광법 : 측정 대상에 「중적외선」을 조사, 적외 스펙트럼 데이터를 획득
매우 단순화하면 근적외선 분광법과 적외선 분광법을 이와 같이 표현할 수 있습니다. 그리고, 각각이 취급하는 빛──「근적외선」과 「중적외선」에는, 특성이 있습니다.
파장 특성
일반적으로 빛이 물체에 닿으면 물체에서 빛이 반사되거나 물체로 흡수되거나 물체를 빠져나갑니다. 근적외분광법, 적외분광법에서는 이러한 빛의 반사, 흡수, 투과를 이용하여 대상을 측정하고 있습니다만, 근적외선과 중적외선에서는 파장의 특성이 다릅니다.
파장의 특징
- 근적외선: 투과하기 쉬운
- 중적외선: 물질 고유의 흡수 스펙트럼이 나타나는 파장 영역이 있음
근적외선은 거의 투과합니다. 근적외선에 대해 중적외선은 시료에 흡수되기 쉽다는 특성이 있습니다.
중간 적외선 영역에는 “지문 영역”이라는 파장 영역이 있습니다.
지문 영역의 「흡수 스펙트럼」은 「물질마다 다른 스펙트럼이 나타난다」 때문에, 화학물질의 동정 등에 응용할 수 있습니다.
같은 ‘적외선’이라도 근적외선과 중적외선에서는 파장의 특성이 다르기 때문에 각각의 측정 원리와 측정 결과(스펙트럼 데이터)가 다릅니다.
근적외선 분광법에 대한 자세한 내용은 여기 를 확인하십시오.
적외선 분광법과 근적외선 분광법의 차이 (1)
- 근적외선 : 투과하기 쉽기 때문에 비파괴 측정에 적합하다.
- 중적외선 : 물질 고유의 흡수 스펙트럼이 나타나는 파장 영역이 있기 때문에 과학 물질의 동정이 가능.
측정할 수 있는 정보
측정방법에 큰 차이는 없다 적외 분광법과 근적외 분광법은 모두 흡수 분광법을 기본으로 하고 있습니다.
양측 「측정 대상에 적외선을 조사해, 대상이 흡수한 빛의 스펙트럼을 분석한다」라고 하는 분석 방법입니다.
적외 분광법이나 근적외 분광법은 어디까지나 「분석의 수법」이므로, 실제로 스펙트럼 분석을 실시할 때는 「분광기」를 이용합니다. 예를 들어, 적외선 스펙트럼을 분석할 때는 적외선 분광법을 이용한 광학 기기로서의 「적외 분광기」를 사용합니다.
「적외 분광기」와 「근적외 분광기」를 이용한 측정 방법을 간략화하면, 다음과 같이 됩니다.
측정 대상에 빛을 비춘다. 그러면 대상은 빛을 흡수, 반사, 발광, 확산 반사한다. 반사광이나 투과광을 측정함으로써, 대상체에 흡수된 「흡수광」을 구한다.
즉, 분광기가 조사한 광 – 반사광·투과광 = 대상에 흡수된 광
그러므로 「반사광・투과광」을 측정하는 것으로 「흡수광」을 인출할 수 있습니다. 이러한 절차를 통해 “어떤 파장의 빛이 얼마나 흡수되었는가”라는 “흡수 스펙트럼”데이터를 볼 수 있습니다.
여기가 대략적인 측정의 순서입니다만, 쌍방, 데이터의 측정 방법에 큰 차이는 없습니다.
차이는 「취급하는 에너지 준위의 천이」
적외 분광법도 근적외 분광법도 스펙트럼 데이터(측정 대상에 관한 분광 데이터)를 보고 있습니다.
이것에 의해, 식품의 분석이나 오일의 분석 등을 실시합니다.왜 분광 데이터를 보면, 그러한 분석이 가능하게 되는가 하면, 그것은 분자의 특성과 관계하고 있습니다.
분자에는 다음과 같은 특성이 있습니다.
분자는 진동하지만, 그 진동은 분자마다 다르다. 분자는 적외선을 흡수하지만 흡수하는 적외선은 분자의 진동에 의해 결정됩니다.
예를 들어, H 2 O (물)와 CO 2 (이산화탄소)에서 분자는 다른 진동을합니다. 분자의 진동이 다르다 = 흡수되는 적외선의 파장이 다르기 때문에 분자에 흡수된 적외선의 정보를 보면 분자를 특정할 수 있습니다.
적외선 스펙트럼은 종종 물질의 진동 스펙트럼 (vibrational spectrum)을 나타냅니다. 진동 스펙트럼은 말하자면 물질의 지문이며 물질의 식별이 우수합니다. 또한, 물질의 존재 상태──기체, 액체, 고체, 용액 등의 상태──가 다르면, 동일한 물질에서도 다른 스펙트럼을 준다.
분자의 진동의 분광 정보(물질의 진동 스펙트럼)는 분자마다 다르기 때문에 「물질의 지문」으로 표현됩니다.
분자가 흡수하는 파장이 분자마다 다르기 때문에 분광 데이터를 보면 분자를 특정할 수 있습니다.
「분자와 파장의 특성을 이용한다」라는 점은 적외 분광법과 근적외 분광법과도 같습니다만, 관측되는 분자 진동이 다릅니다.
적외선 분광법에서는 기본음(fundamental tone), 배음(overtone), 결합음(combination tone)을 관측합니다.
반대로 근적외선 분광법에서는 기본음은 관측하지 않고 배음, 결합음만 관측됩니다.
적외선 분광법 근적외선 분광법
분자 진동 기본음, 배음, 결합음 배음, 결합음
기본음, 배음, 결합음은 「진동 에너지 준위의 천이」를 가리킵니다.
“진동 에너지 준위의 전이”는 분자의 진동에 의해 발생합니다.
분자의 진동에 의해 에너지가 발생
앞서 ‘분자의 진동’이라고 적었는데, 깊은 파는 ‘전자와 원자핵의 운동’을 가리킵니다.
분자를 구성하는 원자의 「전자와 원자핵의 운동」에는
- 병진
- 회전
- 진동
분자 진동의 종류
일본 분광회 편, 적외·라만 분광법(분광 입문 시리즈), 코단샤(2009)를 참고로 작성
이 중, 적외 분광법, 근적외 분광법과 밀접하게 관련되어 있는 것이 「진동 에너지」입니다. (※회전 에너지도 관련이 있습니다만, 이번은 진동 에너지를 중심으로 이야기하겠습니다.)
에서는, 진동 에너지란 무엇인가라고 하면, 이것은 「흡수되는 빛은, 분자의 진동에 의해 정해진다」라는 내용과 관련되어 옵니다.
분자의 진동 에너지 준위가 상승하면
위에서 언급했듯이 적외선은 전자기파의 일종입니다. 그 때문에 「주파수」를 가집니다.
진동하는 분자는 빛과 마찬가지로 특정 주파수를 가지고 있습니다. 즉, 빛의 주파수와 분자의 주파수가 일치하면 빛이 흡수됩니다.
분자에 빛(적외선)이 흡수된다.
분자가 가지는 에너지가 높아진다.
(※이 에너지는 진동 에너지에 한정되지 않습니다.)
이 「분자의 가지는 에너지가 높아진다」라고 하는 것은 「분자가 기저 상태로부터 여기 상태로 천이한다」라고 하는 것입니다.
기저 상태: 원자가 가지는 최저 에너지 상태
여기 상태: 기저 상태보다 높은 에너지를 가진 상태
천이: 높은 에너지 상태로 옮겨간다는 의미(이번 경우)
진동 에너지 그래프
이러한 그래프로 표현됩니다.
결합간격은 분자에 있어서의 「원자핵과 원자핵의 거리」를 나타냅니다. 분자가 진동하면 “결합 간격”이 바뀌고 에너지 준위가 바뀝니다.
그리고 기본음, 배음, 결합음은 「분자의 진동 에너지 준위의 천이」를 가리키고 있습니다.
기본음, 배음, 결합음은 「기저상태로부터 어떻게 천이하는가」를 기준으로 구별됩니다.
기본음: 기저상태와 1종류의 양자수가 1인 여기상태 사이의 천이.
배음 : 기저 상태와 한 종류의 양자 수에 대해서만 2 이상인 여기 상태 사이의 전이.
결합음: 기저상태와 2종 이상의 양자수가 1개 이상인 여기상태 사이의 천이.
후루카와 유키오 2018 「적외 분광법」(코단샤) 참고
적외 분광법, 근적외 분광법에서는 각각 취급하는 에너지 준위의 천이가 다릅니다.
적외선 분광법: 기본음, 배음, 결합음
근적외선 분광법: 배음, 결합음
근적외선 분광법에서는 「기본음」을 취급하지 않습니다.
이것이 두 가지 큰 차이가 될 것입니다.
근적외선 분광법의 특징으로 잘 알려져 있습니다.
배음, 결합음이라는 금지 전이를 중심으로 취급
라는 것. 금제 전이는 일어날 확률이 낮은 전이입니다.
적외 분광법에서도, 배음, 결합음은 취급합니다만, 역시 금지 전이를 중심으로 하고 있는 것은, 근적외 분광법입니다.
일어날 확률이 낮은 천이(=금제 천이)에 대해서, 발생할 가능성이 높은 천이를 「허용 천이」라고 합니다.
적외선 분광법과 근적외선 분광법의 차이 (2)
적외 분광법 : 배음, 결합음도 취급하지만, 허용 천이를 취급할 수 있다.
근적외 분광법 : 배음, 결합음이라는 금제 천이를 중심으로 취급한다.
취급하는 천이의 차이가, 각각의 「분석 대상의 차이」라고 관련되어 옵니다.
분석 대상
적외 분광법의 경우
분자의 진동으로부터 분자의 상태나 환경에 관한 정보를 얻을 수 있습니다.
그 때문에, 적외 스펙트럼을 인출함으로써, 분자 구조나 분자의 상태를 판단하는 정보를 획득할 수 있습니다.
적외 분광법은 물질의 동정에 강점을 가지고 있으며, 또한 「기체, 액체, 고체」등 상태가 다른 것과 같은 물질에서도 다른 적외 스펙트럼이 측정됩니다.
또, 정량 분석을 할 수 있다는 강점으로부터, 가스나 액체 등의 측정에 활용되고 있습니다.
적외 분광법을 이용한 어플리케이션은 폭넓기 때문에, 이번은 일례로서 「바이오디젤 연료의 분석」을 소개하겠습니다.
이것은 바이오 디젤 연료의 FAME 양을 분석했을 때 얻은 스펙트럼 그래프입니다.
이와 같이, 대상의 흡수도를 측정하는 것으로, 연료중의 성분 분석이 가능하게 됩니다.
연료 분석에 도움이 되는 중적외선 분광 시스템
적외선 분광법 애플리케이션 세부사항 링크
바이오디젤 연료 측정 바이오 디젤 연료의 FAME 함량 측정 애플리케이션에 대해 자세히 알아보기
엔진 오일 측정 중적외 분광법에 의한 엔진 오일의 열화 측정 어플리케이션의 상세
근적외선 분광법의 경우
근적외 분광법에는 「배음, 결합음이라고 하는 금제 천이를 중심으로 취급한다」라고 하는 특색이 있습니다.
금제 전이는 매우 약하다 = 투과성이 우수하다는 “파장의 특성”으로 연결됩니다.
특히 근적외 영역 중에서도 투과성이 높은 파장역이라고 하는 것이 가시광역에 가장 가까운 「800~1200nm」입니다.
이 파장역은 「생체의 창」이라고도 알려져 있다고 합니다.
이 영역은 매우 투명합니다.
자외선 ~ 가시 ~ 적외선 영역에서 생체에 대한 뛰어난 투과성을 갖는 것은이 영역뿐이기 때문에, 영역 Ⅰ *는 정체 창이라고도 불린다.
이 창을 이용한 농작물에의 응용이나 생물학·의학에의 응용이 활발하게 행해지고 있다.
*800~1200nm의 파장역은 본서에서 「영역Ⅰ」로 표현되어 있습니다.
오자키 유키요 2015 「근적외 분광법」(코단샤)에서 인용
근적외선은 “투과성이 높다”는 성질로부터 인체의 분석에 활용되고 있습니다.
또한, 근적외분광법은 원래 곡물의 수소결합의 연구에 있어서 근적외분광법의 유효성이 나타난 곳에서 발전해 왔습니다.
그 때문에 현대에서도 식품·농작물의 분석이나 수분 측정에는 강점이 있습니다.