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모든 chemical이나 물질들은 원자들로 이루어져있다. 이 원자들이 chemical bond에 의해서 결합되어있는 것을 분자라고 한다. 그리고 분자를 이루고 있는 원자들은 항상 운동을 하고 있고 이 운동을 vibration(진동)이라고 한다. 기본적으로 분자의 운동은 Bending, Stretching(Symmetrical, Asymmetrical)로 나눌 수 있고, 그 vibration rate은 단위 초당 수백만 회에 해당된다. 그리고 각 분자들의 진동은 고유의 진동수(주파수)를 가진다. 이 주파수는 원자들 사이의 화학결합의 길이와 각 원자의 질량에 의해 결정된다.<첨부: Infrared Molecular Vibraton 참조 요망>
적외선 분광학(Infrared Spectroscopy)은 Sample이 적외선 영역에서 흡수하는 파장에 기초한 분석이다. 적외선 light source에서 방출된 IR beam의 일부가 sample에 의해서 흡수가 되고 나머지는 detector에 도달하여 측정이 된다. 따라서, 나머지 IR beam은 light source에서 방출된 IR beam과 비교하여 주파수(frequency, wavelength, wavenumber)의 함수로 sample의 IR spectrum을 그린다. <첨부: Sprectrum Definition 참조 요망> 분자들이 진동을 함에 따라서 이 분자진동의 주파수가 IR beam주파수와 일치를 하게 되면 그 주파수가 흡수되게 된다. 분자가 dipole moment를 가지고 있으면 IR beam을 흡수한다. 그러나 all noble gases(He, Ne, Ar, Kr)와 all homonuclear molecular species(H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2)등은 dipole moment가 0이므로 IR beam을 흡수를 하지 않는다.
IR Spectrum은 각 band에 대한 position, shape, height에 대한 정확한 정보를 주고 이 세가지 정보으로부터 우리는 다음과 같은 정보를 얻을 수 있다. <첨부: Mid IR & NIR range 참조>
1. 분자에서 진동을 하고 있는 원자 그룹의 본질: for example, C-H, N-H, O-H
2. 1과 같은 functional group의 농도: band의 intensity를 통해서 얻을 수 있다.
3. 분자가 놓여져 있는 환경: 고체, 액체, 기체
사실, spectrum을 기록하는 것은 라디오 주파수를 맞추는 것과 유사하다. 주파수를 바꿔가면서 아무 소리도 듣지 못하다가 방송국의 주파수와 맞으면 소리가 들리는 것과 같은 원리이다.
적외선분광기(Infrared Spectrometer)를 이용하는 Technology는 크게 Dispersive IR, FTIR/NIR, NDIR등으로 나눠볼 수 있다.
1. Diseprsive IR: 이 technology의 경우, 주로 spectroscopy technology의 초기 기술로서 diffraction grating방식과 prism dispersion방식으로 현재도 일부 저가의 market에서 사용되고 있다. 측정하는데 시간이 많이 걸리고 S/N비와 repeatabilty가 FTIR에 비하여 현저히 낮으며, 주로 FOOD, FEED market에서 현재 사용이 주로 되고 있다.
2. FTIR/NIR: Michaelson Interferometer를 optical part로 사용하고 이 interferometer는 beamsplitter, fixed mirror, moving mirror등으로 구성이 된다. Dispersive IR의 경우, resolution에 따라서 한 파장씩 순차적으로 IR beam이 지나가나, FTIR의 경우, 모든 파장의 IR beam이 동시에 sample을 지나가면서 측정을 함으로 훨씬 빠르고 재현성이 좋게 된다. 그러나 Moving mirror의 각도가 항상 90도로 수직을 유지하여야 하지만 주변의 미세한 진동이나 충격에 의하여 tilt가 되면 이로 인하여 noise가 발생하고 mirror rearrangment를 해줘야 된다. 이 순간 calibration을 매번 새로 잡거나 upgrade를 해 주어야 된다. 그러나 ABB Bomem의 Wishborne이나 Double pivots 방식의 경우, 이와 같은 문제를 해결하여 40여년간 QA/QC, Process Analysis에 FTIR/NIR 기술을 적용하여 사용해 오고 있다. 대부분의 FTIR장비는 정성분석용이지만 ABB Bomem의 FTIR/NIR기술은 정성/정량을 같이 할 수 있는 기술이다.
3. NDIR(Non-dispersive IR): optical filter를 이용하여 특정 파장을 흡수하는 특정 chemical에 대해서 짧은 시간(1초미만) 안에 측정을 하고자 할 경우에 많이 사용한다. Stack Gas Monitoring(CEMS: Continuous Emission Monitoring System, TMS: Telemetering System)등에 주로 사용하고 있고, 공정분석용으로도 사용을 하고 있다. Optical filter의 종류에 따라서 다양한 chemical을 측정이 가능하다.
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원문출처: http://localfood.or.kr/228
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