UV-Vis 분광학을 적용하여 나노입자 분석

UV-Vis 기술은 재료의 광학을 연구하는데 필요한 기술입니다. 광학 연구는 연구자들이 나노물질을 다양한 용도로 적용하는 데 도움이 됩니다. 다양한 장치는 재료, 특히 태양전지의 광학적 특성을 기반으로 제작됩니다. 이 기술을 이용하면 광학 밴드갭(Optical Band Gap)을 계산할 수 있어 태양전지에서 빛 에너지 등의 에너지를 전기 에너지로 변환할 목적으로 소재를 선택하는 데 도움이 됩니다. 또한, 이 기술을 통해 표준 용액과 비교하여 샘플의 순도를 측정할 수 있습니다.

UV-Vis 분광학의 원리

UV-Vis(자외선 및 가시광선 흡수 분광법)는 샘플을 통해 투과되거나 샘플에서 반사되는 빛의 감쇠를 측정하는 기술입니다. 빛이 샘플에 닿으면 각 재료는 특정 범위의 빛을 흡수하고 그에 따른 동작을 나타냅니다. 이는 샘플의 빛 흡수가 샘플의 경로 길이와 농도에 비례한다는 Beer Lambert의 법칙을 따릅니다.

수학적으로,

A =  = εcl

A = 흡광도

= 샘플 셀에 비추는 빛의 강도

 = 샘플 셀을 떠나는 빛의 강도

C = 용질의 몰 농도

L = 샘플 큐벳의 길이 (cm.)

ε = 몰 흡수율

UV-Vis 분광학의 응용

이 기술의 가장 중요한 요소는 빛이 물질에 닿을 때 물질에 대한 정보를 제공하기 위해 연구원에게 적용하는 것입니다.

발색단 작용기 검출: 물질 내 작용기를 개별적으로 식별하기 위해 화합물이어야 하는 시료 내 작용기의 유무를 확인합니다. 발색단은 화합물의 색상을 담당하는 원자 또는 그룹입니다.

알려지지 않은 화합물 식별: UV-Vis 분광법을 사용하면 샘플에서 알려지지 않은 화합물을 식별할 수 있습니다. 이를 위해 필요한 화합물을 참조 화합물의 스펙트럼과 비교합니다. 운 좋게도 두 스펙트럼이 모두 일치하면 미지의 화합물에 대한 확인이 기록될 수 있습니다.

샘플 순도: 기준 샘플과 관찰 샘플의 흡광도를 비교하기 위한 목적으로 이 독특한 기술을 사용하여 물질 순도를 측정할 수 있으며 순도의 상대적 계산을 통해 샘플의 흡수 강도를 확인할 수 있습니다.

양자점의 크기: 양자점의 크기는 UV-vis 스펙트럼의 흡수 피크 위치에서 결정될 수 있기 때문에 UV-vis 분광법과 관련하여 양자점은 특히 흥미롭습니다. 양자점은 입자의 크기에 따라 서로 다른 파장을 흡수합니다. 양자점의 정확한 크기와 농도를 결정하려면 많은 보정 곡선을 작성해야 하지만, 크기를 결정하는 다른 방법은 훨씬 더 많기 때문에 이러한 방식으로 양자점의 크기와 농도를 결정하는 것이 전적으로 가능하고 매우 유용합니다. 더 비싸고 광범위합니다(이 데이터에는 전자현미경이 가장 널리 사용됩니다).

그림 1. 다양한 크기의 CdSe QD의 흡광도. C. B. Murray, D. J. Norris 및 M. G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 8706의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. 저작권: American Chemical Society(1993).

귀금속 나노입자의 자외선-가시광선 분광학: 귀금속 나노입자는 수 세기 동안 스테인드 글라스 창을 착색하는 데 사용되어 왔으며 빛을 산란(편향)하고 흡수하는 강력한 능력으로 인해 감지 및 새로운 광학에 대한 많은 기회를 제공합니다. 귀금속 나노입자의 가장 흥미롭고 중요한 특성 중 하나는 국부적인 표면 플라즈몬 공명(LSPR)입니다. 귀금속 나노입자의 LSPR은 특정 주파수의 광자가 나노입자 표면에서 전도 전자의 집단 진동을 유도할 때 발생합니다. 이로 인해 선택적 광자 흡수, 효과적인 산란 및 나노입자 주변의 전자기장 강도가 향상됩니다. 금속 나노입자의 LSPR이 광자를 매우 선택적으로 흡수할 수 있기 때문에 자외선-가시광선 흡수 분광법은 귀금속 나노입자를 검출하는 강력한 도구입니다. UV 흡수 분광법은 귀금속 나노입자의 LSPR에 영향을 미치는 다양한 요인을 탐지하는 데에도 사용할 수 있습니다.

나노입자 형상을 예측하기 위한 UV-Vis 분광학: 나노입자의 UV-가시선 흡광도 스펙트럼을 사용하여 형상을 예측할 수 있습니다. 아래 그림에 표시된 것처럼 UV-가시광선 흡광도 스펙트럼은 나노입자 구조에 크게 의존합니다. 두 가지 유형의 나노입자가 비슷한 크기를 갖고 동일한 물질로 구성되어 있음에도 불구하고 두 스펙트럼의 모양은 상당히 다릅니다.

그림 2. 직경 50 nm 금 나노구체(A)와 직경 25 nm, 길이 60 nm 금 나노막대(B)의 UV-가시광선 흡광도 스펙트럼.

자외선-가시선 스펙트럼은 나노입자 응집 상태를 결정합니다. 가시 자외선 흡수 스펙트럼은 또한 나노입자 응집 상태에 따라 달라집니다. 나노입자가 서로 가까우면 플라즈몬이 서로 결합하여 LSPR과 광 흡수에 영향을 미칩니다. 나노입자의 응집은 최대값이 발생하는 파장(λmax)을 변경하지 않고 최대 흡수 강도를 감소시킵니다.

그림 3. 단일 금 나노구체의 기준 스펙트럼을 사용한 50nm 금 나노구체 이량체의 UV-가시광선 흡광도 스펙트럼(A) 및 다양한 농도의 NaCl에 노출된 50nm 금 나노구체의 UV-가시광선 흡광도 스펙트럼(B).

밴드 갭 계산: 이 기술의 흥미로운 적용은 다양한 방법을 통해 밴드를 계산하는 것입니다. 이 목적을 위해 사용할 수 있는 다양한 소프트웨어가 있습니다.

수학적으로:

E = hc/λ (1)

E = Energy band gap

h= Planks constant

C = Speed of light

λ = Wavelength

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