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    관리자                                            2011-05-23 10:25:03
   분광기를 이용한 상업용 아스피린의 농도 측정

측정 원리(Principles)


Beer’s Law

수용액 중의 용질의 농도를 알아 내기 위한 기기 분석 방법 중의 하나로 분광분석법이 널리 사용되고 있다. 분광분석법은 물질이 특정한 파장에 해당하는 전자기 복사선을 얼마나 흡수 혹은 방출하는가를 이용하여 그 물질의 농도를 측정하는 방법이다. 모든 화합물은 저마다의 고유한 전자 구조로 이루어져 있기 때문에 전자기 복사선(특히, 가시광선이나 자외선)을 흡수하는 특성이 다르게 나타난다. 분자는 그것을 이루고 있는 전자들의 에너지 준위 차이와 같은 에너지(hν)를 가지는 빛을 흡수한다. 이러한 성질을 이용하여 물질이 흡수하는 빛의 파장과 그 크기에 의해 그 물질의 종류와 용액 중에 포함된 그 물질의 농도를 알아낼 수 있다.
Lambert-Beer의 법칙(혹은 Beer의 법칙)은 앞에서 말한 것처럼 물질이 특정한 파장에서 빛을 흡수하는 정도(흡광도)와 그 물질의 농도와의 관계를 나타낸 것으로 다음과 같은 수식으로 표현된다.
                                                                           A = εLc                 (식 1)
여기서 A는 흡광도(absorbance)이며 A =-log(I/I0)로 정의된다. I0는 시료를 통과하기 전의 빛의 세기이며 I는 시료를 통과한 후의 빛의 세기이다. L은 빛이 시료가 담긴 용기(cuvette)을 통과한 거리이며 ε는 그 물질의 고유한 양으로서 몰흡광계수(molar absorbity)이며, c는 그 시료의 몰농도(molar concentration)이다. L과 ε를 알고 있을 때 용액의 흡광도(A)를 측정함으로써 용질의 농도를 얻을 수 있다.

Beer’s Law를 이용한 물질의 농도 측정
그러나 L과 ε를 알지 못하더라도 일정한 값일 때는 농도를 구할 수 있다. L과 ε가 상수(constant)인 경우 흡광도는 농도에 비례하므로 농도에 대한 흡광도의 관계 즉, 검정곡선(plot)을 얻으면 미지의 농도에 대한 흡광도 측정을 통해 그 농도를 구할 수 있게 된다. 이를 수식으로 표현하면 (식 1)에서 k=εL로 두면 A=kc가 되고 변형하여 c=A/k라는 흡광도에 대한 농도 관계식을 얻게 된다. 이것을 도식화 한 것을 검정곡선이라고 부르며 이 검정곡선(plot)에서  기울기(slope)에 해당하는 k(=εL)는 L이 일정하므로 ε에 의해 결정되는 값으로 물질마다 다른 값을 가지게 된다. 검정곡선의 기울기(slope)에 해당하는 k(=A/c)를 얻기 위해서 여러가지의 기지의 농도의 용액과 그 용액에 대한 흡광도 수치가 필요하다. 이 때 흡광도는 특정한 파장에서의 것을 사용해야 하는데 물질마다 갖는 고유한 흡수 피크(peak)를 나타내는 파장을 선정해야 한다. 왜냐하면 이 파장에서 그 물질의 농도에 대한 흡광도의 변화의 특성을 가장 잘 나타내 주기 때문이다.

상업용 아스피린의 검정곡선 얻기
상업용 아스피린의 농도를 측정하기 위해 분석의 대상이 되는 ASA(Acetyl Salycylic Acid) Complex 이온은ASA 혹은 아스피린 샘플을 NaOH 중에서 가수분해한 후 산성 용액에서 Fe3+를 첨가하면 Saliclyate-Fe(Ⅲ) complex를 얻을 수 있는데 이 물질은 진홍색을 띄며530nm에서 최대 흡광 특성을 나타낸다. 따라서 이 물질의 농도에 대한 흡광도 검정곡선을 구할 때 이 파장에서의 흡광도를 이용하면 된다.

실험(Experimental procedure)

케이맥(주)의 분광기인 스펙트라아카데미를 이용하여 상업용 아스피린의 농도를  측정하는 실험 방법은 다음과 같다.

1. ASA 및 아스피린 샘플의 가수분해

  1) 시약급의 ASA를 0.3~0.5mg 정량(정량 페이퍼나 용기는 0.001g 단위까지 무게를 잰다)하여 100ml 이상 삼각플라스크에 넣는다. 같은 방법으로 알 수 없는(unknown) 브랜드의 아스피린 정제를 정량하여 같은 수준의 사이즈의 삼각플라스크에 넣는다.
  2) 1.0M의 NaOH 용액 10 mL 를 정량하여 1)의 ASA에 더한다.
  3) 같은 방법으로 아스피린 시료에도 NaOH를 더한다.
  4) 2), 3)의 플라스크를 가수분해를 위해 핫플레이트 위에서 서서히 약하게 가열한다. 삼각플라스크의 안쪽 벽면을 적은 양의 증류수를 사용하여 씻어 내려 가수분해 반응이 완전히 일어나도록 한다.
  5) 생성된 sodium salicylate를 깔때기를 이용하여 250 mL 메스플라스크로 옮기고 증류수를 이용하여 깔때기와 삼각플라스크의 잔여물을 완전히 씻어내어 250 mL메스플라스크로 옮긴다.
  6) 증류수를 더하여 메니스커스(meniscus)의 바닥선이 메스플라스크 목의 색인 표시(index mark)에 이르도록 한 후 뚜껑을 닫고 철저히 흔들어 섞는다. 아스피린 시료가 들어 있는 삼각플라스크도 같은 과정을 거친다.
  7) 6)의 용액을 250 mL 삼각플라스크에 옮겨 고무마개로 닫고 각각 “표준” 및 “아스피린”이라고 라벨을 붙인다.

2. 표준 및 아스피린 용액 준비

  1) 표준용액을 깨끗한 50 mL 메스플라스크에 2.40 mL만큼 피펫으로 덜어 놓는다. 0.020 M FeCl3/KCl/HCl 용액(pH=1.6)을 50 mL 메스플라스크에 메니스커스의 바닥선이 메스플라스크 목의 색인 표시에 이르도록 더한다(이 지점에서 용액의 색깔이 붉게 변하는 것을 볼 수 있을 것이다). 뚜껑을 닫고 철저하게 플라스크를 흔들고 플라스크에 “표준용액 A”라고 라벨을 붙인다.
  2) 같은 방법으로 2.0, 1.6, 1.0. 0.4 mL 의 sodium salicylate 용액(표준)에 FeCl3/KCl/HCl 용액을 더하여 희석시켜 표준용액 B, C, D 및 E를 만든다. 이들 표준용액을 뚜껑이 있는 큰 시험관에 옮기고 분명하게 라벨을 붙인다.
  3) 알려지지 않은 아스피린 용액에 대해서는 아래의 두 단계를 거쳐 조제한다.
  4) 깨끗하고 잘 씻겨진 피펫을 이용하여 아스피린 저장 용액을 1.20 mL 덜어 50 mL 메스플라스크에 넣고 0.02 M FeCl3/KCl/HCl 용액으로 희석하여 플라스크의 표시선까지 채운 후 뚜껑을 닫고 철저히 흔들어 섞는다. 두 번째는 1.60 mL의 아스피린 저장 용액을 덜어 같은 방법으로 조제한다. 만들어진 아스피린 용액을 뚜껑이 있는 큰 시험관에 덜어 놓고 분명하게 라벨을 붙인다.

3. 분광기를 이용하여 흡광도 측정하기

  1) 광원으로부터의 빛을 차단하고 Dark 스펙트럼을 얻는다.
  2) FeCl3/KCl/HCl 용액으로만 cuvette을 채운 후 레퍼런스 스펙트럼을 얻는다.
  3) 흡광(Absorbance) 버튼을 눌러 흡광도를 얻는다.
  4) 표준용액 A, B, C, D와 및 E 그리고 두 개의 아스피린 시료 용액에 대한 530nm에서의 흡광도를 측정한다.
  5) 비주얼스펙트라(VisualSpectra Sr.)의 Quantitative Analysis 기능을 이용하여 검정곡선을 얻을 수 있다. 비주얼스펙트라(VisualSpectr Sr.)에서는 농도에 대한 흡광도 검정곡선을 자동으로 계산(fitting)해 주므로 미지 농도의 시료의 흡광도를 측정한 후 입력하면 농도를 알 수 있다.


 


 
 

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