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분석화학
분석화학(分析化學, Analytical Chemistry)이란 물질을 화학적으로 분석하여 물질의 조성, 화학적 구조, 형태 그리고 그 특성을 알아내는 학문이다. 무기화학과 유기화학이 각각 무기 화합물, 유기 화합물에 대한 학문인 반면에, 분석화학은 어떤 물질이나 반응에도 제한되지 않는다. 분석화학은 다른 학문을 위해 물질의 성질 등을 조사하고 분석하는 중요한 학문이며, 실제로 순수과학의 발전과 그 응용에 큰 공헌을 했다.
개념 및 정의[편집]
분석화학은 화학분석(化學分析, chemical analysis)의 방법론을 탐구하는 학문으로 시료 중의 목적원소나 화학종을 식별하는 정성분석과 그 상대량이나 절대량을 구하는 정량분석, 그리고 그들의 화학구조나 존재 상태를 해석하는 구조해석으로 구분할 수 있다. 여기서 정성분석의 목적은 시료의 구성성분이 무엇인가를 시험하여 각 성분 또는 한 성분의 성분을 알아내는 것이며, 정량분석의 목적은 시료에 포함된 목적성분의 함유량을 결정하는 것, 또는 구성성분의 비율을 결정하는 것이다.
또한 분석방법에 따라 화학적 수단, 생화학적 수단, 물리학적 수단들을 조합한 방법으로 나눌 수 있으며, 주로 화학적 수단에 의한 분석을 화학분석이라고 부른다. 생화학적 수단에 의한 분석은 주로 생체물질의 분자인식능력이나 촉매작용을 이용하여 효소의 생화학적 특성 및 효능을 분석하는 것으로 면역분석 등이 여기에 속한다. 물리학적 수단을 사용하는 분석에는 기기분석이 있으며, 물질과 전자기파의 상호작용을 이용한 것, 물질의 전기화학적 성질을 이용한 것, 물질의 서로 다른 상호작용이나 전기적 성질을 이용한 분리에 관한 것 등으로 분류할 수 있다.
분석화학의 2대 특징은 대상의 미량화와 물리적 기술의 도입, 즉 기기분석의 발전이다. 기기분석은 주로 물질의 물리적 성질을 이용하여 목적물을 정량하게 되므로 물리 분석이라고 불리기도 한다. 이 또한 화학적 지식 없이는 전처리 및 측정데이터의 해석 등에 어려움이 있으므로 화학분석의 원리와 지식이 필요하다.
분석법에 있어서 갖추어야 할 조건으로는 감도, 선택성, 정밀도, 정확성이 있는데, 이들 모두를 만족시키기는 매우 힘들다. 종종 이들의 조건은 서로 모순되기 때문에 목적에 맞는 최적조건에서 분석하여 그 결과를 활용하여야 한다. 분석은 일반적으로 미지 함유량에 대해서 실험을 하기 때문에 분석값의 정확성을 정하는 것이 가장 어렵다.
현재에는 미국표준기술연구소(NIST: National Institute of Standards and Technology) 등으로부터 성분의 조성 및 함량을 보증하는 표준물질(standards reference material)들이 많이 나와 있으며 이러한 표준물질을 이용하여 분석법의 정확성을 확인한다. 또는 시료에 미리 알고 있는 목적화합물 및 원소를 첨가하여 분석한 다음 첨가량을 뺀 참값을 아는 첨가실험을 하거나 동일 시료를 상이한 실험법으로 분석하여 정량값을 비교함으로써 간접적으로 정확도를 확인하기도 한다.
오늘날 분석화학은 물질을 대상으로 하는 화학(化學, chemistry)의 모든 분야는 물론이고 물리학(物理學, physics), 생물학(生物學, biology), 지질학(地質學, geology), 약학(藥學, pharmacology), 의학(醫學, medical science), 농학(農學, agriculture), 환경과학(環境科學, environmental science) 등 자연과학(自然科學, natural science) 전반에 걸쳐서 응용되고 있다. 과학(科學, science)이 발달해감에 따라 시대의 최첨단 분석적 요구에 대응하기 위해 미량화·고감도화·신속화가 요구되고 있기 때문이다.
역사와 발전단계[편집]
고전적 분류에 따르면 분석화학은 무기화학(無機化學, inorganic chemistry), 유기화학(有機化學, organic chemistry), 물리화학(物理化學, physical chemistry)과 같이 화학을 받쳐온 4기둥의 하나로 화학의 역사를 보면 이들의 각 분야의 발전은 분석화학의 진보와 같이 이루어졌다는 것을 알 수 있다.
일반적으로 고체물질의 가열을 포함하는 건식분석방법은 금속의 순도와 광물의 금속함량을 분석하는 방법을 제공하기 위해, 시험을 용액에서 진행하는 습식분석방법은 광천수를 직접 분석해야 하는 필요성 때문에 발전되기 시작하였다.
초기의 건식분석방법들 중 하나는 금을 가마의 열로 가열하는 것이었다. 순수한 금은 영향을 받지 않지만 들어있는 다른 금속들은 산화되거나 도가니의 물질과 반응할 것이기 때문에 가열하기 전과 후의 금의 무게를 재어서 정량할 수 있었으며 기원전 2600년에 사용된 저울의 분동이 아직도 남아 있다.
16세기에는 고체 물질을 분석하는데 맛을 보고 결정의 모양을 관찰하고 일부 조각을 불에 넣어서 어떤 냄새와 소리를 내는지 비교를 해보기 위해 가열된 철판을 사용하기도 하였다. 또한 시료에 강한 열을 가해서 뜨거운 불꽃을 만들어 태워서 성분을 분석하기도 하였다. 이러한 가열 방식은 금세공자들에 의해서 고대부터 사용되어 왔으며 17세기에는 이미 유리 산업에서도 광범위하게 사용되었다.
스웨덴 학자인 토르베른 올로프 베리만(Torbern Olof Bergman, 1735~1784)은 습식정성분석에 중요한 공헌을 한 사람으로 분석에 앞서 광물을 용액으로 만들기 위해 갈아서 산으로 처리하거나 알칼리로 용해시켜서 침전시키는 전처리 방법을 도입하였다.
18세기에는 앙투안 로렌 라부아지에(Antonie Laurent Lavoisier, 1743~1794)가 화학저울을 사용함으로써 화학반응에 정량적 개념 도입하는데 큰 기여를 하였다. 그는 화학의 명명법을 개선하고 원소의 현대적 개념을 도입하였으며 실험적 증거의 중요성을 강조하였다. 그의 이러한 노력으로 화학양론에 기초를 둔 근대화학의 발전이 촉진되었고 물리화학의 법칙이나 무기, 유기 화합물의 정확한 구조는 모두 그의 화학양론에 입각한 정량 화학분석으로부터 얻어낼 수 있는 결과물들이었다.
정량분석기술은 독일의 마틴 클라프로트(Martin Klaproth, 1743~1817)에 의해 상당히 발전하였다. 그는 오차의 발생요인과 이를 제거하기 위해 많은 주의를 기울였으며, 시료와 침전물들의 무게와 같이 그의 모든 실험 자료들을 공개함으로써 다른 사람들도 같이 모든 오차의 여지를 찾아내고 확인할 수 있게 하였다.
정성분석과 정량분석의 절차의 범위가 확장됨에 따라 1821년에는 크리스찬 하인리히 파프(Christian Heinrich Pfaff, 1773~1852)에 의해 최초로 상세한 분석화학교과서가 발행되었다. 파프는 각 시약을 만드는 제법과 그것을 분석에 응용하는 방법을 자세하게 설명하였다. 그가 설명한 황화수소는 1811년에 요셉 루이스 게이뤼삭(Joseph Louis Gay-Lussac, 1778~1850)에 의해 금속의 침전제로 도입되었다.
그 다음의 중요한 저자로는 하인리히 로제(Heinrich Rose, 1795~1864)를 들 수 있는데, 1829년에 로제가 저술한 『분석화학상론(Ausfuhrliches Handbuch der Analytischen Chemie)』에는 정성분석체계도가 최초로 설명되어 있다.
초기의 분석화학에 가장 크게 공헌한 사람은 독일의 칼 리메기스 프레제니우스(Karl Rimegius Fresenius, 1818~1897)이다. 그는 프랑크프루트 암마인(Frankfurt-am-Main)에서 출생하여 1840년 본 대학에 입학하였으며 약학 교수인 칼 마르쿠아르(Carl Marquart)의 영향을 받아 분석화학을 연구하여 1841년에는 『정성분석화학입문(Anleitung zur qualitativen Chemischen Analyse)』을 출판하였다.
그 후 기센대학으로 가서 유스투스 프리에르 폰 리비히(Justus Frieherr von Liebig, 1803~1873)의 제자가 되었으며, 1842년에 학위를 받고 1846년에는 『정량분석화학입문(Anleitung zur quantitativen Chemischen Analyse)』을 출판하여 이 분야의 큰 지도서가 되었다. 그의 책은 프레세니우스가 죽기 전에 16판까지 발행될 정도로 매우 성공적이었으며 여러 나라에서 번역 출간되었다. 그는 금속을 여섯 개의 족으로 나누었는데 그의 분리체계는 고전적 정성분석의 기본으로 유지되고 있다. 또한 1862년에 프레세니우스가 만든 분석화학잡지는 화학의 한 분야를 다루는 최초의 잡지였다.
최초의 크로마토그래피 분리는 19세기 중반에 이루어졌다. 프레드릭 룽게(Friedrich Runge, 1795~1867)는 색깔을 가진 화합물들의 혼합물을 거름종이에 찍었을 때 어떻게 동심원들을 형성하는지 설명하였으며, 종이나 천에 찍어서 생성되는 무늬를 관찰한 염료연구는 염료의 혼합물의 성질을 시험하는 기술이 되었다.
실물학자인 미하일 스메노비치 츠웨트(Mikhail Semenovich Tswett, 1872~1920)는 흡착크로마토그래피를 개발한 학자로, 이 같은 연구가 정성분석에 응용될 수 있다는 것을 보여주었으며 기술이 색을 가지지 않는 물질들의 분리에도 마찬가지로 이용될 수 있다고 하였다. 또한 츠웨트는 연구에서 어떤 식물 색소들이 탄산칼슘 관에서 분리되었으며 그것들을 정성적·정량적으로 결정할 수 있다고 보았으며, 식물 잎의 추출물이 두 가지 클로로필, 네 가지 크산토필, 그리고 카로텐을 함유하였다는 것을 보여주었다. 그러나 츠웨트의 이러한 정밀한 연구에도 불구하고 1930년대 이후에 이르러서야 화학자들은 여러 가지 천연물의 분리와 정제에 관크로마토그래피를 이용하기 시작하였다. 오늘날 크로마토그래피는 혼합물의 분자들에 의하여 정지상과 고정상이 경쟁을 하는 모든 분리기술에 적용된다.
분배크로마토그래피는 1930년대의 아처 존 포터 마틴(Archer John Porter Martin, 1910~2002)의 연구에서 시작되었다. 초기실험에서는 두 가지 섞이지 않는 용매들을 담고 있는 일련의 분별깔대기들이 사용되었다. 두 용질들은 두 가지 상에 대한 분배계수가 서로 다르면 다른 속도로 이동하였고, 이어서 분별깔대기들은 특수한 관으로 대치되었으며 이 과정이 훗날 액체크로마토그래피 장비로 자동화되었다. 이후 이러한 크로마토그래피 기술은 리차드 로렌스 밀링턴 싱(Richard Laurence Millington Synge, 1914~1994)에 의해 확장되었으며, 1943년에는 종이크로마토그래피라는 매우 유용한 액체-액체 크로마토그래피를 개발하였다 여기서 고정상은 거름종이에 붙어 있는 물이며, 이 기술은 아미노산의 분리와 확인에 널리 사용되었다. 1952년에 이들은 순수 크로마토그래피 연구로 노벨 화학상을 수상하였다.
1950년대에 출현된 기체크로마토그래피 방법은 1960년대부터 본격적으로 개발되고 발전됨으로써 실용적인 분리 실험이 많이 이용되는 데 큰 기여를 하였다.
이온교환크로마토그래피를 처음으로 개발하고 사용한 자는 토마스 이반 테일러(Thomas Ivan Taylor, 1909~)와 해럴드 크레이튼 유리(Harold Clayton Urey, 1893~1981)였다. 이들은 1938년에 제올라이트로 충전시킨 100피트 가량의 관으로 리튬(Li)과 칼륨(K) 동위원소들을 분리했다. 그러나 본격적으로 이 분리법이 연구되고 실용화되기 시작한 것은 스웨덴의 올로프 사무엘슨(Olof Samuelson)의 연구부터였다. 그는 합성 이온교환수지를 사용하였으며 맨하탄 프로젝트와 관련된 희토류 및 전이금속원소를 분리하는데 이 방법을 사용하였다.
현재 유기화합물의 조성 및 구조분석에서 가장 많이 사용되고 기기 분석장비로 질량분석법과 핵자기공명분광법(NMR: Nuclear Magnetic Resonance)이 큰 축을 이루고 있다.
질량분석법은 아서 제프리 뎀스터(Arthur Jeffrey Dempster, 1886~1950)와 케니스 텀킨 베인브리지(Kenneth Tompkins Bainbridge, 1904~1996)에 의해서 만들어졌다. 제2차 세계대전 전에는 질량분석기와 질량분석계가 거의 동위원소들의 질량과 함량을 결정하는데 사용되었다. 이후 원자들이 질량분석계 안에서 이온화될 수 있고 이런 분자 이온들 중 일부는 더 작은 분자량을 갖는 이온 토막으로 쪼개질 수 있으며, 쪼개지는 유형은 물질마다 특징적이라는 것이 알려졌다. 이것은 1940년대에 정유공정에서 복잡한 탄화수소 혼합물들을 분석할 때 최초로 이용되었으며 혼합물의 질량스펙트럼을 순수한 탄화수소 시료의 스펙트럼과 비교하였다. 질량분석법은 오늘날 분자구조를 결정하는 강력한 방법으로 발전하였으며 분자이온의 질량은 화합물의 상대적 분자량을 직접 측정하는데 이용되고 있다.
또한 분자를 적당한 에너지로 쪼개어 분석하는 기술이 발전하여 쪼개진 토막의 모체 분자의 구조를 추적할 수 있으며, 더 나아가서 이온의 움직임에 영향을 주는 제3의 힘을 가하여 분자의 모양에 대한 정보도 얻을 수 있는 질량분석장비도 개발되었다. 이러한 질량분석기술의 발전으로 작게는 원소의 동위원소 분석에서 거대 단백질의 구조분석까지 그 적용범위가 넓혀지고 있다. 최근 질량분석기술은 의약분야 쪽에서 가장 많은 응용과 잠재력을 발휘하고 있으며, 다양한 질병의 진단에 있어서 분석속도 및 컴퓨터를 이용한 데이터 처리 기법의 발전으로 그 효용성이 각광을 받고 있다.
핵자기공명분광법은 제2차 세계대전 직후 플릭스 블로크(Felix Bloch, 1905~1983)와 에드워드 밀 퍼셀(Edward Mills Purcell, 1912~1997)에 의해서 각각 독립적으로 개발되었다. 이 방법은 많은 원자핵 유형이 자기 모멘트를 가지고 있으며 자기장에 대하여 핵의 다른 에너지 상태에서 서로 다른 배향을 하는 특성을 가지고 있다. 가장 광범위하게 이용되는 핵은 수소 원자이며 이것은 자기장에서 단지 두 가지 배향만을 가질 수 있다. 핵이 느끼는 실제 장은 그 원자 주위의 전자밀도에 영향을 받으며, 따라서 정확한 공명조건은 원자의 화학적 환경에 따라서 결정된다. 원자의 화학적 환경은 원자 간의 결합과 구조적 배향에 따라서 달라지며 이를 해석하여 유기분자들의 3차원적 구조를 밝히는데 활용되고 있다.
20세기 후반의 분석화학은 정성 및 정량범위가 점점 미량화되었으며, 착물화학(錯物化學, coordination chemistry)의 진보와 함께 1960년경까지 용매 추출, 이온교환 등이 연구의 중심이 되었다. 그 이후에는 측정방법이 자동화되고 첨단 기기를 이용한 분석기법의 발전이 주류를 차지하였다. 1970년대에는 원자흡광분석을 광범위하게 사용하게 됨에 따라 습식분석의 비중이 줄어들게 되었고, 분석대상이 미량화됨에 따라 기기 분석에 앞서 예비 농축 및 전처리의 필요성이 커지게 되었으며 분리된 물질들의 특성분석이 요구되었다. 최근에는 정밀도가 높은 기기분석법이 많이 개발되어 자동화됨으로써 다양한 분야에서 많은 과학자에 의해 학문분야가 세분화되어 발전하고 있다.
분류[편집]
전통적으로는 분석화학을 정성분석과 정량분석으로 나누어 왔다. 정성 분석은 그 양을 분석하지 않고 원소 번호나 화학 구성물을 알아내는 것을 말하는데 예를 들어 물은 산소와 수소로 이루어져 있는 것을 분석하였다면 그것은 정성 분석이다. 이에 비하여 정량분석은 그 구성 성분의 양을 알아내는 분석으로 산소가 33%, 수소가 67%로 되어 있다고 하면 정량분석이다.
오늘날에는 분석화학을 두가지 관점에서 나누는데 첫째로는 분석 대상에 따른 분류이고 둘째로는 분석 방법에 따른 분류이다.
분석 대상에 따른 분류[편집]
생분석[편집]
생분석화학((bioanalytical chemistry)은 생체 내의 분석을 총체적으로 일컫는 말로 핵산, 단백질, 탄수화물, 지방 등의 정보를 정성·정량적으로 분석하는 학문이다. 생분석화학은 분석화학 분야중에서 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야이다. 특히 인간 게놈 프로젝트 등을 진행하면서 시작된 유전체학(Genomics)을 시작으로 생분석화학은 그 분석 분야에 따라서 OMICS라는 이름을 붙여서 그 분야를 나누고 있다. 생분석 분야는 많은 경우 생물정보학(Bioinformatics)과 깊게 연관되어 발전하고 있다.
- 염기서열분석: Genomics(en:Genomics)
- 단백질 분석: Proteomics(en:Proteomics)
- mRNA 분석: Transcriptomics((en:Transcriptomics)
- 대사물질 분석: Metabolomics(en:Metabolomics)
재료분석[편집]
반도체 산업과 나노 과학의 발달로 인해 상당한 주목을 받고 있는 분야. 투과 전자 현미경(TEM)과 주사 전자 현미경(SEM)을 비롯한 XRD, AES, XPS, SIMS 등의 장비가 주로 이용되며 미세 구조와 조성 그리고 격자 구조 등을 알아내는 분야이다.
화학분석[편집]
유기화학이나 무기화학으로 합성한 물질의 화학구조와 그 양을 알아보는 방법으로 습식분석적 방법과 기기 분석적 방법으로 정성 정량 분석을 하는 것을 말한다. 분석화학은 산업 전반에 걸쳐 매우 중요한 도구의 역할을 하고 있다. 예를 들면 환경시료의 분석, 식품 분석등 생활환경에 밀접한 관련이 있으며, 순수 화학이라기보다는 응용화학이다.
환경분석[편집]
환경분석화학은 대기, 수질, 토양 등에 포함된 원소의 양과 유기 물질의 양을 알아내는 분야이다. 환경 분석을 할 때는 신뢰도를 높이기 위해서 정해진 방법에 따른 분석이 권장되고 있다. 특히 미국 환경청인 EPA가 정한 시험방법을 많은 경우 표준으로 사용한다.
법의학[편집]
국립과학수사연구소나 미국 TV 프로그램인 CSI과학수사대 등을 통해서 일반인에게 널리 알려진 분석화학의 한 분야이다. 범죄 수사를 하거나 친자 확인 등의 법정 소송과 관련된 분석화학을 총괄적으로 일컫는다.
분석 방법에 따른 분류[편집]
분광학적 분석법[편집]
분광분석법은 분석물과 전자기복사선인 빛의 상호작용을 통하여 분석하는 방법으로 다루는 빛의 파장 혹은 복사선의 흡수, 방출, 산란, 굴절, 회절, 회전 등의 특성에 따라 분류되며 대표적인 방법들은 아래와 같다.
- 핵자기 공명법 (NMR: Nuclear Magnetic Resonance)
- 적외선 분광법 (IR: Infrared Spectroscopy)
- 라만 분광법 (Raman: Raman Spectroscopy)
- X-선 분광법 (XRF: X-ray Spectroscopy)
- 자외선, 가시광선 분광법 (UV-Vis: Ultraviolet/Visible Spectroscopy)
- 근적외선 분광법 (NIR: Near Infrared Spectroscopy)
- 발광 분광법(Luminescence Spectroscopy)
- Auger 전자분광법 (AES: Auger Electron Spectroscopy)
- X-선 광전자분광법 (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)
- 원소분광법 (AAS: Atomic Absorption Spectroscopy)
- 유도플라즈마분광법 (ICP-AES: Inductively Coupled Plasma- Atomic Emission Spectroscopy)
- 분광학 현미경 (Vibrational Imaging)
- 라만분광학 현미경 (CARS Imaging: Coherent Antistoke Raman Scattering)
- 적외선분광학 현미경
질량 분석법[편집]
질량 분석법은 시료를 주입하는 방식과 이온화 방식 그리고 검출하는 방식 등에 따라서 다른 이름이 주어진다.
- 이온화 방식에 따른 분류
- 전자 충돌 이온화 방법(Electron Impact:EI)
- 화학적 이온화(Chemical Ionization:CI)
- 전기분사이온화법 (Electrospray Ionization: ESI)
- 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화법 (MALDI)
- 2차 이온화법 (Secondary Ion Mass Spectrometry: SIMS)
- 유도플라즈마이온화법 (Inductivly Coupled Plasma: ICP)
- 검출 방식에 따른 분류
- Magnetic Sector(자기장에 의한 분리)
- Quadrupole(전기장에 의한 분리)
- Ion Trap(원형 전기장에 의한 분리)
- Time Of Flight(비행시간을 이용하는 비행시간형 질량분석법)
- Fourier Transform(강한 자기장에 의하여 회전하는 이온의 분자량을 푸리에 분석을 통하여 분석하는 방법)
- 질량분석현미경 (Mass Spectral Imaging)
분리 분석[편집]
시료 내에 분석하고자 하는 화학종이 여러 가지인 경우 정성 분석과 정량 분석을 하기 위해 시료를 추출(extraction) 혹은 크로마토그래피를 이용하여 각 성분별로 혹은 유사한 성질의 화합물군, 크기 등에 따라 먼저 분리(separation)하는 과정을 거친 후 분광법, 전기화학법, 혹은 질량 분석법 등에 기초하여 검출한다. 시료를 분리하는 대표적인 방법들은 아래와 같다.
- 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography)
- 기체-고체 크로마토그래피(Gas-Solid Chromatograph)
- 기체-액체 크로마토그래피(Gas-Liquid Chromatography)
- 액체 크로마토그래피(Liquid Chromatography)
- 정상 크로마토그래피(Normal Phase Chromatography)
- 역상 크로마토그래피(Reverse Phase Chromatography)
- 겔 투과 크로마토그래피(Gel Permeation/Filtration Chromatography)
- 초임계 유체 크로마토그래피(Supercritical Fluid Chromatography)
- 평판 크로마토그래피(Planar Chromatography)
- 모세관 전기 영동(Capillary Elelctrophoresis)
- 겔 전기 영동(Gel Electrophoresis)
- 장흐름 분획법(Field Flow Fractionation)
결정학적 분석법[편집]
- X선 결정학(X-ray Crystallography, X-ray Diffractometry)
- 전자빔 결정학(Electron Crystallography)
전기화학[편집]
미량의 이온을 검출하는 방법으로 전기화학을 이용한다.
전기분석법(Electroanalytical Methods)[편집]
전기분석법은 분석물을 포함한 전기화학 전지(electrochemical cell)에서 전위(potential), 전류(amps), 저항(resistance) 등을 측정하여 분석하는 방법으로 대표적인 방법들은 아래와 같다.
- 전위차법(Potentiometry)/이온선택성 전극(ion-selective electrode)
- 전기량법(Coulometry)
- 전압전류법 (Voltammetry)
- 전도도법 (Conductometry)
현미경[편집]
- 광학 현미경(Optical Microscopy)
- 형광 현미경(Fluorescence Microscopy)
- 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy)
- 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscopy)
- 원자 탐침 현미경(Scanning Probe Miscroscopy)
하이브리드 기술들(hybrid techniques)[편집]
위에 설명한 기기 분석법을 두가지 이상 연결시킨 분석법을 '하이브리드' 혹은 '하이픈' 기술이라고 한다. 오늘날 많은 하이브리드 분석법이 활용되고 있으며 또한 개발이 되고 있다. 주로 분리분석법과 검출법이 결합되는데, 대표적인 예는 기체 크로마토그래피-질량 분석법(gas chromatography-mass spectrometry), 액체 크로마토그래피-질량 분석법(liquid chromatography-mass spectrometry), 기체 크로마토그래피-적외선 분광법(gas chromatography-infrared spectroscopy), 전기이동법-질량 분석법(capillary electrophoresis-mass spectrometry) 등이 있다.
열 분석법(Thermal Analysis)[편집]
열 분석법은 분석 물질과 열의 상호 작용을 측정하는 분석법으로 대표적인 방법들은 아래와 같다.
- 열 무게 분석법(Thermal Gravimetry)
- 시차 열 분석법(Differential Thermal Analysis)
- 시차 주사 열량법(Differential Scanning Calorimetry)
분자이미지[편집]
분자 이미지는 기존의 분석장비를 현미경에 연결하여 분자정보를 가진 이미지를 만드는 방법으로 2000년대 들어 매우 활발하게 연구되고 있는 분야이다. 초기에는 전자 현미경 안에 설치된 각종 모듈을 이용하여 원자정보나 작은 영역의 결정정보를 가진 이미지를 만들게 되었는데 오늘날에 와서는 광학현미경이나 원자 탐침 현미경등에 분광학 모듈을 결합하여 분석할 수 있게 되었다. 또한, 이차이온 질량분석기(SIMS)와 MALDI-TOF, 아주 최근에는 Electrospary를 이용하는 방법까지 개발되었다. 하지만 분자이미지 분야는 아직 초기 단계이다. 미량을 분석하는 데 적합하지 않고 공간분해능이 현미경에 비하여 아직은 많이 낮다는 단점이 있다. 또한, 대개는 만들어진 이미지가 대용량의 메모리를 필요로 하고 또한 분석이 쉽지 않다. 그래서, 컴퓨터 분야의 발전과 함께 앞으로 더 많은 발전이 기대되는 분야이다.
- 분광학 현미경 (Vibrational Imaging)
- 라만분광학 현미경
- Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) Imaging
- Coherent Anti-Stoke Raman Spectroscopy (CARS) Imaging
- 적외선분광학 현미경
- 라만분광학 현미경
- 질량분석현미경 (Mass Spectral Imaging)
- Matrix Assisted Laser Desoprtion Ionization (MALDI) Imaging
- Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) Imaging
Lab On A Chip & µTAS[편집]
Lab On A Chip은 소형화된 총체적분석(micro total analytical system: µTAS)을 목표로 보다 효율적인 분석화학을 만들려는 새로운 노력이다. 여러 가지 분석 방법을 서로 결합하고 이를 소형화해서 동전 하나 크기만한 작은 칩에 집적하는 일에 많은 중요성을 두고 있다. 이러한 소형화된 시스템은 대개 현미경과 연결되며 분자 수를 셀 수 있는 수준의 아주 미량을 분석할 수 있는 시스템을 만드는 데 중점을 두고 있으며 이를 통하여 궁극적으로는 분자 한개, 세포한개, 나노소자 등을 분석하려는 것을 목표로 한다. Lab On A Chip은 컴퓨터 산업에서 마치 진공관이었던 초기 컴퓨터가 현재는 수많은 집적회로로 구성됨으로써 컴퓨터 혁명이 이뤄졌던 것처럼 커다란 크기의 화학장비들을 집적하여 새로운 혁명을 만들어 낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.
분석화학 분야의 주요업적[편집]
- 2003년 노벨 생리학·의학상
- Paul Lauterbur, Sir Peter Mansfield: 자기공명영상화 (Magnetic Resonance Imaging)
- 2002년 노벨 화학상
- Kurt Wüthrich: NMR을 이용한 단백질 구조분석
- John B. Fenn: 전기분사법(Electrospray) 개발로 단백질 분자량 검출
- 다나카 고이치 (田中耕一): MALDI-TOF를 이용한 단백질 분자량 검출
- 1994년 노벨 물리학상
- Bertram Neville Brockhouse : 중성자 분광학 (Neutron Spectroscopy)
- Clifford Glenwood Shull : 중성자 회절방법 (Neutron Diffraction Technique)
- 1991년 노벨 화학상
- Richard R. Ernst: FT-NMR 개발
- 1989년 노벨 물리학상
- Hans Georg Dehmelt과 Wolfgang Paul: 질량분석기인 이온트랩(ion trap)기술 개발
- 1986년 노벨 물리학상
- Ernst Ruska: 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 개발
- Gerd Binnig and Heinrich Rohrer: 원자탐침현미경 (Scanning Tunneling Microscope)개발
- 1982년 노벨 화학상
- Aaron Klug: 전자결정학을 이용한 단백질 구조분석
- 1981년 노벨 물리학상
- Nicolaas Bloembergen, Arthur Leonard Schawlow: 레이저분광학 (laser spectroscopy)
- Kai Manne Börje Siegbahn: 고분해능 전자 분광학 high-resolution electron spectroscopy)
- 1980년 노벨 화학상
- Walter Gilbert,Frederick Sanger: DNA 서열분석방법 개발
- 1979년 노벨 생리학·의학상
- Allan M. Cormack, Godfrey N. Hounsfield: X-선을 이용한 컴퓨터 단층촬영 (Computer Assisted Tomography)
- 1964년 노벨 화학상
- Dorothy Crowfoot Hodgkin: X선 결정학을 이용한 분자구조 결정
- 1959년 노벨 화학상
- Jaroslav Heyrovský: 폴라로그래피(polarographic methods)를 이용한 분석방법 개발
- 1953년 노벨 물리학상
- Frits, Zernike: 상대조 현미경(phase contrast microscope)
- 1952년 노벨 화학상
- Archer John Porter Martin, Richard Laurence Millington Synge: 분별 크로마토그라피 개발 (partition chromatography)
- 1948년 노벨 화학상
- Arne Wilhelm Kaurin Tiselius: 전기영동에 의한 단백질 분리 방법
- 1936년 노벨 화학상
- Petrus (Peter) Josephus Wilhelmus Debye: X-선 회절에 의한 분자 구조 규명
- 1930년 노벨 물리학상
- Chandrasekhara Venkata Raman: 라만 분광학의 발견 (Raman Spectroscopy)
- 1924년 노벨 물리학상
- Karl Manne Georg Siegbahn: X-선 분광학의 발견 (X-ray spectroscopy)
- 1923년 노벨 화학상
- Fritz Pregl: 연소에 의한 원소분석을 통하여 미량의 유기물 분석방법 개발
- 1921년 노벨 물리학상
- 알베르트 아인슈타인 (Albert Einstein): 광전자효과와 오제전자 (X-ray Photoelectron Spectroscopy & Auger Electron Spectroscopy)
- 1915년 노벨 물리학상
- William Henry Bragg, William Lawrence Bragg: X-선을 이용하여 결정 구조 분석
- 1914년 노벨 물리학상
- Max von Laue: 결정체에 의한 X-선 회절현상 발견 (X-ray Diffraction)
응용[편집]
기기 분석법은 분석대상에 따라 다양한 응용이 가능하다. 분석의 주요 응용 분야에 대해 정리하면 아래와 같다.
- 화학 분석(Chemical Analysis)
유기물과 무기물의 화학적 조성과 양을 결정한다. 또한 미지 유기물과 무기물의 화학 구조를 알아볼 수 있다. 고전적인 습식 분석법과 기기 분석법 모두 정성 및 정량 분석을 할 수 있지만 최근에는 거의 대부분 기기 분석법을 활용한다. 공산품, 식품, 음용수, 의약품 등에 포함된 성분 분석이 이에 해당한다. 스포츠 선수나 경주마의 혈액이나 소변에서 기체 크로마토그래피-질량 분석법 혹은 액체 크로마토그래피-질량 분석법을 활용하여 금지 약물을 분석하는 방법도 여기에 해당한다.
- 표면 분석(Surface Analysis)
불균일 촉매, 반도체 박막, 부식, 나노 구조체 등의 특성은 고체 표면의 화학적 조성과 형태 혹은 구조와 밀접한 연관을 가지고 있다. 따라서 고체 표면의 분석은 현대 과학에 있어 매우 중요한 분야이다. 표면의 화학 조성은 X-선 광전자 분광법, Auger 전자 분광법, SIMS 등의 장비가 주로 사용된다. 표면의 미세 구조와 조성 그리고 격자 구조 등을 알아내기 위해 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)와 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)이 주로 사용된다. 최근에는 주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscope, SPM)을 활용하여 원자 수준의 크기까지 시료의 표면을 자세히 볼 수 있다. 주사 탐침 현미경으로는 주사 터널 현미경(Scanning Tunneling Microscope, STM), 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM), 화학 힘 현미경(Chemical Force Microscope, CFM) 등이 있다.
- 생분석(Bioanalysis)
생분석은 생체 내에 존재하는 핵산, 단백질, 탄수화물, 지방 등 생물 시료(biological sample)에 대해 정성·정량 분석하는 분야이다. 생분석 화학은 분석화학 분야 중에서 최근 매우 활발하게 연구가 진행되고 있다. 특히 DNA-염기 서열 분석 및 유전자 지문을 포함한 인간 유전체에 대한 분석인 유전체학(genomics), 단백질 분석(proteomics), 펩타이드 분석(peptidomics), 지질 분석(lipidomics), mRNA 분석(transcriptomics), 대사체 분석(metabolomics) 등의 오믹스(omics) 분야 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 주로 액체 크로마토그래피-질량 분석법(LC-Mass)와 MALDI-TOF 등이 많이 활용되고 있다.
- 환경 분석(Environmental Analysis)
환경 분석 화학은 대기, 수질, 토양 등에 포함된 원소와 유기 물질을 정성 정량 분석하는 분야이다. 특히 무기물 이온의 분석에는 이온 크로마토그래피(ion chromatography)와 유도 결합 플라즈마-원자 방출분광법, 유도 결합 플라즈마-질량 분석기 등이 주로 이용된다. 환경 분석을 할 때는 신뢰도를 높이기 위해서 국가 기관별로 (예: 대한민국 환경부; 미국의 환경보호국(Environmental Protection Agency, EPA)) 등에서 정한 방법에 따라 분석을 실시하고 있다.
- 임상 분석(Clinical Analysis)
의료기관에서 환자의 건강 상태를 알아보기 위해 시행하는 혈액과 소변 시료에서 전해질 및 암 등의 질병 관련 표시자를 분석하는 분야이다.
- 법 과학(Forensic Science)
수사 기관에서 범죄 수사 과정에서 범죄를 확정하기 위해 과학적 증거를 수집하고 이를 분석하는 분야이다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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