㈜신코는 자사가 개발 생산하는 형광 분광분석장비 (FS-2, Fluorescence Spectrophotometer) 의 원리와 응용 분야의 전반적인 이해를 돕고자 형광 분광 분석과 관련된 칼럼을 연재 하고 있습니다. 이번 다섯 번째 칼럼은 저번 호의 “형광 분광계의 검출기”에 이어서 “형광 분광계의 모노크로미터(Monochromator)”에 대해 살펴 보도록 하겠습니다.

형광계의 모노크로미터(Monochromator)를 인체에 비유하자면 인체의 심장에 비유 할 수 있습니다. 그 만큼 형광계를 구성하는데 중요한 부분을 담당하고 있습니다.
형광계는 여기(Excitation)파장용 모노크로미터와 방출(Emission)파장용 모노크로미터로 구성되어 있습니다. 여기파장용 모노크로미터는 제논램프 광원에서 발생하는 다색 광(polychromatic)성질의 백색광(White light)으로부터 시료의 여기(Excitation)에 필요한 파장만을 선택 해주는 역할을 하며, 방출파장용 모노크로미터는 시료로부터 방출(Emission)된 형광을 파장별로 구분해 주는 역할을 합니다.

보통 모노크로미터는 아래 그림 1과 같이 회절 격자(Grating), 슬릿(Slit), 미러(mirror)로 구성이 되어 있습니다.

그림 1.

Czerny-Tuner 방식 모노크로미터 구성도 및 자사 형광계(FS-2)의 모노크로미터 장착 모습

회절격자(Grating)는 모노크로미터에 입사된 백색광을 분산시켜 여러 파장으로 나누는 역할을 하며, 그림 2와 같은 모양을 가지고 있습니다. 또한 표 1에서처럼 사용 목적에 알맞은 회절격자의 올바른 선택을 위해서는 여러 가지 사항이 고려 되어야 합니다. 특히 파장 범위(Wavelength range), 분산능력과 연관된 홈 밀도(Groove density), 그리고 최고 파장 효율을 의미하는 Nominal blaze wavelength는 회절격자 선택 시 가장 우선으로 고려되어야 하는 선택 사항이라고 볼 수 있습니다.

그림 2.

회절격자 모양, 회절각, AFM(atomic force microscopy로) 촬영된 회절격자의 표면 (Diffraction grating Brochure, shimadzu에서 발췌)

표 1. 회절격자 사양서
(Diffraction grating Brochure, shimadzu에서 발췌)

슬릿(Slit)은 그림 1 에서 처럼 입구 슬릿(Entrance slit)과 출구 슬릿(Exit Slit)으로 나뉘며, 보통 슬릿 폭(width)을 가변 할 수 있도록 설게 되어 있습니다. 슬릿 폭의 변화는 시료의 형광 신호 크기 및 파장 분해능(resolution)과 밀접한 상관관계를 가지고 있습니다. 슬릿 폭이 넓어지면 입사 및 방출되는 빛의 양이 많아져 신호의 크기가 커지지만 파장 분해능은 낮아지며, 슬릿 폭이 좁아지면 신호의 크기가 작아지는 대신 파장 분해능은 향상됩니다. 일반적으로 형광 방출 신호의 스펙트럼 형태는 넓게 분포되어 있기 때문에 높은 파장 분해능은 필요 없지만, 그림 3의 p-terphenly과 같이 구조에 대한 봉우리(Peak) 분리 해석이 필요한 경우에는 모노크로미터의 슬릿 폭을 조절하여 최적의 실험 조건을 찾는 것이 중요합니다.

그림 3.

슬릿 폭 0.5nm와 10nm 일 때 p-terphenyl의 형광 방출 신호 비교 (Principles of Fluorescence Spectroscopy, 3rd Ed., Joseph R.Lakowicz 에서 발췌함)

미러(Mirror)는 입구 슬릿을 통해 입사되는 백색광을 회절격자에 적합한 크기로 초점을 맞추며, 회절격자에서 특정 파장별로 분리된 빛을 출구 슬릿에 알맞은 빔 크기로 초점을 맞추는 역할을 합니다. 또한 미러는 모노크로미터 안의 전체적인 빔 경로의 길이를 조절하여 분리된 스펙트럼의 방사 율을 조절하는 역할도 하는데, 보통 모노크로미터 안의 빔 경로가 길어질수록 빔의 방사면적도 비례적으로 커지므로 결국 파장 분해능 높아지는 결과를 가져 올 수 있습니다. 그러나 빔 경로가 길어질수록 모노크로미터의 크기도 비례적으로 커져야 하며, 모노크로미터의 크기가 커질수록 제품전체의 크기도 커져야 하므로, 적절한 해상도에 근거한 모노크로미터의 크기가 설정 되어 져야 합니다.

모노크로미터에서 떠돌이 빛(Stray Light)은 형광 측정에 있어 아주 중요한 고려 요소로 알려져 있습니다. 떠돌이 빛이란 측정을 위해 선택된 파장의 빛 이외에 검출기에서 검출되는 모든 빛을 의미합니다. 모노크로미터에 떠돌이 빛이 존재하면 아래 그림 4에서 보여 주듯이 실제 형광 방출 스펙트럼을 측정하는데 방해 요소로 작용 할 수 있습니다.
특히 시료의 형광신호가 작을 경우에는 더욱 더 떠돌이 빛이 적은 모노크로미터가 요구 됩니다. 이런 떠돌이 빛을 줄이기 위해서 빔 블럭(Beam Block, Baffle)과 낮은 반사율을 가진 도료를 모노크로미터 내부에 적용하기도 합니다.