분광학(Spectroscopy)이란?｜원리와 방법, 활용 예시 및 논문 사례

빛으로 물질을 읽는 과학

분광학이란?

분광학(Spectroscopy)은
물질이 전자기파(빛)와 상호작용하는
방식을 분석해 성분, 구조, 농도 등을 알아내는 계측 분석 방법이다.
물질은 빛을 흡수하거나, 방출하거나, 산란시키는 방식으로 반응하며,
이러한 반응의 패턴을 분석해 물질의 특성을 파악할 수 있다.

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핵심 원리

1. 전자기파와 물질의 상호작용: 각 원자와 분자는 특정 파장의 빛에만 반응한다.
2. 스펙트럼 분석: 반응에 따라 나타나는 스펙트럼(파장별 세기 분포)을 측정해 분석
3. 정량·정성 분석 모두 가능: 어떤 물질인지(정성)와 그 양이 얼마나 되는지(정량)를 알아낼 수 있다.

 

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분광학의 주요 종류

종류	특징	활용 예시
자외선/가시광선(UV-Vis) 분광법	200~800nm 파장대에서의 흡광 분석	농도 측정, 단백질 정량
적외선(IR) 분광법	분자의 진동에 따른 흡수 파장 분석	유기화합물의 작용기 분석
핵자기공명(NMR) 분광법	원자핵의 자기장 반응 분석	구조 분석, 화학식 규명
질량분석(MS)과 결합된 분광학	질량 대 전하비(M/z) 기반 물질 규명	약물 분석, 환경 분석
형광 분광법	물질의 형광 방출을 감지	생체분자 탐지, 감지 센서

 

예시 1: UV-Vis 분광법 – 수용액 내 농도 측정

▶ 실험 목적
: 알부민 단백질의 농도를 UV-Vis 분광법으로 측정

▶ 방법 요약
: 280nm 파장에서 알부민이 빛을 얼마나 흡수하는지 측정하고,
  Beer-Lambert 법칙(A = εlc)을 적용해 농도 계산

▶ 시사점
: 간단하고 빠르게 생체 분자의 농도를 측정할 수 있는 분석 방법

 

예시 2: FT-IR 분광법 – 화합물의 작용기 확인

▶ 실험 목적

• 합성한 유기화합물 내 작용기(-OH, -COOH 등) 존재 확인

▶ 방법 요약

• 4000~400 cm⁻¹ 범위에서 스펙트럼 측정
• OH 작용기의 흡수 피크: 약 3400 cm⁻¹ 부근
• C=O 작용기: 1700 cm⁻¹ 부근

▶ 시사점

• 합성 화합물이 의도한 분자 구조를 가졌는지 쉽게 확인 가능

 

예시 3: 형광 분광법 – 생체물질 검출

▶ 실험 목적

• 혈액 내 특정 단백질의 형광 라벨링을 통한 검출

▶ 방법 요약

• 형광 라벨 단백질이 특정 파장의 빛을 흡수 → 다른 파장의 형광 빛 방출
• 형광 세기를 측정해 농도 추정

▶ 시사점

• 비침습적이고 고감도 생체 분석에 매우 적합

 

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실제 논문 사례 소개

1. Gandi et al. (2024). 엔코라페닙 제형의 UV 분광법을 이용한 정량 분석을 위한 새로운 접근법

• 요약: 이 연구는 항암제인 엔코라페닙의 제형에서 UV 분광법을 이용하여 정량 분석하는 새로운 방법을 제시합니다. 235nm에서의 흡광도를 측정하여 농도와의 선형성을 확인하였으며, ICH 가이드라인에 따른 검증을 통해 정확도와 정밀도를 평가하였습니다.
• 분석 방법: UV 분광법을 사용하여 엔코라페닙의 흡광도를 측정하고, 표준 용액과의 비교를 통해 농도를 정량화하였습니다.

Gandi, A., Dudi, P. K., Pantala, E. S., & Yarguntla, S. R. (2024). A Comprehensive New Approach to Method Development and Validation of Encorafenib using UV Spectroscopy in Bulk and Pharmaceutical Formulation. Hacettepe University Journal of the Faculty of Pharmacy, 44(4), 318-327.

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2. Enders et al. (2021). FTIR 스펙트럼을 이용한 기능성 그룹 식별을 위한 이미지 기반 머신러닝 모델

• 요약: 이 연구는 FTIR 스펙트럼을 이미지로 변환하고, 이를 머신러닝 모델에 적용하여 유기 화합물의 기능성 그룹을 식별하는 방법을 개발하였습니다. 15개의 주요 기능성 그룹에 대해 높은 정확도로 식별할 수 있음을 보였습니다.
• 분석 방법: FTIR 스펙트럼을 이미지로 변환한 후, 합성곱 신경망(CNN)을 이용하여 기능성 그룹을 식별하였습니다.

Enders, A. A., North, N. M., Fensore, C. M., Velez-Alvarez, J., & Allen, H. C. (2021). Functional group identification for FTIR spectra using image-based machine learning models. Analytical Chemistry, 93(28), 9711-9718.

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왜 분광학이 중요한가?

분광학은 물질과 빛의 정밀한 상호작용을 통해 보이지 않는 것을 측정하게 해주는 강력한 분석 도구다.
유기화학, 약학, 생명과학, 환경공학 등 거의 모든 실험과학 분야에서 광범위하게 사용된다.

특히 시료를 파괴하지 않고 분석할 수 있다는 점,
빠르고 반복 가능한 측정이 가능하다는 점은 산업 및 연구 현장에서 분광학을 필수 도구로 만든다.
향후에는 분광학이 인공지능 기반 분석과 결합되어 더욱 정밀하고 자동화된 시스템으로 발전할 가능성이 높다.
복잡한 생체 시스템, 환경오염 탐지, 맞춤형 약물 분석 등 다양한 영역에서 그 영향력은 계속 확장될 것이다.