원자 흡수 분광법(AAS)

원자 흡수 분광법의 핵심 원리는 분석 대상 원소의 기체 상태 원자가 특정 파장의 빛을 선택적으로 흡수하는 현상에 기반한다. 이를 위해서는 시료에 포함된 금속 이온이나 화합물을 자유 원자 상태인 기체로 전환해야 하는데, 이 과정을 원자화라고 한다. 원자화는 주로 고온의 불꽃(예: 아세틸렌-공기 불꽃)이나 전열 흑연로를 사용하여 수행된다. 시료가 원자화 장치에 도입되면 열 에너지에 의해 분해되어 중성 원자 상태의 기체로 변환된다.

이렇게 생성된 자유 원자는 바닥 상태에 있다. 원자의 전자는 특정한 에너지 준위를 가지며, 외부에서 에너지를 흡수하면 더 높은 에너지 준위로 여기될 수 있다. 원자 흡수 분광법에서는 이 에너지를 광자의 형태, 즉 특정 파장의 빛으로 제공한다. 각 원소는 그 원소 고유의 에너지 준위 구조를 가지므로, 바닥 상태에서 특정 여기 상태로 전이할 때 필요한 에너지, 즉 흡수하는 빛의 파장이 정확히 정해져 있다. 이 파장을 공명선이라고 부른다.

분석하고자 하는 원소에 해당하는 공명선 파장의 빛을 원자화된 기체에 통과시키면, 바닥 상태에 있는 원자들이 이 빛을 흡수하여 여기 상태로 전이한다. 이때 흡수되는 빛의 양은 시료 중 해당 원소의 원자 농도에 비례한다. 따라서 이 흡광도를 측정함으로써 시료 내 원소의 농도를 정량적으로 분석할 수 있다. 이 과정에서 원자화의 효율성과 안정성은 분석 감도와 정밀도에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소이다.

원자 흡수 분광법에서 측정된 흡광도는 분석 대상 원소의 농도에 비례한다. 이 관계는 람베르트-비어 법칙에 의해 정량적으로 설명되며, 정량 분석의 이론적 근간을 이룬다.

람베르트-비어 법칙에 따르면, 단색광이 농도 *c*와 길이 *l*을 가진 시료 층을 통과할 때, 입사광 강도 *I₀*에 대한 투과광 강도 *I*의 비율은 다음 식으로 표현된다.

\[

A = \log_{10} \left( \frac{I_0}{I} \right) = \varepsilon c l

\]

여기서 *A*는 흡광도이며, *ε*는 특정 파장에서의 몰 흡광 계수이다. 이 법칙은 시료 내 흡수 종의 농도가 낮고, 균일한 매질을 가정할 때 성립한다.

원자 흡수 분광법에서는 이 법칙을 적용하여 미지 시료의 농도를 결정한다. 측정 장치는 특정 원소의 공심 음극 램프에서 나오는 특징 파장의 빛이 원자화 장치에서 생성된 기상의 자유 원자에 의해 흡수되는 정도를 측정한다. 얻어진 흡광도 *A*는 원자화된 원소의 농도 *c*에 직접 비례하므로, 알려진 농도의 표준 용액으로 작성한 검량선을 이용해 미지 시료의 농도를 계산할 수 있다.

실제 분석에서는 법칙의 선형 관계가 높은 농도에서 벗어나는 경우가 있으며, 이는 검량선의 곡률로 나타난다. 또한, 광학적 간섭이나 화학적 간섭과 같은 요인은 측정된 흡광도와 실제 농도 간의 관계를 왜곡시킬 수 있어, 적절한 배경 보정과 간섭 보정 기법이 필요하다.

원자 흡수 분광법의 광원은 분석 대상 원소의 기저 상태 원자에 의해 선택적으로 흡수될 수 있는 좁은 선폭의 방출 스펙트럼을 제공해야 한다. 이 요구사항을 충족하는 가장 일반적인 광원이 공심 음극 램프이다. 이 램프는 음극이 원통형으로 되어 있고 그 내부가 비어 있는 구조를 가지며, 음극은 분석하고자 하는 원소의 금속 또는 그 합금으로 만들어지고, 양극은 일반적으로 텅스텐으로 제작된다. 램프 내부는 수 mm Hg의 저압으로 네온이나 아르곤과 같은 불활성 기체로 채워진다.

공심 음극 램프는 방전 과정에서 발생하는 양이온이 음극을 강하게 충격하여 스퍼터링 현상을 일으킨다. 이 과정에서 음극 물질의 원자가 기체상으로 방출되고, 여기된 원자들이 특정 파장의 빛을 방출하며 기저 상태로 돌아온다. 이렇게 방출된 빛은 분석 대상 원소의 흡수선과 정확히 일치하는 매우 좁은 선폭을 가지므로, 시료 중의 원자에 의해 선택적으로 흡수될 수 있다. 램프의 공심 구조는 스퍼터링 효율을 높이고, 방출 빛이 음극 구멍을 통해 효과적으로 외부로 나올 수 있도록 한다.

다양한 원소를 분석하기 위해 각 원소별로 전용 램프가 필요하다. 다원소 램프도 존재하지만, 일반적으로 단일 원소 램프보다 방출 강도가 약할 수 있다. 공심 음극 램프 외에도 연속 광원을 사용하고 고분산 단색화 장치와 결합하는 방식이나, 무전극 방전 램프를 사용하는 경우도 있다. 특히 무전극 방전 램프는 휘발성 원소(예: 비소, 셀레늄) 분석에서 더 높은 방출 강도를 제공할 수 있다[2].

원자 흡수 분광법의 핵심 구성 요소 중 하나인 원자화 장치는 분석 대상 시료를 기체 상태의 자유 원자로 전환하는 역할을 한다. 이 과정은 분석 원소의 원자가 기본 상태에 있는 상태로 만들어, 공심 음극 램프에서 나오는 특정 파장의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있도록 한다. 주로 사용되는 원자화 장치는 불꽃을 이용하는 방식과 전열을 이용하는 방식으로 크게 구분된다.

불꽃 원자화 장치는 일반적으로 예혼합 버너를 사용한다. 여기서 시료 용액은 분무기를 통해 미세한 에어로졸로 변환된 후, 아세틸렌-공기나 아세틸렌-아산화질소와 같은 가연성 가스와 혼합되어 긴 슬릿 형태의 버너 헤드에서 연소된다. 불꽃 내의 고온(보통 2000~3000°C)이 시료를 건조, 기화, 원자화시킨다. 이 방법은 운전이 비교적 간단하고 재현성이 좋으며, 납, 아연, 구리, 칼슘 등 많은 금속 원소의 분석에 널리 적용된다.

전열 원자화 장치, 대표적으로 흑연로 원자화기는 불꽃 방식에 비해 훨씬 높은 원자화 효율과 감도를 제공한다. 시료 용액의 미량(보통 10~50 µL)을 흑연 튜브나 컵에 주입한 후, 프로그램된 전류를 통해 튜브를 가열하는 단계를 거친다. 일반적인 가열 단계는 다음과 같다.

이 방식은 극미량의 시료로도 ppb(십억분율) 수준의 매우 낮은 농도를 측정할 수 있어, 비소, 카드뮴, 납 등 환경 시료의 초미량 분석에 필수적이다. 그러나 분석 시간이 불꽃 방식보다 길고, 화학적 간섭이 더 복잡하게 나타날 수 있다는 단점도 있다[3].

단색화 장치의 핵심 구성 요소는 회절 격자이다. 이는 수많은 평행한 홈이 새겨진 반사경으로, 입사된 빛을 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절시켜 분산시킨다. 회절 격자의 회전 각도를 정밀하게 제어함으로써 특정 파장의 빛만을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 단색화 장치의 성능은 분해능, 즉 인접한 두 파장을 분리할 수 있는 능력으로 평가되며, 이는 격자의 홈 수와 밀접한 관련이 있다[4].

분리된 단색광은 검출기에 도달한다. 원자 흡수 분광법에서 가장 일반적으로 사용되는 검출기는 광전자 증배관(PMT)이다. PMT는 광전 효과를 이용하여 빛의 신호를 전기 신호로 변환하고, 내부의 다이노드 계단을 통해 이를 수백만 배까지 증폭한다. 이렇게 증폭된 전류 신호는 신호 처리 시스템으로 전달된다. 검출기의 성능은 감도, 잡음 수준, 응답 속도 등으로 평가된다.

신호 처리 시스템은 검출기에서 나온 아날로그 전기 신호를 증폭하고, 필터링하여 잡음을 제거한 후, 디지털 신호로 변환한다. 최종적으로 이 신호는 흡광도 값으로 계산되어 표시되거나 기록된다. 현대의 장비는 이 모든 과정을 컴퓨터로 제어하고, 데이터를 처리하여 농도를 직접 계산해준다.

불꽃 원자 흡수 분광법은 시료 용액을 불꽃 원자화기에 분무하여 원자화하고, 이로 생성된 기상 원자의 흡광도를 측정하는 방법이다. 가장 일반적이고 전통적인 원자 흡수 분광법의 형태로, 주로 시료 중 금속 원소의 정량 분석에 널리 사용된다.

분석 과정은 먼저 시료 용액을 네뷸라이저를 통해 미세한 에어로졸 형태로 분무하는 것으로 시작한다. 이 에어로졸은 예혼합 버너로 불어넣어져 아세틸렌-공기나 아세틸렌-아산화질소와 같은 연료-산화제 혼합 가스와 함께 불꽃 속으로 도입된다. 불꽃의 고열(보통 2000~3000°C)은 에어로졸을 건조, 기화시킨 후, 화합물을 분해하여 자유 원자 상태로 만든다. 이렇게 생성된 기상 원자는 공심 음극 램프 등에서 방출된 특정 파장의 빛을 선택적으로 흡수한다.

FAAS는 주로 농도가 비교적 높은 시료(보통 mg/L 수준)의 분석에 적합하다. 그 장점은 분석법이 비교적 간단하고, 재현성이 우수하며, 운용 비용이 상대적으로 낮다는 점이다. 또한, 분석 속도가 빨라 분당 수 개의 시료를 처리할 수 있다. 그러나 불꽃 내에서의 원자화 효율이 100%에 미치지 못하고, 시료 용액의 대부분이 배출되어 버리기 때문에 검출 한계가 전열 원자 흡수 분광법에 비해 높은 편이다. 또한, 시료가 액체 상태여야 하며, 소량의 시료 분석에는 한계가 있다.

주요 분석 대상 원소는 다음과 같이 구분할 수 있다.

이 방법은 화학적 간섭이나 이온화 간섭의 영향을 받을 수 있으며, 이를 보정하기 위해 방출제를 첨가하거나, 표준 첨가법을 사용하는 등의 절차가 필요하다.

전열 원자 흡수 분광법은 그래파이트로로 만들어진 전열관을 이용하여 시료를 원자화하는 방법이다. 흔히 GFAAS(Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry) 또는 ETAAS(Electrothermal AAS)로 불린다. 이 방법은 시료를 고온의 그래파이트로 전열관 내부에 주입하고, 전류를 흘려 순차적으로 가열하여 건조, 회화, 원자화하는 단계를 거친다. 생성된 원자 구름은 관을 통과하는 분석선을 흡수하며, 이 흡광도를 측정하여 정량 분석을 수행한다.

분석 절차는 일반적으로 세 단계로 구성된다. 첫째, 시료를 미세 피펫으로 전열관에 주입하고 약 100-200°C로 가열하여 용매를 증발시켜 건조한다. 둘째, 400-1500°C 범위의 온도로 가열하여 시료 매트릭스 중 유기물을 분해하거나 휘발성 성분을 제거하는 회화 단계를 진행한다. 마지막으로, 2000-3000°C의 고온으로 순간 가열하여 분석 대상 원소를 기체 상태의 자유 원자로 원자화한다. 이 과정은 완전히 자동화된 장치에 의해 정밀하게 제어된다.

GFAAS의 가장 큰 장점은 극미량 분석이 가능하다는 점이다. 불꽃법에 비해 약 100-1000배 높은 감도를 가지며, 액체 시료 10-50 µL 정도의 매우 적은 시료량으로도 분석이 가능하다. 또한, 불꽃을 사용하지 않고 고체 시료를 직접 분석할 수 있는 경우도 있다. 그러나 분석 시간이 불꽃법에 비해 길고(분석 당 수십 초에서 수 분), 화학적 간섭과 배경 흡수가 더 복잡하게 발생할 수 있으며, 장비와 운영 비용이 더 높은 단점이 있다.

이 방법은 환경 시료 중 극미량 중금속 분석, 임상 검체(혈액, 소변)의 필수 및 독성 원소 분석, 고순도 재료의 불순물 분석 등에서 널리 활용된다. 높은 감도 덕분에 불꽃 원자 흡수 분광법으로는 측정이 어려운 극저농도(ppb 수준)의 원소를 정량하는 데 적합하다.

수은/수소화물 생성법은 원자 흡수 분광법에서 특정 원소의 분석 감도를 극적으로 향상시키기 위해 사용되는 특수한 시료 도입 기법이다. 이 방법은 수은, 비소, 셀레늄, 주석, 안티모니 등 휘발성 수소화물을 형성할 수 있는 원소들의 미량 분석에 주로 적용된다. 기존의 불꽃 원자 흡수 분광법으로는 검출 한계가 높은 이러한 원소들을, 화학적 반응을 통해 휘발성 종으로 변환시켜 검출 효율을 높인다.

수은 분석을 위한 냉증기법은 가장 대표적인 적용 사례이다. 시료 중의 수은 이온(Hg²⁺)을 주석(II) 염화물이나 붕수소화나트륨 같은 환원제로 처리하여 원자 상태의 수은 증기(Hg⁰)로 환원시킨다. 생성된 수은 증기는 불꽃이나 전열을 사용하지 않고, 아르곤이나 질소 같은 운반 가스에 의해 직접 공심 음극 램프의 광로로 운반되어 측정된다. 이 과정은 원자화 효율이 거의 100%에 달하여 극미량의 수은 분석을 가능하게 한다.

수소화물 생성법은 비소, 셀레늄, 비스무트 등의 원소 분석에 사용된다. 산성 조건 하에서 시료를 붕수소화나트륨(NaBH₄)과 반응시켜 해당 원소의 휘발성 수소화물(예: AsH₃, SeH₂)을 생성한다. 생성된 가스는 운반 가스에 의해 가열된 석영관으로 이동한다. 석영관은 불꽃이나 전기적으로 가열되어 수소화물을 분해하고, 대상 원소를 원자 상태로 만들어 흡광도를 측정한다. 이 방법은 시료 매트릭스로부터 분석물을 분리하는 효과가 있어 많은 간섭을 제거할 수 있다.

이 기법들의 주요 장점과 주의사항은 다음과 같다.

따라서, 수은/수소화물 생성법은 전통적인 원자화 장치를 보완하는 필수적인 기법으로, 환경 모니터링, 식품 안전, 임상 독성학 등에서 극미량의 유해 원소 분석에 널리 사용된다.

검량선은 시료 중 분석 대상 원소의 농도를 정량하기 위한 기준 곡선이다. 검량선을 작성하려면 분석 대상 원소만을 포함하고 농도를 정확히 알고 있는 일련의 표준용액을 준비해야 한다. 일반적으로 농도가 0인 공시험액을 포함하여, 예상 시료 농도 범위를 포괄하는 3~5개 이상의 표준용액을 사용한다.

각 표준용액을 동일한 조건으로 원자 흡수 분광법 장치에 도입하여 흡광도를 측정한다. 측정된 흡광도 값을 y축으로, 대응하는 농도 값을 x축으로 하여 그래프를 작성하면 검량선이 얻어진다. 이상적인 경우, 이 그래프는 원점을 지나는 직선이 되며, 이를 람베르트-비어 법칙의 선형 관계라고 한다. 시료의 흡광도를 측정한 후, 이 검량선에 대입하여 미지의 농도를 계산한다.

검량선의 신뢰성을 보장하기 위해 주기적으로 표준용액을 재측정하여 검량선의 재현성을 확인해야 한다. 또한, 검량선의 직선성에서 벗어나는 경우(고농도에서 곡선화)가 발생하면, 시료를 적절히 희석하거나 더 좁은 농도 범위에서 새로운 검량선을 작성한다. 검량선법은 가장 일반적인 정량 방법이지만, 시료 매트릭스가 복잡하여 표준용액과 시료의 조건을 동일하게 만들기 어려울 때는 표준첨가법을 대안으로 사용하기도 한다.

분석 대상 시료와 동일한 매트릭스에, 정확히 알려진 농도로 분석 대상 원소를 포함하는 물질을 표준물질이라고 한다. 정량 분석에서는 일반적으로 여러 농도의 표준물질 용액을 측정하여 검량선을 작성한 후, 미지 시료의 측정값을 이 곡선에 대입하여 농도를 계산한다. 표준물질은 분석 대상 원소의 순수한 금속 또는 염을 용해하여 제조하며, 신뢰할 수 있는 인증기관에서 공급하는 인증 표준물질(CRM)을 사용하는 것이 바람직하다.

내부표준법은 분석 과정에서 발생할 수 있는 시료 전처리, 원자화 효율, 기기 변동 등에 의한 오차를 보정하기 위한 방법이다. 분석 대상 원소(분석원소)와 화학적 성질이 유사하지만 시료에 원래 존재하지 않는 다른 원소(내부표준 원소)를 일정량 시료와 모든 표준용액에 첨가한다. 측정은 분석원소와 내부표준 원소의 신호 비율을 구하는 방식으로 이루어진다. 이 비율을 농도에 대해 플롯하여 검량선을 작성하면, 기기 조건의 미세한 변동이나 시료 매트릭스의 영향이 상쇄되어 더 정확한 정량이 가능해진다.

내부표준 원소로는 분석원소와 원자화 특성이 비슷한 원소가 선택된다. 예를 들어, 칼슘 분석에는 스트론튬을, 구리 분석에는 아연을 내부표준으로 사용할 수 있다. 이 방법은 주로 불꽃 원자 흡수 분광법에서 유용하게 적용되며, 시료 주입량의 변동과 같은 물리적 간섭을 효과적으로 줄인다.

환경 분석 분야에서 원자 흡수 분광법은 수질 및 토양 내 중금속 오염물질을 정량하는 핵심 기법으로 널리 사용된다. 이 방법은 납, 카드뮴, 수은, 비소, 크롬, 구리, 아연 등 유해 중금속의 미량 농도를 매우 정밀하게 측정할 수 있다. 환경 기준 및 규제 한계치를 평가하는 데 필수적인 데이터를 제공하며, 공해 조사와 환경 모니터링의 근간을 이룬다.

수질 분석에서는 주로 불꽃 원자 흡수 분광법이 사용되며, 전열 원자 흡수 분광법은 더 낮은 검출 한계가 요구되는 경우에 적용된다. 시료는 일반적으로 산 추출 과정을 거쳐 금속 이온을 수용액 상태로 전처리한 후 분석한다. 지표수, 지하수, 폐수, 해수 등 다양한 수계에서 중금속 농도를 모니터링하는 데 활용된다.

토양 및 퇴적물 분석에서는 시료를 강산으로 분해하여 금속 성분을 용출시키는 전처리가 선행된다. 이는 복잡한 토양 매트릭스로 인한 간섭을 최소화하고 분석 효율을 높이기 위함이다. 토양 오염 정화 사업의 기초 조사, 농경지 중금속 안전성 평가, 산업 폐기물 부지의 환경 영향 평가 등에 결정적인 정보를 제공한다.

이 기술의 높은 민감도와 선택성 덕분에 환경 시료에서 극미량의 독성 원소를 특정할 수 있다. 이는 환경보건 기준 준수 여부를 판단하고, 오염원을 추적하며, 장기적인 환경 변화를 연구하는 데 필수적이다.

원자 흡수 분광법은 혈액, 소변, 조직, 털, 손톱 등 다양한 생물학적 시료에 함유된 미량 금속 원소의 정량 분석에 널리 활용된다. 이 방법은 시료 내 금속 농도가 매우 낮은 경우에도 높은 감도와 선택성을 제공하여, 필수 미량 원소의 정상 수준 평가와 유해 중금속의 독성 수준 모니터링 모두에 유용하다.

분석을 위해서는 일반적으로 액체 상태의 시료가 필요하다. 따라서 고체 생체 시료는 습식 분해나 마이크로웨이브 분해와 같은 방법으로 산 분해되어 용액으로 전처리된다. 혈청이나 소변과 같은 액체 시료는 희석이나 산 추출만으로 직접 분석에 사용될 수 있다. 분석 대상 원소에는 필수 원소인 아연, 구리, 셀레늄, 망간, 크롬과, 독성을 나타낼 수 있는 납, 카드뮴, 수은, 비소 등이 포함된다.

임상적용의 대표적인 예로는 납 중독 진단을 위한 혈중 납 농도 측정을 들 수 있다. 또한, 윌슨병은 체내 구리 대사 이상을 특징으로 하는 유전 질환으로, 이 질환의 진단과 치료 모니터링을 위해 원자 흡수 분광법으로 혈청 내 구리 농도와 소변으로의 구리 배설량을 정기적으로 측정한다. 전열 원자 흡수 분광법은 극미량의 원소를 분석할 수 있어, 머리카락이나 손톱에 장기간 축적된 비소나 수은의 노출 역사를 평가하는 데 사용되기도 한다.

이러한 분석은 질병의 진단, 예방, 환경적 또는 직업적 건강 위험 평가에 중요한 정보를 제공한다. 분석 시 발생할 수 있는 화학적 간섭이나 높은 배경 흡수를 극복하기 위해 표준물질 첨가법이나 효율적인 배경 보정 기술이 필수적으로 동반된다.

원자 흡수 분광법은 다양한 금속 및 합금의 정성 및 정량 분석에 널리 활용된다. 특히 철강, 비철금속, 초합금 등의 주성분 및 미량 불순물 원소의 함량을 정밀하게 측정하는 데 유용하다. 예를 들어, 강철 내의 망간, 크롬, 니켈, 몰리브덴 등의 합금 원소나 납, 주석, 비소 같은 유해 불순물의 분석에 적용된다. 이 방법은 시료를 용액화하여 분석하는 것이 일반적이므로, 금속 시료는 보통 산 분해 등의 과정을 거쳐 분석용 용액으로 전처리된다.

비금속 재료, 예를 들어 세라믹, 유리, 시멘트, 촉매 등의 무기 재료 분석에도 중요한 도구이다. 시멘트의 주요 구성 성분인 칼슘, 규소, 알루미늄, 철의 함량 분석이나, 유리 내의 나트륨, 칼륨, 붕소 등의 측정에 사용된다. 전열 원자 흡수 분광법 (GFAAS)은 시료 소모량이 적고 감도가 매우 높아, 이러한 재료 내의 극미량 중금속 불순물을 검출하는 데 특히 적합하다.

다음은 원자 흡수 분광법이 일반적으로 적용되는 금속 및 재료 분석의 예시이다.

이 기술은 제조 공정의 품질 관리, 신소재 개발, 수입품의 규격 적합성 검사, 그리고 폐기물 재활용 공정에서의 금속 회수율 분석 등 다양한 공업 분야에서 필수적인 분석 수단으로 자리 잡았다.

광학적 간섭은 분석하려는 원소의 흡수선과 다른 파장의 빛이 검출기에 도달하여 발생하는 측정 오차를 말한다. 주로 시료 매트릭스에 존재하는 다른 원자, 분자 또는 입자에 의한 빛의 산란 또는 흡수가 원인이다. 이러한 간섭은 측정된 흡광도 값을 실제보다 높게 만들어 정량 분석의 정확도를 떨어뜨린다.

대표적인 광학적 간섭으로는 분자 흡수와 빛의 산란이 있다. 분자 흡수는 시료 중의 분자(예: 염화나트륨, 산화물)가 광원의 빛을 넓은 파장 범위에서 흡수하는 현상이다. 빛의 산란은 시료 기체 중에 존재하는 미세한 고체 입자(예: 미연소 염분 입자)에 의해 빛의 진행 방향이 바뀌는 현상으로, 특히 불꽃 원자화기에서 고염분 시료를 분석할 때 두드러진다.

이러한 간섭을 보정하기 위해 배경 보정 기술이 사용된다. 가장 일반적인 방법은 이중광선법이다. 이 방법은 분석선 파장을 측정하는 샘플 광선과 그 근처의 비흡수 파장을 측정하는 참조 광선을 이용한다. 참조 광선에서 측정된 신호는 분석 원소에 의한 흡수를 제외한 배경 흡수와 산란 신호를 대표하므로, 두 신호의 차이를 계산하여 순수한 원자 흡수 신호를 얻을 수 있다. 다른 방법으로는 지터법(광원을 주파수 변조하여 신호를 분리)과 제이만 효과를 이용한 방법이 있다.

이러한 보정 기술을 적용하지 않으면, 특히 복잡한 매트릭스를 가진 환경 시료나 생물학적 시료의 분석에서 심각한 오차가 발생할 수 있다. 따라서 정확한 분석을 위해서는 시료 특성에 맞는 적절한 배경 보정 방법의 선택이 필수적이다.

화학적 간섭은 분석 대상 원소가 시료 매트릭스 내 다른 성분과 반응하여 휘발성이 낮은 화합물을 형성할 때 발생합니다. 이로 인해 원자화 효율이 감소하여 측정 신호가 억제됩니다. 대표적인 예로, 인산 이온이 칼슘의 분석에 간섭을 일으키는 경우가 있습니다. 인산 이온은 칼슘과 반응하여 고온에서도 안정한 인산칼슘을 생성하여 원자화를 방해합니다. 이러한 간섭은 방출제나 보호제를 첨가하여 제거할 수 있습니다. 예를 들어, 란탄이나 스트론튬 염을 첨가하면 인산 이온이 먼저 이들 원소와 반응하여 칼슘의 원자화를 보호합니다.

물리적 간섭은 시료의 물리적 성질, 예를 들어 점도, 표면 장력, 용액 밀도 등이 표준 용액과 달라서 시료의 분무 및 운반 효율에 차이가 생길 때 발생합니다. 점도가 높은 시료는 네뷸라이저를 통한 분무 효율이 낮아져 원자화기에 도달하는 분석 원자의 수가 줄어듭니다. 이는 농도가 동일하더라도 측정된 흡광도가 낮게 나오는 결과를 초래합니다. 이러한 간섭은 가능한 한 표준 용액과 시료 용액의 물리적 성질을 일치시키는 것으로 최소화합니다. 주요 방법으로는 시료를 적절히 희석하거나, 표준물 첨가법을 사용하거나, 매트릭스가 유사한 표준물질을 사용하여 검량선을 작성하는 것이 있습니다.

두 유형의 간섭을 구분하고 보정하기 위한 방법은 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

간섭 효과는 사용하는 원자화 방법에 따라 그 정도가 달라집니다. 일반적으로 불꽃 원자 흡수 분광법보다 고온의 흑연로 원자 흡수 분광법에서 화학적 간섭은 상대적으로 적은 편입니다. 그러나 흑연로 방법에서는 시료 용매의 휘발이나 고체 매트릭스의 존재로 인한 물리적 간섭이 더 두드러질 수 있습니다. 따라서 정확한 정량 분석을 위해서는 분석 대상 원소, 시료 매트릭스, 그리고 선택한 원자화 방법에 맞는 적절한 간섭 보정 기술을 선택하는 것이 필수적입니다.

배경 흡수는 분석하려는 원소의 신호와 구별할 수 없는 신호를 생성하여 정량 분석의 정확도를 떨어뜨린다. 이를 보정하기 위해 여러 기술이 개발되었다.

가장 일반적인 방법은 듀테리움 램프 배경 보정법이다. 이 방법은 주광원과 듀테리움 램프라는 두 개의 광원을 사용한다. 주광원은 분석선을, 듀테리움 램프는 연속 스펙트럼을 방출한다. 검출기는 두 광원에서 나오는 빛을 교대로 측정하며, 분석 원자의 선흡수는 주광원의 신호에만 영향을 미친다. 반면, 시료 기질에 의한 배경 흡수는 연속 스펙트럼 영역에서 발생하므로 두 광원의 신호에 동일하게 영향을 준다. 두 신호의 차이를 계산하면 배경 흡수 신호가 제거되고 순수한 원자 흡수 신호만 얻어진다.

다른 주요 보정 기술로는 제이만 효과를 이용한 방법과 스미스-하이프티 배경 보정법이 있다. 제이만 효과 배경 보정법은 강한 자기장을 이용해 분석선을 분리하는 원리를 적용하며, 특히 휘발성 원소나 복잡한 기질 분석에 유리하다. 스미스-하이프티 방법은 광원 자체의 스펙트럼 선 프로필을 이용하며, 고가의 추가 장비가 필요하지 않다는 장점이 있다. 적절한 배경 보정 기술의 선택은 분석 원소, 시료 기질의 복잡성, 그리고 사용 가능한 장비에 따라 결정된다.

원자 방출 분광법(AES)은 시료를 고온의 에너지원(예: 불꽃, 플라즈마, 전기 아크)으로 원자화하고 여기시켜 방출되는 원소 특유의 파장의 빛을 측정하여 정성 및 정량 분석을 수행하는 기기 분석법이다. 이 방법은 원자가 여기된 상태에서 기저 상태로 돌아갈 때 방출하는 방출 스펙트럼을 분석의 근간으로 삼는다.

AES의 핵심 구성 요소는 시료를 원자화 및 여기시키는 에너지원, 방출된 빛을 파장별로 분리하는 단색화 장치, 그리고 분리된 빛의 세기를 측정하는 검출기이다. 에너지원으로는 예전에는 아크 방전이나 불꽃이 널리 사용되었으나, 현대에는 유도 결합 플라즈마(ICP)가 가장 일반적이다. ICP-AES는 높은 감도, 넓은 동적 범위, 그리고 여러 원소를 동시에 측정할 수 있는 장점을 지닌다.

원자 방출 분광법과 원자 흡수 분광법(AAS)은 모두 금속 및 준금속 원소 분석에 사용되지만, 작동 원리와 특성이 뚜렷하게 다르다. 주요 차이점은 다음 표와 같다.

AES는 특히 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법(ICP-AES 또는 ICP-OES)의 형태로 환경, 금속, 지질, 임상 검체 등 다양한 분야에서 다원소 분석의 표준 방법으로 자리 잡았다. 반면, AAS는 장비 비용이 상대적으로 낮고 특정 원소 분석에 매우 견고하며 정확한 방법으로 여전히 널리 사용된다.

유도 결합 플라즈마 분광법(ICP)은 고온의 플라즈마를 이용하여 시료를 원자화하고 여기시킨 후, 방출되는 빛을 분석하는 원소 분석 기법이다. 주로 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법(ICP-AES) 또는 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)의 형태로 사용된다. 이 방법은 원자 흡수 분광법(AAS)과 비교하여 동시 다원소 분석이 가능하고 검출 한계가 낮으며, 동적 범위가 넓다는 장점을 가진다.

ICP의 핵심은 아르곤 가스로 생성된 고에너지 플라즈마 토치이다. 고주파 코일에 의해 생성된 유도 전자기장이 아르곤 가스를 이온화시켜 약 6,000~10,000 K의 고온 플라즈마를 형성한다. 액체 또는 기체 상태의 시료가 이 플라즈마에 주입되면, 시료는 빠르게 건조, 분해, 원자화된 후 여기된다. 여기된 원자는 기저 상태로 돌아가면서 원소 특유의 파장을 가진 빛을 방출하는데, 이를 분광기로 분리하고 검출하여 정성 및 정량 분석을 수행한다.

ICP는 환경 분석(수질, 토양), 금속학, 지구화학, 임상 검사 등 다양한 분야에서 표준 분석 방법으로 자리 잡았다. 특히 ICP-MS는 극미량 원소 및 동위원소 비율 분석에 필수적인 도구가 되었다. 그러나 장비와 운영 비용이 높고, 아르곤 가스 소비량이 많으며, 염류 함량이 높은 시료의 분석 시 노즐 막힘 등의 문제가 발생할 수 있다는 단점도 있다[7].