There is growing interest about fast, accurate, and real-time detection methods of hazardous chemicals. The conventional detection methods have a fatal drawback, complex and unnecessary sample preparation process. In addition, it is impossible to directly detect optically opaque materials.
The aim of this thesis is a real-time and direct detection of opaque hazardous chemicals without sample preparation process based on FTIR-PAS (Fourier Transform Infrared- Photoacoustic Spectroscopy) system.
Based on photoacoustic effect, photoacoustic spectroscopy (PAS) is unique form of spectroscopy which measures an acoustic signal caused by optical absorption. It is possible to detect directly and determinate chemicals without sample preparation using PAS.
We explain in detail the theoretical background and present experiment results according to the sample phase and condition. We acquired PA spectra of various types of conditions chemicals in numerous opaque hazardous without sample preparation process. Through comparative analyses with the FTIR spectra, we have verified the possibility of direct real time detection, and high accuracy of the FTIR-PAS system. In conclusion, due to independence to the phase and condition of sample and no need for sample preparation processes, we have shown the advantages of PAS in terms of detection time and efficiency.
18세기 산업혁명 이후 인간의 문명은 과학기술의 발달과 산업의 다양화로 급속도로 발전하였다. 이러한 첨단 기술의 개발은 삶의 질을 향상시켰지만, 반면에 일상생활의 대부분에서 발생 할 수 있는 수많은 유해물질을 발생시켰고, 급기야 우리의 삶을 다양한 형태로 위협하기 시작했다. 21세기에 접어들면서, 웰빙(well-being)에 대한 의식이 확산됨에 따라 의식주 전반의 실생활에서 잠재되어 우리의 삶을 위협하는 유해물질을 없애고자 하는 노력이 증대되고 있다.
이러한 시대적 배경에서, 유해물질의 검출에 대한 연구와 기술개발은 수 년 동안 여러 가지 방법들로 이루어져 왔다. 그러나 기존의 방법들은 현장에서 즉시 검출의 제한, 시료 전처리 과정에서 소모되는 과다한 시간과 비용 등의 문제점을 갖고 있다. 더불어 일반적으로 유해물질은 인간의 생활과 매우 밀접한 곳에 존재하며, 아주 미량일지라도 높은 위해성을 갖고 있기 때문에 의심이 되는 순간 즉시, 빠르고 정확하게 검출할 수 있는 기술이 요구된다. 따라서 기존의 검출법의 문제점인 시료 전처리 과정 없이, 현장에서 즉시 검출할 수 있는 실시간 검출 기술이 필요하다.
본 연구에서는 광음향 분광법(photoacoustic spectroscopy)을 이용하여, 전처리 과정을 제거한 유해물질의 실시간 검출에 대한 연구를 통해 보다 간단하고 편리하면서, 높은 정확도의 실시간 분광 시스템을 구현하였다. 특히, 광학적으로 불투명한 시료에 대해서 시료 상태나 형태에 구애 받지 않고, 즉각적이고 실시간으로 검출 할 수 있는 분광학적 방법을 정립함으로써, 현장에서 in situ detection의 가능성을 확인하였다.
단일유해화학물질인 액체상태의 모의 화학작용제 두 가지 종류와 고체 분말 형태의 상업용 농약을 퓨리에 변환 광음향 시스템을 통해 광음향 스펙트럼을 측정하여, FTIR 스펙트럼과 비교하였다. 정성분석 결과, 스펙트럼이 모두 일치하여, 시스템의 정확도와 액체 및 분말시료에 대한 즉시 검출이 가능함을 확인하였다.
있는 그대로의(untreated) 시료와 형태 변화를 준(pre-treated) 시료의 광음향학적 특성을 확인하기 위해, 알약(tablet)형태의 시료 2가지를 준비하였다. 알약형태와 알약을 고르게 파쇄한 분말, 그리고 이 분말시료와 KBr을 혼합하여 제조한 펠렛의 스펙트럼을 비교하였다. 그 결과, 오직 광음향 시스템만이 있는 그대로의 시료를 일련의 전처리 과정 없이 정확한 스펙트럼을 획득할 수 있음을 확인하였다.
혼합 분말 내에 존재하는 특정 분말 시료의 구분이 가능한지의 여부를 확인하고자, 식품에 잔류하는 농약을 검출하는 실험을 실시하였다. 이 때, 식품과 농약 모두 분말형태의 시료로 선정해야 하므로, 식품은 녹차 잎, 농약은 첫 번째 실험에서 측정한 분말 농약을 준비하였다. 실험 결과, 혼합물에 3% 포함된 농약의 흡수 피크가 혼합된 시료의 스펙트럼에서 확인되어, 유해물질 검출이 가능함을 확인하였다.
결과적으로, 본 연구에서 제안한 퓨리에 변환 광음향 시스템을 통해 기존의 분광학적 방법으로는 측정이 제한되었던 불투명 시료에 대한 실시간 검출이 가능함을 확인하였다. 이는 식품, 환경, 보안, 국방, 바이오 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 가능성을 갖고 있다. 현장에서의 in-situ detection에 실제 적용하기 위해서, 광원 및 시스템의 소형화 및 경량화를 통한 휴대성 증대, 공진기(resonator) 구조의 광음향 셀 제작을 통한 민감도 향상 등의 방향으로 추가적인 연구가 필요하다.
