화학발광

화학발광(chemiluminescence)은 화학반응을 통하여 전자적으로 들뜬 상태(excited state)의 화학종이 바닥 상태(ground state)로 되돌아올 때 빛을 방출하는 현상을 말한다. 공연장에서 흔히 쓰이는 불빛 막대(light stick)와 반딧불이에서 발생하는 빛이 화학발광의 대표적인 예이다. 특히 생물학적 시스템에서 발생하는 화학발광이 생물 혹은 생체발광(bioluminescence)이다.

그림 1. 루미놀과 과산화 수소 산화제를 이용한 화학발광 (425nm) ()

목차

화학발광을 일으키는 과정은 일반적으로 다음과 같다.

(1) A + B → C* + D

(2) C* → C + 빛

화합물 A와 B가 반응하여 생성물 C와 D를 형성하는데 이때 화학반응의 에너지로 인해 생성물 중 하나인 C가 전자적으로 들뜬 상태인 C*로 형성되고 이것이 바닥 상태로 되돌아올 때 특정한 파장의 빛을 방출한다. 즉 화학발광의 스펙트럼은 생성물 C의 발광 스펙트럼이다.¹ 대부분의 화학발광 과정은 위 과정보다 매우 복잡한 과정을 거쳐 진행된다.

화학발광을 통한 빛의 세기(초당 방출하는 광자 수)는 화학반응의 속도와 화학발광 양자 수율(반응 한 분자당 광자 수)의 곱과 같다. 대부분 화학반응의 양자 수율은 0.01~0.2의 값을 갖는다.

기체상 화학발광은 오존, 질소 산화물, 황 화합물 등과 같은 대기 오염 물질의 측정과 관련이 있다. 기체상 화학발광 중에서 가장 널리 알려진 것은 일산화 질소(NO)와 오존(O₃)의 화학발광으로 그 반응은 다음과 같다.

NO + O₃ → NO₂* + O₂

NO₂* → NO₂ + 빛 (600 ~ 2800nm)

오존의 농도를 일정하게 유지하면서 NO의 농도 변화에 따른 화학발광 빛의 세기를 측정하면 1ppb에서 10,000ppm의 일산화 질소 농도 범위를 측정할 수 있다.

또 다른 기체상 화학발광으로는 황화수소, 이산화황 등의 대기 중 황 화합물과 수소 불꽃(H₂)의 화학발광이 있으며 그 반응은 다음과 같다.

4H₂ + 2SO₂ → S₂* + 4H₂O

S₂* → S₂ + 빛 (384nm, 394nm)

이때 화학발광의 세기는 이산화 황의 농도에 비례하여 극미량의 황화합물을 분석하는 기체 크로마토그래피의 검출기로 활용된다.

액체상에서 일어나는 화학발광은 여러 종류가 알려져 있으나 그 중 루미놀(luminol) 화학반응이 가장 잘 알려져 있다. 강한 염기 존재하에 일산화 질소 혹은 과산화 수소(H₂O₂)와 같은 강한 산화제가 존재하는 경우의 화학발광은 다음과 같이 일어난다.

그림 2. 루미놀 화학발광 ()

즉 루미놀이 화학반응에 의해 전자적으로 들뜬 3-aminophthalate를 생성하고 이 생성물이 바닥 상태로 되돌아올 때 425nm의 최대 파장을 갖는 청색 빛을 발생한다. 이러한 루미놀 화학발광 세기는 산화제, 촉매 (Fe²⁺, Co²⁺, Cr³⁺ 등), 그리고 루미놀의 농도에 직접적으로 비례한다. 따라서 이들 중 하나의 농도는 나머지 반응물의 농도를 일정하게 유지한 조건에서 화학발광 실험을 수행하면 측정할 수 있다.

화학발광은 많은 생물학적 시스템에서 발생하며 이를 생물화학 발광 혹은 생체화학 발광이라 한다. 생물화학 발광을 일으키는 생물체로는 반딧불이, 해파리, 박테리아 등이 있다(참조: 생물화학 발광).

화학발광은 위에서 살펴본 바와 같이 분석화학에 응용되기도 하며 엔터테인먼트 산업에서 발광체 제조와 과학수사에서의 혈흔 검출에 널리 활용된다.

화학발광은 화학반응을 통해 빛이 방출하는 과정이므로 별도의 광원(light source)을 필요로 하지 않아 파장을 선택해주는 필터 혹은 단색화 장치(monochromator)가 필요 없고 단지 빛의 양을 측정하는 광전증배관(photomultiplier tube)만을 포함한 매우 간단한 측정 시스템을 통해 검출할 수 있다. 화학발광은 광원이 존재하지 않아 바탕 신호값이 작으므로 분석화학적으로 응용하는 경우 일반적으로 감도가 매우 높다. 일반적인 검출한계는 ppb에서 ppm 범위이며 즉정의 정밀도는 화학발광의 종류와 측정기기에 따라 다르다.

화학발광은 화합물의 종류에 따라 다양한 파장의 빛을 방출하므로 다양한 종류의 발광체를 제조할 수 있다. 공연장에서 흔히 볼 수 있는 불빛 막대는 다양한 화합물에 의한 화학발광의 원리를 이용한 것이다. 루미놀, 과산화옥살레이트(peroxyoxalate) 등이 대표적으로 많이 쓰이는 화학발광을 일으키는 화합물이다.

루미놀 화학발광은 소량의 혈액을 검출하기 위해 법의학에서 널리 사용된다. 혈액의 헤모글로빈 내에 존재하는 철(Fe)은 루미놀 화학발광 반응의 촉매 역할을 한다. 따라서 혈액에 루미놀, 과산화 수소, 염기의 혼합액을 뿌리면 푸른색 빛을 관찰할 수 있어 범죄 현장에서 혈흔을 찾는 데 사용할 수 있다.