루미놀 반응 활용 - luminol ban-eung hwal-yong

2. Procedure

실험 1 화학 발광 (Chemiluminescent Oscillation)

1) 용액 A, B, C 그리고 D를 각각 15mL씩 100mL 비커에 넣고 물 중탕으로 가열한다.

2) 실험실의 빛을 모두 소멸시킨 뒤 beaker에서 일어나는 일을 관찰한다.

<준비 용액>

용액 A: 0.50M H2O2 (15% H2O2)

용액 B: 0.15M KSCN

용액 C: 6.00810-4M CuSO4

용액 D: 0.100M NaOH + 3.7*10-3M luminol

실험 2 루미놀을 이용한 혈흔 검사법

1) 10mg의 루미놀(luminol), 0.5g의 탄산나트륨(sodium carbonate)를 100mL 비커에 넣고 10mL 증류수에 녹인 후 15% H2O2 5mL를 넣고 잘 섞는다.

2) 위에서 만든 용액을 스프레이식 분무기에 넣는다.

3) 채혈기를 이용해 미량의 혈액을 작은 test tube에 취한 후 1~2mL의 증류수로 묽히고 모세관을 이용해 종이 위에 묽힌 혈액으로 그림, 글씨 등을 그리고 잘 말린다.

* 농도가 너무 묽으면 확인이 어려우므로 약간 진하게 표시한다.

4) 실험실의 빛을 모두 소멸시킨 뒤 luminol 용액이 담긴 분무기로 용액을 뿌린 다음 일어나는 현상을 관찰한다.

3. Data & Result

4. Discussion

실험 1 루미놀 반응 실험 진행 및 결과 분석

대표적인 화학 발광 반응을 관찰하기 위해서 루미놀 반응을 이용했다. 제공받은 실험 순서에서는 루미놀 용액을 직접 만들고 채혈기를 이용해서 실험을 진행하지만, 실제 실험에서는 만들어져 있는 루미놀 용액을 사용했으며, 이미 추출된 돼지 혈액을 사용했다. 혈액 속에 포함되어 있는 철 이온은 루미놀 반응이 더 빨리 진행할 수 있도록 도와준다. 뿐만 아니라 루미놀 용액을 제조할 때 같이 섞어주는 시료들이 왜 사용이 되어야 하는지 등을 루미놀 반응 메커니즘을 살펴보자.

① 루미놀 용액을 만들기 위해 넣어준 탄산나트륨(Na2CO3)은 이온결합 물질이기 때문에 나트륨 이온과 탄산 이온으로 쉽게 분해된다. 하지만, 탄산 이온이 약산인 탄산에서 유래한 이온이므로, 염의 가수분해 현상에 따라 탄산 이온이 물과 반응하여 해당 용액은 염기성이 된다.

염기성 용액에 포함되어 있는 수산화이온과 루미놀을 구성하는 수소원자가 반응하여 루미놀은 두 개의 수소원자를 잃어버리게 된다. 그 결과 질소 원자들은 전기적으로 음성을 띠는 중간체가 형성된다. ② 산소의 전기음성도가 질소가 보이는 수치보다 더 크다. 그래서 질소 원자에 분포되어 있던 전자가 양 끝에 놓여있는 산소로 이동한다. ③ 과산화수소는 물과 산소를 합쳐 제조한 것이기 때문에 분해 반응이 진행되면 물과 산소를 생성물로 갖는다. 하지만, 과산화수소의 분해 반응은 실온에서 잘 진행되지 않으며 이 현상을 관찰하기 위해서는 촉매가 필요하다. 혈흔 검사에서는 혈액 속 헴 구조에 포함된 철 이온이 촉매로 작용을 하여 과산화수소 분해 반응이 진행된다. 그 결과 생성된 산소가 루미놀 중간체와 반응하며 산화-환원 반응이 진행된다. 그 결과 질소 원자에 산소가 결합한 중간체가 형성되는 데 이 물질은 매우 불안정하다. 그래서 질소 원자를 기체의 형태로 내보내며 비교적 안정한 형태를 유지하려고 한다. 그 결과 완전히 안정하지는 않지만 산소가 삼중항 상태에 놓인 중간물을 얻게 된다. ④ 이 과정에서는 계간 교차가 발생하여 물질의 에너지 준위 상태가 변한다. 산소는 상온에서 삼중항 상태($T_1$)로 놓일 수 있으며, 이는 금지 전이를 통해서 단일항 들뜬 상태($S_1$) 로 이동할 수 있다. 물론 이 반응은 금지전이이므로 발생할 확률이 적을 수 있으나, 이는 완전히 발생하지 않는다는 것을 뜻하지는 않는다. 삼중항 상태가 단일항 들뜬 상태보다 더 낮은 에너지 준위를 가지므로 이 과정에서 스핀 다중도가 변하는 전자 전이가 발생하였다 하더라도 방출되는 빛을 관찰할 수는 없다. 만약 흡수 스펙트럼을 관찰한다면 해당 에너지 차이만큼의 빛이 흡수되는 것을 관찰할 수는 있을 것이다. ⑤ 단일항 들뜬 상태에 놓여있는 물질은 그 상태를 유지할 수 있는 시간이 매우 짧기 때문에 바닥 상태로 내려오게 되며, 이때 에너지를 방출한다. 들뜬 루미놀이 방출하는 에너지의 형태는 빛이며 $S_1$에서 $S_0$으로 에너지 준위가 변화는 과정을 수반하므로 형광 스펙트럼을 얻을 수 있다. 실제로 얻은 실험 결과 에서 확인할 수 있듯 청백색의 파장을 확인할 수 있으며, 이는 형광을 방출하는 것을 의미한다. 해당 그림을 자세하게 보면 혈액으로 모양을 만든 부분을 제외한 다른 부분에서도 형광이 관찰된다. 즉 루미놀 반응은 몇 가지 한계점을 갖고 있음을 알 수 있다. 우선, 루미놀 용액을 사용 직전에 만들어야 정확한 결과를 얻을 수 있다. 이번 실험에 한정하여 루미놀 반응이 진행되기 위해서는 산소 등 산화-환원 반응이 진행할 수 있도록 하는 물질이 필요하다. 이번 실험에서는 이를 위해서 과산화수소의 분해 반응을 이용하나, 과산화수소 분해반응이 느리다는 것과 자발적이라는 것은 별개의 문제이다. 루미놀 용액이 오래전에 만들어졌다면, 혈액 등 촉매와 반응하지 않더라도 내부에서 산화 환원 반응이 진행되어 혈흔의 유무와 관계없이 루미놀 용액 그 자체만으로도 화학 발광이 진행될 수 있다. 또한 루미놀 반응을 통해 얻은 형광이 무조건 혈액에 의해서 진행되지 않으며, 과산화수소 분해 반응을 촉진하는 촉매가 포함된 물질에 의한 결과일 수 있다. 루미놀 반응이 혈흔 검사에 주로 사용되는 이유는 혈액에 들어있는 헴 구조 중 철 이온이 과산화수소 분해 촉매로 작용하여 충분한 산화 환원 반응을 진행시키기 때문이다. 그렇다면 철 이온이 아닌 과산화수소 분해의 촉매인 아이오딘화 칼륨(KI) 용액, 과망가니즈산(MnO2) 용액 등에 루미놀 용액을 넣는다면 마찬가지로 과산화수소 분해 반응이 촉진되어 형광을 관찰할 수 있을 것이다. 이 두가지 한계 때문에 루미놀 반응은 혈액의 유무를 따지는 필요조건이며, 이것이 실제 혈액인지는 추가적인 검사를 요구한다.

실험 2 화학발광 실험의 이해 및 원리

진동 반응은 완전히 평형에 도달하지 않고, 반응지수가 평형 상수보다 크고 작은 상태를 계속해서 반복하는 주기적 반응을 뜻한다. 이번 실험에서 진행한 실험에 대한 현상을 먼저 이해하기 전, 루미놀이 제외된 H2O2-KSCN-CuSO4-NaOH의 진동 반응에 대해서 간단하게 살펴볼 필요가 있다. 해당 진동 반응은 NaOH에 의한 염기 상태 하에서 H2O2-KSCN와 H2O2-CuSO4 사이의 피드백 네트워크에 의하여 진동 반응이 발생한다. 그 결과로 용액의 색 변화, 과산소이온(O2-)의 용해도 변화, 그리고 전위 사이의 변화가 수반된다. 다만, 루미놀이 이 진동계에 첨가되면 보이는 현상이 약간 변화한다. 우선 루미놀의 화학 발광에 의해서 빛이 주기적으로 방출될 수 있다. 앞서 살펴본 루미놀 반응 메커니즘을 이용해서 설명해보도록 하자. 루미놀이 염기성 용액에 놓이면 전하를 갖게 된다. 그리고 산화-환원 반응을 거쳐서 발광을 하게 된다. 해당 진동계에서 과산화수소 분해가 촉매인 황산 구리에 의해서 분해될 때 형성되는 중간체 HO2-Cu(Ⅰ)와 과산소이온 O2-이 해당 산화 환원 반응에 기인한다.

그림 9를 살펴보면 산화-환원 반응에 기인하는 물질들이 서로 증감이 반대로 배치된 것을 확인할 수 있다. 즉, 주기적으로 산화 환원 반응이 진행되어 발광 형태도 주기적으로 발생할 수 있음을 뜻한다. 발광의 주기성 뿐만 아니라 용액 자체의 색 변화에도 변화가 생기는 데, 루미놀이 추가되면 루미놀이 수산화이온과 반응하여 어두운 보라빛을 띠는 중간체를 형성하기 때문에 용액의 색변화가 노란색-무색 관계에서 노란색-어두운 보라색 관계로 변화한다. 한편, 진동 반응이 계속 진행되면서 루미놀이 계속 반응에 참여하기 때문에 진동이 진행될수록 관찰되는 빛의 세기는 약해지고, 반응도 점점 평형에 다다른다. 이 과정을 보다 정확하게 관찰하려고 했으면, 결과 사진으로 형광을 보이는 사진이 아닌 동영상을 촬영하는 것이 도움이 더 되었을 것이다. 그리고 발광 현상 말고, 용액 자체의 색 변화도 관찰하기 위해서 빛을 끄지 않은 상태에서 실험을 진행하여 그 결과를 관찰하는 것도 도움이 되었을 것이다. 그리로 반응계의 농도가 한쪽으로 치우치지 않도록 stirring bar를 이용해서 혼합한 용액을 섞는 것이 더 나은 실험 결과를 얻는 데 도움이 되었을 것이다.

5. Reference

1. 박종진 외 2인, 광화학의 이해, 자유아카데미, 2011, pp. 3~10, 19~33, 35~40, 45~46, 61~67

2. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 89~95

3. Simeen Stattar 외 1인, Interaction of Luminol with the Oscillating system H2O2-KSCN-CuSO4-NaOH, 1990, 275~277

4. Supavadee Kiatisevi 외 1인, Study of the oscillation and luminol chemiluminescence in the H2O2-KSCN-CuSO4-NaOH system, 2010, 173~177

5. Hernan E. Prypsztein, Chemiluminescent Oscillating Demonstrations: The Chemical Buoy, the Lighting Wave, and the Ghostly Cylinder, 2005, 53~54