분광광도계는 진단검사의학 기본적인 분석 장비로써 생명과학, 자연과학뿐만 아니라 광학, 건축, 토목 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 물질은 그 종류에 따라 빛 에너지를 흡수하고 전자전이 및회전과 같은 여러 가지 분자운동을 일으키며 고유의 흡수 스펙트럼을 나타냅니다. 분광광도계는 물질의 고유한 spectrum을 측정하고 이는 유기/무기 화합물의 정량, 정성 분석에 사용됩니다. 분광 광도법은 가시광선을 해당 파장의 스펙트럼으로 분해하는 광학의 한 분야로 자리매김하게 되었으며 현재에 이르러서는 자외선과 적외선 영역뿐만 아니라 그 외의 다른 전자기 복사선 영역의 분석기기ㄴ까지 매우 광범위하게 확장되었습니다.

오늘날 사용되는 분석기기에 근간이 되고, 분광광도계의 주요 발전사에 큰 획을 그은 인물이 있습니다.
바로, Arnold O. Beckman 박사입니다. 그는 세계 최초의 자외선 흡광광도계인 DU photometer 를 발명하여 인류 과학사 발전에 큰 공헌을 하였습니다.

Fig. 1. Arnold O. Beckman과 DU spectrophotometer (종이예술작품 -조성천 작가 作)

DU(R) 분광광도계가 개발된 배경과 시대적 상황은 드라마틱합니다. 2차 세계대전 중 미군은 야간전투에서 자주 패했습니다. 미국정부가 그 이유를 조사해보니 군인들이 앓고 있는 야맹증이 원인이었습니다. 야맹증은 어두운 곳에서 잘 보이지 않는 증상으로 체내에 비타민 A가 부족하면 발병하는 병입니다. 군인들의 식단을 조사해 본 결과, 비타민A의 함량이 절대적으로 권장량에 미치지 못했고, 야간에 상대방 적군이 보이지 않으니 전쟁에 불리할 수밖에 없었습니다. 야맹증의 개선을 위해 시급히 식단에 비타민 A의 함량을 높여야만 했습니다.
그러나, 비타민 A의 함량이 너무 높으면 두통, 구토, 점상출혈을 동반하기에 많지도 적지도 않은 적당한 양의 비타민 A를 측정할 수 있는 방법, 즉 비타민 A를 정량하는 방법이 필요 했습니다. 당시에 비타민A를 정량하는 방법 으로 습식법이 있었지만 분석하는데 21일 가량이 소요되었습니다. 급박하게 돌아가는 전쟁 상황 속에서 습식법보다 더 빠르게 측정할 수있는 검출기가 절실했습니다.

미국의 비타민 관련 조사기관은 비타민A(레티놀)가 자외선 빛을 흡수하는 성질이 있다는 것을 알아냈고, 마침 Beckman은 가시 스펙트럼의 범위를 넘어서는 자외선 스펙트럼을 조사하는 것에 대한 관심이 많았습니다. 그가 더욱 발전한 pH측정 단일기기를 만들었던 것처럼 더욱 발전한 분광광도계 분석기기를 만드는 것에 관심을 가지는 것은 당연했습니다. Beckman은 Howard Cary가 이끄는 연구팀과 함께했습니다.
Howard Cary가 이끄는 Beckman 연구팀은 분광광도계의 새로운 여러 모델을 개발했습니다.
인류가 발전하는 곳에는 위대한 선구자들이 있었고 그와 함께하는 좋은 동료들이 있다는 것이 신비롭습니다.

새롭게 개발된 분광광도계 모델 중에 현재 DU 분광광도계로 불리는 Beckman의 모델 D가 있습니다. 프리즘을 사용하여 빛을 흡수 스펙 트럼으로 분리하고 광관을 사용하여 스펙트럼 전체의 빛 에너지를 전기적으로 측정합니다. 이를 통해 사용자는 물질의 광 흡수 스펙트럼을 분석하여 화합물의 특성인 표준화된 “지문” 을 얻을 수 있게 됩니다. Sample을 삽입하고 원하는 빛의 파장을 정한 후에 간단한 미터기에서 해당 주파수의 흡수량을 읽을 수 있습니다.

Beckman 박사의 DU spectrophotometer 는 몇 주가 걸리던 기존의 분석 장치의 측정 시간을 단 몇 분으로 단축하였고, 이전 25%의 정확도에 불과하던 것을 99.9%의 정확한 정량 측정을 가능하게 했습니다. 이에 노벨화 학상을 받은 Robert Bruce Merrifield는 DU spectrophotometer를 “생명과학의 발전을 위해 개발된 가장 중요한 기구”라고 불렀습니다. Beckman의 model D는 화학분석에서 규격화된 가장 강력한 장비가 되었고, 최소한의 전문 기술만으로도 사용이 가능하였습니다.
이로써 Beckman은 혁신적인 새로운 분광 광도계의 세계를 열었습니다.

DU spectrophotometer의 개발은 앞서 전시의 급박한 상황을 해결하기 위한 요인과 직접적인 관련이 있다고 이야기하였습니다. 제2차 세계 대전 중, 군인들의 야맹증을 해소하는데 필요한 비타민A 함량에 관한 실험은 몇 주 동안 쥐에게 먹이를 준 이후에 생검(biopsy, 환자의 병이 있는 부위의 조직을 약간 잘라내어 관찰 하는 일)을 수행하여 비타민A 수치를 추정하는 방식으로 이루어졌습니다. 그러나, DU 분광 광도계는 몇 분 만에 더 나은 결과를 얻었습니다.
생화학자들은 비타민 A가 자외선 범위 안에서 특징적인 최대 흡수점을 가진다는 것을 이용하여 실험용 쥐가 없어도 DU 분광광도계를 통해 비타민 A를 함유한 모든 식품을 몇 분 안에 분석할 수 있었습니다. 분명 실험쥐들도 분명 좋아했을 거라는 재미있는 상상도 해봅니다.
DU 분광광도계는 또한 전시 중에 부상을 치료하는 항생물질인 약물 페니실린을 연구하고 생산하는 중요한 도구였습니다. 1927년 페니 실린의 발견 이후, 페니실린은 뛰어난 약효를 인정받고 ‘마법의 탄환’이라고 불릴 정도로 각광을 받았지만 대량생산을 위한 기술적인 도전이 요구되었습니다. ‘페니실린의 기적’을 현실로 실현하려는 연구자들에게 Beckman DU 분광 광도계는 페니실린의 화학적 구조를 해석하고, 합성할 수 있는 예상치 못한 중요한 분석 기구였습니다. 전쟁 이후에 DU 분광광도계로부터 나온 자료들을 통해 과학자들은 항생물질 전체를 구성하고 있는 페니실린을 알 수 있게 되었고 뛰어난 약효가 있는 “beta-lactam” 구조도 발견했습니다. 페니실린의 개발과 대량 생산에 지대한 공을 세운 DU 분광광도계는 ‘인류의 두 번째 화학 혁명’이라고 할 만큼 귀중한 도구였습니다. DU 분광광도계는 1942년 개발되어 1984년 단종되는 순간까지 42년 동안 그 어느 분석 장비보다 많은 양의 제품이 생산되고 공급 되었습니다.

Fig. 3. DU Spectrophotometer (성현메디텍 역사전시관 소장)

분광광도계의 역사는 1854년, Louis Jules Duboscq (1817~1886, 프랑스 계측기 제조 업자, 교수)가 제작한 비색계를 원류로 볼 수 있습니다. 이 비색계는 두 액체(표준과 검체) 의 색상을 동시에 비교하는 방법으로 농도를 측정하는 육안 비색계입니다. 두 개의 유리관이 있어 그 중 하나는 표준용액을 넣고 다른 하나는 분석할 시료를 넣습니다. 양쪽에 동일한 유리 플렌저를 유리 튜브에 넣고 빛의 강도가 같아질 때까지 양쪽의 액체 튜브를 조정한 후 ‘Beer의 법칙’을 적용하였습니다. 빛은 아래 쪽에서 거울에 반사되어 튜브와 플렌저를 통과한 후 프리즘 세트에 의해 굴절되어 입사 되면 이분화되어 있는 접안렌즈로 관찰하는 구조입니다. 1886년 Duboscq가 사망한 이후에 Duboscq colorimeter는 생화학자들에게 화학물질을 분석하기 위한 중요한 기술로 활용 되었습니다. 20세기 초반, 프랑스와 독일의 회사들이 Duboscq 비색계와 modified Duboscq 비색계를 상업적으로 제조하기 시작하였고 제 1차 세계대전 중에 미국에도 소개되었습니다.
이후 1920년 미국에서 Bausch & Lomb’s Duboscq 비색계가 처음으로 소개되었습니다. Bausch &Lomb은 자신들의 비색계가 ‘분석기의 가장 까다로운 요구사항을 충족시키는 정밀한 도구’라고 설명하며 속도와 정확성이 필수적인 부분에 기여할 것이라고 강조하였습니다.

우리나라에서는 1945년에 Klett colorimeter 를 사용한 기록이 있는데 다음과 같은 내용이 있습니다.

(다음호에 계속)