라만 분광법 (Raman Spectroscopy)

Raman 분광기는 FTIR처럼 자재의 구성 또는 특성에 대한 통찰력을 얻기 위해 빛의 상호작용을 활용하는 분자식 분광 기법입니다. Raman 분광기가 제공한 정보는 IR 분광기가 빛의 흡수에 의존하는 바와 달리 빛 산란 과정에서 기인합니다. Raman 분광기는 분자 간 및 분자 내 진동에 대한 정보를 산출하며 반응에 대해 보다 이해할 수 있게 합니다. Raman 및 FTIR 분광기는 특정 분자 진동의 스펙트럼 특성(“분자 지문”)을 제공하며 물질 파악에 중요합니다. 그러나, Raman 분광기는 저주파수 모드 및 결정 격자와 결정 백본 구조에 대한 통찰력을 제공하는 진동의 추가 정보를 제공할 수 있습니다. 

인라인 Raman 분광기는 결정 공정을 모니터링하고 반응 메커니즘과 역학을 밝히는 데 사용됩니다. 분석 도구와 결합된 이러한 데이터는 정보에 입각한 반응 이해화 최적화를 가능하게 합니다. 

빛이 기체, 액체 또는 고체 분자와 상호작용할 때, 대다수의 포톤이 입사 포톤과 동일한 에너지로 퍼지거나 산란됩니다. 이를 탄력적 산란 또는 Rayleigh 산란이라고 설명합니다. 약 천만 포톤 중 1 포톤에 불과한 소량의 포톤이 입사 포톤보다 다른 주파수에서 산란됩니다. 이러한 공정은 비탄력적 산란 또는 C.V 경의 이름을 따 Raman 효과로 부릅니다. Raman은 이 효과를 발견하고 그의 작업에 대한 공로로 1930년 노벨 물리학상을 받았습니다. 그 이후 Raman은 의료 진단부터 재료과학과 반응 분석까지 다양한 응용 분야에서 활용되어 왔습니다. Raman은 사용자가 분자의 진동 신호를 수집하게 하고, 이러한 신호들이 한데 모이는 방식과 주변 다른 분자와 어떻게 상호작용하는지 이해할 수 있게 합니다.

쌍극자 모멘트의 변화를 보는 FTIR 분광기와 달리, Raman은 분자 결합 분극성의 변화를 봅니다. 분자와 빛의 상호작용으로 전자 구름의 변형을 유도할 수 있습니다. 이러한 변형은 분극성의 변화라고 알려져 있습니다. 분자 결합은 분극성 변화 발생 시 Raman 활성 모드가 증가하는 특정 에너지 전이가 발생합니다.  예를 들어, 탄소-탄소, 황-황, 질소-질소 결합처럼 동핵 원자 간의 결합을 포함하는 분자는 포톤이 상호작용할 때 분극성 변화를 겪습니다. 이러한 결합 예시 중에는 Raman 활성화 스펙트럼 대역을 일으키지만 FTIR에서 관찰할 수 없거나 관찰하기 어려운 결합이 있습니다.

Raman이 내재적으로 약한 효과이기 때문에, 최적의 Raman 분광기 구성 요소는 일치가 잘 되고 최적화되어야 합니다. 또한, 유기 분자가 단파장 방사선 사용 시 형광 발화를 하는 경향이 클 수 있기 때문에, 785 nm 빛을 생성하는 고체 상태 레이저 다이오드 등의 장파장 단색 여기원이 일반적으로 사용됩니다.  

Raman 분광기는 다음과 같은 다양한 응용 분야의 업계에서 사용됩니다.

• 결정화 공정
• 다형체 식별
• 중합 반응
• 수소화 반응
• 화학 합성
• 바이오 촉매 및 효소 촉매
• 유동 화학
• 바이오공정 모니터링
• 합성 반응

Raman 및 FTIR 분광기는 무료 정보를 제공하고 종종 상호 교환이 가능하지만, 주어진 실험에서 무엇이 최적인지에 대해 영향을 미치는 실질적인 차이점이 일부 있습니다. 대부분의 분자 대칭은 Raman 및 IR 활성을 모두 허용합니다. 분자에 반전 중심이 포함되어 있는 경우가 특별합니다. 반전 중심을 포함하는 분자에서 Raman 대역 및 IR 대역은 공동으로 제외됩니다(예: 결합으로 Raman 또는 IR 활성화되지만 둘 다 동시에 발생하지는 않습니다). 쌍극자가 크게 변화하는 작용기는 IR에서 강한 반면 쌍극자 변화가 약하거나 또는 대칭 정도가 높은 작용기는 Raman 스펙트럼에서 더 잘 관찰된다는 일반적인 규칙이 있습니다.

다음의 경우 Raman 분광기를 선택하십시오.

• 지방족 및 방향족고리의 탄소 결합 조사는 주요 관심사입니다.
• FTIR에서 관찰하기 어려운 결합(예: 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C 등)
• 용액 내 입자 조사가 중요합니다.(예: 다형성)
• 낮은 주파수 모드가 중요합니다.(예: 무기물-산화물) 
• 수용성 매체의 반응을 조사합니다.
• 반응 창을 통한 관찰이 보다 쉽고 안전한 반응(예: 고압 촉매 반응, 중합)
• 저주파수 격자 모드 조사에 흥미 있습니다.
• 반응 시작, 종말점, 이상성 및 콜로이드성 반응의 제품 안정성 조사

다음의 경우 FTIR 분광기를 선택하십시오.

• 액체상 반응 연구
• 반응물, 시약, 용매, 반응 종이 형광을 발하는 반응
• 쌍극 변화가 강한 결합이 중요합니다.(예: C=O, O-H, N=O)
• 시약과 반응물의 농도가 낮은 반응
• 용매 대역이 Raman에서 강하고 주요 종 신호가 쇄도하는 반응
• 형성되는 중간 생성물이 IR 활성인 반응

Raman 분광기는 수많은 이점을 제공합니다. Raman 기기는 가시 영역에서 레이저를 사용하기 때문에, 연성 실리카 광섬유 케이블을 사용해 샘플을 자극하고 산란 방사선을 수집할 수 있으며, 필요에 따라 케이블을 길게 할 수 있습니다. 가시 광선을 사용하기 때문에, 유리나 석영을 사용해 샘플을 보관할 수 있습니다. 화학 반응 연구에서, 이는 Raman 프로브를 반응으로 삽입하거나 외부 반응 샘플 루프나 흐름 셀에서처럼 Raman 스펙트럼을 창을 통해 수집할 수 있다는 점을 의미합니다. 후자의 접근법을 통해 샘플 흐름 오염 가능성을 제거합니다. 석영 또는 고급 사파이어를 창 재질로 사용하는 기능은 고압 셀을 사용해 촉매 반응의 Raman 스펙트럼을 확보할 수 있다는 점을 의미합니다. 촉매 연구에서, Raman 효과를 사용하는 연산수 분광기는 촉매 표면에서 현장의 실시간 반응을 연구하는 데 꽤 유용합니다. Raman의 또 다른 이점은 수산기 대역이 특별히 Raman 활성화로 지정되지 않았으며, 수용성 매체에서 Raman 분광기를 간단하게 한다는 점입니다. 일부 샘플이 레이저 방사의 영향을 받을 수 있지만, Raman 분광기는 비파괴적으로 간주됩니다. 이러한 기법을 선택할 때 특정 샘플이 얼마나 많이 형광을 발하는지 여부를 고려해야 합니다. Raman 산란은 약한 현상이며, 형광 발광은 신호를 쇄도하게 하여 고품질 데이터를 수집하게 어렵게 만들 수 있습니다. 이러한 문제는 보다 긴 파장 여기원을 사용해 완화시킬 수 있습니다.

반응 분석과 관련하여, Raman 분광기는 수많은 작용기에 민감하지만, 분자 백본 정보를 확보할 때만큼은 독보적이고 고유한 분자 지문을 제공합니다. Raman이 결합 분극성을 활용하고 저주파수를 측정할 가능성이 있기 때문에, FTIR로 확보하기 어려울 수 있는 다형성 정보를 제공하는 결정 격자 진동에 민감합니다. 이는 Raman을 매우 효과적으로 사용해 결정화 및 다른 복잡한 공장을 연구할 수 있게 합니다. 

현대식의 초소형 Raman 분광기는 Raman 산란을 유도하기 위한 여기원 역할의 레이저를 포함해 일부 기본 구성 요소로 구성되어 있습니다. 일반적으로 고체 상태 레이저가 532 nm, 785 nm, 830 nm, 1064 nm의 가장 많이 사용되는 파장을 활용하는 현대식 Raman 기기에서 사용됩니다. 파장 레이저가 짧을 시 보다 높은 Raman 산란 교차 섹션으로 인해 결과 신호가 크지만, 형광 입사 또한 짧은 파장에서 증가합니다. 이러한 이유로 인해 수많은 Raman 시스템은 785 nm 레이저를 사용합니다. 레이저 에너지는 광섬유 케이블을 통해 샘플로 전달되고 샘플에서 수집됩니다. 노치 또는 에지 필터를 사용해 Rayleigh 및 반 Stokes 산란을 제거하고 남은 Stokes 산란광이 분산 요소, 일반적으로 홀로그래픽 격자로 전달됩니다. CCD 검출기가 빛을 포착하고 Raman 스펙트럼을 확보합니다. Raman 산란으로 약한 신호가 생성되기 때문에, 고품질의 광학적으로 잘 맞는 구성 요소를 Raman 분광기에서 사용하는 것이 가장 중요합니다. 

스펙트럼이 실험 과정 전반에 걸쳐 일관적으로 수집될 경우, 역학, 메커니즘, 반응 중 형태 변화에 대한 중요 정보를 제공하는 ‘분자 비디오’를 공개할 수 있습니다. 기존에는, 이러한 분석은 주요 관심 영역을 발견하고 시간의 흐름에 따라 파동수의 추세를 파악하는 데 있어 전문적인 지식을 갖춘 분광기 사용자들이 수행했습니다. 그러나, 소프트웨어의 발전은(iC Raman 의 ‘동향 찾기’ 특성 등) 전문가와 비 전문가가 보다 빠르고, 확신 있는 의사 결정을 위해 핵심 정보를 쉽게 추출할 수 있는 방식으로 이러한 전문 지식을 자동화할 수 있게 하였습니다.

작지만 강한 성능 ReactRaman은 동종 최고 성능과 유연한 설계를 결합합니다. 분광기는 작고, 가벼우며, 열적으로 안정적이고, 필요할 때마다 뛰어난 결과를 제공합니다.

빠르고, 정확한 결과 현장 모니터링에 최적화된, ReactRaman은 정밀하고 민감한 스펙트럼을 제공해 iC Raman 의 One Click Analytics­™로 결과를 쉽게 변환할 수 있습니다.

통합 플랫폼 포괄적으로 이해하고 제어하기 위해 Mid-IR, 입자 특성화, 자동화 화학물질 반응기와 결합하였습니다.

전문 지식 공유. 30년 이상의 반응 분석 전문 지식을 갖춘 메틀러 토레도는 고성능 솔루션을 개발해 과학자들이 어려운 화학물질 문제를 해결할 수 있도록 하는 데 전념하고 있습니다.

ReactRaman 분광기는 다음을 포함하는 통합 제품군의 일부입니다.

• ReactIR 현장 FTIR 분광기
• ParticleTrack 및 ParticleView 인라인 입자 특성화
• EasyMax, OptiMax, RX-10 화학 합성 반응기
• EasySampler 인라인 자동화 샘플링

화학 및 공정 개발을 위해 특별 설계된 이러한 도구들은 강력한 iC 소프트웨어 플랫폼과 결합하여 포괄적인 공정 이해를 할 수 있게 합니다.