일반적으로 라만 효과라고 불리는라만 산란은 산란 에너지의 형태로 진동 운동에 대한 분자의 분극 변화를 포함하는 2광자 현상입니다.
레이저(단일 주파수)의 빛이 샘플에 닿으면 분자의 전자 구름의 분극화가 변화하여 분자가 일시적이고 더 높은 가상 에너지 상태가 됩니다. 이 가상 상태는 수명이 짧으며, 재방출된 에너지는 산란광으로 방출됩니다.
산란광은 다음과 같을 수 있습니다.
raman spectroscopy overview video
라만 산란이란?
라만 산란 과정
양자 역학에서 설명하는 라만 산란 과정은 광자가 분자와 상호 작용할 때 분자가 더 높은 에너지의 가상 상태로 발전할 수 있습니다. 이 더 높은 에너지 상태에서 몇 가지 다른 결과가 있을 수 있습니다. 그러한 결과 중 하나는 분자가 다른 에너지의 광자를 생성하는 초기 상태와 다른 진동 에너지 수준으로 이완된다는 것입니다. 입사 광자의 에너지와 산란된 광자의 에너지 사이의 차이를 라만 이동이라고 합니다.
산란된 광자의 에너지 변화가 입사된 광자보다 작을 때 산란을 스톡스 산란(Stokes scatter)이라고 합니다. 일부 분자는 진동적으로 여기된 상태에서 시작하여 더 높은 에너지 가상 상태로 발전할 때 초기 여기 상태보다 낮은 최종 에너지 상태로 이완될 수 있습니다. 이 산란을 안티 스톡스라고 합니다.
유도 라만 산란
유도 라만 산란(SRS)은 비선형 라만 분광법의 또 다른 예입니다. 유도 라만 산란은 과도한 수의 스톡스 광자가 존재하거나 여기 빔에 의도적으로 추가될 때 발생합니다. 이 파장은 다른 모든 라만 활성 모드가 억제되면서 이후에 크게 증폭되는 일반 라만 스펙트럼에서 가장 강한 모드와 일치합니다.
매우 강한 레이저 펄스를 샘플에 조사하면 새로운 비선형 현상이 관찰될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 펄스 레이저에 의해 생성된 전기장은 연속파(CW) 레이저에 의해 생성된 것보다 약 5배 더 크기 때문에 훨씬 더 많은 비율의 입사광을 유용한 라만 산란으로 변환하여 신호 대 잡음비를 크게 개선하며 표준 스톡스 라만 분광법과 달리 검출 한계가 측정 가능하게 낮아집니다.
표면 강화 라만 산란
표면 강화 라만 산란(SERS)은 약한 라만 신호를 증폭하는 데 사용되는 한 가지 분석법입니다. 라만 신호는 검출에 사용할 수 있는 산란 광자의 수가 통계적으로 낮기 때문에 본질적으로 약합니다.
SERS는 일반적으로 금 또는 은의 나노 구조 또는 거친 금속 표면을 사용합니다. 이러한 금속 구조의 레이저 여기는 표면 전하를 유도하여 강화된 전기장인 국소 플라즈몬 필드를 생성합니다.
분자가 표면에 가까워지고 결과적으로 전기장이 강화되면 라만 신호가 크게 향상되는 것을 관찰할 수 있으며, 결과적으로 일반 라만 산란보다 수십 배 더 큰 라만 신호가 생성됩니다. 이를 통해 라벨링 후 형광 측정과 같은 단계를 공정에 추가할 필요 없이 낮은 농도를 검출할 수 있습니다.
SERS는 실험실 및 현장, 법의학 검사 및 의료 진단 시 약물 발견부터 분석 검사에 이르기까지의 다양한 Application에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
일관된 안티 스톡스 라만 산란
일관된 안티 스톡스 라만 산란(CARS)은 약한(자발적) 라만 신호를 향상시키는 데 사용되는 여러 레이저의 비선형 혼합 공정을 기반으로 합니다. CARS 공정에서 펌프 레이저 빔과 스톡스 레이저 빔이 상호 작용하여 특정 주파수에서 안티 스톡스 신호를 생성합니다. 펌프와 스톡스 레이저 간의 주파수 차이(비트 주파수)가 라만 활성 진동 모드의 주파수와 일치하면 분자 발진기가 일관되게 구동됩니다. 그 결과, 향상된 안티 스톡스(단파장) 라만 신호가 생성됩니다.
CARS 기술 발전의 혜택을 받는 두 가지 분야는 세포 생물학과 조직 이미징입니다. 전통적으로, 세포 조사는 형광 분광법을 사용하여 수행됩니다. CARS를 사용하면 관심 분자에 라벨을 지정하지 않고도 동일한 화학적 특정 정보를 수집할 수 있으므로 서브미크론 규모의 정보를 제공할 수 있습니다.
라만 대 Rayleigh 산란
대부분의 광자는 분자와 상호작용할 때 탄성적으로 산란됩니다. 작은 부분(약 1,000만 개의 광자 중 1개)은 입사 광자와 다른 주파수로 비탄성적으로 산란되며 일반적으로 그보다 낮은 주파수에 있습니다. 탄성적으로 산란된 광자는 Rayleigh 산란이라고 하며 분석 값이 없습니다. 비탄성적으로 산란된 광자를 라만 산란이라고 합니다.
C.V. 라만은 비탄성적으로 산란되는 광자의 에너지가 빛을 산란시키는 물질에 대한 '지문' 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 그 결과, 현재 라만 분광법은 화학 실험실 및 공정에서 거의 모든 물질을 식별하기 위해 일반적으로 사용됩니다.
스톡스 및 안티 스톡스 라만 산란
그림의 에너지 레벨 다이어그램은 라만 산란을 보여줍니다. 초기 상태는 일반적으로 바닥 진동 레벨 상태(v0)와 최종 상태(v1)입니다. 라만 산란은 분자에서 라만 산란으로의 다음 두 단계를 필요로 합니다.
- 분자를 가상 에너지 상태로 여기시키는 광자 에너지
- 분자는 상승된 바닥 상태(예: v1)로 이완됩니다(라만 산란).
탄성 산란이라고도 하는 Rayleigh 산란은 그림 1(E1=E2)과 같이 여기 주파수가 산란된 방사선과 동일할 때 발생합니다. Rayleigh 산란은 분자의 화학적 조성에 대한 정보를 제공하지 않습니다.
비탄성 산란이라고도 하는 스톡스 산란은 분자가 그림의 오른쪽에 표시된 것처럼 진동 에너지의 순 변화를 갖는 경우 발생합니다(E1>E2). Rayleigh 산란과 달리, 스톡스 산란은 분자의 화학적 조성에 대한 정보를 제공합니다.
라만 산란 Application
결정 다형성: 다형성은 분자가 하나 이상의 결정 상태로 존재할 수 있을 때 발생합니다. 많은 결정성 물질이 특정한 열역학적 조건 하에서 결정 격자 에너지를 최소화하기 위해 상이한 다형체를 형성할 수 있습니다. 화학적 특성은 동일하게 유지되는 반면, 물리적 속성(용해도, 용해, 핵형성 및 성장 역학, 생체 이용률, 형태학 및 분리 속성)은 다형체 사이에서 변화할 수 있습니다. 라만 분광법은 결정화 공정을 최적화하면서 형태의 차이를 기록하고 형태를 측정하는 데 이상적입니다.
중합: 라만 분광법은 분자 백본, 특히 이중 및 삼중 탄소 결합에서 (IR보다) 더 강한 신호를 제공하는 경향이 있습니다. 이러한 이유로, 폴리머를 식별하고 중합 반응을 모니터링하는 데는 라만이 더 나은 선택이 될 수 있습니다. 압출 화학, 중합 중 미세 구조 분석 및 폴리에틸렌 밀도(LDPE/HDPE) 계산은 라만 분광법이 사용되는 몇 가지 실제적인 Application에 불과합니다.
화학 합성: 현장(In-situ) 라만 분광법은 적외선 분광법이 민감하지 않을 수 있는 화학 합성의 주요 반응 변수(예: 실리콘, 티올, 디설파이드 등)를 모니터링하는 데 유용한 기법입니다. 개시, 종말점, 동역학, 일시적 중간 생성물 및 메커니즘 정보와 같은 주요 반응 변수는 안전하고 강력한 공정 개발 분석법을 보장하기 위해 반드시 알고 완전히 특성화해야 하는 중요한 측면입니다.
IR 대 라만 분광법
라만 분광법은 분자 분광법의 산란 형태이며 진동 전이로부터 분자의 구조 및 특성에 대한 정보를 제공하기 때문에 종종 IR 분광법과 비교됩니다. 라만과 달리, IR 분광법은 입사광의 주파수가 광자를 흡수(산란되지 않음)할 수 있는 분자의 특정 진동 모드의 진동 주파수와 같을 때 발생하는 흡수 기법입니다. 이는 분자의 쌍극자 모멘트와 관련된 단일 광자 현상입니다.
IR과 라만 모두에 대한 이러한 분자별 전이는 스펙트럼으로 표시할 때 조사 중인 화합물에 고유한 패턴 또는 지문을 제공합니다. 분자의 대칭 속성으로 인해, 비대칭 분자를 조사할 때 라만 스펙트럼에서 볼 수 있는 진동이 IR 스펙트럼에서 보이지 않을 수 있으며(또는 약하게 관찰됨) 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이 거동은 이러한 유형의 상호 작용을 제어하는 선택 규칙에 요약되어 있습니다. 유사하지만 고유한 이러한 기술을 통해 얻은 분자 정보를 기반으로 라만 및 IR은 상호 보완적인 기술로 간주됩니다.
라만 산란 분광법
라만 분광법으로 산란 검출
레이저는 여러 기본 부품으로 구성된 최신 라만 분광기에서 라만 산란을 일으키는 여기 소스 역할을 합니다. 광섬유 케이블은 샘플에서 레이저 에너지를 보내고 받는 데 사용됩니다. Rayleigh 및 안티 스톡스 산란은 노치 또는 에지 필터를 사용하여 제거되며, 스톡스에 의해 여전히 산란되는 빛은 분산 요소, 일반적으로 홀로그래픽 격자로 보내집니다. 그런 다음 빛은 CCD 검출기에 의해 캡처되어 라만 스펙트럼을 생성합니다. 라만 산란은 희미한 신호를 생성하므로 광학적으로 잘 일치하는 고품질 구성 요소를 라만 분광기에 활용하는 것이 중요합니다.
라만 분광법의 성공은 다음과 같은 요소에서 비롯됩니다.
여기를 위해 매우 컴팩트하고 안정적인 다이오드 레이저 사용
소형 저미광 분광기
레이저 파장(Rayleigh 산란)에서 라만 산란을 선택하고 분리하기 위한 효율적이고 정밀한 광학 필터의 설계 및 제조 발전
약한 라만 산란 신호를 검출하고 처리하기 위한 고성능 CCD 어레이.
이러한 기능은 분석 및 공정 개발 실험실에서 라만을 폭넓게 수용하게 만든 기기에 기여합니다.
라만 분광기는 자동화 실험실 반응기와 결합하여 결정화 및 다형체 조사를 위한 고유하고 자동화된 워크스테이션을 제공하여 귀중한 시간과 자원을 절약할 수 있습니다. 시스템 간의 데이터 공유를 통해 단일 실험에서 포괄적인 개요 및 중요한 이벤트(분주, 열 변화, 다형 전이 시작, 전이 종료 등)에 대한 보고서를 생성합니다.
ReactRaman™ 802L
단순화된 라만 분광법
데이터 수집에서부터 분석에 이르기까지, iC Raman™이 포함된 ReactRaman™은 모든 실험실에 구성 분석을 제공합니다. 자동 파라미터 선택은 정확한 데이터 수집을 제공하여 과학자들이 자신감 있는 결과를 얻을 수 있도록 합니다. 모든 사용자를 위해 모든 공정에서 처음부터, 매번.
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반응 분석을 위한 업계 표준 iC 소프트웨어를 사용하여 데이터 수집 및 분석을 빠르고 쉽게 수행할 수 있습니다. iC 소프트웨어는 여러 직교 데이터 스트림을 원활하게 통합하여 포괄적인 공정 이해를 유도하는 공정 변수를 연결합니다.
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인용 및 참고 자료
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FAQ
라만 산란의 원인은 무엇입니까?
라만 산란은 단색광(레이저)의 광자가 분자와 접촉하여 비탄성 광자를 방출할 때 발생합니다.
Rayleigh와 라만 산란의 차이점은 무엇입니까?
분자와 상호작용할 때 대부분의 광자는 탄성적으로 분산됩니다. 아주 작은 비율은 들어오는 광자와 다르고 일반적으로 더 낮은 주파수에서 비탄성적으로 분산됩니다. Rayleigh 산란은 분석 값이 없는 탄성적으로 산란된 광자를 의미하는 반면 라만 산란은 비탄성적으로 산란된 광자를 의미합니다.
유도 라만 산란(SRS)이란?
비선형 라만 분광법의 또 다른 유형은 유도 라만 산란입니다. 유도 라만 산란은 여기 빔에 과도한 스톡스 광자가 있거나 의도적으로 도입될 때 발생합니다. 이 파장은 표준 라만 스펙트럼에서 가장 밝은 모드에 해당하며, 다른 모든 라만 활성 모드가 음소거되는 동안 실질적으로 증폭됩니다. 유도 라만 산란에 대해 자세히 읽어보십시오.
표면 강화 라만 산란(SERS)이란?
표면 강화 라만 산란은 일반적으로 금 또는 은과 같은 나노 구조 또는 거친 금속 표면을 사용하여 약한 라만 신호를 증폭하는 데 사용되는 분석법입니다. 표면 강화 라만 산란에 대해 자세히 알아보십시오. 표면 강화 라만 산란에 대해 자세히 읽어보십시오.
라만 원리란 무엇입니까?
라만 효과는 분자 진동으로 인해 발생하는 다양한 파장에서의 라만 산란(비탄성)뿐만 아니라 입사 빔과 동일한 파장에서의 Rayleigh 산란(탄성)을 포함하는 광 산란을 기초로 합니다. Rayleigh 산란은 라만 산란보다 약 100만 배 더 강렬합니다.
라만 산란의 역사는 무엇입니까?
1928년, C.V. 라만 경과 K.S. Krishnan 경은 현재 라만 효과로 알려진 현상을 관찰했으며 라만 분광법의 기초가 되었습니다. 이 현상은 일반적으로 더 낮은 에너지에서 비탄성 산란이 뒤따르는 분자와 광자의 상호작용을 포함합니다. 일반적으로 광자는 탄성적으로 산란됩니다. 이러한 1,000만 분의 1의 낮은 에너지, 비탄성 산란 광자는 스톡스 산란이라고 하며, 분자 내의 결합에 따라 특정 분자 구조에 대한 고유한 스펙트럼 Signature를 생성합니다.
그들의 실험은 단색광을 사용하여 수행되었고, 햇빛은 단색만을 남기도록 필터링되었으며, 1923년에는 많은 액체가 빛의 색상을 변화시키지만 매우 약하다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 그들은 1927년에 입사된 청색광이 녹색으로 변하는 글리세린에 의해 산란된 빛으로부터 특히 강한 색상 변화를 발견했습니다. 마침내 1928년에 최초의 라만 스펙트럼이 구축되었고 이후 재료 과학이 발전함에 따라 레이저, 광학 및 검출기 분야에서 수많은 공학적 개선이 이루어졌습니다.