라만 vs. IR 분광법

라만 및 푸리에 변환 적외선, 즉 FTIR 분광법은 화학 및 생물학 샘플의 구조와 조성에 대한 분자 정보를 제공합니다. 각 기술에 적용된 기초 원리로 인해 두 분석법은 상호 보완적인 정보를 제공합니다. 그러나 Application의 특성에 따라 하나의 기술이 더 나은 선택인 경우가 많습니다.

a. 라만 분광법은 분자 내 및 분자 간 진동에 대한 정보를 제공합니다. 전자는 분자 내에서 원자의 특정 진동의 스펙트럼 특성을 제공하며, 물질, 형태 및 분자 백본 구성 등을 파악하는 데 유용합니다. 후자는 결정 격자 구조 및 다형체를 반영하는 저주파수 모드에 대한 정보를 제공합니다.

b. 적외선 분광법의 최고의 가치는 분자 내 진동이 잘 정의되어 있고 원자의 결합에 대한 고유성이 높은, 스펙트럼의 “지문 영역”을 살펴보는 능력에 있습니다.

이 두 기술의 차이에 대한 현실적 예는 결정화 공정의 조사이며, 여기서 라만 분광법은 고체 결정형을 분석하고 IR은 과포화와 같은 용액상 특성을 동시에 측정합니다.

라만 (Raman). 라만 효과는 약하며(종종 천만 건 중 한 건으로 언급됨), 단색광(레이저)의 광자가 분자와 상호작용하여 비탄력성 광자의 방출로 이어지는 에너지 사례에 기인합니다.

광자가 분자와 상호작용할 때 전자는 더 높은 에너지 수준으로 여기될 수 있지만(즉, 여기된 가상 상태) 전자 전이를 완전히 겪지는 않습니다. 그 후 전자는 입사 에너지의 경우와는 다른 진동 에너지 수준으로 이완될 수 있습니다. 입사 광자 에너지와 산란 광자 에너지의 차이를 라만 이동(Raman shift)이라고 부릅니다. 분자와 빛의 상호작용은 분자의 전자 구름의 이동을 유도하여 분극성의 변화로 이어질 수 있습니다. 분자에는 분극성의 변화가 발생하는 분자 간 결합과 관련한 특정 에너지 전이가 있으며, 이 변화로 인해 라만 활성 모드가 증가합니다. 라만 이동의 빈도는 여기되는 결합의 유형과 관련이 있으며, 이 라만 피크의 강도는 그 결합의 수와 비례합니다.

IR. 적외선(IR) 분광법은 분자의 기초 진동과 일치하는 주파수에서 분자에 의한 빛 흡수에 의존하는 더 강력한 기술입니다. 강한 쌍극이 있는 작용기의 분자는 IR에서 강한 피크를 나타내는 반면, 약한 쌍극이 있고 분극성의 변화가 발생하기 쉬운 작용기는 Raman에서 강한 피크를 나타냅니다.

분자 내 원자의 움직임은 그 결합 강도와 관련된 고유 진동 주파수입니다. 결합 진동의 주파수가 그 진동을 향한 IR 방사선의 주파수와 동일하면 결합이 방사선을 흡수합니다. 분자의 결합이 흡수하는 특정 IR 주파수는 분자의 IR 스펙트럼 상승을 야기합니다.

아래에는 각 기술의 장점 및 한계와 더불어 각 기술에 적합한 반응이 나와 있습니다. 그 다음 장비가 주요 Application 영역에 어떤 가치를 제공할 수 있는지, 그리고 추가로 읽어볼 최근의 학술지 기사를 살펴볼 것입니다.

라만 및 IR 분광법은 반응 종의 실시간 프로파일링을 제공하고 반응 시작, 진행, 일시적 중간 생성물 및 종말점을 추적합니다. 또한 신속한 동역학 데이터 개발이 가능하게 하고, 제안된 반응 메커니즘을 뒷받침합니다.

두 분광법은 모두 촉매 벌크 및 표면 구조를 조사하고, 촉매 표면에 흡수된 종을 연구하며, 리간드-금속 결합을 살펴보고, 구조-활성도 관계를 개발하며, 반응 변수가 생성물 수율, 품질 및 촉매 활성도에 미치는 영향을 측정함으로써 촉매 공정을 최적화할 수 있습니다. 이 모두는 실제 압력/온도에서 현장 IR 및 라만 분광법을 통해, 그리고 유동 상태의 균일 촉매 반응을 분석함으로써 수행할 수 있습니다.

광범위한 반응 분류에서 인라인 화학적 불활성 플로우 셀(라만) 및 ATR 플로우 셀(IR)을 사용하여 유동 반응의 안정성을 지속적으로 모니터링 및 보장하십시오. IR 및 라만 기술은 주요 반응 종을 다양한 유동 조건의 함수로 추적함으로써 유동 상태에서 신속한 공정 최적화를 지원합니다.

현장 IR은 결정화 개발을 위해 용액상에서 용질을 측정하며, 현장 라만 분광법은 결정 성장과 다형성을 용매, 결정핵 삽입, 냉각 프로필, 온도 및 pH의 함수로 측정합니다.

현장 IR 및 라만 분석은 일차 포획, 버퍼 교환, 정제, 바이오접합 및 배합을 비롯한 다양한 다운스트림 공정 단계를 지원하는 데 활용할 수 있습니다. 이러한 Application 등에서 실시간 분석은 기존의 오프라인, 샘플 채취 분석과 관련된 병목현상과 지연을 없애줍니다.

라만 분광법은 중합체 백본 구조, 사슬 길이, 개환(ring opening) 및 확인을 분석하는 데 매우 유용합니다. 긴 사슬 분자와 작용기의 곁사슬(측쇄), 말단기 분석에 IR 분광법을 사용하십시오. 추출 샘플링 및 오프라인 분석의 필요 없이 반응 동역학, 모노머 전환율, 반응성 비율, 활성화 에너지, 개시제의 역할, 중간 생성물 및 부산물 생성에 대한 데이터를 모두 실시간으로 획득하십시오. 현장 분석은 빠른 중합 동안 반응 점도 증가 및 분석 데이터 포인트 누락으로 인한 오프라인 샘플링의 재현불가성을 제거하여 보다 정확한 동역학 데이터를 제공합니다. 

이 두 기술의 샘플에 대한 계측 및 인터페이스는 접근 방식이 유사하지만 세부사항에서 차이가 있습니다.

라만 분광기는 레이저를 소스(일반적으로 가시 또는 near-IR 레이저)로 활용하는 반면, IR 분광기는 일반적으로 흑체(black body) 방사기(glow bar 등)를 사용하여 중간 적외선 영역에 에너지를 제공합니다.

또한 광기계 시스템에 차이가 있는데 라만 분광기는 고감도 CCD 검출기를 통한 홀로그래픽 격자를 사용하는 반면 FTIR 분광기는 간섭계를 사용하여 초전기성(DTGS) 또는 보다 민감한 포토닉(MCT) 검출기에 의해 검출되는 변조 방사선을 제공합니다.

두 기술 모두 현장 반응 모니터링을 위해 광섬유 프로브를 사용합니다. 라만의 경우 광섬유는 실리카로 이루어져 있으며, 수 미터(2 m)에서 수 미터(>50 m) 또는 수 킬로미터에 이를 수 있습니다. IR 섬유 프로브는 칼코겐화물 유리 또는 할로겐화은(AgX)과 같이 mid-IR 방사선을 전송하는 금속으로 이루어져 있으며, 광섬유 소재에 의한 IR 에너지의 자연 감쇠로 인해 길이가 제한됩니다(<4 m). FTIR 분광법에서 샘플과 프로브 간의 접촉은 다이아몬드 또는 실리콘 결정으로 제작된 내부 반사 ATR 센서인 반면, 현장 라만 측정의 경우 샘플과의 접촉은 사파이어 렌즈를 사용하여 사파이어 렌즈/샘플 접촉부 주변의 점으로 레이저를 집중시킵니다.

ReactIR 및 ReactRaman은 반응 특성화 향상을 위해 반응 동역학, 메커니즘 및 경로 정보에 대한 동시 이해를 제공하는 iC 소프트웨어 플랫폼으로 결합된 통합 제품군의 일부입니다.

ReactRaman은 화학 반응 및 결정화 공정의 현장 모니터링에 최적화된 초소형, 소형, 교체형 프로브 또는 플로우 셀 기반 라만 시스템입니다. 이 시스템은 훌륭한 산란 교차 섹션을 유지하는 동시에 샘플 형광성을 낮춰 라만 신호를 극대화하기 위해 785 nm 고체 상태 레이저를 사용합니다. 레이저 에너지는 광섬유 케이블을 통해 샘플로 전송되고 샘플에서 수집되며, 사파이어 렌즈가 장착된 화학 경화 삽입 프로브가 샘플과 접촉합니다. 산란 에너지는 고성능 홀로그래픽 격자를 통과하며, 마지막으로 CCD 검출기가 이 에너지를 포착하여 라만 스펙트럼을 생성합니다.

ReactIR은 화학 반응 모니터링 전용의 소형 FTIR 시스템으로, 배치 또는 연속 유동 합성과 각각 접촉하는 교체형 삽입 프로브 또는 플로우 셀을 사용합니다. FTIR 분광기는 일반적으로 광원(일반적으로 적외선 glow bar), 고정식 및 이동식 미러가 모두 있는 간섭계, 그리고 열 또는 포토닉 검출기의 핵심 구성요소로 이루어져 있습니다. 광원의 광범위한 대역 적외선 에너지를 빔 스플리터로 쬐면, 에너지가 두 개의 다른 경로를 통해 통과합니다. 한 경로는 고정식 미러, 다른 한 경로는 이동식 미러입니다. 이러한 두 경로의 적외선 에너지는 돌아가고, 건설적이면서 파괴적인 방해 패턴, 간섭도를 일으키며 빔 스플리터로 재결합합니다. 이러한 변조 적외선 빔은 샘플을 통과하며, 이 때 샘플의 분자 구조의 함수로 흡수되므로 분석을 위한 IR 스펙트럼을 생성합니다.

ReactIR 및 ReactRaman은 실시간 분광법과 사용 편의성의 장점을 통합합니다. 그 결과, 전문가와 비전문 사용자 모두 종합적인 반응을 이해할 수 있습니다.

1. 소형 및 휴대용. 작고 적재 가능한 장치는 배기 후드나 글로브 박스의 공간을 절약하여 현장 분광기를 가장 좋은 위치에 배치할 수 있는 유연성을 제공합니다.

2. 연결 즉시 실행 가능. 뛰어난 시스템 성능과 최적화된 프로브 통합의 조합은 액체 질소와 같은 특별한 요구사항 없이 안정성과 감도를 제공합니다.

3. 원클릭 분석. 자동화된 반응 프로필 및 추세 분석 기능으로 고품질 정보를 빠르게 획득합니다. 발전되고 직관적인 소프트웨어가 생성물 순도에 영향을 미치는 일시적 중간 생성물을 포함한 핵심 반응 종을 식별하고 추적합니다.

4. 통합된 합성 플랫폼. 업계 표준 iC 소프트웨어를 사용하면 합성, 결정화 및 기타 단위 작업을 위한 공정 및 분석 데이터의 완벽한 업무 프로세스 자동화 및 통합이 가능합니다.

5. 모든 유형의 화학 연구. 다양한 배치 및 유동 기반 옵션으로 반응성이 강한 반응물과 시약에서도 광범위한 조건의 화학 연구를 지원합니다.

Ya Wang, Jun Yu, Yanding Wang, Zhuwen Chen, Lei Dong, Rongming Cai, Mei Hong, Xia Long and Shihe Yang, “in-situ templating synthesis of mesoporous Ni–Fe electrocatalyst for oxygen evolution reaction”, RSC Adv., (2020), 10, 23321.

저자들은 산소 방출 반응을 위한 전기 화학 촉매를 만들기 위해 Ni²⁺ 및 Fe³⁺ 이온을 확산하는 프레임워크로 무정형 다공성 실리카흄(MFS)의 사용을 보고합니다. X-ray 광전자 분광법 측정과 함께 사용한 라만 분광법 측정은 Ni²⁺ 이온이 표면 Si-OH기에 공유 결합하는 반면, Fe-Si-O 결합은 Fe³⁺ 이온의 MFS 프레임워크로의 주입을 통해 형성됨을 시사합니다.

MFS에서 345–450, 575, 750, 973 및 1070 cm^-1의 라만 대역은 다양한 Si-O-Si 진동 및 Si-OH 스트레칭과 관련이 있습니다. Fe 함량이 높을 때 332, 495 및 1163 cm^-1의 라만 대역이 나타나며 Fe–O–Si 종에 할당됩니다. Ni 함량이 높은 MFS의 경우 973 cm^-1의 Si-OH 스트레칭 대역은 감소하며 다른 대역은 존재하지 않습니다. 이는 Ni가 표면 Si–OH에 결합하며 MFS 실리카 프레임워크의 일부가 아님을 시사합니다. 라만 분광법의 저주파수 진동 측정 능력은 결합에 대한 이러한 통찰을 얻는 데 중요했습니다. 

Kallakuri Suparna Rao, Fredéric St-Jean, Archana Kumar, “Quantitation of a Ketone Enolization and a Vinyl Sulfonate Stereoisomer Formation Using Inline IR Spectroscopy and Modeling”, Org. Process Res. Dev. 2019, 23, 945−951.

저자들은 ReactIR을 사용하여 2단계, 1포트 반응에서 케톤 에놀화 및 토실화를 통한 4-치환 비고리형 올레핀의 생성을 조사했습니다. 저자들은 1685 cm^-1의 케톤 카르보닐 대역에 기반한 단변량 모델링을 통해 케톤이 에놀레이트로 변환되는 과정을 성공적으로 추적했습니다. 그 후 시재료의 소모율을 추적하고, 완료를 변화하는 반응 조건의 함수로 정의하기 위해 모델이 사용되었습니다.

두 번째 단계에서 E 대 Z 4-치환 비닐 토실레이트 이성질체 생성물의 비율을 결정하기 위해, 연구자들은 전체 스펙트럼 현장 IR 및 오프라인 HPLC 데이터를 사용하여 PCA 및 PLS 다변량 모델을 구축했습니다. 이 모델을 통해 후속 반응에서 두 이성질체의 상대적 양을 측정할 수 있었으며, 모델은 변화하는 조건에서 획득한 반응의 데이터를 통해 검증되었습니다.

Wanya Li, Peng Shi, Lina Jia, Yanxiao Zhao, Binqiao Sun, Mingtao Zhang, Junbo Gong, Weiwei Tang, “Eutectics and Salt of Dapsone With Hydroxybenzoic Acids: Binary Phase Diagrams, Characterization and Evaluation”, J. Pharm. Sci., (2020), 109(7), 2224-2236.

저자들은 새로운 다성분 고체를 생성하기 위한 항균성 댑손과 히드록시벤조산 이형체의 합성을 보고합니다. 이 고체의 구조와 특성은 X-ray 회절, DSC, IR 및 라만 측정을 통해 결정되었으며, 2,6-디히드록시벤조산(26DHBA)이 있는 DAP의 새로운 염분과 기타 히드록시벤조산이 있는 4개의 공융 혼합물이 생성되었음을 시사했습니다. IR 및 라만 측정은 새로운 염분에서 이온 상호작용이 발생했음을 시사했습니다.

DAP와 26DHBA의 1:1 물리적 혼합물의 IR 스펙트럼은 추가적 스펙트럼이며 두 개별 화합물의 스펙트럼으로 이루어집니다. 새로운 DAP-26DHBA(1:1) 생성물의 IR 스펙트럼은 중요한 변화를 보여줍니다. 예를 들어 1677 cm^-1에서 26DHBA에 대한 카르보닐 주파수는 소멸되며, 1386cm^-1에서 새로운 대역이 생성물의 스펙트럼에 나타나는데. 이는 이온 염분의 생성을 시사합니다. DAP-26DHBA(1:1) 생성물에 대한 라만 측정의 스펙트럼 변화는 IR 결과와 일치합니다. 또한 DAP-SAL, DAP-3HBA, DAP-4HBA 및 DAP25DHBA 공융 혼합물[살리실산(SAL), 3-히드록시벤조산(3HBA), 4-히드록시벤조산(4HBA), 2,5-디히드록시벤조산(25DHBA) 및 2,6-디히드록시벤조산(26DHBA)]의 라만 스펙트럼은 각 개별 화합물의 스펙트럼과 일치했는데, 이는 공융 혼합물에 새로운 결정상이 존재하지 않음을 시사합니다.

IR 분광법

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