라만 분광법

Raman spectroscopy
라만 스펙트럼과 관련된 상태를 보여주는 에너지 레벨 다이어그램.

라만 분광법(/ ˈr ɑːm ən/)(물리학자 C.V. 라만의 이름을 따서 명명됨)은 일반적으로 분자의 진동 모드를 결정하는 데 사용되는 분광 기술이지만 회전 및 기타 저주파 모드도 관찰할 수 있습니다. 라만 분광법은 분자를 식별할 수 있는 구조적 지문을 제공하기 위해 화학에서 일반적으로 사용됩니다.

라만 분광법은 라만 산란으로 알려진 광자의 비탄성 산란에 의존합니다. X선을 사용할 수도 있지만 일반적으로 가시광선, 근적외선 또는 근자외선 범위의 레이저에서 나오는 단색광 소스가 사용됩니다. 레이저 빛은 시스템의 분자 진동, 포논 또는 기타 여기와 상호 작용하여 레이저 광자의 에너지가 위 또는 아래로 이동합니다. 에너지의 변화는 시스템의 진동 모드에 대한 정보를 제공합니다. 적외선 분광법은 일반적으로 유사하지만 보완적인 정보를 제공합니다.

일반적으로 샘플은 레이저 빔으로 조명됩니다. 조명을 받은 지점의 전자기 방사선은 렌즈로 수집되어 단색기를 통해 전송됩니다. 레이저 라인(Rayleigh scattering)에 대응하는 파장에서 탄성 산란된 방사선은 노치 필터(notch filter), 에지 패스 필터(edge pass filter) 또는 밴드 패스 필터(band pass filter) 중 어느 하나에 의해 필터링되고, 수집된 빛의 나머지는 검출기로 분산되는 것을 특징으로 하는 레이저 라인에 대응하는 탄성 산란 방사선.

자발적인 라만 산란은 일반적으로 매우 약하기 때문에 수년 동안 라만 스펙트럼을 수집하는 데 있어 가장 큰 어려움은 강한 Rayleigh 산란 레이저 빛으로부터 약한 비탄력적으로 산란된 빛을 분리하는 것("레이저 거절"이라고 함)이었습니다. 역사적으로 라만 분광기는 홀로그램 격자와 다중 분산 단계를 사용하여 높은 수준의 레이저 거부 반응을 달성했습니다. 과거에는 광전자 증배관이 분산 라만 설정을 위해 선택된 검출기였으며, 이로 인해 획득 시간이 길었습니다. 그러나 현대 계측은 거의 보편적으로 레이저 거부를 위해 노치 또는 에지 필터를 사용합니다. 분산형 단일 스테이지 분광기(축 투과(AT) 또는 Czerny-)푸리에 변환(FT) 분광기도 NIR 레이저와 함께 사용하는 것이 일반적이지만 CCD 검출기와 쌍을 이루는 터너(CT) 단색기가 가장 일반적입니다.

"라만 분광법"이라는 이름은 일반적으로 샘플에 흡수되지 않는 레이저 파장을 사용하는 진동 라만을 말합니다. 라만 분광법에는 표면 강화 라만, 공진 라만, 팁 강화 라만, 편광 라만, 자극 라만, 전송 라만, 공간 오프셋 라만 및 하이퍼 라만을 포함한 많은 다른 변형이 있습니다.

역사

1923년 아돌프 스메칼에 의해 빛의 비탄성 산란이 예측되었지만,[2] 실제로는 1928년까지 관측되지 않았습니다. 라만 효과는 1928년 K. S. 크리슈난과 함께 유기 액체에서, 그리고 독립적으로 그리고 그리고 리오니드 만델스탐에 의해 무기 결정에서 효과를 관찰한 인도 과학자 C. V. 라만의 이름을 따서 지어졌습니다.[1] 라만은 이 발견으로 1930년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 기체에서 라만 스펙트럼을 처음으로 관찰한 것은 1929년 프랑코 라세티에 의해서였습니다.[3][4]

라만 효과에 대한 체계적인 선구적 이론은 1930년에서 1934년 사이에 체코슬로바키아 물리학자 조지 플라체크에 의해 개발되었습니다.[5] 수은 아크는 주요 광원이 되었고, 처음에는 사진 검출, 그 다음에는 분광 광도계 검출로 시작되었습니다.

발견된 후 몇 년 동안 라만 분광법을 사용하여 분자 진동 주파수의 첫 번째 카탈로그를 제공했습니다. 일반적으로 샘플을 긴 튜브에 넣고 가스 방전 램프에서 생성된 여과된 단색광 빔으로 길이를 따라 조명했습니다. 샘플에 의해 산란된 광자는 튜브 끝에 있는 광학 플랫을 통해 수집되었습니다. 감도를 극대화하기 위해 시료를 고농축(1 M 이상)하여 비교적 많은 부피(5 mL 이상)를 사용하였습니다.

이론.

메인기사 : 라만산란

라만 효과의 크기는 분자 내 전자의 분극성과 상관관계가 있습니다. 이것은 비탄성 광 산란의 한 형태로, 광자가 샘플을 여기시키는 것입니다. 이 여기는 광자가 방출되기 전에 분자를 짧은 시간 동안 가상 에너지 상태로 만듭니다. 비탄성 산란은 방출된 광자의 에너지가 입사된 광자보다 낮거나 높은 에너지임을 의미합니다. 산란 이벤트 후 샘플은 다른 회전 또는 진동 상태에 있습니다.

분자가 새로운 로비브로닉(회전-진동-전자) 상태로 이동한 후에도 계의 총 에너지가 일정하게 유지되기 위해 산란된 광자는 다른 에너지로 이동하고, 따라서 다른 주파수로 이동합니다. 이 에너지 차이는 분자의 초기 및 최종 로비브론 상태 간의 에너지 차이와 같습니다. 최종 상태가 초기 상태보다 에너지가 높을 경우 산란된 광자는 총 에너지가 그대로 유지되도록 더 낮은 주파수(낮은 에너지)로 이동됩니다. 이러한 주파수 이동을 스톡스 시프트 또는 다운 시프트라고 합니다. 최종 상태의 에너지가 더 낮으면 산란된 광자는 더 높은 주파수로 이동하게 되는데, 이를 반 스톡스 시프트(anti-Stokes shift) 또는 업시프트(upshift)라고 합니다.

분자가 라만 효과를 나타내려면 로비브론 상태에 해당하는 진동 좌표에 대해 전기 쌍극자-전기 쌍극자 분극성에 변화가 있어야 합니다. 라만 산란의 강도는 이 편광도 변화에 비례합니다. 따라서 라만 스펙트럼(주파수 이동의 함수로서 산란 강도)은 분자의 로비브론 상태에 따라 달라집니다.

라만 효과는 샘플의 전자 구름과 단색광의 외부 전기장 사이의 상호작용에 기초하며, 이는 편광성에 기초하여 분자 내에 유도 쌍극자 모멘트를 생성할 수 있습니다. 레이저 빛은 분자를 들뜨게 하지 않기 때문에 에너지 준위 간의 실제 전이는 있을 수 없습니다.[6] 라만 효과는 여기된 전자 상태의 분자가 광자를 방출하고 접지 전자 상태로 돌아오는 방출(형광 또는 인광)과 혼동되어서는 안 됩니다. 많은 경우 접지 전자 상태 전위 에너지 표면에서 진동 여기 상태로 돌아갑니다. 라만 산란은 또한 적외선(IR) 흡수와 대조되며, 여기서 흡수된 광자의 에너지는 초기 및 최종 로비보닉 상태 사이의 에너지 차이와 일치합니다. 전기 쌍극자-전기 쌍극자 분극성 유도체에 대한 라만의 의존성은 전기 쌍극자 모멘트 유도체인 원자극 텐서(APT)에 의존하는 IR 분광법과도 다릅니다. 이 대조적인 기능은 IR에서 활성화되지 않을 수 있는 로비브론 전이를 중심대칭 분자의 상호 배제 규칙에 의해 예시된 바와 같이 라만 분광법을 사용하여 분석할 수 있게 합니다. 라만 강도가 큰 전이는 IR 강도가 약한 경우가 많고 그 반대의 경우도 있습니다. 결합이 강하게 편광되면 진동 중에 발생하는 것과 같은 길이의 작은 변화가 편광에 미치는 영향은 작습니다. 따라서 극성 결합(예: C-O, N-O, O-H)을 포함하는 진동은 상대적으로 약한 라만 산란체입니다. 그러나 그러한 편광 결합은 (대칭 인자에 의해 중화되지 않는 한) 진동 운동 동안 전하를 운반하고, 그 결과 진동 동안 더 큰 순 쌍극자 모멘트 변화를 일으켜 강력한 IR 흡수 밴드를 생성합니다. 반대로, 상대적으로 중성인 결합(예: C-C, C-H, C=C)은 진동 중에 편광도에 큰 변화를 겪습니다. 그러나 쌍극자 모멘트는 이러한 유형의 결합을 포함하는 진동이 강한 라만 산란체인 반면 IR에서는 약하기 때문에 유사하게 영향을 받지 않습니다. 세 번째 진동 분광 기법인 비탄성 일관성 없는 중성자 산란(INS)은 IR과 라만 모두 비활성일 수 있는 매우 대칭적인 분자의 진동 빈도를 결정하는 데 사용될 수 있습니다. IINS 선택 규칙 또는 허용된 전이 규칙은 IR 및 Raman의 것과 다르므로 세 가지 기술은 상호 보완적입니다. 이들은 모두 주어진 진동 전이에 대해 동일한 주파수를 제공하지만, 분자와 들어오는 입자, IR과 라만의 광자, INS의 중성자 간의 상호 작용 유형이 다르기 때문에 상대적인 강도는 다른 정보를 제공합니다.

라만 쉬프트

라만 이동은 일반적으로 파수로 보고되는데, 파수는 이 값이 에너지와 직접적인 관련이 있기 때문입니다. 라만 스펙트럼의 스펙트럼 파장과 파수 이동을 변환하기 위해 다음 공식을 사용할 수 있습니다.

여기서, δ ν̃는 파수로 표현되는 라만 쉬프트, λ는 여기 파장, λ는 라만 스펙트럼 파장입니다. 가장 일반적으로 라만 스펙트럼에서 파수를 표현하기 위해 선택된 단위는 역 센티미터(cm−1)입니다. 파장은 종종 나노미터(nm) 단위로 표현되기 때문에, 상기 공식은 이 단위 변환에 대해 명시적으로 확장될 수 있고, 다음을 제공합니다.

계측

라만과 크리슈난이 발표한 벤젠의 초기 라만 스펙트럼.[7]
하나의 가능한 분산 라만 분광 설정의 개략도입니다.[8]

현대 라만 분광법은 거의 항상 레이저를 여기 광원으로 사용합니다. 효과가 발견된 지 30여 년이 지나서야 레이저를 사용할 수 있었기 때문에 라만과 크리슈난은 수은 램프와 사진판을 이용해 스펙트럼을 기록했습니다. 초기 스펙트럼은 약한 광원, 감지기의 감도 저하 및 대부분의 재료의 약한 라만 산란 단면으로 인해 획득하는 데 몇 시간 또는 며칠이 걸렸습니다. 여기 및 검출을 위해 다양한 색상의 필터와 화학 용액을 사용하여 특정 파장 영역을 선택했지만 사진 스펙트럼은 여전히 여기 소스의 Rayleigh 산란에 해당하는 넓은 중심선에 의해 지배되었습니다.[9]

기술 발전으로 라만 분광법은 특히 1980년대 이후 훨씬 더 민감해졌습니다. 현재 가장 일반적인 현대식 감지기는 전하 결합 장치(CCD)입니다. CCD를 채택하기 전에는 포토다이오드 배열과 광전자 증배관이 일반적이었습니다. 좁은 대역폭을 가진 신뢰할 수 있고 안정적이며 저렴한 레이저의 등장도 영향을 미쳤습니다.[10]

레이저

라만 분광법은 레이저와 같은 광원이 필요합니다. 스펙트럼의 해상도는 사용되는 레이저 소스의 대역폭에 의존합니다.[11] 일반적으로 파장이 짧은 레이저는 라만 산란 단면의 ν 증가로 인해 더 강한 라만 산란을 주지만 샘플 열화 또는 형광 문제가 발생할 수 있습니다.

연속파 레이저는 일반 라만 분광법에 가장 일반적이지만 펄스 레이저도 사용할 수 있습니다. 이들은 종종 CW 대응물보다 넓은 대역폭을 갖지만 과도, 시간 분해 및 공진 라만과 같은 다른 형태의 라만 분광법에 매우 유용합니다.[11][12]

디텍터

라만 산란광은 일반적으로 분광기에 의해 수집되어 분산되거나 푸리에 변환(FT) 방법에 의한 검출을 위한 간섭계와 함께 사용됩니다. 많은 경우에 상용화된 FT-IR 분광계를 FT-Raman 분광계로 수정할 수 있습니다.[10]

분산 라만 검출기

대부분의 경우 현대 라만 분광기는 CCD와 같은 배열 검출기를 사용합니다. 다양한 종류의 CCD가 존재하며 이들은 서로 다른 파장 범위에 최적화되어 있습니다. 강화된 CCD는 매우 약한 신호 및/또는 펄스 레이저에 사용될 수 있습니다.[10][13] 스펙트럼 범위는 CCD의 크기와 사용되는 분광기의 초점 거리에 따라 달라집니다.[14]

한때 광전자 증배관에 결합된 단색기를 사용하는 것이 일반적이었습니다. 이 경우 스펙트럼 범위를 스캔하려면 단색기를 이동해야 합니다.[10]

FT-Raman용 디텍터

FT-Raman은 거의 항상 NIR 레이저와 함께 사용되며 여기 파장에 따라 적절한 검출기를 사용해야 합니다. 게르마늄 또는 인듐 갈륨비소(InGaAs) 검출기가 일반적으로 사용됩니다.[10]

필터

레이저 리젝션 필터를 이용하여 고품질의 라만 스펙트럼을 수집하기 위해서는 일반적으로 Rayleigh 신호와 반사된 레이저 신호에서 라만 산란광을 분리해야 합니다. 일반적으로 노치(notch) 또는 롱패스(long-pass) 광학 필터를 사용합니다. 홀로그래픽 필터가 등장하기 전에는 원하는 신호를 분리하기 위해 감법 모드에서 삼중 격자 단색기를 사용하는 것이 일반적이었습니다.[10] 홀로그래픽 필터가 일반적으로 전송되지 않은 레이저 광 외에 저주파 대역의 일부를 반사하기 때문에 이는 여전히 매우 작은 라만 시프트를 기록하는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 볼륨 홀로그램 필터가 보편화되어 5cm−1 정도의 낮은 이동을 관찰할 수 있습니다.[15][16][17]

적용들

라만 분광법은 화학에서 분자를 식별하고 화학적 결합과 분자 내 결합을 연구하는 데 사용됩니다. 라만은 분자의 화학적 결합과 대칭성(유기 분자의 지문 영역은 파수 범위 500~1,500cm)에 따라−1 진동 주파수가 다르기 때문에 분자를 식별할 수 있는 지문을 제공합니다.[18] 예를 들어, 라만 스펙트럼과 IR 스펙트럼을 이용하여 정규좌표분석을 기반으로 SiO, SiO22, SiO의33 진동주파수를 측정하였습니다.[19] 라만은 효소에 기질을 첨가하는 연구에도 사용됩니다.

고체 물리학에서 라만 분광법은 물질을 특성화하고 온도를 측정하며 시료의 결정학적 방향을 찾는 데 사용됩니다. 단일 분자와 마찬가지로, 고체 물질은 특징적인 포논 모드로 식별될 수 있습니다. 포논 모드의 모집단에 대한 정보는 자발적 라만 신호의 스톡과 반 스톡 강도의 비율로 제공됩니다. 라만 분광법은 플라스몬, 마그논, 초전도 갭 여기와 같은 고체의 다른 저주파 여기를 관찰하는 데에도 사용될 수 있습니다. 분산 온도 감지(DTS)는 레이저 펄스에서 라만 쉬프트 백스캐터를 사용하여 광섬유를 따라 온도를 결정합니다. 결정 구조의 점군을 알면 라만 산란광의 결정에 대한 편광과 레이저광의 편광으로부터 이방성 결정의 방향을 알 수 있습니다.

나노기술에서 나노선의 구조를 더 잘 이해하기 위해 라만 현미경을 사용하여 나노선을 분석할 수 있으며 탄소나노튜브의 방사상 호흡 모드는 직경을 평가하는 데 일반적으로 사용됩니다.

아라미드, 탄소와 같은 라만 활성 섬유는 가해진 응력으로 라만 주파수의 이동을 나타내는 진동 모드를 가지고 있습니다. 폴리프로필렌 섬유는 유사한 시프트를 보여줍니다.

라만 분광법은 고체 화학 및 바이오 제약 산업에서 활성 의약 성분(API)을 식별할 뿐만 아니라 둘 이상 존재하는 경우 그 다형성 형태를 식별하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 길리어드 사이언스가 낭포성 섬유증으로 시판하는 약물 케이스턴([20]Aztreonam)은 IR 및 라만 분광법으로 식별 및 특성화할 수 있습니다. 다양한 형태가 용해도와 녹는점과 같은 물리적 특성을 가지고 있기 때문에 바이오 의약품 제형에서 올바른 다형성 형태를 사용하는 것이 중요합니다.

라만 분광법은 생물학 및 의학 분야에서 매우 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. 단백질과 DNA에서 저주파 포논의[21] 존재를 확인하는 [22][23][24][25]데 도움을 주어 단백질과 DNA의 저주파 집단 운동과 생물학적 기능에 대한 연구를 촉진했습니다.[26][27] 올레핀 또는 알킨 모이어티를 갖는 라만 리포터 분자는 SERS 표지 항체를 사용한 조직 이미징을 위해 개발되고 있습니다.[28] 라만 분광법은 또한 상처의 실시간, 제자리 생화학적 특성화를 위한 비침습적 기술로 사용되었습니다. 라만 스펙트럼의 다변량 분석을 통해 상처 치유 진행을 위한 정량적 측정법을 개발할 수 있었습니다.[29] 기존 라만보다 표면층에 덜 민감한 공간 오프셋 라만 분광법(SORS)은 포장을 뜯지 않고도 위조 약물을 발견하고, 비침습적으로 생체 조직을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.[30] 라만 분광법이 생물학적 응용에 유용한 이유는 그 결과가 물 분자의 간섭을 받지 않는 경우가 많고, 영구적인 쌍극자 모멘트를 가지므로 라만 산란을 감지할 수 없기 때문입니다. 이것은 특히 생물학적 응용 분야에서 큰 이점입니다.[31] 라만 분광법은 생체광물을 연구하는 데에도 널리 사용됩니다.[32] 마지막으로 라만 가스 분석기는 수술 중 마취 및 호흡 가스 혼합물의 실시간 모니터링을 포함하여 많은 실용적인 응용 분야가 있습니다.

라만 분광법은 레이저 빔을 사용하여 안전한 거리에서 폭발물을 탐지하는 수단으로 여러 연구 프로젝트에서 사용되었습니다.[33][34][35]

라만 분광법은 임상 현장에서 사용할 수 있도록 추가 개발 중입니다. Raman4 Clinic은 의료 분야에서 Raman Spectroscopy 기술을 통합하는 작업을 진행하고 있는 유럽 단체입니다. 그들은 현재 다양한 프로젝트를 진행하고 있으며, 그 중 하나는 쉽게 접근할 수 있는 소변 및 혈액 샘플과 같은 체액을 사용하여 암을 모니터링하는 것입니다. 이 기술은 항상 위험하지 않은 생검을 지속적으로 해야 하는 것보다 환자에게 덜 스트레스를 줄 것입니다.[36]

이점

Raman Microscope
화학부 공유 계측 시설의 라만 현미경(NYU)

라만 분광법은 과학 연구와 산업에서 귀중한 도구가 될 정도로 다양한 특성을 가지고 있습니다.

  • 최소한의 샘플 준비 – 샘플 준비를 거의 또는 전혀 허용하지 않습니다. 이 경우 샘플이 라만 장치에 맞는 경우 번거롭지 않고 스펙트럼을 빠르고 효율적으로 획득할 수 있습니다.[37]
  • 비파괴적 기법 – 라만 분광법은 비파괴적인 방법이며, 이는 연구 중인 샘플을 손상시키지 않는다는 것을 의미합니다. 대부분의 경우 레이저 강도를 주의 깊게 조절하면 샘플에 수정이 없습니다. 이 속성은 증거가 온전하게 유지되어야 하는 법의학에서 중요합니다. 분석 후에도 동일한 샘플을 추가 테스트에 사용할 수 있습니다. 라만 분광기의 비파괴적이고 비침습적인 특성은 현장, 시험관 및 생체 내 연구를 가능하게 합니다. 고온이나 압력에서도 실시간으로 화학 반응을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 세포나 조직과 같은 생물 자원을 자연 상태를 변화시키지 않고 분석하는 데 사용됩니다.[37]
  • 안전 및 비접촉 – 이 기술은 비접촉 방식이기 때문에 샘플뿐만 아니라 작업자에게도 안전합니다. 오염을 제거하고 위험하거나 독성이 있거나 공기나 습기에 민감한 샘플을 안전하게 측정할 수 있습니다. 이는 보호 샘플링 장치를 사용하거나 샘플을 밀봉된 유리 용기에 넣어 수행됩니다.[37]
  • 투명도 및 원격 분석 – 레이저 빔이 밀접하게 집중되어 있기 때문에 라만 분광법은 유리나 플라스틱과 같은 투명한 용기를 통해 샘플을 평가합니다. 표면 오프셋 라만 분광법(SORS)을 사용하면 불투명 용기 내부의 물질을 측정할 수 있습니다. 또한 라만 분광법은 광섬유 프로브를 이용하여 원격 분석을 수행할 수 있어 멀리서도 데이터를 수집할 수 있어 위험 상황에서 유용합니다.[37]
  • 범용성 – 라만 분광법을 사용하여 액체, 고체 및 기체를 포함한 광범위한 물질을 겔, 분말, 결정 및 섬유와 같은 다양한 형태로 분석할 수 있습니다. 순수 금속과 합금은 빛을 반사하지만 이들의 산화물, 탄화물, 질화물 등은 라만 분석에 적합합니다.[37]
  • 스펙트럼 범위 및 해상도 – 라만 분광법은 단일 측정으로 광범위한 진동을 포착하여 유기 및 무기 물질에 대한 정확한 정보를 제공합니다.
  • 화학적 통찰력 및 현미경 – 라만 분광법은 높은 스펙트럼 분해능으로 물질의 화학적 변화를 감지하고 물질을 식별하는 데 정확합니다.[37]
  • 공초점 분석 – 샘플 내의 작고 구별되는 볼륨을 평가할 수 있는 독특한 기능을 제공하는 방법입니다. 시료를 물리적으로 슬라이싱하지 않고 깊이 조사 및 3차원 화학 이미징이 가능하여 다층 재료, 내포물 및 결함을 분석하는 데 유용할 수 있습니다.[37]

예술문화유산

라만 분광법은 부분적으로 현장에서 적용할 수 있는 비침습적인 과정이기 때문에 예술 및 문화 유산 유물을 조사하는 효율적이고 비파괴적인 방법입니다.[38] 인공물(상, 도자기 등) 표면의 부식 생성물을 분석하는 데 사용할 수 있어 인공물이 경험하는 부식 환경에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 생성된 스펙트럼은 세척되거나 의도적으로 부식된 표면의 스펙트럼과 비교할 수도 있으므로 귀중한 역사적 유물의 진위를 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.[39]

그림의 개별 안료와 그 분해 제품을 식별할 수 있어 그림의 인증에 도움이 될 뿐만 아니라 화가의 작업 방식에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.[40] 또한 나이가 들면서 안료가 저하된 경우의 그림의 원래 상태에 대한 정보를 제공합니다.[41] 안료의 식별 외에도 광범위한 라만 현미경 이미징은 중세 이집트 초기 청색의 다량의 미량 화합물에 대한 접근을 제공하는 것으로 나타났으며, 이는 원료의 종류 및 입증에 대한 정보를 포함하여 착색제의 개별 "생체학"을 재구성할 수 있게 합니다. 안료의 합성 및 적용, 페인트 층의 노화.[42]

라만 분광법은 그림과 유물 외에도 역사적 문서(켈스의 책 등)의 화학적 구성을 조사하는 데 사용될 수 있으며, 이는 문서가 생성되었을 때의 사회 및 경제적 상황에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.[43] 또한 악화의 원인에 대한 통찰력을 제공함으로써 그러한 문화 유산 유물의 보존 또는 보존에 대한 최선의 방법을 결정하는 비침습적인 방법을 제공합니다.[44]

IRUG(적외선 및 라만 사용자 그룹) 스펙트럼 데이터베이스는[45] 예술 작품, 건축 및 고고학 유물과 같은 문화 유산 자료에 대한 IR 및 라만 참조 스펙트럼의 엄격한 동료 검토 온라인 데이터베이스입니다. 데이터베이스는 일반 대중이 읽을 수 있도록 개방되어 있으며 100가지 이상의 다양한 유형의 안료와 페인트에 대한 상호 작용 스펙트럼을 포함합니다.

미세분광법

메인 기사 : 라만 현미경
초분광 라만 영상은 다음과 같은 화학적 화합물 및 재료 특성의 분포 지도를 제공할 수 있습니다. 19세기 시멘트 모르타르(시멘트 화학자 명명법: C ≙ CaO, A ≙ AlO, S ≙ SiO, F ≙ FeO)에서 수화되지 않은 클링커 잔재의 예.

라만 분광법은 현미경 분석에 몇 가지 이점을 제공합니다. 광 산란 기술이기 때문에 시편을 고정하거나 절편할 필요가 없습니다. 라만 스펙트럼은 매우 작은 부피(직경 < 1 µm, 깊이 < 10 µm)에서 수집할 수 있습니다. 이러한 스펙트럼은 해당 부피에 존재하는 종을 식별할 수 있습니다. 물은 일반적으로 라만 스펙트럼 분석을 방해하지 않습니다. 따라서 라만 분광법은 광물, 고분자 및 세라믹과 같은 물질, 세포, 단백질 및 법의학적 미량 증거의 현미경 검사에 적합합니다. 라만 현미경은 표준 광학 현미경으로 시작하여 여기 레이저, 단색기 또는 다색기 및 민감한 검출기(예: 전하 결합 장치(CCD) 또는 광전자 증배관(PMT))를 추가합니다. FT-Raman은 일반적으로 근적외선(NIR) 레이저 여기와 함께 현미경과 함께 사용되었습니다. 라만 현미경 검사에 UV 레이저원을 사용할 경우 자외선 현미경과 UV 강화 광학을 사용해야 합니다.

직접 영상(글로벌 영상[47] 또는 광시야 조명이라고도 함)에서 전체 시야는 작은 범위의 파수(Raman shift)에 통합된 광 산란에 대해 검사됩니다.[48] 예를 들어, 세포 배양 내에서 콜레스테롤의 분포를 기록하기 위해 콜레스테롤에 대해 특징적인 파수를 사용할 수 있습니다. 이 기술은 대규모 장치의 특성화, 다양한 화합물의 매핑 및 역학 연구에 사용되고 있습니다. 이미 그래핀 층,[49] 탄소 나노튜브[50] 내부의 J 응집 염료 및 MoS2, WSe와2 같은 여러 다른 2D 재료의 특성화에 사용되었습니다. 들뜸 빔이 전체 시야에 분산되어 있기 때문에 샘플을 손상시키지 않고 이러한 측정을 수행할 수 있습니다.

가장 일반적인 접근 방식은 초분광 이미징 또는 화학 이미징으로, 예를 들어 샘플을 통한 집속 레이저 빔의 래스터 스캐닝에 의해 수천 개의 라만 스펙트럼이 시야 전체에서 획득됩니다.[48] 데이터는 다양한 구성 요소의 위치와 양을 보여주는 이미지를 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 모든 측정 지점에서 완전한 분광 정보를 얻을 수 있기 때문에 화학적으로 유사하고 심지어 다형성 형태까지 포함하여 여러 구성 요소를 동시에 매핑할 수 있다는 장점이 있습니다. 단 하나의 파수만 감지하면 구별할 수 없습니다. 또한, 초분광 지도로부터 응력 및 변형, 결정 배향, 결정성 및 결정 격자로의 외부 이온의 혼입(예를 들어, 도핑, 고용체 시리즈)과 같은 물질적 특성을 결정할 수 있습니다.[8] 세포 배양 예를 들어, 초분광 이미지는 단백질, 핵산 및 지방산뿐만 아니라 콜레스테롤의 분포를 보여줄 수 있습니다. 정교한 신호 및 이미지 처리 기술을 사용하여 물, 배양 배지, 버퍼 및 기타 간섭의 존재를 무시할 수 있습니다.

라만 현미경은 회절 제한 시스템이기 때문에 공간 해상도는 빛의 파장, 초점 요소의 개구수 및 공초점 현미경의 경우 공초점 개구수의 직경에 따라 달라집니다. 라만 현미경은 가시광선에서 근적외선 범위에서 작동할 경우 대물렌즈(예: 공기 대 물 또는 오일 침지 렌즈)의 파장 및 유형에 따라 250nm까지 약 1 µm의 측면 분해능을 얻을 수 있습니다. 깊이 분해능(샘플의 광학 침투 깊이에 의해 제한되지 않는 경우)은 공초점 핀홀 없이 작동할 때 가장 작은 공초점 핀홀 구경을 갖는 1-6 µm에서 수십 마이크로미터까지 다양합니다. 시료에 따라 미세 초점으로 인한 높은 레이저 파워 밀도는 간섭 형광을 방출하는 분자의 광표백이 향상되는 이점을 가질 수 있습니다. 그러나 레이저 파장과 레이저 파워는 샘플 유형별로 신중하게 선택해야 열화를 방지할 수 있습니다.

라만 영상의 응용 분야는 재료 과학에서 생물학 연구에 이르기까지 다양합니다.[46][54] 각 표본 유형에 대해 측정 모수를 개별적으로 최적화해야 합니다. 이러한 이유로 현대 라만 현미경에는 다양한 파장을 제공하는 여러 레이저, 대물 렌즈 세트, 샘플에 도달하는 레이저 파워를 조정하기 위한 중성 밀도 필터가 장착되는 경우가 많습니다. 레이저 파장의 선택은 주로 샘플의 광학적 특성과 조사 목적에 따라 달라집니다.[55] 예를 들어, 생물학적 및 의학적 표본의 라만 현미경 검사는 종종 적색 내지 근적외선 여기(예를 들어, 785 nm, 또는 1,064 nm 파장)를 사용하여 수행됩니다. 이 스펙트럼 범위에서 생물학적 시료의 일반적으로 낮은 흡광도로 인해 자가형광 방출뿐만 아니라 시료의 손상 위험이 감소하고 조직으로의 높은 침투 깊이를 달성할 수 있습니다.[56][57][58][59] 그러나, 긴 파장에서의 라만 산란의 강도는 낮고(라만 산란 강도의 ω 의존성으로 인해), 취득 시간이 길어집니다. 반면, 532nm(녹색)에서 단일 세포 조류의 공명 라만 영상은 ~5 µW의 낮은 레이저 전력과 단 100ms의 획득 시간을 사용하여 세포 내의 카로티노이드 분포를 구체적으로 조사할 수 있습니다.

라만 산란, 특히 팁 강화 라만 분광법은 단일 분자,[61] 원자 [62]및 DNA의 고해상도 초분광 이미지를 생성합니다.[63]

라만 산란의 편광 의존성

라만 산란은 편광에 민감하고 라만 활성 모드의 대칭에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있습니다. 기존의 라만 분광법은 화학적 조성을 식별하지만 라만 스펙트럼에 대한 편광 효과는 단일 결정 및 이방성 물질(예: 변형 플라스틱 시트)에서 분자의 방향과 진동 모드의 대칭에 대한 정보를 밝힐 수 있습니다.

편광 의존적 라만 분광법은 편광자로부터의 (평면) 편광 레이저 여기를 사용합니다. 수집된 라만 산란광은 검출기에 들어가기 전에 두 번째 편광기(분석기라고 함)를 통과합니다. 분석기의 방향은 레이저의 편광에 평행하거나 수직입니다. 여기 평면에 수직 및 평행으로 설정된 분석기로 획득한 스펙트럼을 사용하여 탈분극 비율을 계산할 수 있습니다. 일반적으로 편광 스크램블러는 분석기와 검출기 사이에도 배치됩니다. 편광 라만 분광법은 브라질 물리학자 세르히오 페레이라 다 실바 포르투([64]Sergio Pereira da Silva Porto)가 기술하고 이름을 딴 포르투(Porto)의 표기법을 사용하여 전파 및 편광 방향을 설명하는 데 편리합니다.

등방성 용액의 경우, 각 모드에서 라만 산란은 레이저의 편광을 유지하거나 부분적으로 또는 완전히 탈분극됩니다. 라만 산란 과정에 포함된 진동 모드가 완전히 대칭인 경우 라만 산란의 편광은 들어오는 레이저 빔의 편광과 동일합니다. 진동 모드가 완전히 대칭적이지 않은 경우에는 편광이 부분적 또는 전체적으로 손실(스크램블링)되며, 이를 탈분극이라고 합니다. 따라서 편광 라만 분광법은 진동 모드의 대칭 레이블에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있습니다.

고체 상태에서 편광 라만 분광법은 단결정과 같은 배향 시료의 연구에 유용할 수 있습니다. 진동 모드의 분극성은 결합을 따라 그리고 전체적으로 동일하지 않습니다. 따라서 레이저의 편광이 특정 결합축에 대해 길게 직교할 때 라만 산란의 세기는 달라질 것입니다. 이 효과는 단결정 또는 물질로 분자의 방향에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 이 분석에서 발생하는 스펙트럼 정보는 종종 결정 격자, 액정 또는 폴리머 샘플에서 거시 분자 방향을 이해하는 데 사용됩니다.[65]

진동모드의 대칭성 특성화

편광 기술은 분자 대칭, 라만 활성 및 해당 라만 스펙트럼의 피크 사이의 연결을 이해하는 데 유용합니다.[66] 한 방향의 편광은 일부 라만 활성 모드에만 액세스할 수 있지만 편광을 회전시키면 다른 모드에 액세스할 수 있습니다. 각 모드는 대칭에 따라 분리됩니다.[67]

진동 모드의 대칭성은 입사 레이저와 직교하는 편광을 갖는 라만 산란과 입사 와 동일한 편광을 갖는 라만 산란의 비율인 탈분극비 ρ에서 추론됩니다. ρ = Ir Iu {\display style \ = {\frac {I_{r}}{ 여기서 은 입사광의 편광축에 대해 분석기를 90도 회전시켰을 때의 라만 산란의 이고, {\ 분석기를 입사광의 편광과 정렬시켰을 때의 라만 산란의 세기입니다.[68] 편광된 빛이 분자와 상호작용하면 분자를 왜곡시켜 평면파에서 동등하고 반대의 효과를 유도하여 분자의 방향과 광파의 편광 각도의 차이에 의해 회전하게 합니다. ρ ≥textstyle \rho \geq {\frac {3}{4}}인 경우 해당 주파수의 진동은 탈분극됩니다. 즉, 완전히 대칭적이지 않습니다.

변종

라만 분광법의 최소 25가지 변형이 개발되었습니다.[9] 일반적인 목적은 감도를 향상시키는 것(예: 표면 강화 라만), 공간 해상도를 향상시키는 것(라만 현미경), 또는 매우 특정한 정보(공명 라만)을 획득하는 것입니다.

자발적(또는 원거리) 라만 분광법

상관 라만 영상: GaSe의 지형(AFM, top)과 라만 영상의 비교. 눈금 막대는 5μm입니다.[70]

자발 라만 분광법 또는 정상 라만 분광법과 같은 용어는 위에서 설명한 바와 같이 정상적인 원거리 광학을 사용하여 라만 산란을 기반으로 하는 라만 분광법 기술을 요약한 것입니다. 일반 라만 분광법의 변형은 여기 검출 기하학, 다른 기술과의 조합, 특수(편광) 광학의 사용 및 공진 향상을 위한 여기 파장의 특정 선택과 관련하여 존재합니다.

  • 상관 라만 영상 – 라만 현미경은 라만 분포 지도를 지형 또는 형태학적 이미지와 비교(또는 오버레이)하기 위해 원자력 현미경(Raman-AFM) 및 주사 전자 현미경(Raman-SEM)과 같은 상보적 영상 방법과 결합할 수 있습니다. 그리고 라만 스펙트럼을 보완적인 물리적 또는 화학적 정보(예: SEM-EDX에 의해 획득됨)와 상호 연관시킵니다.
  • 공진 라만 분광법 – 여기 파장은 분자 또는 결정의 전자 전이와 일치하므로 여기된 전자 상태와 관련된 진동 모드가 크게 향상됩니다. 이는 "기존" 라만 스펙트럼에서 수백 개의 밴드를 나타낼 수 있는 폴리펩티드와 같은 큰 분자를 연구하는 데 유용합니다. 또한 일반 모드를 관찰된 주파수 이동과 연결하는 데 유용합니다.[71]
  • 각도 분해능 라만 분광법 – 표준 라만 결과뿐만 아니라 입사 레이저에 대한 각도도 기록됩니다. 샘플의 방향이 알려져 있으면 단일 테스트에서 포논 분산 관계에 대한 자세한 정보를 얻을 수도 있습니다.[72]
  • 광학 핀셋 라만 분광법(OTRS) – 광학 핀셋에 의해 갇힌 단일 세포에서 개별 입자, 심지어 생화학적 과정을 연구하는 데 사용됩니다.[73][74][75]
  • 공간 오프셋 라만 분광법(SORS) – 두 개의 공간 오프셋 지점에서 찍은 두 개의 스펙트럼의 축척된 감산에서 흐릿한 표면 아래의 라만 산란이 검색됩니다.
  • 라만 광학 활동(ROA) – 오른쪽 및 왼쪽 원 편광 입사광의 카이랄 분자에서 라만 산란 강도의 작은 차이 또는 마찬가지로 산란광의 작은 원 편광 성분을 통해 진동 광학 활동을 측정합니다.[76]
  • 전송 라만 – 분말, 캡슐, 생체 조직 등과 같은 탁한 물질의 상당 부분을 조사할 수 있습니다. 1960년대 후반 조사 이후 대체로 무시되었지만(Schrader and Bergmann, 1967)[77] 2006년에 의약품 투여 형태의 신속한 분석 수단으로 재발견되었습니다.[78] 특히 암을 발견하는 데 의료 진단 응용 프로그램이 있습니다.[35][79][80]
  • 마이크로 캐비티 기판 – 반사형 Au 또는 Ag로 코팅된 마이크로 캐비티에서 마이크로 라만을 사용하여 기존 라만 스펙트럼의 검출 한계를 개선하는 방법. 마이크로 캐비티는 반경이 수 마이크로미터이며 샘플의 다중 여기를 제공하여 전체 라만 신호를 향상시키고 후방 산란 라만 기하학에서 수집 광학을 향해 전방 산란 라만 광자를 결합합니다.[81]
  • 스탠드오프 원격 라만 – 스탠드오프 라만에서 샘플은 라만 분광계에서 멀리 떨어진 거리에서 측정되며, 일반적으로 빛 수집을 위해 망원경을 사용합니다. 원격 라만 분광법은 1960년대에[82] 제안되었으며 처음에는 대기 가스 측정을 위해 개발되었습니다.[83] 이 기술은 1992년 Angel 등에 의해 유해한 무기 및 유기 화합물의 스톨 라만 검출을 위해 확장되었습니다.[84]
  • X선 라만 산란 – 진동이 아닌 전자 전이를 측정합니다.[85]

향상된(또는 근거리) 라만 분광법

라만 산란의 향상은 광학적 근거리 효과(예: 국부적인 표면 플라스몬)에 의한 국부적인 전기장 향상에 의해 달성됩니다.

  • 표면 강화 라만 분광법(SERS) – 일반적으로 은 또는 금 콜로이드 또는 은 또는 금을 포함하는 기판에서 수행됩니다. 은과 금의 표면 플라스몬이 레이저에 의해 여기되어 금속을 둘러싼 전기장이 증가합니다. 라만 강도가 전기장에 비례한다는 점을 감안하면 측정된 신호가 크게 증가합니다(최대 10개11). 이 효과는 원래 마르틴 플라이슈만에 의해 관찰되었지만 지배적인 설명은 1977년 반 뒤인에 의해 제안되었습니다.[86] 롬바르디와 버크는 효과에 대한 포괄적인 이론을 제시했습니다.[87]
  • 표면 강화 공명 라만 분광법(SERRS) – 표면에 대한 근접성을 사용하여 라만 강도를 증가시키는 SERS와 공명 라만 분광법의 조합, 여기 파장은 분석되는 분자의 최대 흡광도와 일치합니다.
  • 팁 인핸스드 라만 분광법(TERS) – TERS는 SERS의 화학적 감도와 주사 탐침 현미경 기술의 높은 공간 해상도를 결합하여 나노미터 길이 규모의 표면을 높은 검출 감도로 화학적 이미징이 가능합니다.[88] 금속(보통 은/금으로 코팅된 AFM 또는 STM) 팁을 사용하여 주변에 위치한 분자의 라만 신호를 향상시킵니다. 공간 해상도는 팁 정점의 크기(20~30nm) 정도입니다. TERS는 단일 분자 수준까지 민감도가 있는 것으로 나타났으며 생물학적 분석 응용 및 DNA 시퀀싱에 대한 가능성을 어느 정도 가지고 있습니다.[63] TERS는 단일 분자의 진동 정상 모드를 이미지화하는 데 사용되었습니다.[94]
  • 표면 플라즈몬 편광 강화 라만 산란(SPPER) – 이 접근법은 분자의 근거리 여기를 위해 개구 없는 금속 원뿔 팁을 활용합니다. 이 기법은 배경장을 억제하는 고유의 능력으로 인해 TERS 접근법과 다릅니다. 실제로, 적절한 레이저 소스가 원뿔의 기저부에 충돌하면, TM0 모드[95](polaritonic mode)가 국부적으로, 즉 여기 지점(tip의 정점)으로부터 멀리 떨어져 생성될 수 있습니다. 모드는 분자와 상호 작용하는 팁 정점까지 방사선 필드를 생성하지 않고 팁을 따라 전파할 수 있습니다. 이러한 방식으로, 초점면은 여기면으로부터 팁 길이에 의해 주어진 거리만큼 분리되며, 어떤 배경도 분자의 라만 여기에 어떠한 역할도 하지 않습니다.[96][97][98][99]

비선형 라만 분광법

라만 신호 향상은 비선형 광학 효과를 통해 달성되며, 일반적으로 공간적으로 그리고 시간적으로 동기화된 펄스 레이저에 의해 방출되는 두 개 이상의 파장을 혼합함으로써 실현됩니다.

  • 하이퍼 라만 – 진동 모드가 여기 빔의 2차 고조파와 상호 작용하는 비선형 효과입니다. 이를 위해서는 매우 높은 전력이 필요하지만 일반적으로 "침묵"인 진동 모드를 관찰할 수 있습니다. 민감도를 높이기 위해 SERS 방식의 향상에 의존하는 경우가 많습니다.[100]
  • 자극 라만 분광법(SRS) – 공간적으로 일치하는 두 가지 색 펄스(평행 또는 수직 편광)가 모집단을 지면에서 진동 여기 상태로 전달하는 펌프 프로브 기술입니다. 에너지의 차이가 허용된 라만 전이에 해당하면 산란광은 펌프 빔의 손실 또는 이득에 해당합니다.
  • 역 라만 분광법 – 자극된 라만 손실 분광법의 동의어입니다.
  • 코히어런트 안티 스톡스 라만 분광법(CARS) – 두 개의 레이저 빔을 사용하여 코히어런트 안티 스톡스 주파수 빔을 생성하며, 이는 공진에 의해 향상될 수 있습니다.

형태학적으로 유도된 라만 분광법

MDRS(Morphological Directed Raman Spectroscopy)는 자동화된 입자 이미징과 라만 미세 분광을 단일 통합 플랫폼으로 결합하여 입자 크기, 형상 및 화학적 식별을 제공합니다.[101][102][103] 자동화된 입자 이미징은 개별 입자의 이미지에서 혼합된 샘플 내 성분의 입자 크기와 모양 분포를 결정합니다.[102][103] 그런 다음 자동화된 입자 이미징에서 수집된 정보를 사용하여 라만 분광 분석을 지휘합니다.[101] 라만 분광 분석 프로세스는 임의로 선택된 입자의 하위 집합에서 수행되어 샘플의 여러 성분을 화학적으로 식별할 수 있습니다.[101] MDRS 방법을 사용하면 수만 개의 입자를 단 몇 분 만에 이미지화할 수 있으므로 법의학 분석 및 위조 의약품 조사 및 후속 판결에 적합합니다.[102][103]

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