화학 분석을 위한 라만 분광법

라만 분광법은 빛의 산란을 이용하여 조사 대상 물질에 고유한 분자 정보를 수집합니다.

빛이 분자에 부딪힐 때 대부분의 에너지는 흡수되지 않고 입사광과 동일한 에너지로 산란됩니다. 그러나 산란 방사선의 작은 부분이 입사 방사선과 다른 에너지에서 나타납니다.

이러한 에너지 변화는 분자의 진동 상태에 해당하며 분석 중인 샘플의 분자 구성을 식별, 정량화 및 검사하는 데 사용할 수 있습니다.

이 비디오는 이 기술의 이면에 있는 이론을 소개하고, 실험실에서 동일한 작업을 수행하는 절차를 시연하고, 이 방법이 오늘날 산업에서 적용되는 몇 가지 방법을 제시합니다.

방사선과 샘플의 상호 작용은 광자와 분자 간의 충돌로 생각할 수 있습니다.

들어오는 광자는 분자를 단기간의 가상 여기 상태로 여기시킨 후 빠르게 붕괴되어 바닥 상태로 돌아가 산란된 광자를 방출합니다. 에너지의 교환이 일어나지 않을 때, 산란된 광자는 입사 광자와 같은 파장을 갖는데, 이를 탄성 레일리 산란이라고 합니다.

라만 산란은 광자와의 비탄성 상호 작용의 결과로 진동 여기 또는 이완을 겪는 분자를 나타냅니다. 분자가 바닥 상태에서 가상 여기 상태로 상승하고 더 높은 에너지 진동 상태로 다시 떨어지면 광자로부터 에너지를 얻은 것입니다. 이를 스톡스 산란(Stokes scattering)이라고도 합니다.

더 높은 진동 에너지를 가진 분자가 에너지를 얻고 더 낮은 바닥 상태로 다시 떨어지면 분자는 광자에 대한 에너지를 잃고 반 스톡스 산란을 일으킵니다. 실온에서는 바닥 상태의 분자 수가 더 높은 에너지 상태의 분자보다 많기 때문에 스토크스 산란이 반 스토크스 산란보다 더 강렬하고 더 일반적으로 검사됩니다.

입사 광자와의 이러한 상호 작용으로 인해 발생하는 분자 진동 및 회전에는 대칭 및 비대칭 스트레칭, 가위질, 흔들림, 흔들림 및 비틀림이 포함됩니다.

이러한 분자 진동은 라만 분광법뿐만 아니라 적외선 분광법과 같은 다른 기술과 함께 사용됩니다. 진동은 "라만 활성(Raman-active)" 또는 라만 분광법으로 감지할 수 있으며, 전자 구름의 분극성 또는 왜곡량에 변화를 일으킬 수 있습니다. 진동은 쌍극자 모멘트의 변화를 유도할 때 적외선으로 활성화됩니다.

예를 들어, 이산화탄소의 팽창과 같은 대칭적 뻗기는 전자가 핵에서 멀어지게 하고 쉽게 편광되도록 하지만 쌍극자 모멘트는 변하지 않습니다. 반면에 비대칭 스트레치는 쌍극자 모멘트의 변화를 초래하지만 분극성에는 변화가 없습니다. 이러한 이유로 라만과 적외선 분광법은 화학 분석의 상호 보완적인 방법으로 취급됩니다.

라만 분광법은 샘플에 강렬한 단색 레이저를 비추는 방식으로 수행됩니다. 샘플에서 방출되는 방사선이 수집되고 레이저 파장이 필터링됩니다. 산란된 빛은 모노크로메이터를 통해 CCD 검출기로 보내집니다. 라만 마이크로 분광법에서 레이저는 샘플에 도달하기 전에 현미경을 통과하여 미크론 수준의 공간 해상도를 허용합니다.

샘플의 라만 스펙트럼은 입사 방사선에서 파수의 이동에 따른 함수로서 산란 방사선의 강도를 나타내는 플롯입니다. 피크 모양과 강도는 분자 구조, 대칭, 결정 품질 및 물질의 농도를 나타낼 수 있습니다.

이제 이 방법의 이면에 있는 이론을 이해했으므로 샘플에서 라만 현미경 분광법을 수행하는 프로토콜을 살펴보겠습니다.

절차를 시작하려면 필요한 레이저를 켜고 사용된 파장에 적합한 광학 장치를 선택하십시오. 실험을 시작하기 전에 레이저를 예열할 때 15분 정도 기다립니다. 그 동안 컴퓨터를 켜고 기기 소프트웨어를 로드하십시오.

사용되는 레이저에 적합한 파장을 선택하십시오. 라만 분광기의 필요한 보정을 수행합니다. 이것은 현미경 스테이지에 배치된 실리콘 웨이퍼를 사용하여 수행할 수 있지만 여기서는 내부 실리콘 참조 샘플이 사용됩니다. 라만 스펙트럼은 적절한 노출 에너지와 시간을 사용하여 얻어집니다. 실리콘은 약 520 파수에서 강한 피크를 제공해야 합니다.

보정이 완료되면 샘플을 현미경 아래에 놓고 관심 층에 초점을 맞춥니다. 어두운 인클로저는 미광을 제거하는 데 사용됩니다. 깨끗한 스펙트럼을 얻기 위해 레이저의 경로가 흡수광 또는 라만 활성층으로 막히지 않도록 하십시오.

모노크로메이터로 스캔해야 하는 파수 범위를 선택합니다. 충분한 신호를 생성하지만 조사 중인 재료를 손상시키지 않는 레이저 강도를 선택합니다. 이는 동일한 지점을 두 번 이미징하여 확인할 수 있습니다. 스펙트럼이 변경되면 손상이 발생했을 수 있습니다.

샘플이 완전히 어두운 인클로저 안에 있는 경우 배경 스캔이 필요하지 않습니다. 샘플의 스펙트럼을 획득합니다.

적절한 소프트웨어를 사용하고 사용 가능한 문헌과 비교하여 데이터를 조사합니다. 우주선은 제거되어야 하는 날카롭고 강렬한 봉우리로 나타납니다. 특정 기판 또는 오염 물질에 대한 레이저 간섭으로 인해 베이스라인이 생성될 수 있으며, 이는 샘플에서 발생하는 라만 피크를 포함할 것으로 예상되지 않는 스펙트럼 영역에 적절한 곡선을 피팅하여 제거됩니다. 일부 물질의 경우, 서로 다른 라만 피크가 피크 디콘볼루션이 필요할 수 있는 정도로 겹칩니다.

이러한 단계를 수행한 후 결과 스펙트럼은 샘플에 존재하는 종에 대한 정성적 및 정량적 데이터를 나타냅니다.

여기에서는 매우 작고 속이 빈 단일 또는 다층 그래핀 시트 롤인 탄소 나노튜브의 라만 스펙트럼을 조사할 것입니다. 514nm 레이저를 사용하여 다중벽 탄소 나노튜브에서 채취한 라만 스펙트럼이 여기에 나와 있습니다.

탄소 나노 튜브는 결정 격자로 표시되기 때문에 진동은 집단 진동 모드로 표시됩니다?.? 1,582 파수에서 G 모드 피크는 모든 흑연 물질에서 발견 될 수있는 sp2 혼성화 탄소-탄소 결합과 관련이 있습니다. 또한 눈에 띄는 D 피크가 있습니다 1,350 파수는 결정 격자의 장애로 인한 산란을 나타냅니다. G 및 D 모드의 강도 비율은 나노튜브의 구조적 품질을 정량화합니다.

레이저와 컴퓨터 기술의 발전으로 한때 지루했던 라만 분광법은 화학 분석에 가장 널리 사용되는 기술 중 하나가 되었습니다.

고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 향후 수십 년 동안 저배출 에너지의 주요 공급원이 될 가능성이 있습니다. 이 전지는 연료와 산화제(이 경우 고체 산화물)의 에너지를 전기화학적으로 변환하여 작동합니다. 연료 전지 재료의 전기화학적 메커니즘을 현장에서 특성화하는 데는 여전히 약간의 어려움이 있습니다. 그러나 Raman Spectroscopy는 이제 양극에서 복잡한 화학 반응 메커니즘을 매핑하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

예술품은 분광법으로 검사되어 나이, 구성을 밝히고 보존 조건을 최적화합니다. 라만 현미경 분광법의 비파괴 특성으로 인해 이러한 목적에 매우 적합합니다. 예술 샘플에 레이저를 집중시키고 비탄성적으로 산란된 빛의 강도를 플로팅하면 예술가의 색소, 결합 매체 또는 바니시의 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 라만 분광법은 예술 작품의 위조를 식별하는 데에도 사용됩니다.

화학 분석을 위한 라만 분광법(Raman Spectroscopy for Chemical Analysis)에 대한 JoVE의 소개를 시청하셨습니다. 이제 라만 효과의 원리와 라만 분광법에 적용되는 방법, 실험실에서 자체 라만 분석을 수행하는 방법, 그리고 오늘날 산업에서 적용되는 흥미로운 몇 가지 방법을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!