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화학 분석을 위한 라만 분광법
 
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화학 분석을 위한 라만 분광법

Overview

출처: 이시하라 료이치 박사 연구소 — 델프트 공과대학교

라만 분광법은 시스템의 진동 및 기타 저주파 모드를 분석하는 기술입니다. 화학에서 그것은 그들의 라만 지문에 의해 분자를 식별 하는 데 사용 됩니다. 고체 물리학에서는 물질을 특성화하는 데 사용되며, 보다 구체적으로 결정 구조 또는 결정성을 조사합니다. 결정 구조를 조사하기 위한 다른 기술(예를 들어 전염 전자 현미경 및 X선 회절)에 비해 라만 미세 분광법은 비파괴적이며 일반적으로 시료 준비가 필요하지 않으며 소량의 샘플 볼륨에서 수행될 수 있다.

라만 분광법을 수행하기 위해 단색 레이저가 샘플에 빛났다. 필요한 경우 샘플은 라만 활성(예를 들어, SiO2)이아닌 투명 층으로 코팅하거나 DI 물에 배치될 수 있다. 샘플로부터 방출되는 전자기 방사선(전형적으로 근적외선, 가시, 또는 자외선 범위 근교)가 수집되고, 레이저 파장이 걸러져(예를 들어, 노치 또는 밴드패스 필터에 의해), 그리고 생성된 광은 단색소르(예를 들어, 격자)를 통해 CCD 검출기로 전송된다. 이를 이용하여, 라만 산란에서 유래한 비탄성 산란된 빛을 포착하여 시료의 라만 스펙트럼을 구성하는 데 사용될 수 있다.

라만 미세 분광법의 경우 빛은 시료에 도달하기 전에 현미경을 통과하여 1 μm2의작은 영역에 초점을 맞출 수 있게 합니다. 이를 통해 레이어 스택을 조사하기 위해 시료 또는 공초점 현미경 검사법을 정확하게 매핑할 수 있습니다. 그러나 작고 강렬한 레이저 스팟이 시료를 손상시키지 않는다는 주의를 기울여야 합니다.

이 비디오에서는 라만 스펙트럼을 획득하는 절차를 간략하게 설명하고 탄소 나노 튜브에서 캡처 한 라만 스펙트럼의 예가 제공됩니다.

Principles

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라만 분광법은 원자 시스템 또는 분자 내에서 저주파 모드(예: 진동 또는 회전 모드)를 가진 광자의 비탄력적인 산란인 라만 산란에 달려 있습니다. 이는 시스템에서 저주파 모드에 의한 IR 광 흡수에 의존하는 IR 분광법과는 대조적입니다. 두 기술 모두 유사하지만 상호 보완적인 정보를 제공합니다. 그러나 진동 기능이 라만과 IR '활성', 즉 프로브할 때 나타나는 것을 의미하지는 않습니다. 분자의 경우, 진동은 극성 변화를 일으킬 때 라만 활성이며 IR 분광법의 경우 이폴 순간에 변화를 일으킬 때 진동이 보입니다. 즉, 라만 분광법은 영구적인 이폴 순간이 필요하지 않습니다. 대칭의 중심을 가진 분자의 경우, 두 분광 방법은 상호 배타적입니다. 극지 채권은 일반적으로 약한 라만 신호를 제공하며, 중립 채권은 일반적으로 진동 중 극성 변화에 큰 변화를 수반하기 때문에 라만 강렬한 것입니다. 마지막으로 IR 분광법의 두 가지 드로백은 물을 용매로 사용할 수 없고 시료 준비가 더 복잡하다는 것입니다. 그러나 라만 분광기는 더 비쌉합니다.

산란 후 방출된 광자는 사건 광자보다 낮거나 더 높은 주파수를 가지며, 이는 각각 스토크스와 안티 스토크스 산란이라고 합니다. 스토크스와 안티 스토크스 라인은 에너지의 동일한 변화를 가지고 있지만, 그 크기는 예를 들어 기판 온도에 따라 다릅니다. 분자의 경우 광자는 사용된 레이저 파장에 민감한 분자의 결합 및 진동과 상호 작용합니다. 이로 인해 분자가 짧은 시간 동안 가상 에너지 상태로 빠져나와 광자방출을 비탄체로 방출합니다. 고체 상태의 재료의 경우 들어오는 광자 생성 및 전자 구멍 쌍, 이는 결정 격자에 포논으로 흩어져 수 있습니다. 포논은 응축된 물질에 있는 원자 또는 분자의 격자에 있는 집단 정량화된 진동 운동을 기술하는 준 입자입니다. 이 산란 이벤트 후 전자 구멍 쌍은 부패하고 이동 주파수와 광자 방출.

이러한 산란된 광자의 스펙트럼은 산란된 광자의 강도를 나타내며, 이는 발생 광자에 대한 주파수 차이(단위cm-1로파수로 측정)이다. 시스템의 진동 모드가 사용되는 레이저 파장에 민감하고 강도와 위치가 레이저 파장 간에 다를 수 있는 경우에만 라만 스펙트럼에 피크가 나타납니다. 일반적으로 피크는 500-2,000cm-1범위 내에 있으며, 더 높은 주문 피크는 1차 라만 피크의 파수 의 배수 주변에서 찾을 수 있습니다. 피크의 강도는 레이저의 힘, 초점, 획득 시간 및 산란의 가능성을 포함하여 많은 요인에 따라 달라집니다. 따라서 스펙트럼 간의 강도는 직접 비교할 수 없으며 항상 강도 비율로 변환되어야 합니다. 피크의 절반 최대(FWHM)의 전체 폭은 서로 다른 측정 간에 직접 비교할 수 있습니다.

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Procedure

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  1. 필요한 레이저를 켜고 사용되는 파장에 대한 올바른 광학을 선택합니다. 시간이 지남에 따라 안정적인 방출을 얻기 위해 레이저를 따뜻하게하자.
  2. 라만 분광기의 필요한 교정을 수행합니다. 이것은 계측기에 따라 다르지만, 여기서 내부 Si 참조 샘플은 라만 시프트를 결정성 시 라만 피크의 알려진 위치로 보정하는 데 사용됩니다. Si는 레이저 파장에 민감하지 않은 알려진 위치에서 강한 날카로운 피크를 제공하기 때문에 종종 사용됩니다. 첫째, 기준 샘플의 라만 스펙트럼은 적절한 노출 에너지 와 시간을 사용하여 수득된다. 얻어진 스펙트럼의 파수는 문헌의 값과 비교된다(Si의 경우 520.7±0.5cm-1에서 강한 피크를 관찰해야 한다). 불일치의 경우 단색로마토르(종종 격자)에 대한 CCD의 위치가 변경되어야 합니다. 대부분의 상업적으로 이용 가능한 Raman 도구에는 이를 달성하기 위한 교정 루틴이 포함됩니다.
  3. 현미경 아래에 샘플을 놓고 조사해야 하는 층에 초점을 맞춥니다. 일반적으로 가까운 어두운 인클로저는 길 잃은 빛을 제거하는 데 사용됩니다. 레이저의 경로가 깨끗한 스펙트럼을 얻기 위해 빛 흡수 또는 라만 활성 층에 의해 방해되지 않았는지 확인하십시오. 문학에서 라만 스펙트럼은 실험에 영향을 미칠 수있는 재료를 결정하는 데 사용할 수있는 많은 재료에서 취할 수 있습니다. 샘플에서 유래하는 것으로 알려진 봉우리 옆에 알려지지 않은 피크가 나타나면 우주 광선(일반적으로 광범위하고 매우 강렬한 파수 몇 개)에 의해 또는 측정을 방해하는 다른 레이어에 의해 나타날 수 있습니다. 재료 내의 레이저의 감쇠 길이에 비해 층이 얇으면 아래 기판도 조사될 가능성이 높습니다.
  4. 단색으로마토르에서 스캔해야 하는 파수 범위를 선택합니다. 이것은 매우 샘플 에 따라 달라집니다. 일반적으로 문학에서 관심 있는 라만 봉우리가 나타나는 영역을 찾을 수 있습니다. 완전히 알려지지 않은 샘플의 경우 넓은 범위(예: 100-2,000cm-1) 테스트 검사를 수행할 수 있다. 확장 된 스캔은 더 많은 시간을 소비합니다. 충분한 신호를 생성하지만 조사 중인 물질의 결정 격자를 손상시키지 않는 레이저 강도를 선택하십시오(예: 비정질 Si가 고강도 레이저를 조사하면 시료를 결정화할 수 있음). 스펙트럼 변경 손상이 발생했을 수 있는 경우 동일한 지점을 두 번 이미징하여 확인할 수 있습니다. 신호가 너무 약하면 노출 시간이 증가할 수 있습니다.
  5. 샘플의 스펙트럼을 획득합니다. 이것은 일반적으로 단색을 스캔하고 CCD 출력을 읽는 동안 계측기에서 자동으로 수행됩니다. 샘플이 완전히 어두운 인클로저에 있는 경우 배경 검사를 수행할 필요가 없으며, 그렇지 않으면 길 잃은 빛이 측정에 영향을 미칩니다.
  6. 적절한 소프트웨어를 사용하고 문헌을 사용하여 데이터를 조사합니다. 이것은 스펙트럼에 있는 아주 날카롭고 강렬한 선으로 나타나고 일반적으로 완전히 제거될 수 있는 우주 선의 제거를 포함할 수 있습니다.. 기판 또는 오염물질과의 간섭은 기준선을 초래할 수 있으며, 이는 적절한 곡선(예를 들어, 선형 선 또는 스플라인)을 평평한 것으로 예상되는 스펙트럼의 영역에 피팅하여 제거할 수있다(즉, 샘플에서 유래한 라만 피크를 포함하지 않음). 일부 재료의 경우 다른 라만 봉우리가 서로 너무 가깝게 표시되어 재료에 대한 문헌을 확인하기 위해 피크 데온볼루션이 필요할 수 있습니다.

라만 분광법은 빛의 산란을 악용하여 조사 중인 물질고유의 분자 정보를 수집합니다.

빛이 분자에 부딪히면 대부분의 에너지가 흡수되지 않지만 사고 광과 동일한 에너지로 산란됩니다. 그러나, 산란된 방사선의 작은 분수는 사건 방사선과 다른 에너지에 나타납니다.

에너지의 이러한 변화는 분자의 진동 상태에 해당하며 분석 중인 시료의 분자 조성물을 식별, 정량화 및 검사하는 데 사용될 수 있다.

이 비디오는이 기술의 뒤에 이론을 소개하고, 실험실에서 동일한 수행 절차를 시연하고,이 방법이 오늘날 산업에서 적용되는 몇 가지 방법을 제시할 것입니다.

시료와의 방사선 의 상호 작용은 광자와 분자 사이의 충돌로 생각 될 수있다.

들어오는 광자는 분자를 단명한 가상 흥분 상태로 흥분하여 신속하게 지상 상태로 부패하고 흩어진 광자를 방출합니다. 에너지 교환이 없을 때, 흩어져 있는 광자는 사건 광자와 동일한 파장을 가지며, 이를 탄성 레일리 산란이라고 합니다.

라만 산란은 광자와의 비탄성 상호 작용의 결과로 진동 흥분 또는 이완을 겪고 있는 분자를 나타냅니다. 분자가 지상 상태에서 가상 흥분 상태로 증가하고 더 높은 에너지 진동 상태로 다시 떨어지면 광자에서 에너지를 얻었습니다. 이것은 또한 스토크스 산란이라고합니다.

더 높은 진동 에너지의 분자가 에너지를 얻고 더 낮은 지면 상태로 다시 떨어지면 분자가 광자에 에너지를 잃어 안티 스토크스 산란을 일으킵니다. 실온에서, 지상 상태의 분자의 수는 반대로 스토크스 산란보다는 더 강렬하고 더 일반적으로 검사될 스토크스 산란을 일으키는 원인이 되는 더 높은 에너지 상태에 있는 그 보다는 더 높습니다.

입사 광자와의 이러한 상호 작용에서 발생하는 분자 진동 및 회전에는 대칭 및 비대칭 스트레칭, 가위, 흔들기, 흔들림 및 비틀림이 포함됩니다.

이러한 분자 진동은 라만 분광법뿐만 아니라 적외선 분광법과 같은 다른 기술과 함께 사용됩니다. 진동은 "라만 활성"이거나 라만 분광법에 의해 검출가능하며, 전자 구름의 극성 또는 왜곡의 양이 변경될 때 감지됩니다. 진동은 이폴 순간의 변화를 유도할 때 적외선 활성입니다.

예를 들어, 대칭 스트레칭, 이산화탄소의 확장처럼, 전자는 핵에서 멀리 이동하고 쉽게 편광될 하지만 편극 순간을 변경하지 않습니다. 비대칭 스트레칭은 다른 한편으로는, 편극 순간에 변화를 초래하지만, 편광성에 변화가 없습니다. 이러한 이유로, 라만 및 적외선 분광기는 화학 분석의 보완적인 방법으로 취급됩니다.

라만 분광법은 샘플에 강렬한 단색 레이저를 비추면 수행됩니다. 샘플에서 방출되는 방사선이 수집되고 레이저 파장이 여과됩니다. 산란된 빛은 단색을 통해 CCD 검출기로 전송됩니다. 라만 미세 분광법에서 레이저는 미세 분석법을 통과하여 시료에 도달하기 전에 현미경을 통과하여 미크로네 수준에서 공간 해상도를 허용합니다.

샘플의 라만 스펙트럼은 사고 방사선의 파수의 이동 기능으로 산란 방사선의 강도의 플롯이다. 피크 모양과 강도는 분자 구조, 대칭, 결정 품질 및 재료의 농도를 나타낼 수 있습니다.

이제 이 방법의 이론을 이해하게 되었으므로 샘플에서 라만 현미경 검사를 수행하는 프로토콜을 살펴보겠습니다.

절차를 시작하려면 필요한 레이저를 켜고 사용되는 파장에 대한 올바른 광학을 선택합니다. 실험을 시작하기 전에 레이저를 15분 동안 데우어 따뜻하게 해 주세요. 그 동안, 컴퓨터를 켜고 계측기 소프트웨어를로드합니다.

사용되는 레이저에 대한 올바른 파장을 선택합니다. 라만 분광기의 필요한 교정을 수행합니다. 이것은 현미경 단계에 놓인 실리콘 웨이퍼를 사용하여 수행 될 수 있지만, 여기서 내부 실리콘 참조 샘플이 사용된다. 라만 스펙트럼은 적절한 노출 에너지와 시간을 사용하여 얻어진다. 실리콘은 약 520 파수에서 강한 피크를 제공해야합니다.

일단 보정되면, 현미경 아래에 견본을 놓고 관심의 층에 집중합니다. 어두운 인클로저는 길 잃은 빛을 제거하는 데 사용됩니다. 레이저의 경로가 깨끗한 스펙트럼을 얻기 위해 빛 흡수 또는 라만 활성 층에 의해 방해되지 않았는지 확인하십시오.

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

샘플이 완전히 어두운 인클로저에 있는 경우 백그라운드 검색이 필요하지 않습니다. 샘플의 스펙트럼을 획득합니다.

적절한 소프트웨어를 사용하고 사용 가능한 문헌과 비교하여 데이터를 조사합니다. 우주 광선은 제거해야 하는 날카롭고 강렬한 봉우리처럼 나타납니다. 특정 기판 또는 오염 물질과의 레이저 간섭은 기준선을 초래할 수 있으며, 이는 샘플에서 유래한 라만 피크를 포함하지 않을 것으로 예상되는 스펙트럼 의 영역에 적절한 곡선을 피팅하여 제거됩니다. 일부 재료의 경우, 다른 라만 봉우리피크 가 필요한 정도에 겹칩니다.

이러한 단계가 경쟁되면, 결과 스펙트럼은 샘플에 존재하는 종에 대한 정성적 및 정량적 데이터를 나타냅니다.

여기에서는 매우 작고 중공 된 단일 또는 다층 롤인 그래 핀 시트의 라만 스펙트럼을 살펴보겠습니다. 514 nm 레이저를 사용하여 다중 벽의 탄소 나노튜브에서 가져온 라만 스펙트럼이 여기에 표시됩니다.

탄소 나노튜브는 결정 격자로 표현되기 때문에 진동은 집단 진동 "모드"로 표시됩니다. 1,582개의 파수수에서의 G 모드 피크는 모든 흑연 물질에서 찾을 수 있는 Sp2 혼성 탄소 탄소 결합과 관련이 있습니다. 또한 눈에 띄는 D 피크 1,350 파수는 결정 격자의 장애에 의해 발생 산란을 나타냅니다. G 및 D 모드의 강도 비율은 나노튜브의 구조적 품질을 정량화합니다.

레이저와 컴퓨터 기술의 발전은 한때 지루한 라만 분광법을 화학 분석에 가장 널리 사용되는 기술 중 하나로 만들었습니다.

고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 향후 수십 년 동안 저공해 에너지의 주요 원천이 될 가능성이 있습니다. 이 세포는 전기 화학적으로 연료와 산화제의 에너지를 전기로 변환하여 작동합니다. 연료 전지 재료의 전기화학적 메커니즘을 특성화하는 데는 여전히 몇 가지 어려움이 있다. 그러나, 라만 분광법은 지금 양극에 복잡한 화학 반응 기계장치를 지도하기 위하여 점점 더 이용되고 있습니다.

예술품은 나이, 구성을 밝히고 보존 조건을 최적화하기 위해 분광적으로 검토됩니다. 라만 현미경 검사법의 비파괴적 특성은 이 목적을 위해 잘 적합합니다. 예술 샘플에 레이저를 집중하고 비탄력적으로 흩어진 빛의 강도를 플로팅함으로써 예술가의 안료, 결합 매체 또는 바니시를 얻을 수 있습니다. 라만 분광법은 예술 작품의 위조를 식별하는 데에도 사용됩니다.

화학 분석을 위한 라만 분광법에 대한 JoVE의 소개를 방금 시청했습니다. 이제 라만 효과의 원리와 라만 분광법에 적용되는 방법, 실험실에서 라만 분석을 수행하는 방법, 오늘날 산업에 적용되는 흥미로운 방법 중 일부를 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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514 nm 레이저를 사용하여 다중 벽의 탄소 나노튜브에서 가져온 라만 스펙트럼은 도 1에도시된다. 선형 기준선이 제거되고 데이터가 약 1,582cm-1주위의 가장 강렬한 피쳐로 정규화되었습니다.

여러 피크는 샘플의 다른 결정피성 피처에서 유래하는 관찰될 수 있습니다. 1,350cm-1의 D-피크는 결정 격자에 결함이 있는 이중 공명 탄성 포논 산란을 형성한다. G-피크(1,582cm-1)는Sp2 혼성 C-C 결합과 관련이 있으며 모든 흑연 물질에서 찾을 수 있다. 이 강한 피크는 실제로 스펙트럼의 오른쪽에 어깨를 가지고, 이는 약 1,620cm-1D'피크입니다. 이 피크는 다시 결함과 관련이 있습니다.

더 높은 파도 숫자에서 여러 가지 다른 피크를 관찰 할 수 있습니다. G'(또는 2D) 피크 약 2,700cm-1은 D 대역의 배음이며, 두 개의 비탄성 포논 산란 공정에 의해 야기된다. 이 때문에 결함이 필요하지 않으며 높은 결정 시료에서 찾을 수 있습니다. D 밴드의 배음인 3,240cm-1정도의 2D 밴드도 마찬가지입니다. 마지막으로 D+G 약 2,930cm-1은 D와 G 밴드의 결합된 배음입니다.

Figure 1
그림 1. 다중 벽탄소 나노튜브의 라만 스펙트럼. 스펙트럼은 514 nm 레이저를 사용하여 수득되었고, 선형 기준선은 스펙트럼의 평평한 영역에 맞게 제거되었고 스펙트럼은 G-피크로 정규화되었다.

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Applications and Summary

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라만 분광법은 (바이오) 화학에서 고체 물리학에 이르기까지 광범위한 분야에서 적용 될 수 있습니다. 화학에서, 라만 분광법은 화학 결합의 변화를 조사하고 라만 지문을 사용하여 특정 (유기 또는 무기) 분자를 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 이것은 재료의 가스, 액체 또는 고체 상에서 수행 될 수있다. 예를 들어, 약물의 활성 성분을 조사하기 위해 의학에서 사용되었으며, 라만 가스 분석기는 수술 중 호흡기의 실시간 모니터링에 사용됩니다.

고체 물리학에서 라만 분광법은 물질을 특성화하고 결정 방향, 구성, 스트레스, 온도 및 결정성을 결정하는 데 사용됩니다. 그것은 광물 조성물을 식별하는 데 사용되었으며, 법의학 추적 증거 분석에 사용할 수 있습니다. 또한 라만 분광법을 사용하여 플라스몬 및 고체의 다른 저주파 여기를 관찰할 수도 있다. 특히 흑연 물질에 대 한 결정성, 단일 및 이중 벽 나노 튜브의 직경 및 그들의 키랄성을 조사 하는 데 사용 되었습니다. 그래 핀을 위해 그래 핀 층의 수를 식별하는 데 사용할 수도 있습니다.

다른 분광 방법에 비해 라만 분광법의 가장 큰 장점은 현미경으로 샘플에 집중할 수 있고, μm 크기의 샘플을 분석할 수 있고, 접촉이 필요 없고, 비파괴적인 경우 일반적으로 시료 준비가 필요하지 않다는 것입니다.

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