라만분광의 힘

1928년에 발명된 이 제품은 이제 살아있는 세포에서 반도체 전자 장치에 이르는 모든 화학 성분과 구조를 밝혀주는 강력한 분석 도구입니다. 

2021년 8월 10일, Coherent

분광학은 빛을 비추거나 물질이 방출하는 빛을 측정하여 무엇으로 구성되어 있는지 확인할 수 있는 매우 유용한 기술입니다. 또한 실제로 샘플을 만지거나 어떤 식으로든 손상시키지 않고 이 작업을 수행할 수 있습니다. 이 작업은 모든 종류의 과학, 생명 과학 및 산업 용도에서 측정을 수행하는 정말 실용적인 방법입니다. 엄청나게 멀리 떨어져 있는 별의 화학적 구성을 배울 수도 있게 되었습니다.

명료한 생각

기본적으로 대부분의 분광학에는 무언가를 조명한 다음 반사되는 빛의 색상과 양에 대한 측정이 포함됩니다. 빛의 각 색상(또는 파장)에 포함되어 있는 에너지의 양은 서로 다릅니다. 따라서 물질은 원자, 분자 또는 결정 격자가 진동하는 에너지에 해당하는 특정 색상에서 빛을 강하게 흡수합니다. 결과적으로 흡수되는 색상을 확인하면, 샘플에 있는 원자와 분자알 수 있으며, 때로는 배열 방식에 대해 알 수 있습니다. 지문이 각 사람에게 고유한 것처럼, 이 정보는 각 화학 물질에 고유하기 때문에 종종 스펙트럼 지문 또는 화학적 지문이라고 합니다.

주변의 세계에서 분자에 유용한 대부분의 지문은 스펙트럼의 적외선(IR) 부분에서 발견됩니다. 그 점이 적외선(IR) 분석이 화학자들에게 매우 인기 있으며, 이 기술이 많은 실험실에서 사용되는 이유입니다.

그러나 – 그리고 그것은 크지만 – 유리와 물은 적외선을 잘 투과하지 못합니다. 물로 완전히 가득 찬 살아있는 세포 또는 발효처럼 물에서 발생하는 모든 종류의 화학적 또는 산업적 공정 같이 물에 잠긴 모든 것을 관찰하는 데 이 방법을 쉽게 사용할 수 없습니다. 그리고 유리를 통해 이 방법을 사용할 수 없기 때문에, 반도체를 가공할 때 사용할 수 있는 반응 챔버로 들어가는 뷰포트와 같이 테스트 튜브에서 또는 창을 통해 샘플을 분석할 수 없습니다.  

이제 분명하게 알 수 있습니다

1928년 찬드라세카라 라만이라는 과학자는 투명한 샘플에 고색 순도 가시광선을 비추는 실험을 하고 있었습니다. 물론 대부분의 빛은 바로 통과했습니다. 바로 이것이 투명하다는 의미입니다. 흡수되지 않았습니다. 

그러나 또한 아주 작은 양의 빛이 다른 색으로 변형되거나 이동되는 것도 발견했습니다. 빛이 흡수되지 않고 샘플의 분자로 인해 "비탄력적으로 산란"되기 때문에 발생하는 것으로 밝혀졌습니다. 그리고 최종적으로는 발견된 특히 유용한 것은 색상이 변경된 빛의 특정 색상 패턴(또는 스펙트럼)이 IR 분광기를 사용하여 얻은 것과 동일한 지문 정보를 포함하여 샘플에 대한 많은 정보를 드러낸다는 것입니다. 그러나 라만분광에서는 적외선 대신 가시광선을 사용하기 때문에, 유리창, 시험관 및 광학 파이버를 통해 빛을 통과시킬 수 있으며 더 이상 물과 혼합된 것을 샘플링하는 데 문제가 없습니다.

IR 스펙트럼과 마찬가지로, 라만 변이된 광은 샘플에 어떤 화학 물질이 있는지 및 해당 물질의 양을 알려줍니다. 무언가에서 불순물을 찾거나 특정 분자의 존재를 식별하려는 경우에 정말 유용합니다. 

그러나 실제로는 라만 스펙트럼을 통해서만 확인할 수 있는 훨씬 더 많다는 것이 밝혀졌습니다. 그것은 결정 구조의 세부 사항을 밝히고, 동일한 원자를 포함하지만 다른 결정 형태(다형성)를 갖는 분자를 구별할 수도 있습니다. 그런 특성을 통해 단백질이 어떻게 접히는지 알거나 고체 물질의 기계적 응력에 대한 정보를 확인할 수 있습니다. 게다가 그 외에 훨씬 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다.   

약한 자가 강하게 될 것이다

라만이 1928년에 발견되었고 매우 유용했다면, 이제서야 라만에 대해 듣게 된 이유가 무엇입니까? 간단한 대답은 라만분광을 실용적이고 비용 효율적으로 만드는 기술이 지난 25년 동안 실제로 개발되었다는 것입니다. 특히 믿을 수 없을 정도로 약한 라만 신호를 일상적으로 감지하고 분석할 수 있도록 결합된 세 가지 핵심 기술 발전이 있었습니다.

 

레이저 라만 효과는 너무 약해서 단일 파장(색상)에서 많은 빛이 필요하기 때문에 전혀 관찰되지 않습니다. 그리고 이것이 바로 레이저가 제공하는 것입니다.
볼륨 홀로그래픽 격자(VHG) 노치 필터 약한 라만 신호를 감지한다는 것은 사방에 퍼져 있고 거의 같은 색상인 훨씬 더 밝은 산란 레이저 광에서 신호를 분리하는 것을 의미합니다. 그렇게 하기 위해서는 레이저 광을 효율적으로 차단하고 라만 변이된 광만 통과시킬 수 있는 특수 필터가 필요합니다.   
CCD/CMOS 감지기 필터링된 라만 광은 분산되어 서로 다른 파장으로 분리된 다음, 디지털 카메라에 사용되는 센서 유형과 유사한 매우 민감한 CCD 또는 CMOS 검출기를 사용하여 측정됩니다. 이 방법을 통해 각 색상의 빛을 모두 동시에 측정할 수 있습니다.

수프에서 견과류까지

이러한 기술을 기반으로 하는 상업용 라만 계측기는 이제 다양한 형태로 제공되어 엄청나게 다양한 용도에 서비스를 제공하게 됩니다. 보석과 살아있는 세포에서 의약품에 이르는 모든 것을 관찰할 수 있는 라만 기능이 내장된 현미경이 있습니다. HAZMAT 유출에서 알려지지 않은 액체를 식별할 수 있는 휴대용 라만 분광기가 있습니다. 라만 시스템은 플로우 셀과 함께 활용하여 산업 공정에서 모든 종류의 액체와 기체를 온라인으로 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.  

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그림 1. 저주파 라만 스펙트럼은 다양한 활성 제약 성분(API)을 명확하게 구분할 뿐만 아니라 올바른 투여에 중요한 다양한 결정 형태(다형체)를 나타낼 수 있습니다.

Coherent는 레이저 소스, 고성능 SureBlock™ 필터완전한 라만 시스템 같은 다양한 기능을 가진 라만 분광기를 지원합니다.

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