화학 분석을 위한 라만 분광법

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(단위^cm-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.

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.

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

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.