라만 측정의 이해

라만(Raman) 산란은 비탄성 광산란이다

빛은 물질을 만나면 산란합니다. 산란 되어 나오는 빛의 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지나 극히 일부분(10-8)은 입사광과 다른 에너지를 가지게 되는데, 전자의 경우 탄성 산란에 해당하며, 후자는 비탄성 산란으로 산란 물질 내부에서 에너지를 주고 받는 경우로 이것이 라만 산란에 해당합니다. .비탄성 산란중, 물질이 에너지를 얻는 경우를 Stokes(스톡스) 산란이라고 하고 물질이 에너지를 잃는 경우를 Anti-Stokes 산란 이라고 합니다.. 상온(25oC)에서 대부분의 분자는 진동 바닥 상태에 있기 때문에 분자는 외부의 에너지를 얻어 진동 흥분 상태가 될 확률이 많습니다. 즉, Stokes 산란이 Anti-Stokes 보다 강도가 강해일반적으로 Stokes 산란만 관찰합니다.

라만(Raman) 분광법은 진동 분광학의 영역에 속한다

분광학은 빛을 이용하여 물질의 정보를 알아내는 학문의 한 영역이입니다. 
빛은 전자기파입니다. . 위의 표는 전자기파의 에너지와 물질이 가지는 에너지와의 관계를 나타냅니다. 분자 회전 에너지는 전자기파에서 마이크로파의 에너지에 해당 되고 분자 진동 에너지는 적외선 에너지에 해당합니다. 분자의 진동은 적외선 에너지에 해당하므로 적외선을 물질에 조사하면 분자 진동에 대한 정보를 알 수 있고 이것을 적외선 분광법이라 합니다.
또 다른 방법으로는, 분자 진동에너지 보다 큰 에너지의 빛(가시광선이나 자외선)을 넣어서 산란광을 관찰하는 것입니다. 큰 에너지의 빛을 넣으면 분자와의 상호작용을 통하여 산란광은 입사광보다 분자 진동에너지 만큼 잃거나 얻게 됩니다. 이것은 분자의 진동 에너지가 고유한 것이기 때문에 가능합니다. 이 현상을 라만경이 관찰했고 오늘날 그의 이름을 따서 라만이라고 칭합니다.

분자 진동 에너지 = 적외선이 가진 에너지

분자 진동 에너지는 적외선이 가진 에너지에 해당합니다. 적외선은 "0.75μm에서 1mm 범위에 속하는 전자기파"라고 정의되고 .파수로는 0-10,000 cm -1 에 해당합니다. 이 중 대부분의 분자 진동이 0- 4000 cm -1 에 해당하므로 라만 실험시 가로축을 0-4000 cm -1 정도의 영역을 측정하면 대부분의 진동을 관찰할 수 있습니다. <알고가기> 파수(Wavenumber) = 파장의 역수로 정의되며, 단위길이 당 파의 개수를 나타냅니다. 521cm-1 는 1cm 에 521개의 파가 들어 있는 것입니다. 파수가 크다는 것은 단위길이당 많은 파가 있는 것이고, 파수는 진동수에 비례하고, 에너지에 비례하므로 파수가 크다는 것은 진동이 그만큼 빠른 것이고 에너지가 큰 것입니다. 
   

라만 원리
 
라만(Raman) 분광학은 인도의 물리학자 C. V. Raman 경이 단색광의 빛을 쪼여준 액체 시료로부터 입사된 단색광과 다른 파장의 빛이 산란되는 현상을 1928년 최초로 관찰 하여 보고한 이래로 분광학 기술로 개발되고 체계화되어 현재는 IR 분광법(Infrared spectroscopy)과 함께 진동 모드의 변화를 추적함으로써 분자의 구조와 특성을 밝히는 진동분광학(Vibrational Spectroscopy)이란 학문영역의 독자적인 한 영역을 구축하고 있습니다. 이 라만 분광법은 원래 빛의 약한 라만 산란현상을 이용하였기 때문에 적외선분광법보다 먼저 태동을 하였으면서도 발전 속도가 느려 적외선분광법만큼 그 동안 많이 활용되지 못했는데, 광원으로써 출력이 좋은 레이저의 출현과 함께 급속도로 발전하여 지금은 여러 연구분야에서 각광을 받고 있는 진동분광학중의 하나입니다. 라만분광법은 진동운동을 하고 있는 분자에 단색광의 입사광을 쪼여줄 때 그 분자가 가지는 진동자들이 입사광의 에너지를 자신이 진동하는 에너지만큼 흡수, 방출, 또는 아무 변화 없이 그대로 통과시켜 입사광의 에너지와는 다른 3 가지 형태의 빛을 내놓게 되는데 이것이 라만산란현상의 기본이 됩니다. 분자가 외부로부터 입사된 빛에너지(νo)에서 일정 에너지(ν1)를 흡수하는 Stokes scattering(νo-ν1),  이미 들떠 있던 분자들로부터 에너지를 얻어서 더 높은 진동수를 가지는 anti-Stokes scattering(νo+ν1), 그리고  입사광과 동일한 에너지를 내는 Rayleigh scattering이 기본 산란 현상입니다.   (그림 a)

 

이 세 가지 산란 중 라만 분광법에서 가장 많이 사용하는 분야는 Stokes 산란인데 이것은 Stokes 산란의 세기는 그림 b에 나타난 것 처럼 어떤 진동모드의 바닥 상태, 즉 진동에너지준위 v=0상태에 존재하는 분자들의 수에 비례하며, 반면에anti-Stokes산란은 v=1상태에 존재하는 분자들의 수에 비례 하게 되는데 v=0와 v=1에 분포되는 분자들의 수는 볼쯔만 분포식을 따르므로 실내온도에서 대부분의 분자들은 그림 c에서 볼 수 있듯이 바닥 상태에 많이 존재하게 되어 Stokes 밴드의 크기를 추적함으로써 분자들 수의 증감을 알 수 있는 것입니다.  따라서 Stokes밴드의 위치로부터는 진동모드의 에너지를 밴드의 크기로 부터는 분자들의 양을 측정할 수 있기 때문에 라만 스펙트럼을 얻음으로써 그 시료의 특성과 분자구조를 규명할 수 있는 것입니다.  식으로 표현된 라만산란은   μ=αE로 나타낼 수 있는데  여기서 μ는 유발쌍극자 모멘트, α는 분자의 편극율, 그리고 E는 빛의 전기장입니다. .위의 식에 바탕을 두고 분자의 관점에서 보면 진동하면서 분자의 전자운이 쉽게 움직일 수 있는, 즉 편극율이 큰 분자일 때 그리고 입사광 관점에서 보면 에너지가 큰(짧은 파장) 광원을 사용할 때 좋은 시그널을 얻을 수 있습니다. 
  

형광 원리
 
 일반적으로 발광(Luminescence)은 전자적으로 들뜬상태로부터 광자의 방출을 의미합니다. 여기에는 형광(Fluorescence) 과 인광(Phosphorescence)이 있으며, 이를 나타내는 물질은 주로 conjugated double bond에 비편재화 된 전자(delocalized electron)를 가지고 있는 분자들(예,Quinine, Fluorescein, Rhodamine B, Anthracene, Pyrene)입니다. 대개 빛의 흡수와 방출은 아래에 나타난 A. Jablonski에 의해 제안된 에너지준위 도표에 의하여 설명됩니다. 바닥상태, 첫 번째 들뜬상태, 두 번째 들뜬상태를 각각 So, S1, S2라 하며, 이들 각각의 전자에너지 준위는 다시 많은 수의 진동 에너지 준위로 나누어지는데. 바닥 상태로부터 들뜬 상태로의 전자 전이는 약 10-15sec 정도입니다. 전자가 에너지를 받아서 들뜨면 이 전자는 여러 경로를 통해 에너지를 잃게 되며 이때 에너지를 잃는 경로는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 하나는 들뜬 에너지를 광자로 방출하며 잃는 radiative emission으로 이 과정을 형광(fluorescence)이라하며 보통 10-9sec  동안에 일어납니다. 다른 하나는 빛을 내지 않으며 에너지를 잃는 비 발광성 방출(nonradiative emission)로써 분자 내 계간 전이(internal conversion)를 통해 일어납니다. 또 다른 비 발광성 방출은 intersystem crossing 이며, 이를 거쳐 인광(T1→ So)이 나타납니다.
Fluorescence가 중요한 이유는 아래와 같습니다.

Sensitivity가 좋습니다 :10 ppm∼1 ppb (여러 분광법 중 가장 감도가 좋고 분자 1개의 검출도 가능하다) 형광방출시간 : 10 ns (이 시간동안에 여러 종류의 분자 동력학이 일어난다)
생체내 결합을 측정할 수 있습니다. (NMR 또는 UV측정 곤란한 것(고분자)을 형광에서 측정할 수 있다)
Jablonski 도표  

라만 화상시스템 (Raman Imaging System) 
 
라만 스펙트럼만을 얻을 수 있는 기존의 라만 분광기에 라만 화상을 동시에 얻을 수 있는 첨단 기능이 부착된 분광장치입니다. 시료에 대한 정성적인 정보는 스펙트럼을 얻음으로써 알 수 있고, 여러 종류의 시료가 혼합되어 존재할 때 시료들의 공간적 분포는 라만 화상을 통하여 알 수 있습니다.
라만 화상시스템은 현재 나와있는 분광기 중에서 유일하게 시료의 전 처리가 필요하지 않는 편리성과 그로 인한 넓은 활용도 때문에 최근 들어 많은 연구자들로부터 관심을 끌고 있는 기기이며, 기기의 활용범위는 반도체물질을 비롯하여 초전도물질,고분자, 단백질, 인공다이아몬드, 무기재료, 박막, 풀러렌등 분광기 중에 가장 넓은 범위의 시료를 측정할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.