라만 분광법 (Raman Spectroscopy)의 기본 원리_1. 라만 현상의 시작

라만현상이란 (Raman effect)?

일반적으로 빛은 물질과 만날때 흡광, 투과, 반사, 산란, 회절 등의 상호작용을 하게 된다. 이때 빛은 전자기파로서 파장에 따른 특정한 에너지를 가지고 있으며 일반적으로는 물질에 흡수되며 에너지를 전달한다.

빛이 물질과 상호작용하는 다이어그램

입사한 빛은 대부분 물질에게 흡수되거나 반사되며 사라지지만 그중 일부 만이 회절이나 산란을 일으키는데, 라만 현상의 발견 이전에 사람들은 100의 에너지를 가진 빛(광자)가 입사하면 항상 100의 에너지를 가진 빛이 튕겨져 나오거나 흡수된다고 이해했다. 

 

하지만 1928년 분자와 빛의 연관성에 대해 연구하던 과학자 라만(Chandrasekhra Venkata Raman)은 빛이 분자와 만나서 반사되면 아주 적은 비율로 다른 에너지를 가진 빛이 나오는 것을 관찰해 낸다.

 

실제 관찰된 벤젠의 스펙트럼, 빛이 파장이 변하지 않는다면 4339파장의 빛 하나만이 나와야 한다.

 

즉 100의 에너지를 가진 빛이 물질과 만나자 80의 에너지를 가진 빛이나 120의 에너지를 가진 빛이 튀어 나온 것이다. 빛의 에너지는 파장에 역비례 하므로 검출기에는 여러개의 스펙트럼이 찍혔으며, 이는 빛이 물질과 상호작용하는 다른 원리를 발견한 것이었다.

 

raman effect와 sir raman (C. V raman)

이를 통해 분자가 특정한 빛을 흡수하는 모드를 가지고 있다는 것을 발견했고 이에 대한 발견으로 그는 노벨상을 수상하게 된다. 

 

 

실험에 사용하는 라만분광기 (Raman spectroscopy Instrumentation)

 가장 기본적인 라만 분석기는 단파장의 레이저를 통해 시료에 빛을 조사하고 돌아오는 빛을 관찰한다. CCD카메라를 이용하여 샘플의 표면에서 적절한 위치를 찾은후 특정 레이저를 조사하여 돌아오는 빛을 편광하여 값을 얻는 방식이다.

 

이 과정에서 조사하는 빛의 파장은 514nm로 일정하지만 돌아오는 빛은 514nm보다 파장이 길거나 짧은 빛이 돌아오게 된다. 하지만 실제로 라만 현상은 10만개의 광자중 단 한개에서만 일어날 만큼 그 확률이 매우 낮으며 분석을 위해서는 매우 정밀한 검출기가 필요한 경우가 있다.

 

라만 분광기의 장점

1. 기체, 액체, 고체등 모든 시료의 상 범위에서 측정이 가능하다
2. 분석 시간이 매우 짧다
3. 입사 광원의 파장이 관측 결과에 영향을 주지 않기에 자유롭게 변경이 가능하다
4. 복합적인 시료를 분석할때도 물, 기판등에 영향을 많이 받지 않는다
5. 시료의 준비가 간단하고 비파괴적인 분석이 가능하다
6. IR분석과 상호적으로 뒷받침하는 데이터가 될 수 있다.

 

라만 분광기의 단점

1. 방출하는 레이저의 광량이 상대적으로 강한 경우 레이저에 의해 시료가 뜨거워지거나 광분해가 일어날 수 있다
2. 형광(fluoresce)특징을 가지는 물질의 경우 피크 분석이 어렵다
3. IR 분석에 비해 분자의 병진, 회전에 의한 스펙트럼을 자세히 얻기 힘들다. 일반적으로 가시광선, 자외선 영역의 레이저일수록 분광 해상도가 떨어질 수 밖에 없다
4. IR시스템이나 UV 시스템에 비해 상대적으로 가격이 비싸고 해석에 필요한 변수가 더 많다. 또한 크기를 더 작게 만들기가 어렵다

 

 

 

 

 

References

1. Modern Raman Spectroscopy – A Practical Approach [1]
2. Andrea Orlando et al, A Comprehensive Review on Raman Spectroscopy Applications [2]
3. H. J. Bowley et al, Practical Raman Spectroscopy [3]
4. John R et al, Introductory Raman Spectroscopy(Second edition) Elsevier, 2003 [4]