13.18 : 라만 분광법: 개요

라만 분광법의 기본 원리는 빛과 물질 간의 상호 작용, 특히 분자의 비탄성 광자 산란에 기초합니다. 일반적으로 레이저 소스에서 나오는 단색 광선이 표본과 상호 작용할 때 대부분의 산란광은 입사광과 동일한 주파수를 갖습니다. 이를 레일리 산란이라고 합니다.

그러나 산란광의 일부는 입사 광자와 표본 분자의 진동 에너지 레벨 간의 에너지 교환으로 인해 주파수 이동을 보입니다. 이 현상을 라만 산란이라고 합니다.

라만 스펙트럼을 얻으려면 표본에 단색 레이저 광선을 조사합니다. 산란된 방사선은 민감한 검출기가 장착된 분광기를 사용하여 적절한 각도(일반적으로 180°)에서 수집합니다. 파장 또는 파수의 함수로 주파수 이동된 산란광을 측정하면 표본의 라만 스펙트럼이 제공됩니다.

공명 라만 산란은 여기 파장이 분자의 전자 전이에 가까울 때 발생합니다. 이는 라만 산란 강도를 높여 약한 신호도 더 쉽게 감지할 수 있게 합니다. 그러나 적절한 여기 파장을 선택하는 것은 라만 신호를 압도할 수 있는 형광 간섭을 피하는 데 중요합니다. 많은 경우 근적외선 또는 가시광선 레이저를 사용하여 형광을 최소화합니다.

분자가 광자를 흡수하면 일시적으로 가상 에너지 수준으로 상승합니다. 이 가상 상태는 수명이 짧으며 분자는 광자를 방출하여 빠르게 진동 에너지 수준으로 돌아갑니다. 입사 광자와 방출 광자 사이의 에너지 차이는 분자의 진동 에너지 수준에 해당합니다.

라만 산란에는 스토크스와 반스토크스의 두 가지 유형이 있습니다. 스토크스 산란에서 방출된 광자는 입사 광자보다 에너지가 낮고(긴 파장) 반스토크스 산란에서 방출된 광자는 에너지가 높습니다(짧은 파장).

비탄성적으로 산란된 방사선의 주파수 변화는 분자의 진동 주파수에 해당합니다. 이러한 주파수 변화를 분석하면 표본의 분자 구조와 화학적 구성에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있습니다.

라만 스펙트럼은 일반적으로 강도 대 파수(파장의 역수)의 플롯으로 표시됩니다. 스펙트럼의 피크는 표본의 분자의 특정 진동 모드를 나타내며 식별을 위한 고유한 "지문"을 제공합니다.

사염화탄소 표본을 생각해 보세요. 단색 레이저로 조사하면 스토크스 산란과 반스토크스 산란이 모두 발생합니다. 스토크스 신호의 강도는 반스토크스 신호보다 강할 것입니다. 그 이유는 기저 진동 상태의 분자 집단이 실온에서 여기 상태의 분자 집단보다 높기 때문입니다.

진동 모드는 사염화탄소의 라만 스펙트럼을 분석하여 식별할 수 있습니다. 이러한 진동 모드와 관련된 주파수 변화는 분자의 화학적 구성과 결합에 대한 귀중한 정보를 제공합니다.