라만 분석(Raman Analysis) - 라만 산란 양자역학 포논 Phonon Rayleigh scattering Stokes 효과 Anti-stokes 효과

안녕하세요. 이번 시간에는 라만 분석(Raman Analysis)에 대해 알아보려고 합니다. 라만에 대한 기본적인 원리를 알아보고 이해를 돕기 위해 양자역학적으로도 접근해 보겠습니다.

 

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1. 라만의 원리

2. 양자학적 이해

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1. 라만의 원리

 

라만의 원리를 이해하기 위해 라만 산란부터 접근하도록 하겠습니다. 라만 산란이란 빛의 파장을 변화시키는 산란 현상입니다. 분자마다 고유한 진동 스펙트럼을 가지고 있고 라만 분석은 이러한 분자의 진동 스펙트럼을 측정하여 활용합니다.

 

 

 

빛이 어떤 매질을 통과할 때 산란된 빛은 빛의 원래 방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하게 됩니다.이때 산란된 빛의 E(Energy)는

 

레일리, 라만 산란의 모식도

 

1. 산란된 빛의 E = 원래의 E 

2. 산란된 빛의 E > 원래의 E

3. 산란된 빛의 E < 원래의 E

 

이렇게 측정이 됩니다. 다시 한번 정리하면

 

1. 산란된 빛의 E = 원래의 E  : 레일리 산란(Rayleigh scattering)

2. 산란된 빛의 E > 원래의 E  : 라만 산란(Raman scattering)

3. 산란된 빛의 E < 원래의 E  : 라만 산란(Raman scattering)

 

으로 정리 할 수 있습니다.

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2. 양자학적 이해

 

라만의 이해를 돕기 위해서 양자역학적으로 접근해 보겠습니다. 자외선 및 가시광선에 의해 여기 상태(excited vibrational state)로 들뜬 분자는 다시 바닥 상태(ground state)로 내려오게 됩니다. 입사 된 광원의 E를 모두 방출하면서 바닥상태로 떨어지게 되면 광원과 같은 E의 빛이 산란되어 방출되고, 이것이 레일리 산란입니다. 또한, 분자의 진동 E 만큼을 흡수하거나 또는 방출한 후 바닥상태로 떨어지는 경우를 라만 산란이라고 합니다. 아래 그림을 보시면서 이해하시면 편하실 겁니다.

 

광원 입사 시 분자의 거동 및 그에 따른 효과

 

 

라만 산란에는 2가지의 효과가 있고 이를 이해하기 위해 가장 먼저 다음과 같은 이론을 먼저 알아야 합니다.

 

 

CO2 분자의 진동 모드에 따른 Raman Active, Inactive

 

 

다시 정리하면 입사된 광원의 E의 일부가 분자의 진동에너지 만큼 매질로 이동되어 산란된 빛의 E가 감소한 현상이 있습니다. 이때 흡수된 E는 분자를 진동 여기 태로 만들고 후에 다시 바닥상태로 돌아오게 됩니다. 이를 Stokes 효과라고 합니다.

 

이와 반대로 입사된 광원의 E의 일부가 분자의 진동에너지 만큼 매질에서 뺏어 오게 되어 산란된 빛의 E가 증가한 현상이 있습니다. 이때 뺏어 온 E는 진동 여기 상태에 있던 분자를 바닥상태로 떨어트리게 되는데 이를 Anti-stokes 효과라고 합니다.

 

물질이 흡수 또는 방출하는 E는 각 물질을 구성하는 분자 구조와 밀접한 관계가 있습니다. 즉, 라만 산란에 따른 산란 된산란된 빛은 각 물질에 따라 고유하므로 산란된 빛을 분석하면 물질의 분자구조를 추론할 수 있게 됩니다. 이런식으로 라만 분석이 이뤄지는 것이죠.

 

Raman scattered의 Stokes, Anti-Stokes 효과

 

이번 시간에는 라만에 대한 기본적인 원리를 알아봤고 더 나아가 양자역학적으로 접근해 봤습니다. 다음 시간에는 오늘 배운 Stokes, Anti-Stokes에 대해서 더 자세히 접근해보고 더 나아가 그래프 분석에 대해 알아볼게요!  

 

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출처

• Nanoscope
• 라만 분광학의 이해, 대한 소화기내시경 학회지, 2004;28(Suppl. 1):120-125

 

 

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