라만분광의 원리

단일 진동수의 빛이 물질계의 진동, 회전운동, 기타의 소여기상태와 상호작용하면서 진동수가 변하여 비탄성 산란하는 현상을 라만 산란이라고 한다. 일반적으로 라만스펙트럼은 분자의 진동, 또는 결정격자의 진동에너지를 나타낸다. 물질과 상호작용한 후에 산란하는 빛의 대부분은 진동수가 변하지 않는 Rayleigh scattering, 즉 탄성산란을 하지만 그 중 극히 일부의 빛은 처음 진동수보다 낮거나 높은 진동수로 산란하는 비탄성 산란을 한다. 물질의 진동에너지 상태를 높여주고 자신은 더 낮은 진동수로 산란하는 빛은 Stokes  scattering이고, 원래 높은 진동에너지 상태에 있던 물질로부터 에너지를 얻어서 물질의 진동에너지 수준은 낮추고 자신은 더 높은 진동수로 산란하는 빛을 Anti-Stokes scattering이라 한다. 이렇게 진동수가 변하여 산란한 빛들을 분광하면 그 물질 고유의 라만 스펙트럼을 측정할 수 있다. 열평형 상태의 상온에서는 Boltzmann 분포이론에 따라 Stokes scattering의 확률이 훨씬 높기 때문에 주로 Stokes 산란광을 분광하여 라만스펙트럼을 얻는다.

라만스펙트럼의 x축의 단위는 cm-1로서 Raman shift, 또는 Wavenumber로 표기하는데, 이는 광원의 처음 진동수와, 물질과 상호작용한 산란광의 진동수의 차이를 뜻한다. 따라서, 그 값이 커질수록 해당 밴드(픽)가 나타내는 분자의 진동 모드는 더 높은 진동에너지를 가짐을 뜻한다. 분자의 진동에너지는 어떤 방식으로 진동하느냐에 따라 다르다. 같은 종류의 진동모드라면 공유결합을 할 수록, 가벼운 원자들 간의 결합일 수록 라만밴드의 값은 높다. y축은 라만산란의 세기를 나타내며 특정한 물리량으로 표기하지 않고 Intensity, Count 등으로 나타낸다.

라만 스펙트럼은 물질마다 고유하므로 미지 물질을 동정하는데 이용된다. 뿐만 아니라, 시료에 외부적인 자극을 가했을 때 변화하는 라만 스펙트럼의 분석을 통해 물질의 물리, 화학적 특성을 관찰할 수 있다.

단일 진동수의 빛으로는 레이저가 이용되며, 분광기, 광검출기 (CCD 또는 PMT), 현미경과 이들을 이어주는 여러 광학기구들이 결합되어 극히 작은 시료도 측정할 수 있는 마이크로 라만분광 시스템을 이룬다.