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분광학빛을 비추거나 물질이 방출하는 빛을 측정하여 무엇인가가 무엇으로 구성되어 있는지 확인할 수 있는 매우 유용한 기술입니다. 그리고 실제로 샘플을 만지거나 어떤 식으로든 손상시키지 않고 이 작업을 수행할 수 있습니다. 이는 모든 종류의 과학, 생명 과학, 산업 응용 분야에서 측정을 수행하는 정말 실용적인 방법입니다.  심지어 우리로부터 엄청나게 멀리 떨어져 있는 별들의 화학적 구성을 배울 수도 있습니다.

계몽적인 아이디어

기본적으로 대부분의 분광학에는 무언가를 조명한 다음 반환되는 빛의 색상과 양을 측정하는 작업이 포함됩니다. 빛의 각 색상(또는 파장)에는 서로 다른 양의 에너지가 포함되어 있다는 점을 명심하세요.  따라서 물질은 원자, 분자 또는 결정 격자가 진동하는 에너지에 해당하는 특정 색상에서 빛을 강하게 흡수합니다.  결과적으로 어떤 색상이 흡수되는지 확인하면 샘플에 어떤 원자와 분자가 있는지 알 수 있으며 때로는 배열 방식에 대해서도 알 수 있습니다. 지문이 사람마다 고유한 것처럼 이 정보도 각 화학물질마다 고유하기 때문에 흔히 스펙트럼 지문 또는 화학적 지문이라고 합니다. 

우리 주변의 분자에 대한 대부분의 유용한 지문은 스펙트럼의 적외선(IR) 부분에서 발견됩니다. 이것이 바로 적외선(IR) 분석이 화학자들에게 매우 인기가 있고 이 기술이 많은 실험실에서 사용되는 이유입니다.

그러나 -크지만-유리와 물은 적외선을 잘 전달하지 못합니다. 즉, 이 방법을 사용하여 물에 완전히 잠겨 있는 살아있는 세포나 발효와 같이 물에서 발생하는 모든 종류의 화학 또는 산업 공정과 같이 물에 잠긴 모든 것을 쉽게 볼 수 없다는 의미입니다.  그리고 유리를 통해서는 이 방법을 사용할 수 없기 때문에 시험관 안이나 반도체 처리 시 사용할 수 있는 반응 챔버의 뷰포트와 같은 창을 통해 샘플을 분석할 수 없습니다.  

이제 선명하게 보입니다

1928년에 Chandrasekhara Raman이라는 과학자가 투명한 샘플에 높은 색순도의 가시광선을 비추는 실험을 하고 있었습니다. 물론 대부분의 빛은 직진했습니다. 이것이 바로 투명하다는 의미입니다.  흡수되지는 않았어요. 

그러나 그는 또한 매우 작은 양의 빛이 다른 색상으로 변형되거나 이동되는 것을 발견했습니다. 이는 빛이 흡수되는 것이 아니라 샘플의 분자에 의해 "비탄성적으로 산란"되기 때문에 발생하는 것으로 밝혀졌습니다.  그리고 결국 발견된 특히 유용한 점은 색상이 변한 빛의 특정 색상 패턴(또는 스펙트럼)이 IR 분광법을 사용하여 얻은 것과 동일한 지문 정보를 포함하여 샘플에 대한 많은 정보를 드러낸다는 것입니다. 하지만 왜냐하면라만 분광학 적외선 대신 가시광선을 사용하므로 유리창, 시험관, 심지어 광섬유를 통해 빛을 통과시킬 수 있으며 더 이상 물과 혼합된 모든 것을 샘플링하는 데 문제가 없습니다.

IR 스펙트럼과 마찬가지로, 라만 편이광은 샘플에 어떤 화학 물질이 있는지, 그리고 해당 물질의 양도 알려줍니다. 이는 무언가에서 불순물을 찾거나 특정 분자의 존재를 식별하려는 경우 매우 유용합니다. 

그러나 실제로는 라만 스펙트럼만이 우리에게 말해 줄 수 있는 것이 훨씬 더 많은 것으로 나타났습니다. 이는 결정 구조의 세부 사항을 밝혀낼 수 있으며 심지어 동일한 원자를 포함하지만 결정 형태가 다른 분자(다형성)를 구별할 수도 있습니다.  단백질이 어떻게 접히는지 알려주거나 고체 물질의 기계적 응력에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 게다가 훨씬 더 많은 것.   

약한 자는 강하게 될 것이다

라만이 1928년에 발견되어 그토록 유용했다면 왜 이제서야 그 소식을 듣게 되었나요? 간단한 대답은 라만 분광학을 실용적이고 비용 효율적으로 만드는 기술이 실제로 지난 25년 정도에 걸쳐 개발되었다는 것입니다.  특히, 그 당시 세 가지 주요 기술 발전이 결합되어 믿을 수 없을 정도로 약한 라만 신호를 감지하고 분석하는 것이 일상적인 문제가 되었습니다.

수프에서 견과류까지 

이러한 기술을 기반으로 하는 상업용 라만 계측은 이제 믿을 수 없을 만큼 광범위한 응용 분야에 서비스를 제공하기 위해 다양한 형태로 제공됩니다.  보석과 생체 세포부터 의약품에 이르기까지 모든 것을 관찰할 수 있는 라만 기능이 내장된 현미경이 있습니다.  HAZMAT 유출에서 알 수 없는 액체를 식별하기 위한 휴대용 라만 분광계가 있습니다.  라만 시스템은 플로우 셀과 함께 활용하여 모든 종류의 액체와 가스를 온라인으로 모니터링하고 산업 공정에서 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.  

그림 1. 저주파 라만 스펙트럼은 다양한 활성 제약 성분(API)을 명확하게 구분할 뿐만 아니라 올바른 투여에 중요한 다양한 결정 형태(다형)를 표시할 수도 있습니다.

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