표면 연구를 위한 공간 오프셋 라만 분광법(SORS)

SORS란 무엇인가요?

공간 보정 라만 분광법(Spatially Offset Raman Spectroscopy, SORS)은 물질의 표면 아래에 있는 특정 화학 성분을 분석할 수 있는 진동 분광법의 일종으로, 물질의 표면 아래에서 확산된 물질의 비파괴적 특성을 설명할 수 있습니다.

라만 분광법은 단색광의 비탄성 산란을 사용하여 시료에 고유한 스펙트럼을 생성합니다.  이 방법은 일반적으로 분자 진동 운동에 에너지를 전달하는 단색광에서 발생하는 레이저 적색 이동된 광자를 탐지하는 것과 관련이 있습니다.

SORS의 신호는 라만 시프트로 정의되며, 이는 상대 파수(cm–1)로 표현되고 레이저 파장의 절대 파수(1/λL)와 라만 방출 광자의 절대 파수(1/λR)의 차이의 표현입니다. 분광기로 포착한 라만 스펙트럼의 스펙트럼 영역을 스펙트럼 범위라고 하며 일반적으로 0~4,000cm–1이며 대부분의 진동 모드가 여기에 있고, 0cm–1의 파수에서 감지된 신호는 입사 레이저의 광자를 나타냅니다

SORS를 생활에 적용하면 어떤 이점이 있습니까?

라만 분광법은 수 밀리미터까지 가려진 표면 아래에 숨겨진 물체의 정확한 화학적 분석을 가능하게 합니다. 피부 아래의 뼈, 플라스틱 병 안의 정제, 용기 안의 폭발물, 블리스터 팩의 위조 정제를 분석하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 이 방법을 사용하여 심층적인 비침습적 의료 진단 기술을 개발하는 데 진전이 있었습니다.

의료 진단에서 조기 질병 탐지 및 실시간 수술 모니터링에 도움이 됩니다. 제약에서 제품 품질을 보장하고 포장을 통해 위조품을 탐지합니다. SORS는 비침습적으로 폭발물과 불법 물질을 식별하여 보안을 강화합니다. 미술품 보존에서 손상 없이 유물을 분석하여 문화 유산을 보존할 수 있습니다. 또한 SORS는 오염 물질을 탐지하여 식품 안전을 개선하고 재료 식별 및 인라인 모니터링을 통해 산업 품질 관리를 보장합니다.

SORS 방법의 특징

그림 1은 다양한 종류의 SORS 프로브를 보여줍니다.a) 기존 라만 분광법, 라만 신호는 레이저 조도 영역에서 획득됩니다.b) 점형 공간 오프셋 라만 분광법(SORS)은 공간 오프셋(Δs)으로 서로 변위된 근거리 조도 및 수집 영역을 사용합니다.c) 링 수집 SORS는 링을 통해 라만 신호를 수집하는 점형 조도 기하학을 사용합니다.d) 링 조명 SORS 또는 역 SORS는 링 조명 영역을 사용하고 라만 신호는 링 중앙의 점형 영역을 통해 수집됩니다.e)SORS에서 초점이 어긋나면 조도 영역과 수집 영역은 여전히 대부분 겹쳐 있으며 크기는 수집 광학 장치에 대한 시료를 이동하여 제어됩니다.f) 투과 라만 분광법(TRS)에서 조도 및 수집 영역은 시료의 반대쪽에 있습니다. 모든 구성에서 조명 및 수집 빔은 각각 L(레이저) 및 R(라만)로 표시됩니다.

그림 1. SORS의 변형.

이는 어떤 분광기를 사용할지 결정할 때 레이저 파장의 선택에 영향을 미칩니다. 짧은 파장을 사용하면 더 강한 절대 신호를 생성할 수 있지만, 다른 요인과 균형을 맞추는 것이 중요합니다. 가시광선과 IR 범위의 광자는 안전하지만, X선과 같이 에너지가 높은 광자는 이온화 방사선이 되어 저전력에서도 세포 손상을 일으킬 수 있으며, 특히 생물학적 물질에서 그렇습니다. 따라서 가장 높은 에너지 광자를 선택하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다.

더 긴 파장은 많은 생물학적 시료에서 신호 형광 비율을 개선할 수 있습니다. 이러한 시료에는 녹색 빛에서 형광을 내는 화합물이 많이 포함되어 있기 때문입니다. 결과적으로 785~1024nm 사이의 파장이 생물학적 시료에 자주 사용됩니다. 532nm의 녹색 레이저는 라만 신호를 강화하기 때문에 형광이 문제가 되지 않는 곳에서 일반적으로 사용됩니다. 1064nm 여기 파장은 용기와 같은 장벽을 통해 화학 물질을 감지하여 대상 화학 물질의 형광 문제를 효과적으로 완화하는 것으로 입증되었습니다. 일반적으로 주파수가 두 배인 Nd:YAG 레이저에서 532 nm 광으로 펌핑된 Ti:Sapphire 레이저는 690-860 nm 범위에서 조정 가능한 레이저 소스를 제공합니다. 물질의 분자 식별은 측정된 라만 스펙트럼을 데이터베이스에 저장된 표준 시료의 스펙트럼과 비교함으로써 수행할 수 있습니다.

모든 깊이 매개변수는 예상대로 공간 오프셋이 증가함에 따라 증가하며, 이는 공간 오프셋이 증가하면 매트릭스 내부를 더 깊이 조사하게 된다는 SORS의 기본 특성을 반영합니다. 다양한 수송 길이에 대한 플롯을 비교합니다(그림 2 참조)

그림 2. 세 가지 대표적인 수송 길이에 대한 몬테카를로 시뮬레이션에서 얻은 공간 오프셋에 대한 10%, 50%(중간값), 90% 분위수 깊이의 플롯

SORS방법 특정 응용

830nm의 여기 파장을 갖는 SORS를 사용하여 연어의 피부 아래를 통한 분석에 대한 접근 방식 연구입니다.

그림 3에서 피부의 어두운 부분을 통한 측정 결과들이 제공됩니다. 공간 오프셋이 0일 때 스펙트럼의 지배적인 특징은 배경 형광과 연어 피부의 단백질과 색소와 가장 관련이 있는 광범위한 스펙트럼 특징입니다. 공간 오프셋이 3mm와 4mm일 때 어육과 관련된 라만 밴드가 스펙트럼에 나타나기 시작합니다. 가장 눈에 띄는 네 개의 피크(즉, 약 1660cm 1(cis C=C stretch), 1440cm-1(CH2 scissoring), 1300cm-1(CH2 twist), 1266cm 1(symmetric = C–H rocking))는 모두 주로 연어 어육의 지질 성분과 관련이 있습니다. 공간 오프셋이 5mm와 6mm일 때 어두운 연어 피부를 통한 라만 측정을 위한 최적의 선택입니다. 6mm보다 높은 오프셋을 사용하면 신호 대 잡음비가 감소할 수 있습니다

그림 3. 기존 라만 및 SORS 스펙트럼은 연어 피부의 어두운 부분을 통해 손상되지 않은 연어 시료에서 수행한 측정을 통해 얻었습니다. 스펙트럼은 명확성을 위해 강도 축을 따라 정규화되고 분리되었습니다.

라만 분광법 제품 시리즈

Intins는 Ocean Optic의 포괄적인 라만 제품 세트를 고객에게 소개하게 되어 기쁩니다. 제품 세트에는 여기 레이저, 분광기, 라만 프로브, 큐벳용 샘플 홀더, SERS 기판 및 안전 안경이 포함됩니다. 게다가 Intins는 라만 신호를 계산 소프트웨어와 고객의 요구 사항에 따른 맞춤형 소프트웨어도 제공합니다. 고객은 Intins가 권장한 대로 라만 시스템 전체를 구매하거나 자신의 설정에 맞는 제품을 선택할 수 있습니다.

분광기

현재, QE Pro-Raman+ 및 NIRQuest+1064 Raman과 같은 라만 응용 분야에 사용되는 분광기 시리즈는 두 가지가 있습니다. QE Pro-Raman+는 4429 cm¯¹(532 nm), 2820 cm¯¹(638 nm), 3002 cm¯¹(785 nm)에서 라만 이동을 가지며, 통합 시간은 8ms – 3600s이고, NIRQuest+1064 Raman은 2400 cm¯¹(1064 nm)에 사용됩니다

라만 레이저

당사는 532 nm, 638 nm, 785 nm 및 1064 nm 라만 여기 파장에서 고출력 레이저를 제공합니다. 이러한 멀티모드 다이오드 레이저는 좁은 스펙트럼 선을 생성하고, 통합 레이저 드라이버를 갖추고 있으며, 최적의 성능을 위해 열전 냉각을 사용합니다.

라만 프로브

532nm, 785nm 및 기타 파장용 프로브는 실험실과 산업 모두에 적합합니다.

라만 홀더

Ocean Optics는 액체 및 고체의 라만 분석을 위한 샘플 홀더를 제공합니다. RM-SERS-SHS 홀더는 표준 유리 SERS 기판을 수용하고 라만 프로브에 부착합니다. RM-LQ-SHS 홀더는 바이알과 큐벳을 고정합니다. 샘플 배치를 쉽게 하고 주변광을 차단하며 라만 측정의 정확도를 향상시키는 자석 뚜껑이 있습니다.

SERS 기판

표면 강화 라만 분광법(SERS) 기판을 사용하면 빠르고 반복 가능한 측정을 통해 SERS 활성 분석물을 식별하고 정량화할 수 있습니다. SERS 활성 화학은 금(Au)과 은(Ag) 나노입자입니다. 보관 수명은 1개월 또는 1.5개월입니다.