KR100936645B1

KR100936645B1 - 라만 현미경

Info

Publication number: KR100936645B1
Application number: KR1020080041031A
Authority: KR
Inventors: 김영범
Original assignee: 김영범
Priority date: 2008-05-01
Filing date: 2008-05-01
Publication date: 2010-01-14
Also published as: WO2009133980A1; KR20090115276A

Abstract

본 발명은 라만 현미경에 관한 것으로서, (ⅰ) 대물 렌즈(L1)로 얻어진 시료의 도립 실상 중 원하는 부분만 선택적으로 통과시켜주는 가변 조리개 형태의 영상선택기구(AP), (ⅱ) 상기 영상선택기구(AP)를 통과한 라만 산란광과 간섭 가시광 각각의 광폭을 확대시켜 주는 광폭 확대 렌즈(L2), (ⅲ) 상기 광폭 확대 렌즈(L2)를 통과한 라만 산란광과 간섭 가시광 중에서 단파장인 간섭 가시광을 제거해 주는 장파장 광 필터(FL) 및 (ⅳ) 라만 산란광과 간섭 가시광의 초점 거리차를 유발해 간섭 가시광을 제거하는 집광 렌즈(L3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 집광 렌즈(L3)를 통과한 가시광의 초점상에 위치하는 가시광 차단판(BL)을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 사용 환경 조명광에 의한 영향 없이 매우 작은 시료를 사용하여 우수한 잡음 대비 신호 비율(S/N)의 스펙트럼을 얻을 수 있고, 측정가능한 시료의 한계 크기를 1~10㎛ 정도까지 낮출 수 있다.

라만 현미경, S/N, 영상선택, 가시광, 광폭확대렌즈, 광 필터, 가시광 차단막.

Description

라만 현미경{Raman microscope}

본 발명은 라만 현미경에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 외부 조명환경에서 오는 가시광 간섭을 최소화하여 별도의 암실 또는 암 상자들을 사용하지 않고도, 즉 일반 실험실 조명하에서 초소량의 시료를 측정시 우수한 잡음 대비 신호 비율(ratio of signal to noise : 이하 "S/N"이라고 한다)의 스펙트럼을 얻을 수 있는 라만 현미경에 관한 것이다.

라만 분광기(Raman spectroscopy)는 라만 산란을 이용하여 물질을 정성, 정량분석하는 기기로서, 그 측정 원리를 살펴보면, 진동수가 V0인 레이저광 등의 단색광을 V1의 진동수로 진동하고 있는 분자 결합에 조사하면 대부분의 빛은 진동수의 변화 없이 그대로 산란이 되지만 일부는 분자의 결합에너지에 해당하는 V1 만큼을 분자 결합에 주거나(V0-V1) 또는 분자 결합으로부터 에너지를 받으며(V0+V1) 산란이 일어나서 파장이 길어지거나, 파장이 짧아진다. 이와 같은 파장이 변화하는 것을 라만 산란이라 하며 그 파장의 변화 정도는 적외선 영역에 해당하며 모든 물질은 각각의 고유한 변화 값을 갖는다. 따라서 사람의 지문과 같은 이 파장의 변화 로부터 물질의 정성, 정량 분석이 가능해 진다.

이 변화 값을 정성, 정량적으로 측정하는 것이 라만 분광기이다.

양자 역학적으로 볼 때 볼쯔만 분포에 따라 스톡-라인(Stock-line)의 세기가 안티스톡-라인(Antistock-line)의 세기보다 훨씬 커서 라만 분광 분석에서는 특별한 경우를 제외하고는 스톡-라인(Stock-line)을 분석에 이용한다.

이때 진동수의 변화치 V1은 물질에 따라 다른 값들을 보여 주므로 그 변화 된 정도와 그 세기를 측정하여 미지 시료의 정성, 정량 분석을 하는 것이 가능해 진다.

따라서 라만 산란을 이용한 분석이 다른 분광 분석 방법에 비해 감도가 낮기는 하나 시료의 양만 충분하다면 시료 준비의 편리성, 빠른 분석, 다양한 매질의 선택 등 많은 장점들이 있어 많이 이용되는 분석법 중에 하나이다. 또한 이 경우 작은 유리병에 담거나 하거나 기기의 시료 칸이나 탐지용 샘플상자(probe sampler box) 내에서 외부광이 차단된 상태로 측정이 가능하므로 실내 조명에 크게 주의하지 않아도 분석 스펙트럼을 얻는데 별 문제가 없다.

그러나 시료의 크기가 작아지면 전혀 다른 상황이 되는데 특히 시료의 크기가 현미경 시야에서만 확인이 가능해 질 정도로 작아지면 일반적인 라만 분광 방법으로는 측정이 어려워져서 라만 현미경을 사용해야만 하므로 시료가 외부 환경에 노출될 수 밖에 없다. 가장 일반적인 미소 시료의 라만 측정 방법으로는 도 2에 도시된 바와 같이 일반 광학현미경에 라만 어댑터를 연결하여 광학현미경을 라만 현미경으로 사용하는 것이다.

볼록렌즈인 현미경의 대물 렌즈와 상(Image)의 크기 관계는 다음과 같다.

초점거리가 f인 볼록 렌즈의 전면에 a만큼 떨어진 위치에 크기가 S1인 상이 있을 때 상기 a가 f보다 크면 얻어지는 상 S2는 아래식(Ⅰ)에 의해 구해지는 b만큼 떨어진 곳에 형성되고 상 S2의 크기는 아래식(Ⅱ)에 따른다.

1/a + 1/b = 1/f (Ⅰ)

S2/S1 = b/a (Ⅱ)

그러나 위의 경우는 단색광일 경우이고 백색광과 같이 다색광인 경우에는 빛의 파장에 따라 굴절율이 달라져 파장에 따라 상이 생기는 거리가 달라진다. 빛이 공기에서 유리 렌즈와 같이 매질의 밀도가 큰 물질을 통과 할때 짧은 파장의 빛일수록 굴절율이 커서 상이 맺는 위치는 더 짧아진다. 이를 색수차라 하며 단일 렌즈를 사용 시 더 커진다.

따라서 짧은 파장 빛의 상을 S2', 거리를 b'이라하고 긴 파장 빛의 상을 S2", 거리를 b" 라면 S2'<S2", b'<b"가 된다.

종래 라만 현미경은 도 2에 도시된 바와 같이 일반 광학현미경에 라만 어댑터를 부착하여 라만 현미경으로 사용하는데 그 동작 원리는 다음과 같다.

도 2는 종래 라만 현미경의 기본 구조를 나타내는 개략도이다.

시료 S는 대물 렌즈 L4의 초점 거리에 위치하며 시료에서 나온 빛은 평행광이 된다.

이 평행광은 집광 렌즈 L5에 의해 초점 F에 도립 실상이 맺어지고 이를 대안 렌즈 L6의 초점 거리 바로 안에 위치시키면 확대된 도립 허상을 볼 수 있게 된다.

따라서 집광 렌즈 L5와 대물 렌즈 L4 사이에 라만 어댑터 R 을 설치하여 두 렌즈간의 거리가 바뀌어도 광학 현미경으로서의 작동에는 영향이 없다.

이렇게 라만 어댑터 R 을 설치 후 현미경의 측면에서 단색 레이저 광원을 입사시켜 대물 렌즈 L4로 초점 위치에 있는 시료에 집광하여 조사한다. 그런 후 시료에서 발생한 라만 산란광을 그대로 동일 경로를 거쳐 분광기로 보내 측정을 하게 된다. 이때 시료 S에서는 조사된 레이저광에 의한 라만산란광(L) 뿐만 아니라 기기 주변 환경의 조명광(v)이 시료에 맞고 올라오는 빛도 같이 올라오게 된다. 이 역시 그대로 라만 분광기로 보내져 라만 스펙트럼에 방해광으로 작용하게 된다. 이때 시료의 크기가 조사되는 레이저 광원의 빔 직경(Beam diameter) 보다도 작은 경우에는 시료 자체의 S/N도 나빠지지만 외부광의 영향이 더욱 커지며 특히 시료의 크기가 1~10미크론 정도로 극히 작아지는 경우에는 시료의 스펙트럼을 얻는 것이 거의 불가능하다.

따라서 이와 같은 주변 조명광의 영향을 배제하기 위해서는 주변 조명광을 없앤 암실 환경 하에서 측정하거나 주변광이 시료에 조사되지 못하도록 기기 자체를 암상자 속에 넣고 측정을 해야만 한다.

본 발명은 기존의 라만 현미경이 갖고 있는 가장 큰 문제점인 외부 조명광의 간섭 문제를 해결하여 암실이나 암상자를 사용하지 않고 정상적인 조명이 이루어지는 일반 실험실 환경 하에서 시료의 측정 한계 크기를 1~10미크론까지 낮추면서도 잡음 대비 신호 비율이(S/N) 우수하고 사용이 편리한 라만 현미경을 제시하고자 한다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면 등을 통하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 라만 현미경은, 도 1에 도시된 바와 같이 레이져 광원으로 사용하여 대물 렌즈(L1)로 시료의 도립 실상을 얻은 후 이를 라만 분광기 및 시료 상태를 시각적으로 확인하는 장치 중에서 선택된 하나의 기기로 보내주는 라만 현미경에 있어서, (ⅰ) 대물 렌즈(L1)로 얻어진 시료의 도립 실상 중 원하는 부분만 선택적으로 통과시켜주는 가변 조리개 형태의 영상선택기구(AP), (ⅱ) 상기 영상선택기구(AP)를 통과한 라만산란광과 간섭 가시광 각각의 광폭을 확대시켜 주는 광폭 확대 렌즈(L2), (ⅲ) 상기 광폭 확대 렌즈(L2)를 통과한 라만산란광과 간섭 가시광 중에서 단파장인 간섭 가시광을 제거해 주는 장파장 광 필터(FL) 및 (ⅳ) 라만 산란광과 간섭 가시광의 초점 거리차를 유발해 간섭 가시광을 제거하는 집광 렌즈(L3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 라만 현미경의 기본 구조를 나타내는 개략도이다.

일반적으로 라만 현미경은 앞에서 설명한 바와 같이 레이져 광을 광원으로 사용하여 시료의 도립 실상을 얻은 후 이를 라만 분광기로 보내 S/N 스펙트럼을 측 정하거나, 시료 상태를 시각적으로 확인하는 장치로 보낸다.

본 발명 역시 도 1에 도시된 바와 같이 레이져 광(L)을 광원으로 사용하여 대물 렌즈(L1)로 시료의 도립 실상을 얻은 후 이를 라만 분광기 및 시료 상태를 시각적으로 확인하는 장치 중에서 선택된 하나의 기기로 보내준다.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 (ⅰ) 대물 렌즈(L1)로 얻어진 시료의 도립 실상 중 원하는 부분만 선택적으로 통과시켜주는 가변 조리개 형태의 영상선택기구(AP), (ⅱ) 상기 영상선택기구(AP)를 통과한 라만산란광과 간섭 가시광 각각의 광폭을 확대시켜 주는 광폭 확대 렌즈(L2), (ⅲ) 상기 광폭 확대 렌즈(L2)를통과한 라만산란광과 간섭 가시광 중에서 단파장인 간섭 가시광을 제거해 주는 장파장 광 필터(FL) 및 (ⅳ) 라만 산란광과 간섭 가시광의 초점 거리차를 유발해 간섭 가시광을 제거하는 집광 렌즈(L3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 영상선택기구(AP)는 크기를 연속적으로 또는 단계적으로 변화시킬 수 있는 가변 조리개 형태로서 모양이 원형 또는 다각형 등이다.

또한, 본 발명의 라만 현미경은 집광 렌즈(L3)를 통과한 가시광의 초점(Fi2)상에 위치하는 가시광 차단판(BL)을 추가로 더 포함할 수도 있다.

상기 가시광 차단판(BL)은 원형 또는 다각형 등의 형태이다.

상기 가시광 차단판(BL)의 크기는 집광 렌즈(L3)를 통과한 가시광의 초점크기인 것이 바람직하다.

이하, 도 1을 통해 본 발명에 따른 라만 현미경의 일례를 보다 구체적으로 살펴본다.

도 1에 도시된 실선(L)은 레이저 조사광 및 라만 산란 신호광을 나타내고 점선(V)은 기기 주변 환경의 조명에서 오는 가시광 대역의 간섭광을 나타낸다

먼저 레이저 광원에서 온 단색 레이저 광(L)은 광분해기(beam splitter : BS)에 의해 절반 정도는 투과되고 절반 정도는 반사되어 90도로 꺽여서 대물 렌즈 L1에 수직으로 내려 간다. 이 빛은 대물 렌즈 L1에 의해 집광되어 시료 S에 조사된다. 이때 시료의 크기가 레이저광의 크기보다 충분히 큰 경우에는 별 어려움이 없으나 시료의 크기가 10미크론 이하로 작은 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 외부 조명 가시광이 라만 신호와 동일한 경로를 올라 올 수도 있게 된다.

도 3은 대물 렌즈에서 외부 조명광이 들어오는 과정을 보여주는 모식도이다.

좀더 이를 자세히 보면 외부 조명 가시광은 대물 렌즈 L1의 측면에서만 들어 올 수 있는데 빛의 최대 입사각, 반사각 θ은 대물 렌즈 L1에 가려지지 않는 입사각 또는 반사각도가 된다. 따라서 대물 렌즈 쪽으로 조명 가시광이 올라가기는 힘드나 조명 가시광이 시료 표면에서 난반사가 일어나면 이것이 라만 산란 신호광과 동일 경로를 가게되어 영향을 주게된다. 물론 이 광은 그 세기가 매우 약하나 라만 신호광 자체도 세기가 매우 약해 충분히 악영향을 줄 수 있게 되는 것이다. 따라서 좋은 라만 스펙트럼을 얻기 위해서는 이렇게 라만 산란광과 같이 올라오는 가시광을 제거해야만 한다.

외부조명 가시광을 제거하는 과정은 다음과 같다.

시료 S에서 출발한 주변 가시광과 라만 산란 신호광은 대물 렌즈 L1에 의해 가시광 1차 초점 Fi1과 라만 산란광 1차 초점 Fr1 위치 각각에 가시광 도립 실상 Si와 라만 산란광 도립실상 Sr을 맺게 된다. 이때 라만 산란 신호광 중에서 파장이 길어지는 스톡-라인 (Stock-line)을 사용하게 되는데 이 경우 라만 산란광은 주변부 가시광보다 파장이 길어서 색수차 현상에 의해 보다 위쪽에 상이 맺어 진다.

다음으로 가변 조리개 형태의 영상선택기구(AP)로 도립 실상 중 측정을 원하는 부분만을 잘라내어 시료 주변부에서 올라온 가시광이나 불필요한 부분은 제거한다. 그럼에도 불구하고 시료 표면에서 산란된 주변부 조명 가시광은 라만 산란 신호광과 초점 거리만 다를 뿐 동일 축선 상에 있으므로 가변 조리개 형태의 영상선택기구(AP)에 의해 제거 될 수가 없다.

상기 영상선택기구 AP를 통과한 라만 산란 신호광과 간섭 가시광은 광폭 확대(Beam expander) 렌즈 L2에 의해 광의 폭이 더 넓어진다.

즉 가시광 1차 초점 Fi1과 라만 산란광 1차 초점 Fr1로 부터 광폭 확대 렌즈 L2까지의 거리를 광폭 확대 렌즈 L2의 초점 거리보다 짧게 하여 광이 계속 퍼지도록 한다. 가시광 도립 실상 Si는 라만 산란광 도립 실상 Sr보다 광폭 확대 렌즈 L2로부터 거리도 멀고 굴절율도 더 크므로 라만 산란광 보다 가시광이 퍼지는 정도가 더 작다. 이와 같이 광폭을 넓히는 것은 초점을 분리하려는 목적 외에도 장파장 광 필터(long pass filter) FL의 효율을 높이는 데도 있다. 즉 광폭 확대 렌즈 L2에 의해 광폭이 확대되고 입사각이 조절되어 장파장 광 필터(long pass filter) FL의 넓은 면적을 효과적으로 통과하면서 사용 광원 레이저 파장 보다 짧은 영역의 빛들은 잘리고 긴 파장 영역만 통과하게 된다. 이때 가시광들도 같이 제거된다.

이렇게 장파장 광 필터(Long pass filter) FL을 통과한 후에도 남아있는 미 량의 가시광들은 집광 렌즈 L3의 재집광 과정을 통해 제거한다. 즉, 파장이 긴 라만 산란 신호광과 파장이 짧은 주변 가시광은 집광 렌즈 L3를 통과해 재 집광 시 초점이 분리되는데 짧은 파장의 가시광이 먼저 집광 됐다가 퍼지며 라만 산란 신호광은 보다 위쪽에서 집광이 이루어진다. 이런 초점 거리의 차이를 이용하여 라만 산란 신호광의 초점위치에 검출계와 연결된 광섬유 센서 N1의 도입부를 맞추면 라만 산란 신호광은 집적도가 높아 좋은 신호를 얻을수 있는 반면 가시광은 이미 초점을 지나 확대된 상태로 광 밀도도 낮고 빛의 입사각도 적절치 못해 상당 수준 제거가 가능하다.

그래도 가시광이 라만 산란 신호광에 영향을 줄 수 있을 정도로 남아 있다면 집광 렌즈 L3를 통과한 가시광의 초점 Fi2 상에 가시광 차단판 BL을 설치하는 것이 보다 가시광 제거율을 높히는데 바람직하다.

상기 가시광 차단판 BL의 크기는 집광 렌즈 L3를 통과한 가시광의 초점크기 Fi2인 것이 바람직하고, 형태는 원형 또는 다각형 등이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.

그러나, 본 발명은 하기 실시예에만 한정된 것은 아니다.

실시예 1

도 1과 같은 본 발명의 라만 현미경으로 도 4와 같이 슬라이드 글라스(SG) 위에 약 2미크론 크기의 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide)를 놓고 그 위를 커버글래스(CG)로 덮은 시료(S)를 일반 조명 환경하의 실험실에서 측정한 결과 도 5와 같은 라만 스펙트럼을 얻었으며 이는 동일 물질의 벌크(bulk) 시료를 측정한 표준 스펙트럼 비교해 볼때 완전히 일치하며 실내 조명광의 영향이 전혀 없음을 보여준다.

실시예 2

도 1과 같은 본 발명의 라만 현미경으로 유리판 위에 놓인 약 5미크론 정도의 크기를 갖는 아크릴 조각을 조명하의 일반 실험실 환경에서 측정한 결과 도 6과 같은 조명광의 영향이 없는 아크릴의 라만 스펙트럼을 얻을 수 있었다.

실시예 3

도 1과 같은 본 발명의 라만 현미경으로 유리판 위에 놓인 약 10미크론 크기의 암모늄설페이트(ammonium sulfate) 입자를 일반 실험실 환경에서 측정한 결과 도 7과 같은 조명광의 영향이 없는 라만 스펙트럼을 얻을 수 있었다.

도 1은 본 발명에 따른 라만 현미경의 기본 구조를 나타내는 개략도.

도 2는 종래 라만 현미경의 기본 구조를 나타내는 개략도.

도 3은 대물 렌즈에서 외부 조명광이 들어오는 과정을 보여주는 모식도.

도 4는 본 발명 실시예1 시료인 커버글래스에 덮혀 슬라이드 글래스 위에 있는 미세 시료의 모식도.

도 5는 본 발명 실시예1에서 측정한 폴리페닐렌설파이드의 라만 스펙트럼.

도 6은 본 발명 실시예2에서 측정한 아크릴수지의 라만 스펙트럼.

도 7은 본 발명 실시예3에서 측정한 황산암모늄 시료의 라만 스펙트럼.

* 도면 중 주요 부분에 대한 부호 설명.

S: 시료 f0: 대물 렌즈 초점 L1, L4: 대물 렌즈

f1 : 대물 렌즈를 통과한 레이져 광의 초점

L : 레이져 광 v : 가시광(외부조명광)

BS: 광분해기(Beam splitter) Fi1: 가시광 1차 초점

Fr1: 라만 산란광 1차 초점 Si: 가시광 도립 실상

Sr: 라만 산란광 도립 실상 AP: 영상선택기구(가변조리개)

L2: 광폭 확대렌즈 FL:장파장 광 필터(Long pass filter)

L3, L5: 집광 렌즈 Fi2: 가시광 2차 초점 Fr2: 라만 산란광 2차 초점

BL: 가시광 차단판

L6: 대안렌즈 N : 라만 분광기 검출기

N1 : 라만 분광기 검출기의 광섬유 센서 F : 대안렌즈의 초점

R : 라만 어댑터 θ : 가시광의 입사각 및 반사각

SG : 슬라이드 글래스 CG : 커버 글래스

Claims

레이져 광원을 사용하여 대물 렌즈(L1)로 시료의 도립 실상을 얻은 후 이를 라만 분광기 및 시료 상태를 시각적으로 확인하는 장치 중에서 선택된 하나의 기기로 보내주는 라만 현미경에 있어서, (ⅰ) 대물 렌즈(L1)로 얻어진 시료의 도립 실상 중 원하는 부분만 선택적으로 통과시켜주는 가변 조리개 형태의 영상선택기구(AP), (ⅱ) 상기 영상선택기구(AP)를 통과한 라만 산란광과 간섭 가시광 각각의 광폭을 확대시켜 주는 광폭 확대 렌즈(L2), (ⅲ) 상기 광폭 확대 렌즈(L2)를 통과한 라만 산란광과 간섭 가시광 중에서 단파장인 간섭 가시광을 제거해 주는 장파장 광 필터(FL) 및 (ⅳ) 라만 산란광과 간섭 가시광의 초점 거리차를 유발해 간섭 가시광을 제거하는 집광 렌즈(L3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 라만 현미경.
제1항에 있어서, 집광 렌즈(L3)를 통과한 가시광의 초점 상에 위치하는 가시광 차단판(BL)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 라만 현미경.
제2항에 있어서, 가시광 차단판(BL)은 원형 및 다각형 중에서 선택된 1개의 형태인 것을 특징으로 하는 라만 현미경.
제2항에 있어서, 가시광 차단판(BL)의 크기는 집광 렌즈(L3)를 통과한 가시광의 초점크기인 것을 특징으로 하는 라만 현미경.
제1항에 있어서, 가변 조리개 형태의 영상선택기구(AP)는 원형 및 다각형 중에서 선택된 1개의 형태인 것을 특징으로 하는 라만 현미경.