KR20190096294A

KR20190096294A - 광대역 여기광에 의한 라만 분광법 및 장치

Info

Publication number: KR20190096294A
Application number: KR1020190014872A
Authority: KR
Inventors: 조성호
Original assignee: 주식회사 스킨어세이
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2019-08-19
Also published as: KR102234113B9; KR102234113B1; US11879846B2; WO2019156497A1; US20200408692A1; SG11202008702RA

Abstract

본 실시예에 의한 라만 분광 신호 처리 방법은 광대역 여기광을 타겟 샘플에 조사하여 제1 분해능의 라만 분광을 획득하는 단계와, 제1 분해능의 라만 분광에 상응하는 라만 분광 신호를 연산하는 단계와, 라만 광 신호를 디컨벌루션 연산하여 제1 분해능 보다 높은 제2 분해능의 라만 분광에 상응하는 신호를 연산하는 단계를 포함한다.

Description

광대역 여기광에 의한 라만 분광법 및 장치{Method and apparatus of Raman spectroscopy using broad band light excitation}

본 기술은 광대역 여기광에 의한 라만 분광법 및 장치에 관한 것이다.

라만 산란(Raman scattering)은 물질에 일정한 주파수의 여기광을 조사하였을 때, 매질과 상호 작용에 의하여 파장 즉 주파수가 변화한 산란광이 나타나는 현상이다. 라만 분광학(Raman spectroscopy)은 라만 산란에서 발생하는 분자의 진동 분광을 측정하여 분자의 진동 구조를 파악하고, 이를 바탕으로 물질을 정성적 정량적으로 분석하는 방법이다.

라만 분광은 분자의 진동과 관련된 고유 정보를 포함하고 있는 분광 피크(spectrum peak)가 존재하므로 마치 지문(finger print)처럼 물질이 포함하고 있는 분자 분석이 가능하여, 일반적인 흡수나 레일리 산란(Rayleigh scattering) 에 기반을 둔 분광기술에 비하여 상대적으로 정확성이 높다.

분광 피크는 물질에 입사하는 빛이 분자의 고유 진동 에너지만큼 광 에너지를 흡수하거나 방출하며 산란할 때 발생하는 데, 이러한 입사와 산란의 에너지 차이인 라만 변이(Raman shift)에 기인한다. 파장 도메인에서 측정하게 되는 라만 분광 피크는 파장 도메인에서 폭이 작으며 고 분해능과 고 신호대잡음비일수록 분자의 구분력이 커진다. 이를 위하여 여기광의 파장 폭 (Bandwidth)이 작은 협대역 (Narrow band light) 및 파워가 높은 빛이 필요하므로 일반적으로 레이저가 사용된다.

고분해능 라만분광을 얻기 위하여 광대역의 여기광은 사용할 수 없다. 안정된 협대역을 얻기 위하여 일반적으로 협대역 레이저(Narrow band laser) 또는 단파장 레이저(Single frequency laser)를 사용하는데, 드라이버 장치 및 온도 변화에 의한 파장 변이를 제어하기 위한 냉각 장치 등이 필요하므로 복잡하고 고가인 단점이 있다.

본 기술은 상기한 종래 기술의 단점을 극복하기 위한 것으로, 본 기술로 해결하고자 하는 과제는 종래 기술 대비 단순하고 낮은 비용으로 고분해능 라만 분광 을 가능하게 하는 것이다.

본 실시예에 의한 라만 분광기는 광대역 여기광(broadband excitation light)을 타겟 샘플에 조사하여 얻어진 라만 광(Raman light)을 분석하는 라만 분광기로, 제1 분해능(resolution)를 가지는 라만 분광을 검출한 신호에 대하여 디컨벌루션(deconvolution) 연산을 수행하여 제1 분해능에 비하여 높은 제2 분해능을 가지는 라만 광 신호를 형성하는 연산부를 포함한다.

본 실시예에 의하면 고가이고 복잡한 협대역 광원을 사용하지 않고 높은 분해능를 가지는 라만 광신호를 획득할 수 있다는 장점이 제공된다.

도 1(A) 내지 도 1(D)는 본 실시예에 의한 라만 분광기의 구성을 개요적으로 설명하는 도면이다.
도 2(A)는 종래기술에 의한 라만 분광에서 사용되는 협대역 광원의 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 2(B)는 광대역 광원이 출력하는 광의 파장에 따른 강도(intensity)를 도시한 도면이며, 도 2(C)는 대역 통과 필터를 통하여 출력된 광의 파장에 따른 강도(intensity)를 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 의한 라만 분광 신호 처리 방법의 개요를 도시한 도면이다.
도 4(A)는 제2 분해능의 라만 광 신호의 개요를 도시한 도면이고, 도 4(B)는 제1 분해능의 라만 광에 상응하는 라만 광 신호를 도시한 도면이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 라만 분광기 및 라만 분광 신호 형성 방법을 설명한다. 도 1(A) 내지 도 1(D)는 본 실시예에 의한 라만 분광기의 구성을 개요적으로 설명하는 도면이다. 도 1(A) 내지 도 1(D)로 예시된 실시예에 의한 라만 분광기는 광대역 여기광을 제공하는 광원(100)과, 광대역 여기광을 타겟 샘플로 제공하고, 라만광을 투과하는 이색성 거울(dichroic mirror, 300)과, 라만광을 분광하는 분광부(500)를 포함한다.

일 실시예로, 분광부(500)는 라만 광을 분광하는 회절 격자(diffraction grate, 510)와 회절 격자에 의하여 분광된 라만 광을 검출하여 상응하는 전기 신호로 출력하는 디텍터(520)를 포함한다.

도 2(A)는 종래기술에 의한 라만 분광에서 사용되는 협대역 광원의 스펙트럼을 도시하고, 도 2(B)는 광대역 광원이 출력하는 광의 파장에 따른 강도(intensity)를 도시하며, 도 2(C)는 대역 통과 필터를 통하여 출력된 광의 파장에 따른 강도(intensity)를 도시한다. 도 1과 도 2을 참조하면, 광원(100)은 도 2(B)로 도시된 것과 같이 수 십 내지 수 백 nm의 광대역의 대역폭(bandwidth)를 가지는 광을 출력한다. 일 실시예로, 광원은 열복사(thermal radiation), LED(light emitting diode) 및 펄스 레이저(pulsed laser)중 어느 하나일 수 있다. 일 예로 펄스 레이저는 모드 락킹 레이저(mode-locking pulsed laser), Q 스위칭(Q-switching) 레이저 및 게인 스위칭(gain switching) 레이저 중 어느 하나일 수 있다.

도 1로 예시된 실시예에서, 대역 통과 필터(band pass filter, 200)는 광원(100)에서 출력된 광을 제공받고, 도 2(C)로 도시된 것과 같이 약 10nm의 대역폭을 가지도록 변환하여 타겟 샘플(TS)에 제공한다. 도시되지 않은 실시예에서, 광원(100)이 출력한 광은 대역 통과 필터를 거치지 않고 타겟 샘플(TS)에 제공될 수 있다.

도 2(A)로 도시된 종래 기술의 라만 분광에 사용되는 협대역 스펙트럼의 대역폭은 대략 0.1nm 이하이다. 따라서, 대역 통과 필터(200)을 거쳐 도 2(C)로 도시된 것과 수 nm의 대역폭을 가진다고 하더라도 상대적으로 넓은 대역폭을 가진다.

광원(100)에서 출력된 광은 이색성 거울(dichroic mirror, 300)을 통하여 타겟 샘플(TS)에 제공된다. 이색성 거울(300)은 제1 파장의 광은 반사하나, 제2 파장의 광은 투과하는 성질을 가지는 거울이다. 본 실시예에 의한 이색성 거울(300)은 광원(100) 또는 대역 통과 필터(200)에서 출력된 광을 반사하여 타겟 샘플(TS)에 제공한다. 이색성 거울(300)에서 반사되어 타겟 샘플(TS)에 제공되어 타겟 샘플(TS)의 물질과 상호 작용에 의하여 파장 및 주파수가 변화한 라만 광(RL)이 출력된다.

일 실시예에서 라만 분광기는 라만 광(RL)에서 여기광(EL)의 단파장 성분을 제거하는 롱패스필터(LPF)를 더 포함할 수 있다.

타겟 샘플(TS)에서 출력된 광은 여기 광(EL)과 라만 광(RL)을 포함한다.

광원에서 출력된 광 중 여기 광 성분은 도 1(A)로 예시된 실시예와 같이 제2 이색성 거울(310')에 의하여 반사되어 제2 분광기에 제공될 수 있다. 또한 타겟 샘플(TS)에서 출력된 광 중 여기 광(EL) 성분은 도 1(B)로 예시된 실시예와 같이 제2 이색성 거울(310)에 의하여 반사되어 제2 분광기(600)에 제공될 수 있다. 제2 분광기(600)는 제공된 광으로부터 타겟 샘플(TS)에 제공된 여기광(excitation)의 스펙트럼 형태(spectral shape)를 검출할 수 있다.

제2 이색성 거울(310)을 투과한 라만 광(RL) 성분은 분광부(500)에 제공되어 분광되고, 그 스펙트럼 성분이 검출되어 상응하는 전기신호로 출력된다. 일 실시예에 의하면, 분광부(500)는 적어도 하나의 회절 격자(510)를 포함하는 분광계와, 분광 분해능을 조절할 수 있는 슬릿(slit, 미도시), 광을 집광하는 렌즈 및 거울을 포함하는 집광계(미도시) 및 제공된 광에 상응하는 전기 신호를 출력하는 디텍터(520)를 포함한다.

연산부(미도시)는 디텍터(520) 및 제2 분광기(600)가 출력한 전기 신호를 입력받아 후술할 알고리듬을 연산한다.

도 1(C)로 예시된 실시예에서, 이색성 거울(300)을 투과한 라만 광(RL) 성분 및 여기 광 성분(EL, 빗금)은 분광부(500)에 제공되어 분석될 수 있다. 여기광 성분(빗금)의 세기만을 선별적으로 감소 가능한 필터(filter)를 사용할 수 있다. 분광부(500)는 라만 광(RL) 성분과 여기 광(EL) 성분(도 1(C), 빗금)에 대한 스펙트럼 성분을 검출하여 상응하는 전기적 신호로 출력한다.

도 1(D)로 예시된 실시예와 같이, 분광부(500)는 라만 광(RL) 성분을 검출하여 상응하는 전기적 신호로 출력하는 제1 디텍터(522)와 여기광 성분(EL, 빗금)을 검출하여 상응하는 전기적 신호로 출력하는 제2 디텍터(524)를 포함할 수 있다. 일 예로, 여기 광(EL)의 강도(intensity)는 라만 광(RL) 성분의 강도에 비하여 크므로, 제2 디텍터(524) 앞에 여기 광(EL)의 강도(intensity)를 감쇠하는 감쇠 필터(AF, attenuation filter) 또는 NDF(neutral density filter)를 두어 광 세기를 조절할 수 있다.

도시되지 않은 실시예는 분광부(500) 이전에 라만광(RL) 성분을 선택적으로 통과시키는 롱패스필터(long pass filter)를 더 포함할 수 있다.

연산부(미도시)는 검출된 라만광에 상응하는 제1 분해능을 가지는 라만 광 신호를 제공받고, 알고리듬의 연산을 수행하여 제1 분해능에 비하여 높은 제2 분해능을 가지는 라만 광 신호를 형성한다. 일 실시예로, 연산부는 광원(100), 대역 통과 필터(200), 이색성 거울(300) 및 분광부(500)와 일체로 형성될 수 있다. 다른 실시예로, 연산부는 광원(100), 대역 통과 필터(200), 이색성 거울(300) 및 분광부(500)와 분리되어 형성될 수 있으며, 스마트 단말, 랩톱, 데스크톱, 워크스테이션 등의 연산 장치에서 설명될 알고리듬을 수행할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 라만 분광 신호 형성 방법을 설명한다. 도 3은 본 실시예에 의한 라만 분광 신호 처리 방법의 개요를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 라만 분광 신호 처리 방법은 광대역 여기광을 타겟 샘플에 조사하여 제1 분해능의 라만 광을 획득하는 단계(S100)와, 디텍터(520)는 라만 광을 검출하고, 이에 상응하는 제1 분해능의 라만 광에 상응하는 라만 광 신호를 출력한다.

제1 분해능의 라만 광에 상응하는 라만 광신호는 광대역의 여기광과 타겟 샘플의 라만 전달 함수(Raman transfer function)가 컨벌루션되어 형성되는 것이므로 낮은 분해능을 가진다. 연산부(300)는 라만 광 신호를 디컨벌루션 연산하여 제1 해상도 보다 높은 제2 해상도의 라만 분광에 상응하는 신호를 연산(S300)한다.

여기 광(EL) 및 라만 광(RL)에 대한 수학적인 표현을 정리하면 아래와 같다. 여기광을 파장 도메인에서 일반적인 협대역 f(λ) 과 광대역 g(λ)으로 구분하고, 이러한 여기광에 의한 라만광을 각각 R(λ),S(λ) 라고 한다.

협대역 여기광 f(λ)에 의하여 발생하는 라만광 및 광대역 여기광 g(λ)에 의한 라만광은 라만 발생 전달 함수(Transfer function)에 의해 아래의 수학식으로 표시될 수 있다.

(*: 컨벌루션 연산, TS: 타겟 샘플의 라만 전달 함수)

라만 광을 발생시키는 라만 전달 함수(Raman Transfer Function)는 물질의 분자에 따라 달라지는 고유 특성이다. 광대역 여기광의 스펙트럼을 m개의 협대역 광원 스펙트럼으로 분할하면 이들의 관계식은 아래의 수학식 2와 같다.

즉, 광대역 여기광 g(λ)는 델타 함수(delta function)에 의하여 협대역 성분으로 m 개의 성분으로 분해될 수 있다. 델타 함수는 아래의 수학식과 같이 정의된다.

f(λ)는 다양한 베이시스 함수(basis function)들 중 어느 하나 또는 이들이 선형 혹은 비선형 결합된 함수일 수 있다. 일 실시예로, 베이시스 함수(basis function)는 아래의 함수들 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

로렌치안 함수(Lorentzian)

가우시안 함수(Gaussian)

사각 함수(Rectangular)

위에 기재된 로렌치안, 가우시안 및 사각함수의 진폭(Amplitude) f_o은 파장에 따라 달라지며, 특정 파장 에서 최대값 f_o,max 및/또는 최소값 f_o,min을 가질 수 있다.이러한 여기 광이 제공되어 형성된 대한 라만 광(RL)의 수학적 표현은 아래의 수학식 4와 같다.

상기한 수학식 4는 협대역에 의한 각 라만 분광 R(λ₁), R(λ₂), R(λ₃), ...,R(λ_n)의 합으로 광대역 라만 분광 S(λ)를 나타낼 수 있다는 것이다.

라만 분광이 여기광의 파장에 크게 영향이 없는 경우, 임의의 특정 파장에 의 여기광 f(λ_k) 에 대한 라만분광 R(λ_k)을 모든 n 값에 다 같이 적용할 수 있다. 다른 실시예로, 협대역 라만 분광 R(λ₁), R(λ₂), R(λ₃),...,R(λ_n)은 각 파장 λ_m에 대한 여기광 f(λ₁), f(λ₂), ..., f(λ_n)의 값을 알 경우 미리 측정한 값을 사용할 수 있다. 이때 각 파장 별 라만 광의 진폭(amplitude)는 그 파장에서의 여기광 세기에 의하여 결정된다.

측정된 라만광인 S(λ)을 디컨벌루션(Deconvolution) 연산을 수행하여 목적하는 R(λ)를 얻을 수 있다. 라만광 S(λ)과 협대역 여기광에 의한 라만 분광 R(λ)는 각각 상기한 수학식 1과 같이 표시될 수 있으며 TS를 소거하여 디컨벌루션한 R(λ)를 S(λ)로 표시하면 아래의 수학식 5와 같다.

연산부는 수학식 5를 수치 해석적으로 연산하여 목적하는 협대역 라만 분광 R(λ)을 얻을 수 있다.

도 4(B)는 디텍터(520)가 출력한 제1 분해능의 라만 광에 상응하는 라만 광 신호를 도시한 도면이다. 위에서 설명된 바와 같이 제1 분해능의 라만 광 신호는 광대역의 여기광과 컨벌루션되어 형성되는 것이므로 낮은 분해능을 가진다. 그러나, 상기한 수학식 5를 연산하면 도 4(A)와 같이 높은 분해능의 라만 광 신호를 얻을 수 있다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 광원 200: 대역 통과 필터
300: 이색성 거울 310: 제2 이색성 거울
500: 분광부 510: 회절 격자
520, 522: 디텍터 524: 제2 디텍터
600: 제2 분광기

Claims

광대역 여기광(broadband excitation light)을 타겟 샘플에 조사하여 얻어진 라만 광(Raman light)을 분석하는 라만 분광기로,
상기 분광기는,
제1 분해능(resolution)를 가지는 라만 분광을 검출한 신호에 대하여 디컨벌루션(deconvolution) 연산을 수행하여 상기 제1 분해능에 비하여 높은 제2 분해능를 가지는 라만 광 신호를 형성하는 연산부를 포함하는 라만 분광기.
제1항에 있어서,
상기 연산부는,
협대역 여기광을 상기 타겟 샘플에 조사하여 얻어진 라만 광에 상응하는 신호가 중첩된 신호를 디컨벌루션 연산하여 상기 제2 분해능를 가지는 라만 광 신호를 형성하는 라만 분광기.
제2항에 있어서,
상기 협대역 여기광을 상기 타겟 샘플에 조사하여 얻어진 라만 광에 상응하는 신호는 미리 측정되어 저장된 것인 라만 분광기.
제1항에 있어서,
상기 광대역 여기광은, 복수의 베이시스 함수들이 결합된 함수로 표시되는 라만 분광기.
제1항에 있어서,
상기 연산부는,
수학식

을 연산하여 상기 제2 분해능를 가지는 라만 분광 신호를 형성하는 라만 분광기.(S(λ): 제1 분해능(resolution)를 가지는 라만 분광을 검출한 신호, R(λ): 제2 분해능를 가지는 라만 광 신호, f: 협대역 여기광, g: 광대역 여기광)
제1항에 있어서,
상기 라만 분광기는,
상기 광대역 여기광을 제공하는 광원;
상기 광대역 여기광을 상기 타겟 샘플로 제공하고, 상기 라만광을 투과하는 반투과 거울;
상기 라만광을 분광하는 분광부를 포함하는 라만 분광기.
제6항에 있어서,
상기 광원은 열복사(thermal radiation), LED, 펄스 레이저(pulsed laser)인 라만 분광기.
제6항에 있어서,
상기 분광부는,
상기 라만광을 분광하는 하나 이상의 회절 격자와,
분광 분해능을 조절할 수 있는 슬릿(slit)과,
상기 회절 격자에서 출력된 광을 집광하는 렌즈 및 거울 및
상기 렌즈들이 출력한 광을 검출하는 디텍터(detector)를 포함하는 라만 분광기.
제8항에 있어서,
상기 디텍터는 상기 회절 격자에서 분광된 광으로부터 상기 여기광을 더 검출하는 라만 분광기.
제1항에 있어서,
상기 광원은 열복사(thermal radiation), LED, 펄스 레이저 중 어느 하나 이상을 포함하며,
상기 라만 분광기는 상기 광원이 제공하는 광에서 목적하는 대역만을 통과하는 대역 통과 필터(band pass filter)를 더 포함하는 라만 분광기.
제1항에 있어서,
상기 라만 분광기는,
상기 라만광으로부터 상기 여기광의 스펙트럼을 검출하는 스펙트럼 검출기(spectrometer) 및
라만광 만을 선택적으로 통과시키는 롱패스필터(long pass filter)를 더 포함하는 라만 분광기.
광대역 여기광을 타겟 샘플에 조사하여 제1 분해능의 라만 분광을 획득하는 단계와,
상기 제1 분해능의 라만 분광에 상응하는 라만 분광 신호를 연산하는 단계와,
상기 라만 광 신호를 디컨벌루션 연산하여 상기 제1 분해능 보다 높은 제2 분해능의 라만 분광에 상응하는 신호를 연산하는 단계를 포함하는 라만 분광 신호 형성 방법.
제12항에 있어서,
상기 제2 분해능의 라만 분광에 상응하는 신호를 연산하는 단계는 아래의 수학식을 연산하여 수행되는 라만 분광 신호 형성 방법.
제12항에 있어서,
제2 분해능의 라만 분광에 상응하는 신호를 연산하는 단계는,
협대역 여기광과 광대역 여기광의 역함수 및 제2 분해능을 가지는 라만 광 신호를 컨벌루션 연산하여 수행하는 라만 분광 신호 형성 방법.
제12항에 있어서,
제2 분해능의 라만 분광에 상응하는 신호를 연산하는 단계는,
수학식

을 연산하여 수행하는 라만 분광 신호 형성 방법.
(S(λ): 제1 분해능(resolution)를 가지는 라만 분광을 검출한 신호, R(λ): 제2 분해능를 가지는 라만 광 신호, f: 협대역 여기광, g: 광대역 여기광)