A study of center shifts in raman scattered lines in the symbiotic star V1016 Cyg

정양찬 Graduate School of Sejong University 2004 국내박사

공생별은 수AU정도로 멀리 떨어져 있는 뜨거운 백색왜성과 차가운 거성으로 이루어진 쌍성계로 알려져있다. 공생별의 전역적인 스펙트럼에서는 자외선영역의 연속선과 방출선, 또한가시광영역의 연속선을 볼 수 있다. 일반적으로, 공생별을 이루는 백색왜성의 온도는 대략 100,000K가 되어 그 복사에너지는 자외선영역에 집중되며, 거성의 온도는 3000k정도로 대부분의 에너지가 가시광과 근적외선 영역에서 방출된다. 대부분의 별은, 거성단계를 지나면서 질량의 대부분을 잃어린다. 거성에서 나오는 물질들은 백색왜성에 주변을 맴돌면서 원반을 만들고, 부착 원반은 백색왜성의 뜨거운 자외선을 받아 자외선영역에서 강한 방출선을 만든다. 강한 자외선 방출선은 사방으로 뻗어나가는데 그 중 거성을 향하는 것들은, 거성 근처에 있는 물질들에 의해 산란을 일으킨다. 입사파와 산란파의 에너지에 의하여 산란을 레일리산란과 라만산란과정으로 분류할 수 있으며, 전자는 들어온 빛의 에너지 만큼 방출하면서 원래의 상태로 돌아가는 탄성산란이며, 후자는 입사된 빛의 파장과 다른 파장의 빛을 내뿜으면서 다른 에너지 준위가 되는 비탄성 산란이다. 우리는 몬테 칼로 방법을 이용하여 공생별의 수소 기둥밀도에 따른 넓은 Hα날개와 He Ⅱλ 6545,4850 선의 중심 이동을 연구하였다. 이들 산란광은 각각 Lyβ주변의 연속선과 He Ⅱλ 1025,972 방출선이 수소원자에 의해 라만산란 될 때 만들어진다. Lyβ주변 복사의 라만산란과 레일리산란의 발생비율은 Lyman 선중심파장에 대해 장파장쪽으로 비대칭적이다. 이러한 연유로 N_(HI)이 증가하게 되면 Hα 방출선의 라만산란이 장파장쪽에서 더 많이 일어나게 된다. 수소 기둥밀도가 10^(20)cm^(-2) 에서 10^(22)cm^(-2) 로 증가하면 Hα 날개의 중심이 20kms^(-1)만큼 이동하는 것을 알아냈다. He Ⅱλ 6545 방출선이 가우시안 형태로 주어지게 되면, He Ⅱλ 6545 선의 형태가 장파장 쪽으로 이동한 가우시안 꼴이 되며, 중심 이동량은 수소 기둥밀도의 함수로 주어진다. 이와 동일한 현상은 라만산란선 4850에서도 일어난다. 보현산의 에셀 분광기를 이용하여 공생별 V 1016 Cyg의 스펙트럼을 얻어 He Ⅱλ972 의 라만산란선 4850Å의 모습을 살펴보았다. 이 관측 자료로부터 He Ⅱλ4850의 중심이 장파장쪽으로 △λ = +0.64Å의 중심 이동량을 결정하였다. 에너지준위 2s와 3s그리고 3d로 라만산란이 일어나는 비율을 계산하여, 라만산란선 4850의 중심 이동량을 몬테 칼로 시늉내기를 통하여 수소 기둥밀도의 함수로 계산하였다. 그 결과수소기둥밀도 N_(HI) = 1.2×10^(21)cm^(-2)일 때, 계산된 중심이동량이 관측자료와 일치함을 확인하였다. 단순한 구형 질량 손실 모형을 가정하고, HeⅡ방출선에 대한 라만 산란 지역의 covering factor가 10%를 차지할 때, V 1016 Cyg에서 일어나는 거성의 질량손실률의 상한값이 M ≤ 3.6^(-7)M_(⊙)yr^(-1)임을 보였다. Using a Monte Carlo technique, we investigate the center shifts that are expected to occur for the broad Hα wings and the HeⅡλ6545 feature as a function of the neutral hydrogen column density in symbiotic stars. These two features are proposed to be formed via Raman scattering of UV continuum around Lyβand HeⅡλ1025 emission line by neutral hydrogen. The branching ratio of Raman scattering to Rayleigh scattering for UV radiation around Lyβ is a non-linearly increasing function of the wavelength, which results in enhanced Raman optical fluxes redward of the Hα line center as N_(HI) increases. However, we find that the amount of wing center shift is quite small about 20kms^(-1) as N_(HI) increases from 10^(20)cm^(-2) to 10^(21)cm^(-2). Assuming that HeⅡλ1025 emission is characterized by a Gaussian profile, the Raman scattered HeⅡ6545 feature exhibits near Gaussian profiles with the peak shifted redward for N_(HI) < 10^(22)cm^(-2). The redward center shift amounts to 1Å for N_(HI) ~ 10^(20)cm^(-2) and decreases as N_(HI) increases up to N_(HI) ~ 10^(22)cm^(-2), above which no center shift is observed. The redward peak shift is due to the fact that the incident emission profile is symmetric with respect to HeⅡλ1025 line center whereas the Raman conversion rate is increasing toward the line center of Lyβ. We emphasize that the determination of N_(HI) by locating the exact peak position of the HeⅡλ6545 feature will lift the degeneracy to allow a more accurate estimate of the covering factor of the neutral region, providing strong constraints on the mass loss process occurring in symbiotic stars. We present our spectroscopic data around Hβ of the symbiotic star V1016 Cyg obtained with the Bohyunsan Echelle Spectrograph, in order to secure the broad emission feature at around 4850Å, which is formed through Raman scattering of HeⅡλ972. The total cross section around Lyγ is approximately given by σ(λ) □ 1.7 × 10^(-28)[λ_(Lyγ)/(λ - λ_(Lyγ)]^(2)cm^(-2), with λ_(Lyγ) being the line center wavelength of Lyγ. We find a centerer shift redward by an amount △λ = +0.64Å in the Raman scattered He Ⅱλ4850. This redward center shift is exactly analogous to the effect for the Raman scattered HeⅡλ6545 blueward of Hα discussed in our previous study. We compute the branching ratios of Raman scattering into the level 2s and levels 3s, and 3d, which are subsequently incorporated in our Monte Carlo code. Assuming that HeⅡλ972 emission is characterized by a single Gaussian profile, the redward peak shift observed in the Raman scattered HeⅡλ4850 feature corresponds to the neutral column density N_(HI) = 1.2 × 10^(21) cm^(-2). Assuming that the covering factor ~ 0.1 of the scattering region with respect to the HeⅡ emission region and adopting a simple spherical stellar wind model, we may place an upper bound M˙ ≤ 3.6 × 10^(-7)M_(⊙)yr^(-1) for the mass loss rate of the giant component of V1016 Cyg. Our estimate can be severely affected by the inematics of the scattering and HeⅡ emission regions and the exact atomic physics, about which brief discussions are presented.

Raman based In-Situ monitoring for the changes of molecular signatures during mitochondria mediated apoptosis

신현정 KU-KIST Graduate School of Converging Science and 2019 국내석사

We report a surface-enhaced Raman scattering based single cell spectroscopic method to monitor the changes of intracellular molecular signatures during mitochondria mediated apoptosis. Photothermally induced apoptosis showed the moderate decrease of disulfide bond and sharp increase of β-sheet structures depends on input-laser power with morphological changes. But chemical drug induced apoptosis showed more sensitive changes of disulfide bond and Raman peaks corresponding to Cytochrome c, and appearance of new peak at 1420 cm-1, which enabled to study the molecular interactions of new potential inhibitor with the mitochondria in real-time from single cell.

Studies of experimental conditions in coherent Raman scattering spectroscopy towards super-resolution label-free vibrational imaging and applications

Sohee Lim 고려대학교 대학원 2022 국내박사

In the interaction of light with the molecule, the scattering process is divided into elastic and inelastic scattering, among which information on the vibration and rotation of molecules provides in the case of inelastic scattering, called Raman scattering. However, spontaneous Raman scattering requires a long measurement time and a relatively high-concentrated sample due to weak Raman scattering signal intensity. The recently developed nonlinear Raman spectroscopy using high-power pulse lasers goes beyond these limitations and allows Raman scattering to be applied to various fields. Thus, this dissertation intends to develop a nonlinear Raman spectroscopy and microscopy using the pulse laser and examine the limitations and availability. By studying the expression of nonlinear phenomena from the intense photon density, we will examine the limitations of applying Raman spectroscopy using intense femtosecond pulse lasers. Next, we intend to consider the experimental and theoretical conditions required for demonstrating super-resolution coherent Raman microscopy. Finally, to explore the practical applicability of the nonlinear Raman microscope, an experimental and statistical study of microplastics internalization into live-cell was conducted using a multi-color coherent Raman microscope. First, we specifically investigated the dependence of stimulated Raman loss signal on Raman pump intensity and pump-probe delay time (Δt) through experimental and simulation studies. A pronounced spectral modulation in SRL is observed in the Raman peaks of aromatic compounds with a relatively significant optical Kerr effect in the intensive pump regime. We performed a numerical simulation for the coupled wave propagation to investigate the effect of cross-phase modulation (XPM) on the stimulated Raman scattering (SRS). The simulation involves both vibrationally resonant SRS and non-resonant XPM effects for the Δt-dependent peak shift and spectral broadening and the appearance of a gain signal at negative time delays (Δt < 0). At the time zero (Δt = 0) with high pump intensity, we found that the anti-symmetric XPM signal cannot be selectively eliminated to produce a pure SRS signal by time-integration over Δt due to the increased interference term of the SRS and XPM at the Raman-active frequency region. Second, we introduced a new switching-off technique applicable to sub-diffraction-limited coherent Raman imaging, where a CARS signal can be selectively suppressed via competitive SRS processes between vibrational modes of a single molecular species. Here, we show that such a three-beam CARS suppression can be made via double SRS processes between vibrational modes of hetero-molecular species, a mixture of paraffin oil and benzene. We achieve more than 80% suppression of the pump-Stokes-beam CARS signal for the ring breathing mode (target mode) of benzene when the C-H stretching mode (acceptor mode) of paraffin oil is used deplete the pump photons via the pump-depletion-beam SRS process. The freedom in the choice of acceptor mode for depletion, which could be a critical advantage of the present switching-off scheme, can be used to overcome the current challenges of depletion-based super-resolution coherent Raman imaging of biomolecules. Third, as the bioaccumulation of microplastics (MPs) is considered a potential health risk, many efforts have been made to understand MPs' cellular dynamics and cytotoxicity. We demonstrate that a label-free multi-color CARS microscopy enables separate vibrational imaging of internalized MPs and lipid droplets (LDs) with indistinguishable shapes and sizes in live cells. By simultaneously obtaining polystyrene (PS)- and lipid-specific CARS images at two very different frequencies, 1000 cm-1 (fingerprint region) and 2850 cm-1 (C-H stretching region), respectively, we successfully identify the local distribution of ingested PS beads and native LDs in C. elegans. We further show that the movements of PS beads and LDs in live cells can be separately tracked in real-time, which allows us to characterize their intracellular dynamics. We thus anticipate that our multi-color CARS imaging method could be of great use to investigate MPs' cellular transport and cytotoxicity without additional efforts for pre-labeling to MPs. 빛과 물질의 상호작용 중, 산란 과정은 탄성, 비탄성 산란으로 나누어지며, 그 중 라만 산란이라 불리는 비탄성 산란의 경우 분자의 진동 및 회전에 대한 정보를 제공한다. 다만, 낮은 라만 산란 효율로 인하여 신호의 세기가 낮고 이로 인해 측정시간과 시료의 양에 제약이 있어왔다. 최근 개발된 고출력 레이저를 이용한 비선형 라만 분광 현미경법은 이러한 제약들을 뛰어넘어, 다양한 분야에 적용할 수 있게 해주고 있다. 이에 본 논문에서는 고출력 레이저를 이용한 비선형 라만 분광현미경법 개발과 그에 따르는 제한점과 이용가능성을 고찰해보고자 한다. 우선적으로, 높은 광밀도로 인한 비선형 현상의 발현에 대해 연구하여, 고출력 레이저를 이용한 라만 분광법의 적용의 한계를 살펴보고자 한다. 또한 초고분해능 라만 현미경법을 구축하는데 요구되는 실험 및 이론적 조건들을 고찰하고자 한다. 마지막으로 비선형 라만 현미경법의 실질적 응용 가능성을 타진하기 위하여, 다색성 결맞음 라만 현미경을 이용하여 생체 내부의 미세 플라스틱과 지질 방울의 거동 관찰 연구를 수행하였다. 첫째로, 라만 펌프 강도와 펌프 탐침 지연 시간에 대한 실험 및 시뮬레이션 연구를 통해 자극 라만 손실 신호의 의존성을 입증하였다. 공간 분해능을 결정하는 요인인 라만 경쟁 효과에 의한 광자 고갈 효율은 펌프빔의 세기에 비례한다. 높은 고갈 효율을 얻기 위한 강한 펌프 영역에서, 상대적으로 큰 광학 커 비선형성을 가진 방향족 화합물의 라만 피크의 자극 라만 손실의 스펙트럼 변조가 관찰된다. 자극된 라만 산란에 대한 교차 위상 변조의 영향을 조사하기 위해 결합된 파동 전파에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 국소의 진동 공명 자극 라만 산란 및 비공명 교차 상 변조 효과와 관련된 시뮬레이션은 음의 시간 지연에서 이득 신호의 모양뿐만 아니라 지연 시간 의존적 피크 이동 및 스펙트럼 확장을 설명한다. 높은 펌프 세기의 라만 활성 주파수 영역에서, 자극 라만 산란과 교차 상 변조의 간섭 항이 증가한다. 따라서 정지 시간에서 순수한 자극 라만 산란 신호만을 얻기 위한 교차 상 변조 신호의 선택적 제거가 불가능하다는 것을 밝혔다. 둘째로, 초고분해능 형광 현미경에 사용되는 기술인 도넛 빔 변조를 라만 분광현미경에 적용하고자 했다. 도넛 빔을 이용하면, 그 빔에 해당하는 크기만큼의 라만 신호가 선택적으로 고갈되어, 결과적으로 공간 분해능이 향상되는 결과를 가져온다는 것을 밝혔고, 단일 분자뿐만 아니라 서로 다른 분자 사이에서도 동일한 공간 분해능 향상 효과를 관측한 결과를 얻었다. 이는 다양한 분자의 구조를 현재 개발한 비표지 초고분해능 라만 현미경 기술을 실제 시스템에 적용하여 연구 가능하다는 것을 의미한다. 마지막으로, 미세플라스틱으로 인한 환경오염 위험이 심각하게 제기되면서 이들의 세포 내성과 세포 독성의 경로를 파악하기 위한 많은 노력이 이뤄지고 있다. 그러나 세포에서 미세플라스틱을 식별하고 영상화 하기 위해 개발된 이전의 광학 현미경 기술 대부분은 모양과 크기를 구별할 수 없는 지질 방울과 같은 다른 세포질 소 기관들과 구별하기 위해 추가적으로 표지된 미세플라스틱을 필요로 한다. 여기서 우리는 무표지의 다중 색 결맞음 반-스톡스 라만 산란 현미경을 통해 살아있는 세포에서 구별할 수 없는 모양과 크기를 가진 내부 미세플라스틱과 지질 방울의 분리된 진동 영상이 가능하다는 것을 입증하였다. 매우 멀리 떨어진 두 주파수에서 폴리스티렌 (1000 cm-1, 지문 영역)과 지질 (2850 cm-1, C-H 스트레칭 영역)의 특정 결맞음 반-스톡스 라만 산란 이미지를 동시에 획득함으로써, 우리는 C. elegans에서 섭취된 폴리스티렌 구슬과 지질 방울의 국부적인 분포를 성공적으로 식별하였다. 이는 우리가 그들의 살아있는 세포 내에 개별적인 거동 역학 특정할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 미세플라스틱에 대한 추가적인 표지 노력 없이 미세플라스틱의 세포 이동 및 세포 독성을 조사하는 데 다중 색상 결맞음 반-스톡스 라만 산란 현미경법이 유용할 것으로 기대한다.

양방향 Raman/EDF 복합 증폭기 구조에 따른 장거리 FBG 센서 시스템의 성능 비교

허정현 서울시립대학교 일반대학원 2013 국내석사

본 논문에서는 가장 파워 효율성을 갖고 정확한 광섬유 기반의 장거리 온도 센서 시스템을 구현하기 위하여 3가지 다른 구조의 양방향 Raman과 EDF 복합 증폭기를 적용시킨 FBG 센서 시스템의 성능을 비교하였다. 3가지 센서시스템은 각각 EDF가 Raman 분배 증폭기 섹션 앞에 위치한 Type I, EDF가 Raman 분배 증폭기 섹션 뒤에 위치한 Type II, 마지막으로 EDF 없이 Raman 분배 증폭기만 이용한 Type III이다. 모든 센서 시스템은 반사형 반도체 광 증폭기(RSOA)에서 직접 변조되어 나오는 ASE를 광원으로 사용하였으며, Sensor Head FBG와 reference FBG에 의해 발생하는 beat 신호의 RF 파워의 변화를 측정하는 복조 구조를 적용하였다. 3가지 센서시스템의 펌프 파워 출력 효율, 전기 신호의 신호대잡음비 및 측정 정확도를 비교해 본 결과, EDF 증폭기가 Raman 분배 증폭기 섹션 앞에 위치한 Type II가 최고의 성능을 보였다. In this study, we compared the three different types of long distance fiber brag grating (FBG) sensor systems based on bidirectional Raman and erbium-doped fiber (EDF) amplification in order to determine the most power-efficient and accurate configuration. Proposed experimental configurations are: a bidirectional hybrid Raman amplifier with i) an EDF located after the distributed Raman amplification section, ii) an EDF located before the distributed Raman amplification section, and iii) without an EDF. All FBG sensor systems are based on a demodulation scheme using RF power measurements of a beat signal, in which a directly sine-modulated amplified spontaneous emission from a reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) was employed as a broadband light source. As a result of our experimentation, the sensor system with the EDF located prior to the Raman amplification section provided the best performance in regards to its pump power efficiency, electrical signal-to-noise ratio, and measurement accuracy.

Photon depletion by selective suppression of stimulated raman scattering for super-resolution raman microscopy

이윤종 Graduate School, Korea University 2020 국내석사

The resolution of conventional optical microscope is limited by the diffraction of the transmitted, reflected, emitted, or scatterd light from the object of interest. The optical diffraction renders a point object as a spreadout image, called as point spread function (PSF), with widths of 200~300 nm in the x and y direction and 450~700 nm in the z direction. Because diameter of PSF is lager than molecular size, the use of a conventional optical microscope is highly limited in studies of molecular structures. There have been many efforts to overcome the diffraction limit and visualize molecules with nanometer-scale resolutions for more than two decades. Stimulated emission depletion (STED), awarded Nobel prize in Chemistry 2014, improves the resolution of fluorescence microscopy by switching off the fluorescence states of target molecules. It switches off the fluorescence emission around the excitation beam center using donut-shape beam that depletes the fluorescence emission via stimulated emission. Then, the fluorescence emission is confined to the area of zero intensity of the donut depletion beam. Although STED microscopy enhanced resolution to a few nanometer, it has challenges inherent to fluorescence such as laborious labeling process and photo-bleaching. Despite the unique advantage of fluorescence microscopy for high contrast for molecular specificity, the above-mentioned disadvantages of fluorescence microscopy, research call for alternative microscopy techniques. The Raman scattering is an alternative mechanism in optical microscopy with chemical specificity. It is a phenomenon in which an illuminated light scatters to different wavelengths whose frequency differences are resonant to the vibrational signature of the sample. Though it has disadvantage in signal intensity which is significantly weaker than the case of fluorescence, it is possible to observe the molecular-specific vibration modes. Among the various spectroscopic and microscopic methods implementing Raman scattering processes, the stimulated Raman scattering (SRS) is a technique that can obtain a strong signal intensity amplified from that of spontaneous Raman scattering. In the past few years, we tried to overcome the diffraction limit and obtain a label-free cell image by applying the STED-like depletion concept to SRS microscopy. Two competitive SRS signals are generated by three-beam SRS system with an additional Stokes beam shaped in a donut with zero-intensity at the center. The donut-shaped Stokes 2 beam deplete the pump photons at the edge of the other Stokes beams via stimulated Raman loss (SRL), reducing the diameter of focal spot of a Stokes beam. Before generating donut-shape Stokes 2 beam, we demonstrate and characterize the depletion phenomena in spectroscopically by using all three beams in Gaussian and monitoring the intensity change. The stimulated Raman gain (SRG) of a Stokes beam is depleted by SRL of pump photons induced by a Stokes 2 beam serving as another Stokes beam resonant to a different Raman-active mode. Rhodamine 800 is a fluorescent molecule with two strong Raman-active modes, the total-symmetric vibration mode of conjugated C=C double bonds at 1640cm-1 and the CN stretching mode at 2221 cm-1. We obtained up to 80% depletion efficiency of the C=C bonds mode of Rhodamine 800 dye at 1640 cm-1 by using the CN stretching mode in the same molecule as the depletion mode. With these experimental data, we proved that our theory that was previously applied to benzene, a nonfluorescent molecule, can be applied to experiments and has potential as a super-resolution microscopy probe.

진사 유약의 발색 특성 연구

어혜진 명지대학교 대학원 2014 국내박사

The purpose of this study is verifying the color production mechanism of copper red glaze, which produces red color on ceramics. Existing studies on the color production mechanism of copper red glaze suggested that the color production comes from CuO and Cu2O, or, it comes from Cu2O and metal Cu. In other words, the suggestions in existing studies do not agree with each other. This study utilized XRD, Raman spectroscopy, optical microscope, Raman microscope, SEM, EDX and UV-vis spectroscopy in the finding of clear color production mechanism of copper red glaze. The copper red glaze used in this study used raw material produced in Korea. Basic composition test in ternary system and oblique coordinate test after adding kaolin and silica were done to find an optimum composition, at which the copper red glaze would have stable melting during reduction firing. In order to find the crystal phase of copper existing in the fired copper red glaze, XRD and Raman spectroscopy analysis were done. EDX analysis was done to learn the distribution of each element melted in the glaze. For the most important color characteristic of copper red glaze, UV-vis spectroscopy analysis was done. According to the XRD analysis result, only metal Cu was detected among the coppers existing in the copper red glaze. Raman spectroscopy analysis was done to observe the copper compound combined with oxygen (other than metal Cu) in the glazes made by oxidization firing and reduction firing. CuO was fond in the glaze made by oxidization firing; while CuO and Cu2O were mixed in the glaze made by reduction firing. According to the result of EDX analysis, melted copper red glaze had SiO2 39.5%, Al2O3 8.9%, Na2O 16.9%, CaO 3.0%, BaO 7.1%, CuO 22.34% and SnO2 2.3% in average. SiO2, which had high concentration, and Al2O3, Na2O and CaO, which had relatively low concentration, were evenly distributed in the glaze. CuO was also evenly distributed in the glaze; while Cu oxide was concentrated nearby the bubbles rather than within glaze or on the glaze surface. In addition, the cross-section of copper red glaze was enlarged to 100 times by optical microscope and observed. The chemical state, micro structure and distribution status of Cu were analyzed with precision using Raman Microscope, SEM and EDX. The result of observation of copper red glaze by microscope was that the glaze layer could be classified into surface layer, red-bubble layer and red-band layer. The surface layer did not have any color; while the red-bubble layer appeared widely in the intermediate layer of glaze and there was red color around the red-bubble layer. The red-band layer appeared close to the boundary between the glaze and base material in the form of red color band. The analysis result of each glaze layer by Raman microscope was that the Raman spectrum of surface layer was glass with the silicate characteristic band; while the characteristic band of CuO and the characteristic band of Cu2O appeared with very weak intensity. In the red-bubble layer, the CuO characteristic band was strong while the Cu2O characteristic band was weak. The Raman spectrum of red-band layer had strong silicate characteristic band like the surface layer; however, CuO characteristic band and Cu2O characteristic band appear together and the Cu2O characteristic band was stronger than the same of red-bubble layer. It was interesting to find that the characteristic band of CuO and characteristic band of Cu2O both exist with weak intensity in the surface layer, which was colorless when observed by optical microscope. The observation was done by Raman microscopy image mapping to confirm copper distributed in the form fine particles. The result was that CuO particles dispersed among numerous amorphous particles in the form of minute particles. According to the result of SEM and EDX analysis, large and small bubbles were evenly distributed on the oil within the copper red glaze. However, it was not possible to find a specific element, with which the glaze layers could be differentiated like in Raman analysis or in optical microscope analysis. However, copper around the bubbles was more concentrated in red-bubble layer than in surface layer. Chromaticity is the most important element of copper red glaze. After performing a chromaticity analysis, the color of copper red glaze was expressed in numerical value in accordance with the CIE – L*a*b* colorimetric system. The result was that the copper red glaze produced the color of CIE L* 30.07 a* 13.65 b* 3.72 dark grayish-red. According to results of above tests, the red color of copper red glaze is produced by the Cu2O in the glaze. Black color is produced when a portion of CuO would be reduced to Cu during reduction firing. When the glaze is cooled after firing, the surface layer is oxidized and the color is produced by CuO. At this time, Cu2O with red color production characteristic has 30 times color production capability than the color production capability of Cu with black color production characteristic or the color production capability of CuO with green color production capability. Therefore, a copper red glaze produces Dark Graish Red color because all Cu2O, CuO and Cu area mixed in it. 본 논문은 도자기 유약 가운데 붉은 발색을 지닌 진사 유약의 발색 mechanism을 규명하고자 하였다. 지금까지 진사 유약의 발색에 대하여 연구한 연구자들은 CuO와 Cu2O에 의한 발색이라는 연구와 또는 Cu2O와 metal Cu에 의한 발색이라는 연구로 연구자들의 의견이 일치되지 않은 상태이다. 그래서 좀 더 명확한 발색 기구를 밝히기 위하여 XRD, Raman spectroscopy, 광학 현미경, Raman Microscope, SEM, EDX 그리고 UV-vis spectroscopy분석 장비를 사용하여 연구하였다. 연구에 사용 된 진사 유약의 경우 국내에서 생산되는 기본 원료를 사용하여 3성 분계의 기본 조성 실험과 고령토, 규석을 첨가한 사각 좌표 실험을 통하여 환원 소성을 한 후 1240℃의 환원 소성에서 안정하게 용융되는 최적의 조성을 구하였다. 소성된 진사 유약 내에 존재하고 있는 구리의 결정상을 알아보기 위하여 XRD와 Raman spectroscopy분석을 하고 유약에 용융되어있는 각각의 원소들의 분포를 알아보기 위하여 EDX분석을 시행하였다. 그리고 진사 유약에서 가장 중요한 요소인 색상은 UV-vis spectroscopy분석을 하였다. XRD분석 결과 진사 유약에 존재하고 있는 구리는 metal Cu만 검출이 되었고, Raman spectroscopy분석을 통하여 산화와 환원 소성유약에서 존재하는metal Cu외에 산소와 결합된 구리 화합물을 관찰해 본 결과 산화 소성한 유약에서는 CuO가 나타나고, 환원 소성한 유약에서는 CuO와 Cu2O가 혼재되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 EDX분석결과 용융된 진사 유약 내에는 평균적으로 SiO2 39.5%, Al2O3 8.9%, Na2O 16.9%, CaO 3.0%, BaO 7.1%, CuO 22.34%, SnO 2.3%로 분포하고 있었다. 높은 농도를 보이는 SiO2와 다소 낮은 농도의 Al2O3, Na2O, CaO는 모두 유약 내에 전체적으로 균일하게 분포되어 있었다. 또한 CuO도 유약 내부에 고르게 분산되어 있었으며, Cu 산화물은 유약의 표면과 내부보다 유약 내에 존재하고 있는 기포 부근에 집중되어 있는 것으로 관찰되었다. 또한 진사 유약의 단면을 광학 현미경을 이용하여 100배로 확대 관찰하고, 관찰된 유약 층에 존재하고 있는 구리의 화학적 상태, 미세 구조와 분포 상태는 Raman Microscope, SEM, EDX를 이용하여 정밀 분석하였다. 진사 유약을 현미경으로 관찰한 결과 유약 층은 surface layer와 red-bubble layer 그리고 red-band layer 이렇게 크게3개의 층으로 구분할 수 있었다. surface layer는 색상이 없이 나타났으며, red-bubble layer는 유약의 중간 층에서 넓게 나타나며 기포가 존재하고 그 주위로 붉은 색상이 나타났다. 마지막으로 red-band layer는 유약과 소지의 경계부분과 밀접해 있으며 붉은 색의 띠로 형성이 되어있었다. Raman Microscope로 각각의 유약 층을 분석한 결과 surface layer의 Raman spectrum은 silicate특성band의 경향을 띠는 glass로 존재하였으며, CuO와 Cu2O의 특성 band는 매우 약한 강도로 나타났다. red-bubble layer에서는 CuO의 특성 band는 강하고 Cu2O의 특성 band는 약하게 존재하였다. red-band layer의 Raman spectrum은 surface layer와 같이 silicate특성band가 강하지만 CuO와 Cu2O의 특성 band도 함께 나타나고, red-bubble layer보다는 Cu2O의 특성 band가 강하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 광학 현미경 관찰에서 무색으로 나타난 surface layer에서도 CuO와 Cu2O의 특성 band가 약한 강도로 존재하는 것이 흥미로웠다. 미세하게 분포되어있는 구리를 확인하기 위하여 Raman microscopy image mapping을 이용하여 관찰 하였다. 그 결과 수많은 비정질의 입자들 사이에 CuO의 입자가 존재하면서 CuO는 미립자로 분산되어 있다는 것을 보여준다. SEM과 EDX분석 결과 진사 유약 안에는 크고 작은 기포들이 유면에 고르게 분포하고 있었다. 하지만 광학 현미경과 Raman분석과 같이 유약 면의 layer를 구분 할 수 있는 특정 원소는 확인 할 수 없었다. 그러나 기포부근의 구리 원소의 분포는 surface layer보다는 red-bubble에 구리가 집중되어 분포하고 있었다. 무엇보다 진사 유약에 있어서 가장 중요한 요소인 색도 분석을 한 후의 진사 유약의 색상은 CIE – L*a*b* 표색계에 의하여 수치화한 값으로 나타내었으며 그 결과는 CIE L* 30.07 a* 13.65 b* 3.72의 Dark Graish-Red 발색을 보였다. 위의 실험들을 종합해 본 결과 진사 유약의 븕은 발색은 유약 내의 Cu2O에 의하여 발색되는 것이며, 환원 소성에 의하여 CuO가 일부 Cu로 환원이 되면서 검은 색상으로 발색되고, 소성 후 냉각을 하면서 표면 층의 산화로 인하여 CuO가 존재하면서 나타난다. 이때 붉은 발색 특성을 갖는 Cu2O는 검은 색상의 Cu나 녹색의 CuO에 비하여 착색 능력이 30배 이상 뛰어나므로 진사 유약에는 Cu2O, CuO, Cu가 모두 혼재되어있어 검 붉은 색상으로 나타난다.

Synthesis of gold nanoparticle With intra-nanogap for Raman-based live cell imaging and drug-protein interaction study

이영주 KU-KIST Graduate School of Converging Science and 2018 국내석사

Since the development of the Raman Spectroscopy, the biological application based on the Raman signal had been regarded as one of the useful tools in the sensing research field. Because Raman signals for different single molecules are measured differently, they are an excellent technique for locating other regions or substances that cause different signals. However, there is also a weakness in that the intensity of the measured Raman signal is weak. In order to overcome this problem, many researches have been carried out, in which exogenous small molecule Raman tags with strong signals were introduced and plasmonic nanoparticles were used to amplify the Raman signal. In particular, the control of plasmonic nanoparticles for the amplification of Raman signals is essential because solving the problem through the Raman tags based on strong signals is not a solution. The plasmonic properties of metallic nanoparticles (such as gold and silver nanoparticles) are modifiable by controlling their size, shape, surface morphology and assembled structure. Through the change of characteristics, plasmonic nanoparticles enable the control of light at the subwavelength scale using surface plasmons, which involves the collective coherent oscillation of conduction electrons at the interface of a metal and dielectric material. Surface-enhanced Raman scattering (SERS), which involves the enhancement of Raman scattering from molecules or in close proximity to a nanostructured metal surface has accumulated much attention owing to its potential applications in sensing, monitoring, and bioimaging. In SERS, it is well understood that the plasmonic coupling effect at the nanometer gap junction between particles induces electromagnetic enhancement that allows SERS signal to be detected with single-molecule sensitivity. As a general plasmonic nanoparticle, there are particles such as Au and Ag nanoparticles. If a gold nanoparticle (AuNP) is made to form an intrananogap through a core / shell structure, Raman signal amplification effect could be obtained. Combining the gold nanoparticles representing the amplified Raman signal with the substance showing the intracellular target effect can overcome the disadvantages of Raman spectroscopy and can be applied as various biological and biomedical methods.

SERS-based live cell analysis to monitor the changes of mitochondrial membrane potential

이지혜 KU-KIST Graduate School of Converging Science and 2020 국내석사

Obtaining the molecular information from inside cell in real time has been a critical issues to study the interaction between molecules of interest and intracellular components. Fluorescence-based method has long been an excellent tools to study such an important interactions. In this paper, we are demonstrating the Raman scattering based method as a promising platform to achieve the real-time monitoring of the subtle molecular changes occurred in inside cells. We found the Raman scattering based method enabled to monitor the changes of mitochondrial membrane potential in the single cell of rheumatoid arthritis synovial fibroblasts induced by protein (TNF-α), various chemicals (MgCl2, sodium pyruvate, FCCP), and non-chemical stimulus (i.e., light). The triphenylphosphine-modified AuNPs were selectively localized in the mitochondria and showed the characteristic Raman spectrum of cytochrome C and other Raman spectrum of molecular components inside cell. The surface-enhanced Raman spectrum originated from mitochondria were sensitively changed with time when induced mitochondrial depolarization by the additions of TNF-α, or chemicals known to induce mitochondrial depolarization. The Raman-based signal changes were well matched with the results of conventional fluorescence based analysis. However, the Raman-based method enable to monitor such changes in real-time and provide the detailed molecular informations with the interaction of molecules. Therefore the method envision the possibility of SERS-based live cell analysis for future proteomics or drug screening applications. 최근 세포생물학의 발전은 유기 형광 분자나 형광 단백질 또는 무기 나노 소재를 이용한 세포의 기능, 형태학적 변화, 특정 표지의 발현 수준을 확인하는 형광 기반 분석법에 크게 의존하고 있다. 그러나 형광 기반 분석법은 세포 내부의 제한된 정보를 줄 뿐만 아니라, 형광체의 광탈색 및 불필요한 배경 신호를 유발하는 제한 요소를 가진다. 따라서 라만 분 광법은 물 분자와 간섭 없이 세포 내 분자의 지문을 제공할 수 있기 때문에 형광성의 한 계를 극복할 수 있는 유망한 방법으로 간주되고 있다. 본 연구에서는 플라즈모닉 나노 입 자를 사용하여 라만 산란의 낮은 신호 강도를 극복한 표면 증강 라만 신호를 기반으로, 표 적 세포소기관에서 발생하는 변화를 관찰하는 방법을 제안하고자 한다. 미토콘드리아는 신 진대사 조절, ATP 생산, 세포 사멸 등의 주요 역할 때문에 라만 기반 분석에도 큰 주목을 받고 있다. 미토콘드리아의 기능은 전자전달계의 복합체 및 시토크롬 C 의 산화-환원 상 태에 크게 의존하고 있어 미토콘드리아의 막전위 변화 (ΔΨm) 를 유도한다. 미토콘드리아 의 막전위 변화 (ΔΨm) 를 감지하기 위한 대부분의 연구는 형광 현미경으로 수행되었으며, 이를 통해 시토크롬의 산화-환원 상태와 미토콘드리아 막전위 변화 (ΔΨm) 에 관련된 변 화를 간접적으로 추정할 수 있다. 시토크롬 C의 형태와 산화-환원 상태는 매우 유동적이 어서, 미토콘드리아 막간 공간과 전자 전달 복합체에 긴밀한 영향을 끼치므로, 시토크롬 C 의 산화-환원 상태와 미토콘드리아의 막전위 변화에 관한 직접적인 정보를 얻기 어렵다. 그러므로 미토콘드리아 내의 성분과 잠재적인 분자와의 상호작용을 라만 분광법을 통해 분석하기 위해서는, 미토콘드리아 기능의 동적 변화를 이해하고 형광 기반 방법과 비교하 는 체계적인 연구가 필요하다. 이에 따라, 본 연구에서는 라만 신호 증폭을 위하여 트리페 닐포스핀이 표면 개질된 금나노입자를 합성하고 미토콘드리아에 선택적으로 분포하도록 하였으며, 미토콘드리아 내의 시토크롬 C 을 포함한 다른 성분 (단백질, 지질) 들을 라만 스펙트럼으로 확인하였다. 미토콘드리아의 막전위 변화를 유도하기 위하여 단백질 (TNF-a) 화학 물질 (MgCl2,피루브산 나트륨, FCCP) 또는 비화학적 자극을 가하면서 류마 티스 관절염 활막 섬유 모세포의 단일세포에서의 미토콘드리아 막 전위의 변화를 라만 분 광법으로 관찰하였다. 살아 있는 세포에서 다양한 변화를 가한 경우에 나타나는 분자 정보 의 변화를 실시간으로 관찰했으며, 형광 기반의 방법과 비교하여 해석하고자 한다.

2D Materials Phonon Transport: Equilibrium and Non-equilibrium

Zobeiri, Hamidreza Iowa State University ProQuest Dissertations & The 2022 해외박사(DDOD)

2D materials and carbon materials, such as MoS2 and graphene paper, are widely used in nano electronic devices due to their extraordinary properties. Among these properties, thermal transport is one of the main important ones. The optothermal methods based on Raman spectroscopy are widely used recently to characterize and study the thermal transport inside these materials. These studies include, for instance, measurement of thermal conductivity, hot carrier diffusion coefficient, and interfacial thermal resistance between the nanomaterial and substrate. However, it is shown by theoretical calculation that there is a significant thermal nonequilibrium among optical and acoustic phonon branches under intense laser irradiation. This considerable effect was never considered in those optothermal methods, and could lead to significant errors. In this work, this physical phenomenon is directly characterized for a suspended graphene paper sample for the first time through a novel approach combining both electrothermal and optothermal techniques. While the optical phonon temperature is determined from Raman wavenumber, the acoustic phonon temperature is precisely determined using high-precision thermal conductivity and laser power absorption that are measured with negligible nonequilibrium among energy carriers. It is shown that under ≈1 µm diameter laser heating, the optical phonon temperature rise is over 80% higher than that of the acoustic phonons. This observation points out the importance of subtracting optical–acoustic phonon thermal nonequilibrium in Raman-based thermal characterization. For graphene paper, the energy coupling factor between in-plane optical and overall acoustic phonons is found at (1.59–3.10) x 1015 Wm–3K–1, agreeing well with the quantum mechanical modeling result of 4.1 x 1015 Wm–3K–1. Also, the optical phonon temperature rises of both in-plane and out-of-plane modes of nm-thick MoS2 films supported on quartz substrate are determined using a steady-state Raman, and the non-equilibrium between OP-AP and their energy coupling factor are characterized by controlling the heating domain and precise calculation of Raman signal and subsequently absorbed laser power by using a transfer matrix method. It is concluded that the OP-AP temperature difference under laser heating area could be as high as ~45% of the total OP temperature rise probed by Raman. The interfacial thermal resistance (R"tc) between MoS2 and quartz is reevaluated by considering this non-equilibrium effect, and it is observed that neglecting it could lead to R"tc over-prediction by ~100%. By determining R"tc using both Raman modes of MoS2, it is observed that due to the ballistic and diffusive phonon transport and difference of interface thermal resistance among phonon modes, the flexural optical mode has a higher temperature rise than the longitudinal/transverse optical modes. This agrees well with atomistic modeling results of other 2D materials, e.g. graphene on BN. Finally, a novel method based on the resonance Raman phenomenon is introduced to find the absolute temperature rise of a WS2 thin-film under laser irradiation precisely at several temperatures from 170 K to 470 K. A 532 nm laser (2.33 eV photon energy) is used to conduct the Raman experiment. This amount of photons energy is very close to the excitonic energy of WS2 at temperatures close to room temperature. This multi-temperature resonance Raman technique consists of two main heating stages: calibration stage using a supported sample and temperature measurement sample using the suspended film. The absolute temperature rise of the suspended WS2 film is found by comparing the Raman intensity variations of these two stages versus environmental temperature. This novel Raman based method totally discards the main sources of errors in previous Raman techniques, such as errors introduced by measurement of Raman temperature coefficient, absorbed laser power, laser spot size, and last but not the least, Raman mode selection to perform the thermal analysis.

Controlled-NOT gate operation with neutral atoms in a 1D optical lattice

Hyun Gyung Lee 고려대학교 대학원 2023 국내박사

In this thesis, I present our experiment for a controlled-NOT (CNOT) gate operation using neutral atoms in a one-dimensional optical lattice. We do experiments on 7Li and 87Rb atoms. We use a pair of ground hyperfine states and the ground and the first-excited motional states as quantum bits of the gate. Those two qubits are entangled by stimulated Raman transitions. One of the difficulties of the gate operation is an anharmonic coupling between the longitudinal and transverse motions of a trapped atom by the quartic terms of the trap potential, which inhomogeneously broadens Raman side- band transitions. We use magic well depth and sympathetic cooling methods to reduce the linewidth of the Raman sideband to 9 kHz, and obtain 85% transition probability. We demonstrate operation of a CNOT gate with the fidelity of 0.91 when the target qubit does not change, and 0.58 when the target qubit changes. Without a state preparation and measurement error, the fidelities are 0.95 and 0.64 respectively. Description and numerical simulation of a new cooling scheme called motion-selective coherence population trapping to efficiently cool outside the Lamb-Dicke regime is included.