Raman-Spektroskopie
Die Raman-Spektroskopie ist eine Methode zur Untersuchung der inelastischen Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern und dient u.a. zur Untersuchung von Materialeigenschaften.
Inhaltsverzeichnis
Wie funktioniert die Raman-Spektroskopie?
Grundvoraussetzung für die Raman-Spektroskopie ist eine monochromatische Lichtquelle. Da das Streulicht bei der Raman-Streuung relativ intensitätsschwach ist, muss die Lichtquelle außerdem eine recht hohe Strahlungsintensität haben. Beide Eigenschaften bieten Laser, die es mit unterschiedlichen fixen Frequenzen oder als durchstimmbare Geräte auf dem Markt gibt.
Um das reflektierte Streulicht zu untersuchen, muss zunächst alles Licht in der Anregungswellenlänge (also die Rayleigh-Streuung) mit einem optischen Filter entfernt werden. Das verbliebene Streulicht (die Raman-Streuung) wird auf ein optisches Gitter geleitet und in seine einzelnen Wellenlängen aufgefächert. Ein CCD-Sensor erstellt daraus wiederum ein Spektrum.
Die Raman-Spektroskopie eignet sich zur Analyse einer großen Zahl von Substanzen. Die Untersuchung von Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern ist möglich.
Raman-Spektroskopie bei Quality Analysis
Bei Quality Analysis bieten wir Ihnen ein breites Spektrum an Mess- und Analysedienstleistungen. Dazu gehört auch die Identifikation anorganischer und organischer Proben mittels Raman-Spektroskopie sowie deren Zusammensetzung und Kristallorientierung. Eine Durchführung der spektroskopischen Analyse in unserem Haus bietet Ihnen eine ganze Reihe von Vorteilen technischer und wirtschaftlicher Natur.
In unseren modernen Labors verwenden wir die Raman-Spektroskopie im Rahmen der Restschmutzanalyse zur Bestimmung von Fasern, Kunststoffen oder Salzen, zum Nachweis und der Identifizierung filmischer Verunreinigungen sowie partikulärer Verschmutzungen und in der chemischen Analytik, insbesondere in der Kunststoffanalytik. Dort kommt das Verfahren z. B. für die Identifikation von Ablagerungen, Rückständen, Einschlüssen, Medien, Substanzen, Additiven und Werkstoffen (Kunststoffe).
Wir wenden die Raman-Spektroskopie schon seit vielen Jahren sicher und routiniert zur Analyse von Proben für unsere Kunden an. Darum können wir auch unter herausfordernden Bedingungen genaue Messergebnisse erzielen. Die von uns verwendeten Spektrometer und Datenbanken stammen von namhaften Markenherstellern und garantieren so nicht nur präzise Ergebnisse, sondern auch eine maximale Materialschonung.
Raman-Spektroskopie: physikalische Grundlagen
Licht, das auf ein nicht-durchsichtiges Medium trifft, wird von diesem zum überwiegenden Teil gestreut, ohne in seiner Wellenlänge verändert zu werden. Diesen Effekt bezeichnet man als Rayleigh-Streuung. Ein kleiner Teil des sichtbaren Lichts wird jedoch in einer anderen Wellenlänge gestreut. Dieses Phänomen nennt man Raman-Streuung oder Raman-Effekt, nach dem indischen Physiker und Nobelpreisträger C. V. Raman. Doch was ist die Raman-Streuung genau?
Die Raman-Streuung beschreibt eine Wechselwirkung der Photonen (Lichtteilchen) mit den Molekülen des Mediums. Die Photonen erzeugen in der Probe eine Molekülschwingung. Dabei verlieren sie Energie. Da die Wellenlänge des Lichts von seiner Energie abhängt, verkürzt sich diese durch den Energieverlust oder anders ausgedrückt: Die Frequenz verändert sich im Verglich zu der des eingestrahlten Lichts. Welche Frequenzen durch die Raman-Streuung entstehen, hängt von dem Material ab, auf das das Licht trifft. Die Frequenzunterschiede sind abhängig von verschiedenen Energien des Materials wie Rotations-, Spin-Flip- oder Schwingungsprozessen. Ein Teil dieser Energie wird von der Materie auf das Licht übertragen und verändert so dessen Frequenz. Das ist der sogenannte Raman-Effekt.
Das Raman-Spektrum jeder Substanz weist bestimmte Bereiche höherer und niedrigerer Raman-Intensität auf (sogenannte Bänder), wodurch sich ein charakteristisches Bild ergibt. Dieses kann mit bekannten Mustern aus einer Spektralbibliothek abgeglichen werden, wodurch die Art einer Probe und ihre Eigenschaften zweifelsfrei bestimmt werden können.
Wie sieht ein Raman-Spektrum aus?
Das Raman-Spektrum zeichnet sich durch die erwähnten Bänder aus. Diese Bereiche höherer Raman-Intensität sind charakteristisch für jede Substanz. So kann das Spektrogramm einer unbekannten Probe mit Proben aus einer Spektral-Datenbank verglichen werden. Befinden sich die Bänder an den gleichen Stellen, so ist die Zuordnung eindeutig, wie in unserem Beispiel beim Vergleich einer Probe mit dem Spektrum von Polypropylen.
Dies ist das Raman-Spektrum eines Polypropylen Partikels (rot) im Vergleich zu einem Verweis aus einer Spektraldatenbank (blau). Die Identifizierung ist eindeutig.
Mittels der Raman-Spektroskopie sind Rückschlüsse unter anderem auf folgende Materialeigenschaften möglich:
- Chemische Zusammensetzung
- Kristallinität/Kristallorientierung
- Temperatur
- Dotierung
- Verspannung/Relaxation
Welche Vor- und Nachteile hat die Raman-Spektroskopie?
Verglichen mit anderen spektroskopischen Verfahren wie zum Beispiel der FTIR-Spektroskopie bietet die Raman-Spektroskopie einige Vorteile, die sich vor allem aus der Verwendung verschiedener Laser im sichtbaren bis nahen IR-Bereich für verschiedenste Materialien ergeben. Namentlich sind dies unter anderen:
- In situ Messung ohne Probenvorbereitung
- Spektrale Auflösung <1-2 cm-1
- Analyse von Feststoffen, Flüssigkeiten, Gasen, Pulver und Granulat
- Untersuchung biologischer Systeme möglich
- Detektion homonuklearer Moleküle (z.B. O2)
- Messung nicht-polarer Gruppen
- Lichtleitung mittels optischer Fasern über weite Strecken und zur Parallelisierung
- Integration von Raman-Spektrometer in Licht-Mikroskope problemlos möglich
Nachteile der Raman-Spektroskopie
Je nach den spezifischen Eigenschaften des zu untersuchenden Materials (z.B. des Anregungswellenlängenbereichs), ergeben sich jedoch auch Nachteile aus der Raman-Spektroskopie. Dies sind insbesondere:
- Geringer Streuquerschnitt (erfordert große Zahl an Molekülen und Laser hoher Intensität)
- Evtl. Aufheizung der Probe durch den Laserstrahl
- Keine Untersuchung fluoreszierender Substanzen möglich
Durch den Einsatz moderner Laser werden diese Nachteile jedoch erheblich minimiert, sodass sie für die praktische Anwendung der Raman-Spektroskopie zunehmend an Bedeutung verlieren.
Wo wird die Raman-Spektroskopie eingesetzt?
Seit der Erfindung leistungsstarker und gleichzeitig materialschonender Laser hat sich die Raman-Spektroskopie in praktische allen Bereichen der chemischen Analytik etabliert. Dank der hohen Informationsdichte können chemische Stoffe nicht nur zuverlässig identifiziert werden, sondern auch die Reinstoffkonzentrationen in komplexen Mischungen bestimmt werden. Doch die Raman-Spektroskopie bietet noch viel mehr Anwendungsmöglichkeiten.
Strukturaufklärung
Bei der Strukturaufklärung chemischer Substanzen handelt es sich um einen Prozess, um den Aufbau der Moleküle in einer chemischen Substanz zu bestimmen. Dieser in Chemie und Pharmazie wichtige Prozess erfolgt über die Bestimmung der Polarisierung des Raman-Streulichts. Ist dieses vollständig polarisiert, so sind die Moleküle isotrop polarisiert, ist die Polarisierung des Streulichts hingegen unvollständig, so sind die Moleküle anisotrop polarisiert. Der genaue Grad der Depolarisierung wird ermittelt, indem verschiedene Polarisationsfilter in den Strahlengang eingebracht werden.
Materialforschung
Wird ein Material thermisch oder mechanisch behandelt, so kann sich dessen Eigenspannung verändern. Vergleicht man nun die Raman-Spektren einer Probe des behandelten mit einer des unbehandelten Materials, so lassen sich diese Spannungsänderungen in Form von Frequenzverschiebungen erkennen. Höhere Frequenzen weisen auf eine Druckspannung hin, wo hingegen niedrigere Frequenzen für eine Zunahme der Zugspannung sprechen.
Medizinische Diagnostik
Die Anwendungen der Raman-Spektroskopie in der Medizin sind sehr vielfältig. So können zum Beispiel Nierensteine unmittelbar nach der Entfernung auf ihre chemische Zusammensetzung untersucht werden. Dadurch können dem Patienten auch ohne aufwändige Untersuchungen in Speziallaboren maßgeschneiderte Empfehlungen zur Prophylaxe neuer Steine mitgegeben werden. Doch auch die Bestimmung einer lebenden biologischen Probe, wie eines Bakterienstamms, ist über deren Raman-Spektrum möglich. Beide Verfahren haben sich aber noch nicht als Standard etabliert.
