Raman Grundlagen

Leitfaden zur Raman-Spektroskopie

Wir erläutern kurz die Grundlagen der Raman-Spektroskopie und erklären, wie das Zusammenspiel von monochromatischem Licht mit chemischen Bindungen für die chemische Analyse genutzt werden kann.

Grundlagen der Raman-Spektroskopie

Erste Schritte

Was ist Raman-Spektroskopie?

Die Raman-Grundlagen

Die Raman-Spektroskopie gehört in die Kategorie der Schwingungsspektroskopie. Dies bedeutet, dass eine Probe chemisch analysiert wird, indem Licht molekulare Bewegung erzeugt. Die dabei entstehenden Wechselwirkungen erlauben dann Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Probe.

Generell basiert die Raman-Spektroskopie auf der unelastischen Streuung von Licht, wenn Materie von einer monochromatischen Lichtquelle bestrahlt wird. Nachdem dieses monochromatische Licht mit der Probe interagiert hat, hat ein sehr kleiner Teil davon seine Wellenlänge verändert.

Das nennt man: den Raman-Effekt. Wir können nun dieses Licht sammeln und verwenden, um Informationen über die Probe zu sammeln.

Der Raman-Effekt

Wenn Photonen (Licht) auf Materie treffen, bleibt der größte Teil des gestreuten Lichts in seiner Wellenlänge unverändert. Wenn Sie beispielsweise mit einen grünen Laserpointer auf eine Wand leuchten, wird Ihnen immer ein grüner Punkt angezeigt. Das gestreute Licht hat also offensichtlich die gleiche Farbe wie das auftreffende. Dieses Phänomen wird Rayleigh-Streuung genannt.

Es können aber auch unelastische Streuprozesse auftreten, die dann zur Emission von Licht mit einer anderen Wellenlänge führen. Dies geschieht in der Regel nur zu einem kleinen Anteil undin Bezug auf molekulare Schwingungen. Dieses zweite Streuphänomen, das 1923 von Adolf Smekal vorhergesagt und 1930 von C.V. Raman entdeckt wurde, wird Raman-Effekt genannt.

Anwendung des Raman-Effekts für Spektroskopie

Das Verstehen des Raman-Effekts öffnete die Tür zu einer neuen Art der Spektroskopie. Doch erst mit der Entdeckung des Lasers konnte die Raman-Spektroskopie wirklich Wurzeln schlagen. Zuvor war die Erzeugung monochramtischen Lichts, dass zur Analyse benötigt wird, weder komfortabel noch effizient.

Zur Raman-Analyse wird eine Probe also mit einem Laser bestrahlt, die Anregungswellenlänge durch einen optischen Filter entfernt und ein Teil des Streulichts mit einem Spektrographen (Dispersive- oder FT-Technologie) analysiert.

Am Ende erhalten wir ein "Raman-Spektrum", welches uns charakteristische Signale oder auch "Bänder" für das untersuchte Material zeigt.

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Wie funktioniert Raman-Spektroskopie?

Diese Abbildung zeigt die einfachste Einrichtung zum Messen von Raman-Spektren.

Erstaunlicherweise ist es eigentlich ganz einfach, ein Raman-Spektrometer zu bauen. Inzwischen gibt es sogar auf YouTube und anderen Plattformen Anleitungen, wie Sie sich selbst ein Raman-Spektrometer bauen können. Allein deshalb finden Sie heute Raman-Spektrometer in fast jeder Form: als Raman-Handhelds, Mikroskope und auch Prozessspektrometer.

Um Raman-Spektren zu erzeugen, muss wie schon erwähnt nur ein Laser auf die Probe die Sie untersuchen möchten gerichtet werden. Die einzige Einschränkung: die Probe darf keine Fluoreszenz gegenüber Anregungswellenlänge zeigen.
Falls dies doch der Fall ist, wird die Fluoreszenz den größten Teil des Raman-Effekts überdecken, da dieser im Vergleich zur Fluoreszenz sehr schwach ist.

Ein besonders wichtiges optisches Bauteil ist dann der optische Filter, durch den das Streulicht geleitet wird. Dieser entfernt das Licht der Anregungswellenlänge um nur noch die von der Probe erzeugte Raman-Strahlung zu einzufangen.

Das gesammelte Streulicht wird dann auf ein optisches Gitter gerichtet, das die unelastisch gestreuten Anteile wie ein Prisma entsprechend der Wellenlänge "auffächert". Diese Strahlen werden dann auf einen CCD-Sensor gerichtet, der  je nach Intensität ein Spektrum ausgibt.

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Wie sieht ein Raman-Spektrum aus?

Dies ist das Raman-Spektren einer Dimethicone-Probe (blau) im Vergleich zu einem Verweis aus einer Spektralbibliothek. Die Identifizierung ist eindeutig.

Am Anfang haben wir erwähnt, dass ein Raman-Spektrum bestimmte "Bänder" oder Signale enthält. Diese sind einzigartig für bestimmte funktionelle Gruppen und oft auch für Substanzen. Sie liefern Informationen über die chemische Zusammensetzung der Substanz, aber auch über Kristallinität, Polymorphismus oder Druck- und Temperaturänderungen.

Ein Raman-Spektrum ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Materialforschung, die Entwicklung neuer Pharmazeutika und überall dort, wo chemische Mikroanalysen bis in den Nanometerbereich erforderlich sind. Raman kann Proben bis zu 0,5 µm (500 nm) analysieren. Alles, was Sie dazu brauchen, ist ein konfokales Raman-Mikroskop.

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Über Raman-Mikroskopie

Das konfokale Raman-Mikroskop SENTERRA II mit Laserschutzgehäuse.

Typischerweise befindet sich das in der Raman-Spektroskopie verwendete Laserlicht im sichtbaren Bereich, was bedeutet, dass es das Glas, das in Mikroskoplinsen und -objektiven verwendet wird, frei passieren kann. Daher ist es durchaus möglich, ein Raman-Spektrometer in die Optik eines Standardmikroskops zu integrieren.

In der Tat wird ein Mikroskop dem klassischen Raman-Spektrometer oft vorgezogen, da es einen einfachen "Point and Shoot"-Ansatz bietet und zudem weniger Probenvorbereitung erfordert. Die Probe (z.B. Graphenfasern) werden direkt unter die Objektivlinse gelegt, mit dem Mikroskop der Probenbereich anvisiert und dann direkt im Anschluss analysiert.

Einfach ausgedrückt: Ein Raman-Mikroskop ist ein laserbasiertes mikroskopisches Gerät für die Raman-Spektroskopie. Für Bruker spielt die Raman-Mikroskopie und Bildgebung eine zentrale Rolle, weshalb wir ihr eine spezielle Website gewidmet haben.

Raman für Anfänger - Video Serie

Raman für Anfänger von Yan Di

Unser Raman-Experte Di Yan hat mit uns eine Reihe Schulungsvideos erstellt, in der er Raman für Anfänger auf unterhaltsame und einfache Weise erklärt. Folgen Sie uns auf YouTube, um keine Folge zu verpassen!

Häufig gestellte Fragen zur Raman-Spektroskopie

Der letzte Strohhalm

Häufig gestellte Fragen zur Raman-Spektroskopie

Was ist Raman-Spektroskopie?

Die Raman-Spektroskopie basiert auf der Wechselwirkung von Licht mit den chemischen Bindungen einer Substanz. Dies liefert detaillierte Informationen über chemische Struktur, Kristallinität, Polymorphismen und molekulare Dynamik.

Welche Informationen liefert die Raman-Spektroskopie?

Ein Raman-Spektrum ist wie ein chemischer Fingerabdruck, der ein Molekül oder Material eindeutig identifiziert. Und genau wie ein menschlicher Fingerabdruck kann er mit Referenzbibliotheken verglichen werden, um das Material (den Verdächtigen) sehr schnell zu identifizieren oder es von anderen zu unterscheiden. Solche Raman-Spektralbibliotheken enthalten oft Hunderte von Spektren, mit denen das Spektrum einer unbekannten Probe verglichen wird.

Es bietet Einblicke in die folgenden Bereiche:

  • Chemische Zusammensetzung und Eigenschaften von Stoffen
  • Kristallinität und Polymorphismus
  • Verunreinigungen und Defekte
  • Thermische und mechanische Belastung

Gibt es bestimmte Voraussetzungen?

Raman ist eine universelle Probenahmetechnik und funktioniert daher sowohl für anorganische als auch für organische Materialien. Da es jedoch auf dem eher schwachen Raman-Effekt basiert, können andere spektroskopische Effekte und bestimmte Materialeigenschaften die Analyse stören.

Fluoresziert die Probe, kann dies die eigentlichen Raman-Signale leicht überdecken. Ein Umstieg auf Nahinfrarotlaser (NIR) und FT-Raman-Technologie ist jedoch eine praktikable Lösung. Ein weitere, wichtigere Problemursache können stark lichtabsorbierende Proben (z.B. kohlenstoffgefüllte Polymere) sein.

Wie lange braucht man, um ein Raman-Spektrum zu messen?

Die für eine Raman-Messung benötigte Zeit hängt von mehreren Faktoren ab, wie z.B. der gewünschten Spektralqualität, den Probeneigenschaften und natürlich dem verwendeten Raman-Spektrometer. Typischerweise kann man jedoch Raman-Spektren in guter Qualität bereits in wenigen Sekunden erzeugen.

Was sind die Anwendungen der Raman-Spektroskopie?

Die Raman-Spektroskopie kann in all jenen Bereichen eingesetzt werden, in denen eine zerstörungsfreie (mikroskopische) chemische Analyse erforderlich ist. Sie liefert Antworten auf qualitative und quantitative analytische Fragen.

Im Allgemeinen ist Raman einfach zu bedienen und liefert schnell wichtige Informationen, um die chemische Zusammensetzung und Struktur einer Probe zu charakterisieren. Grundsätzlich spielt es dabei keine Rolle, ob die Proben fest, flüssig oder gasförmig sind.

Hier sind einige Anwendungen der Raman-Spektroskopie:

  • Pharma
  • Geologie und Mineralogie
  • Halbleiter
  • Materialforschung
  • Life-Science