Die Macht der Ramanspektroskopie

Sie wurde im Jahr 1928 erfunden und ist heute ein leistungsfähiges Analyseinstrument, das in umfassenden Bereichen die chemische Zusammensetzung und Struktur beleuchtet, wie z.B. die von lebenden Zellen oder von Halbleiterelektronik. 

10. August 2021 von Coherent

Die Spektroskopie ist eine außerordentlich nützliche Technik, die es uns ermöglicht, die Beschaffenheit eines Gegenstandes zu bestimmen, indem wir ihn mit Licht bestrahlen oder das Licht messen, das ein Stoff aussendet. Dies ist möglich, ohne die Probe zu berühren oder in irgendeiner Weise zu beschädigen. Dies macht sie zu einer wirklich praktischen Methode für Messungen in allen möglichen wissenschaftlichen, biowissenschaftlichen und industriellen Bereichen. Sogar die chemische Zusammensetzung von Sternen, die sehr weit von uns entfernt sind, konnte so ermittelt werden.

Eine einleuchtende Idee

Grundsätzlich besteht die Aufgabe der meisten Spektroskopie-Verfahren darin, etwas zu beleuchten und dann die Farben und die Menge des zurückgegebenen Lichts zu messen. Denken Sie daran, dass jede Farbe (oder Wellenlänge) des Lichts eine unterschiedliche Menge an Energie enthält. Eine Substanz absorbiert also Licht in der Farbe, die der Energie entspricht, mit der ihre Atome, Moleküle oder Kristallgitter schwingen. Wenn wir also sehen, welche Farben absorbiert werden, können wir feststellen, welche Atome und Moleküle in der Probe vorhanden sind, und manchmal auch, wie sie angeordnet sind. Diese Information wird oft als spektraler oder chemischer Fingerabdruck bezeichnet, da sie für jede Chemikalie einzigartig ist – so wie Fingerabdrücke für jede Person einzigartig sind.

Die meisten nützlichen Fingerabdrücke der Moleküle in unserer Umgebung sind im Infrarotbereich (IR) des Spektrums zu finden. Deshalb ist die Infrarotanalyse (IR) bei Chemikern sehr beliebt und wird in so vielen Labors eingesetzt.

Aber – und das ist ein großes Aber – Glas und Wasser lassen Infrarotlicht nicht gut durch. Das bedeutet, dass man diese Methode nicht ohne Weiteres anwenden kann, um etwas zu untersuchen, das in Wasser eingetaucht ist – wie eine lebende Zelle, die absolut voller Wasser oder von Wasser umgeben ist, oder alle Arten von chemischen oder industriellen Prozessen, die im Wasser stattfinden, wie z. B. die Fermentation. Und da man diese Methode nicht durch Glas hindurch anwenden kann, kann man auch keine Probe in einem Reagenzglas oder durch ein Fenster hindurch analysieren, wie z. B. durch ein Sichtfenster in einer Reaktionskammer, die man bei der Verarbeitung von Halbleitern verwenden könnte.  

Jetzt kann ich klar sehen

Im Jahr 1928 experimentierte ein Wissenschaftler namens Chandrasekhara Raman damit, sichtbares Licht mit hoher Farbreinheit auf transparente Proben zu werfen. Natürlich ging der größte Teil des Lichts einfach durch – das ist genau das, was transparent bedeutet. Es wurde nicht absorbiert. 

Aber er fand auch heraus, dass ein winziger Teil des Lichts in eine andere Farbe umgewandelt oder verschoben wurde. Es stellte sich heraus, dass dies geschieht, weil das Licht von den Molekülen in der Probe „unelastisch gestreut“ wird, anstatt absorbiert zu werden. Und das besonders Nützliche, das man schließlich entdeckte, war, dass das spezifische Farbmuster (oder Spektrum) dieses farbverschobenen Lichts viele Informationen über die Probe preisgibt, einschließlich der gleichen Informationen über den Fingerabdruck, die man mit der IR-Spektroskopie erhält. Da die Ramanspektroskopie jedoch sichtbares Licht anstelle von Infrarotlicht verwendet, können wir das Licht durch Glasfenster, Reagenzgläser und sogar Glasfasern leiten, und wir haben kein Problem mehr damit, mit Wasser vermischte Proben zu nehmen.

Genau wie das IR-Spektrum verrät uns das Raman-verschobene Licht, welche Chemikalien in der Probe enthalten sind sowie die Menge dieser Stoffe. Das ist sehr hilfreich, wenn man Verunreinigungen in etwas finden oder das Vorhandensein eines bestimmten Moleküls feststellen will. 

Es stellt sich jedoch heraus, dass das Raman-Spektrum noch viel mehr verrät. Es kann Besonderheiten der Kristallstruktur aufzeigen und sogar zwischen Molekülen unterscheiden, die dieselben Atome enthalten, aber unterschiedliche Kristallformen haben (Polymorphismus). Es kann uns sagen, wie ein Protein gefaltet ist, oder Informationen über die mechanische Spannung in einem festen Material liefern. Und noch viel mehr.   

Die Schwachen sollen gestärkt werden

Wenn die Raman-Methode bereits im Jahr 1928 entdeckt wurde und so nützlich ist, warum hört man dann erst jetzt von ihr? Die einfache Antwort ist, dass sich die Technologie, die die Ramanspektroskopie praktisch und kosteneffektiv macht, erst in den letzten 25 Jahren entwickelt hat. Insbesondere gab es in dieser Zeit drei wichtige technologische Fortschritte, die zusammengenommen die Erkennung und Analyse des unglaublich schwachen Raman-Signals zu einer Routineangelegenheit gemacht haben:

 

Laser Der Raman-Effekt ist so schwach, dass er viel Licht bei einer einzigen Wellenlänge (Farbe) benötigt, um überhaupt beobachtet zu werden. Und genau das bieten die Laser.
Volumenholographische Gitter (VHG) Kerbfilter Um das schwache Raman-Signal zu erkennen, muss es von dem viel helleren gestreuten Laserlicht getrennt werden, das es umgibt und fast die gleiche Farbe hat. Dazu ist ein spezieller Filter erforderlich, der das Laserlicht effizient blockieren und nur das Raman-verschobene Licht durchlassen kann.   
CCD/CMOS-Detektoren  Das gefilterte Raman-Licht wird dispergiert – in seine verschiedenen Wellenlängen aufgeteilt – und dann mit einem sehr empfindlichen CCD- oder CMOS-Detektor gemessen, ähnlich dem Sensor einer Digitalkamera. Auf diese Weise kann das Licht bei jeder Farbe gleichzeitig gemessen werden.

Von der Suppe bis zur Nuss 

Kommerzielle Raman-Instrumente, die auf diesen Technologien basieren, gibt es inzwischen in vielen Formen für ein unglaublich breites Spektrum von Anwendungen. Es gibt Mikroskope mit eingebauten Raman-Funktionen, mit denen alles untersucht werden kann, von Edelsteinen über lebende Zellen bis hin zu pharmazeutischen Erzeugnissen. Es gibt tragbare Raman-Spektrometer zur Identifizierung unbekannter Flüssigkeiten bei einem HAZMAT-Unfall. Raman-Systeme können mit Durchflusszellen eingesetzt werden, um alle Arten von Flüssigkeiten und Gasen online und in Echtzeit für industrielle Prozesse zu überwachen.  

Abbildung 1. Niederfrequenz-Raman-Spektren unterscheiden nicht nur deutlich zwischen verschiedenen pharmazeutischen Wirkstoffen (APIs), sondern können auch deren unterschiedliche kristalline Formen (Polymorphe) aufzeigen, was für die korrekte Dosierung entscheidend ist.

Coherent unterstützt die Ramanspektroskopie mit einer Vielzahl von Laserquellen, unseren leistungsstarken SureBlock™-Filtern, und selbst vollständigen Raman-Systemen.

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