Die Macht der Raman-Spektroskopie

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 sich diese Methode nicht ohne Weiteres anwenden lässt, 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 diese Methode nicht durch Glas hindurch anwendbar ist, lässt sich auch keine Probe in einem Reagenzglas oder durch ein Fenster hindurch analysieren, wie z. B. durch ein Sichtfenster in einer Reaktionskammer, wie es bei der Verarbeitung von Halbleitern zum Einsatz kommen 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 auch die IR-Spektroskopie liefert. Da die Raman-Spektroskopie 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, um Verunreinigungen zu finden oder das Vorhandensein eines bestimmten Moleküls festzustellen. 

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 hören wir dann erst jetzt von ihr? Die einfache Antwort ist, dass sich die Technologie, die die Raman-Spektroskopie 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:

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 Raman-Spektroskopie mit einer Vielzahl von Laserquellen, unseren leistungsstarken SureBlock™-Filtern und selbst vollständigen Raman-Systemen.