Was ist ein Raman-Mikroskop?
Das Raman-Mikroskop (abgeleitet von Raman-Mikroskopie) ist ein Messinstrument, das ein Raman-Spektrometer und ein optisches Mikroskop kombiniert.
Es ermöglicht die zerstörungsfreie Analyse detaillierter Informationen über eine Substanz wie z. B. deren chemische Struktur, intermolekulare Wechselwirkungen und Kristallinität. Durch die Kombination eines Raman-Spektrometers mit einem Mikroskop ist es möglich, ausgewählte Bereiche eines Messobjekts unter dem Mikroskop zu messen und ein visuelles Bild der Verteilung der Zusammensetzung zu erhalten.
Anwendungen des Raman-Mikroskops
Da die Raman-Spektroskopie auf chemischen Bindungen beruht, liefern die Messungen Informationen über:
- Chemische Struktur
- Phase, Polymorphismus
- Dehnung
- Verunreinigungen, Kontamination
Da die Raman-Spektren für jede Substanz einzigartig sind, können sie dazu verwendet werden, eine Substanz schnell zu identifizieren oder von anderen Substanzen zu unterscheiden. Raman-Mikroskope können auch für die Analyse vieler verschiedener Proben verwendet werden. Im Allgemeinen eignet es sich nicht für die Analyse von Metallen und Legierungen, sondern für die Analyse von:
- Feststoffen, Pulvern, Flüssigkeiten, Gelen, Schlämmen und Gasen
- Anorganischen, organischen und biologischen Materialien
- Reine Chemikalien, Gemische und Lösungen
- Metalloxiden und Korrosion
Typische Beispiele für den Einsatz von Raman-Mikroskope sind:
- Charakterisierung von Pigmenten, Keramiken und Edelsteinen in den Bereichen Kunst und Archäologie
- Bewertung der Struktur und Reinheit, Defekte und Unordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren
- In der Chemie: Struktur, Reinheit und Reaktionsüberwachung
- In den Biowissenschaften: einzelne Zellen und Gewebe, Wechselwirkungen von Medikamenten, Krankheitsdiagnose
Aufbau von Raman-Mikroskopen
Das Raman-Mikroskop ist ein Messinstrument, das ein Raman-Spektrometer und ein Mikroskop kombiniert und die in der obigen Abbildung dargestellte Struktur aufweist.
Das von der Laserquelle eingestrahlte Licht wird durch die Objektivlinse des Mikroskops zur Probe geleitet und auf die Probe eingestrahlt. Das von der Probe erzeugte Streulicht wird durch die Objektivlinse fokussiert und nur das Raman-Streulicht wird durch einen Rayleigh-Lichtsperrfilter erfasst.
Funktionsweise des Raman-Mikroskops
Wenn Licht auf ein Material gestrahlt wird, kommt es zu einem Streuungsphänomen. Der größte Teil des erzeugten Streulichts ist Rayleigh-Streulicht mit derselben Wellenlänge wie das eingestrahlte Licht, aber es gibt auch Streulicht mit einer Wellenlänge, die sich geringfügig von der des eingestrahlten Lichts unterscheidet; dieses Streulicht wird Raman-Streulicht genannt.
Es gibt zwei Arten von Raman-Mikroskope: Stokes-Streulicht, das eine längere Wellenlänge als das eingestrahlte Licht hat und Anti-Stokes-Streulicht, das eine kürzere Wellenlänge hat.
Raman-Streulicht entsteht durch die Wechselwirkung von eingestrahltem Licht mit einer Substanz und der Unterschied in der Wellenlänge zwischen Rayleigh- und Raman-Streulicht entspricht der Energie der Molekularschwingung der eingestrahlten Substanz. Es ist bekannt, dass die einzigen Molekularschwingungen, bei denen Raman-Streuung auftritt, Raman-aktive Schwingungsmoden sind und es ist möglich, letztere aus der Molekularstruktur abzuleiten oder zu simulieren.
Ein ähnliches Analyseinstrument, das Molekülschwingungen nutzt, ist das Infrarotspektralphotometer, aber es gibt Unterschiede bei den Molekülschwingungen, die gemessen werden können, was es zu einem ergänzenden Analyseinstrument macht.
Verschiedene Arten von Molekülen und verschiedene Bindungszustände erzeugen aufgrund der unterschiedlichen Energien der Molekülschwingungen verschiedene Raman-Spektren. Durch den Vergleich der Peak-Positionen und der relativen Peak-Intensitäten der Raman-Spektren mit bekannten Stoffen können Substanzen identifiziert werden. Es wird auch häufig zur qualitativen Analyse verwendet, indem Folgendes interpretiert wird:
• Peak-Position
Informationen zu chemischen Bindungen
• Peakverschiebung
Informationen zu intermolekularen Wechselwirkungen, Spannung und Dehnung
• Spektrale Wellenform
Informationen zur Molekularstruktur, zu Unterschieden in der Kristallstruktur
• Halbwertsbreite
Unterschied zwischen kristallin und nicht-kristallin
Eine quantitative Analyse ist auch möglich, da die Intensität des Spektrums proportional zur Konzentration ist.
Weitere Informationen zu Raman-Mikroskopen
1. Anmerkungen zu Raman-Mikroskopen
Da das Raman-Streulicht schwächer ist als das Rayleigh-Streulicht, ist eine bestimmte Intensität des Laserlichts erforderlich, aber das Laserlicht kann Probleme verursachen. Wenn sich die Wellenlänge des Laserlichts mit dem Absorptionsbereich des zu messenden Moleküls überschneidet, fluoresziert das Molekül, wodurch sich der Grund des Raman-Spektrums vergrößert und das zu erhaltende Spektrum verdeckt wird.
Um dies zu vermeiden, sind Maßnahmen wie die Anpassung der Belichtungszeit und anderer Messbedingungen, die Einstellung der Schärfentiefe, die Verengung des Spektralspalts oder die Verwendung eines konfokalen Filters (DSF) erforderlich. Weitere Maßnahmen zur Unterdrückung der Fluoreszenz können durch einen Wechsel der Laserquelle getroffen werden.
Bei organischen Materialien kommt es häufig zu Fluoreszenz, wenn das übliche Laserlicht von 532 nm verwendet wird. Daher wird manchmal ein Laserlicht mit einer längeren Wellenlänge wie 785 nm gewählt. Beim Wechsel zu einem Laserlicht mit längerer Wellenlänge ist jedoch Vorsicht geboten, da die Empfindlichkeit einiger Spektrometer und Detektoren extrem reduziert werden kann.
Handelt es sich bei dem Messobjekt um ein organisches oder Kohlenstoffmaterial, so kann das gemessene Material je nach Intensität und Dauer des Laserstrahls „verbrannt“ werden und sich verschlechtern. Die Verschlechterung des gemessenen Materials kann durch Anpassung der Messbedingungen verhindert werden, z. B. durch Verringerung der Laserintensität oder Verkürzung der Belichtungszeit.
Einige Kohlenstoffmaterialien sind z. B. photoreaktiv, d. h. sie reagieren auf das eingestrahlte Laserlicht. Für solche Materialien können die Messbedingungen auf die gleiche Weise angepasst oder die Wellenlänge des Laserlichts verändert werden, um die Photoreaktion zu unterdrücken.
2. Neue Raman-Mikroskop-Technologie
Es wurden verschiedene Techniken entwickelt, um die Empfindlichkeit und Auflösung von Raman-Mikroskopen zu verbessern.
Oberflächenverstärktes Raman (SERS), spitzenverstärktes Raman (TERS) und andere nutzen das Phänomen der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz, die an Metalloberflächen auftritt, so dass die Intensität des Raman-Streulichts mit größerer Empfindlichkeit und höherer räumlicher Auflösung gemessen werden kann.
Die kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) und die induzierte Raman-Streuung (SRS) sind Arten der nichtlinearen Raman-Streuung, bei denen zwei verschiedene Wellenlängen des Lichts gleichzeitig verwendet werden, um Spektren mit um viele Größenordnungen höheren Signalintensitäten zu erhalten.
Es wurden auch andere Techniken entwickelt, wie z. B. Strahlteiler, mit denen Raman-Spektren linear oder planar mit einer einzigen Laserbestrahlung aufgenommen werden können, was die Raman-Bildgebung erheblich beschleunigt.