Die Raman-Analyse nutzt die Streuung von Laserlicht, um die molekulare Zusammensetzung und Struktur eines Materials sichtbar zu machen und so einen detaillierten Fingerabdruck zur Identifizierung und Charakterisierung zu liefern. In den folgenden Abschnitten wird erläutert, welche Materialeigenschaften ein Raman-Spektrum offenbart, wo die Raman-Spektroskopie Anwendung findet und welche Leistungsmerkmale sie zu einer der vielseitigsten Analysemethoden unserer Zeit machen.
Ein Raman-Spektrum liefert weit mehr Informationen als eine einfache chemische Identifizierung. Es kann Kristallstruktur, Phasenzusammensetzung, Kristallinität, Spannungen und andere Materialeigenschaften aufzeigen und liefert so wertvolle Einblicke in Zusammensetzung und Mikrostruktur. Jede Bande enthält mehrere analytische Parameter, die die molekulare Zusammensetzung, Struktur und den physikalischen Zustand der Probe widerspiegeln. Wie in der Abbildung dargestellt, sind die wichtigsten Merkmale Bandenposition, Intensität, Breite, Positionsverschiebung und Bandenverhältnis.
Zusammengenommen verwandeln diese Parameter Raman-Spektren in eine reichhaltige Quelle chemischer und struktureller Informationen, die die Materialidentifizierung, die Qualitätskontrolle, die Prozessüberwachung und die fortgeschrittene Forschung unterstützen.
Die Raman-Spektroskopie kann auch in einer Vielzahl analytischer Umgebungen eingesetzt werden, von der Laborforschung über die Prozessüberwachung vor Ort und In-vivo-Messungen bis hin zur Analyse wässriger Proben.
Spektren von TiO2
In den meisten Fällen ist die Raman-Streuung empfindlich gegenüber Materialphase, Polymorphismus und Festkörperform. Daher führt ihre unterschiedliche Kristallstruktur oder -phase oft zu unterschiedlichen Spektren, obwohl zwei Materialien identische chemische Formeln haben. Phasenänderungen werden oft innerhalb des Spektrums klar unterschieden, aber andere strukturelle Unterschiede wie Polymorphismus können sich nur durch sehr subtile spektrale Veränderungen zeigen. In diesem Fall ist es oft notwendig, mit hoher spektraler Auflösung zu arbeiten, um die kleinen Änderungen sicher charakterisieren zu können.
Spektren von polykristallinem (rot) und monokristallinem Si (grün). Analyse der Kristallinität eines Materials.
In den meisten Fällen ist die Raman-Streuung empfindlich gegenüber dem Grad der Kristallinität in einer Probe. Typischerweise liefert ein kristallines Material ein Spektrum mit sehr scharfen, intensiven Raman-Spitzen, während ein amorphes Material breitere, weniger intensive Raman-Spitzen zeigt. Diese beiden Zustände (z. B. vollständig amorph oder vollständig kristallin) können als spektrale Extreme betrachtet werden, und ein Raman-Spektrum aus einem Zwischenzustand (z. B. teilweise kristallin) weist Eigenschaften auf, die in Bezug auf Spitzenintensität und Breite (Schärfe) intermediär sind. Unterschiede zwischen Zwischenzuständen können subtil sein, und es ist oft nützlich, eine hohe spektrale Auflösung zu besitzen, damit kleinere spektrale Veränderungen sicher charakterisiert werden können.
Mit Software-Peak-Fitting-Routinen ist es möglich, die Spitzenbreite und -intensität genau zu berechnen, die dann mit Kalibrierung und Vergleich mit anderen Techniken als quantitatives Maß für die Kristallinität verwendet werden können. Eine ähnliche Analyse von Raman-Karten ermöglicht die Erstellung von Bildern des Kristallinitätsgrades.
Da Raman eine Lichtstreutechnik ist, ist es möglich, sowohl das Laseranregungslicht als auch das Raman-Signal über Glasfaserkabel zu übertragen. Ein einzelnes Kabel wird verwendet, um den Laser zur Probe zu übertragen, während eine weitere Faser verwendet wird, um das Raman-Signal von der Probe an ein Standardspektrometer und Detektionssystem zu übertragen. Diese beiden Kabel sind mit einem kompakten, robusten Raman-Sondenkopf verbunden, der den Laser auf die Probe fokussiert und das Raman-Signal aufnimmt.
Die aktuelle Generation der Raman-Sonden kann für Fernproben Hunderte von Metern entfernt vom Basis-Raman-Analysator verwendet werden. Zusätzlich können mehrere Sonden an ein einziges Analysatorsystem angeschlossen werden, was eine kosteneffiziente Methode zur Überwachung der chemischen Zusammensetzung an mehreren Punkten innerhalb einer Anlage ermöglicht.
Die Sonden sind für den Einsatz bei hohen Temperaturen und Drücken geeignet. Sie können entweder im Immersionsmodus arbeiten (bei dem der Analysekopf in die Reaktionsflüssigkeit getaucht wird) oder im Stand-off-Modus (bei dem die Analyse erfolgt, indem der Laser durch ein transparentes Fenster im Reaktionsbehälter oder der Pipeline fokussiert wird).
Fern-Raman-Analyse kann verwendet werden für:
Raman bezieht sich auf Spektren und Raman-Karten verschiedener Industrieseifen.
Raman ist eine zerstörungsfreie, kontaktfreie chemische Analysetechnik, die auf die In-vivo-Analyse angewendet werden kann. Typischerweise geschieht dies mit einer kompakten entfernten Raman-Sonde, die mit dem Spektrometer und Laser über flexible Glasfaserkabel gekoppelt ist.
Es gibt viele Beispiele für In-vivo-Analysen, insbesondere bei der Analyse kosmetischer und topischer Medikamente auf der Haut. Aktuelle Forschung untersucht die Anwendung der in vivo Raman-Spektroskopie in chirurgischen Umgebungen, wo sie als unmittelbarer Hinweis auf die Gewebegesundheit eingesetzt werden kann.
Raman eignet sich sehr gut für die Analyse wässriger Proben (einschließlich Lösungen sowie biologischer Materialien wie Gewebe und Zellen). Wasser hat eine sehr schwache Raman-Streuung und ist typischerweise viel schwächer als andere Materialien. Außerdem ist das Wasserspektrum sehr einfach, mit nur einer kleinen Anzahl von Spitzen, sodass es minimale Interferenz mit den Spitzen des gelösten Stoffs gibt.
Daher ist die Analyse eines gelösten Stoffes in wässriger Lösung leicht möglich, da in den meisten Fällen die Spitzenintensität des gelösten Stoffs stärker ist als die des Wassers, selbst wenn das Wasser stark überschüssig ist.
Moderne Raman-Systeme kombinieren zudem hohe Empfindlichkeit mit schneller Datenerfassung, automatisierten Arbeitsabläufen und außergewöhnlicher räumlicher Auflösung, um Leistung und Vielseitigkeit zu steigern.
Raman-Spektrum von Aspirin, Erwerbszeit: 1 S.
Die Erfassungszeit hängt von mehreren Faktoren ab, wie der Probe selbst, der gewünschten spektralen Qualität und dem verwendeten Raman-Spektrometer. Typische moderne Raman-Spektrometer können jedoch in wenigen Sekunden hochwertige Raman-Spektren erfassen.
Raman-Mapping-/Imaging-Experimente, bei denen Tausende von Spektren erfasst werden, dauern länger; die gesamte Messzeit kann typischerweise zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden liegen. Dies hängt von der Anzahl der erfassten Datenpunkte sowie den oben genannten Faktoren ab.
MultiWell-Zubehör für Hochdurchsatzanalysen
Da Raman-Spektroskopie eine kontaktfreie, zerstörungsfreie Technik ist, kann sie effektiv für automatisierte Hochdurchsatz-Screenings (HTS) und Assay-Messungen eingesetzt werden. Typische Anwendungen umfassen die Analyse von Flüssigkeiten/Pulvern in Multiwell-Plates, Kristallscreening sowie Tablettengehalts-/Uniformitätstests mit Transmission Raman.
High Throughput Screening (HTS) Raman-Systeme verwenden eine Kombination aus automatisierter Probenbewegung, Autofokus-Geräten sowie automatisierten Datenerfassungs- und Analyseverfahren, um Spektren aus Hunderten von Proben nacheinander zu erfassen. HTS-Screening und automatisierte Messungen können sogar mit vollständiger Robotersteuerung integriert werden, wodurch Expertise und Bedienereingriff entfallen.
Anwendungen wie diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (DLC) für Computerfestplatten sowie Kristall- und Polymorph-Analysen in der Arzneimittelentwicklung verwenden heute Raman-Spektroskopie für automatisierte Screenings sowie viele andere Anwendungen, die einfach routinemäßige Analysen großer Probenmengen erfordern.
Die Größe des Laserpunkts wird hauptsächlich durch die verwendete Laserwellenlänge und das verwendete Mikroskopobjektiv bestimmt. Die minimal erreichbare Fleckgröße ist gemäß den Gesetzen der Physik und Optik beugungsbegrenzt.
Laserpunktdurchmesser = 1,22 λ / NA
wobei λ die Wellenlänge des Lasers ist und NA die numerische Apertur des verwendeten Mikroskopobjektivs. Zum Beispiel beträgt bei einem 532-nm-Laser und einem 0,90/100-fachen Objektiv der theoretische Punktdurchmesser 721 nm.
Aus dieser Gleichung lässt sich erkennen, dass Laser mit niedrigerer Wellenlänge eine höhere räumliche Auflösung bieten (z. B. hat ein blauer Laser bei 488 nm eine kleinere Punktgröße als ein Infrarotlaser bei 785 nm, wenn dasselbe Objektiv verwendet wird), ebenso wie hohe NA-Objektive (z. B. ein 0,90/100x-Objektiv erzeugt einen kleineren Punkt als ein 0,55/50x-Objektiv).
Eine leicht modifizierte Gleichung liefert die theoretische beugungsbegrenzte räumliche Auflösung, die mit einem optischen Mikroskop erreichbar ist:
Räumliche Auflösung = 0,61 λ / NA
Für einen 532-nm-Laser mit einem 0,90/100x-Objektiv würde dies eine räumliche Auflösung von 361 nm vorhersagen. Obwohl diese Gleichung für die Standardlichtmikroskopie anwendbar ist, sind die optischen Prozesse, die während der Ramanmikroskopie stattfinden, wesentlich komplexer. Zum Beispiel kann die Streuung der Laser-/Raman-Photonen und die Wechselwirkung mit Grenzflächen in der Probe diese Auflösung verringern. Daher wird die typische Raman-räumliche Auflösung oft mit etwa 1 μm angegeben, während bei 'guten' Proben eine räumliche Auflösung nahe der Beugungsgrenze erreicht werden kann.
Bestimmte Systeme, wie das LabRAM HR, können mit adaptiven Optiken wie dem DuoScan™ konfiguriert werden, mit denen Laserpunkte erzeugt werden können, die Abmessungen bis zu 270 x 270 μm2 haben (je nach verwendetem Ziel).
Standard-Raman-Mikroskope sind auf Punktgrößen im Bereich von 0,5–10 μm begrenzt (abhängig von Laserwellenlänge und Objektiv), was auf den optischen Weg des kollimierten Laserstrahls durch das Objektiv zurückzuführen ist. Während solche kleinen Fleckgrößen ideal für die Analyse mikroskopischer Merkmale sind und in Kombination mit echter konfokaler Optik eine ausgezeichnete räumliche Auflösung bieten, können sie für Bulk- oder makroskopische Analysen begrenzt sein.
Räumliche Auflösung eines Raman-Mikroskops: 3D-Imaging von Polymer-Laminat-Maskierungsfilm
Die erreichbare räumliche Auflösung wird hauptsächlich durch die verwendete Laserwellenlänge und das Mikroskopobjektiv bestimmt. Die theoretische beugungsbegrenzte räumliche Auflösung ist gemäß den Gesetzen der Physik und Optik durch folgende Gleichung definiert:
Räumliche Auflösung = 0,61 λ / NA
wobei λ die Wellenlänge des Lasers ist und NA die numerische Apertur des verwendeten Mikroskopobjektivs.
Für einen 532-nm-Laser mit einem 0,90/100x-Objektiv würde dies eine räumliche Auflösung von 361 nm vorhersagen. Obwohl diese Gleichung für die Standardlichtmikroskopie anwendbar ist, sind die optischen Prozesse, die während der Ramanmikroskopie stattfinden, wesentlich komplexer. Zum Beispiel kann die Streuung der Laser-/Raman-Photonen und die Wechselwirkung mit Grenzflächen in der Probe diese Auflösung verringern. Daher wird die typische Raman-räumliche Auflösung oft mit etwa 1 μm angegeben, während bei 'guten' Proben eine räumliche Auflösung nahe der Beugungsgrenze erreicht werden kann.
Aus dieser Gleichung lässt sich erkennen, dass Laser mit niedrigerer Wellenlänge eine höhere räumliche Auflösung bieten (z. B. hat ein blauer Laser bei 488 nm eine kleinere Punktgröße als ein Infrarotlaser bei 785 nm, wenn dasselbe Objektiv verwendet wird), ebenso wie hohe NA-Objektive (z. B. gibt ein 0,90/100x-Objektiv einen kleineren Punkt als ein 0,55/50x-Objektiv).
Räumliche Auflösung eines Raman-Mikroskops: Raman-Mapping von Halbleiterstrukturen mit 250 nm und 350 nm.
Beachten Sie, dass die obige Gleichung sich auf die laterale (XY) räumliche Auflösung bezieht. Die räumliche Auflösung der Tiefe (Z) ist komplexer und hängt stark vom konfokalen Design des verwendeten Raman-Mikroskops ab. Heute werden mehrere Methoden verwendet, einige wirklich konfokal, andere pseudokonfokal, die mit unterschiedlichem Erfolg funktionieren.
Für ein echtes konfokales Design (das eine vollständig verstellbare konfokale Lochöffnung beinhaltet) ist eine Tiefenauflösung im Bereich von 1–2 μm möglich, wodurch einzelne Schichten einer Probe diskret analysiert werden können. Die erreichbare Tiefenauflösung hängt stark von der Laserwellenlänge, dem Mikroskopobjektiv und der Probenstruktur ab.
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