Ein Raman-Spektrum weist eine Reihe von Spitzen auf, die die Intensität und Wellenlängenposition des Raman-Streulichts zeigen. Jeder Peak entspricht einer bestimmten Molekülbindungsschwingung, einschließlich einzelner Bindungen wie CC, C=C, NO, CH usw. und Gruppen von Bindungen wie Benzolring-Atmungsmodus, Polymerkettenschwingungen, Gittermoden usw.

Informationen durch Raman-Spektroskopie

Die Raman-Spektroskopie ist sowohl qualitativ als auch quantitativ.

Das allgemeine Spektrumsprofil (Peakposition und relative Peakintensität) liefert einen eindeutigen chemischen Fingerabdruck, der verwendet werden kann, um ein Material zu identifizieren und von anderen zu unterscheiden. Oft ist das tatsächliche Spektrum ziemlich komplex, sodass umfassende Raman-Spektrenbibliotheken durchsucht werden können, um eine Übereinstimmung zu finden und somit eine chemische Identifizierung zu ermöglichen.

Die Intensität eines Spektrums ist direkt proportional zur Konzentration. Typischerweise wird ein Kalibrierungsverfahren verwendet, um die Beziehung zwischen Spitzenintensität und Konzentration zu bestimmen, und dann können Routinemessungen durchgeführt werden, um die Konzentration zu analysieren. Bei Mischungen geben relative Peak-Intensitäten Auskunft über die relative Konzentration der Komponenten, während absolute Peak-Intensitäten für absolute Konzentrationsangaben verwendet werden können.

Raman wird für die mikroskopische Analyse verwendet

Ein echtes konfokales Raman-Mikroskop kann für die Analyse von Partikeln oder Volumina in Mikrometergröße verwendet werden. Es kann sogar zur Analyse verschiedener Schichten in einer mehrschichtigen Probe (z. B. Polymerbeschichtungen) und von Verunreinigungen und Merkmalen unter der Oberfläche einer transparenten Probe (z. B. Verunreinigungen in Glas und Flüssigkeits-/Gaseinschlüsse in Mineralien) verwendet werden.

Motorisierte Kartierungstische ermöglichen die Erzeugung von Raman-Spektralbildern, die viele tausend Raman-Spektren enthalten, die von verschiedenen Positionen auf der Probe aufgenommen wurden. Basierend auf dem Raman-Spektrum können Falschfarbenbilder erstellt werden – diese zeigen die Verteilung einzelner chemischer Komponenten und die Variation anderer Effekte wie Phase, Polymorphie, Spannung/Dehnung und Kristallinität.

Geschichte der Raman-Mikroskopie

HORIBA Scientific umfasst jetzt die wichtigsten Innovatoren der Raman-Instrumentierung von den 1960er bis 1990er Jahren – Spex Industries, Coderg/Lirinord/Dilor und Jobin Yvon. Von diesen Anfängen bis zum heutigen Tag waren HORIBA Scientific und seine verbundenen Unternehmen an der Spitze der Entwicklung der Raman-Spektroskopie.

Das Raman-Mikroskop wurde in Lille, Frankreich, unter der Leitung von Professor Michel Delhaye und Edouard DaSilva entwickelt und als MOLE™ (Molecular Optics Laser Examiner) von Lirinord (heute HORIBA Scientific) kommerziell hergestellt. Es entwickelte sich als molekulares Analogon des Elektronenmikroskops von Castaing. Als solches liefert es Bindungsinformationen zu Materialien in kondensierter Phase; Zusätzlich zum Nachweis der molekularen Bindung erwiesen sich auch die Identifizierung der kristallinen Phase und andere subtilere Effekte als von erheblichem Interesse.

Das Mikroskop wurde ursprünglich in den Raster-Doppelgitter-Monochromator integriert (ca. 1972). Als hochempfindliche, rauscharme Mehrkanaldetektoren verfügbar wurden (Mitte der 1980er Jahre), wurden dreistufige Spektrographen mit dem Mikroskop als integrierte Komponente eingeführt. 1990 wurde demonstriert, dass die holografischen Kerbfilter eine überlegene Laserunterdrückung bieten, so dass ein Raman-Mikroskop auf einem einstufigen Spektrographen aufgebaut werden kann und eine verbesserte Empfindlichkeit bietet. Verglichen mit den ursprünglichen scannenden Doppelmonochromatoren sind die Erfassungszeiten für vergleichbare Spektren (Auflösung und Signal-Rausch-Verhältnis für eine gegebene Laserleistung) jetzt mindestens zwei bis drei Größenordnungen höher als vor 35 Jahren.

Diese Kerninnovationen wurden in den Labors von HORIBA Scientific in Nordfrankreich von Wissenschaftlern und Ingenieuren entwickelt, die im Labor von Professor Delhaye ausgebildet wurden, wobei sie sich die verfügbare Hardware zunutze machten. Dazu gehörten holografische Gitter, Kerbfilter, luftgekühlte Laser, Mehrkanaldetektoren (zuerst intensivierte Dioden-Arrays und dann CCDs), Hochleistungscomputer und zugehörige Entwicklungen in Elektronik und Software.

Neuere Entwicklungen in der Raman-Technik umfassen SRS (stimulierte Raman-Streuung), SERS (oberflächenverstärkte Raman-Streuung), TERS (spitzenverstärkte Raman-Streuung), Integration mit Elektronenmikroskopen und Rasterkraftmikroskopen, hybride Einzelbanksysteme (z. B. Raman-PL , Epifluoreszenz, Photostrom), Transmissions-Raman (für echte Schüttgutanalyse).

Aufgrund der Führungsrolle, die HORIBA Scientific und seine verbundenen Unternehmen in der Branche einnehmen, sind gut ausgestattete Anwendungslabors mit hochqualifizierten Wissenschaftlern seit mehr als 30 Jahren ununterbrochen damit beschäftigt, die Anwendungen dieser innovativen Instrumente zu entwickeln.

Art der mit Raman analysierten Proben

Raman kann verwendet werden, um viele verschiedene Proben zu analysieren. Im Allgemeinen ist es geeignet für die Analyse von:

• Feststoffe, Pulver, Flüssigkeiten, Gele, Schlämme und Gase
• Anorganische, organische und biologische Materialien
• Reine Chemikalien, Mischungen und Lösungen
• Metalloxide und Korrosion

Im Allgemeinen ist es nicht geeignet für die Analyse von:

• Metalle und ihre Legierungen

Typische Beispiele dafür, wo Raman heute verwendet wird, sind:

• Kunst und Archäologie – Charakterisierung von Pigmenten, Keramiken und Edelsteinen
• Kohlenstoffmaterialien – Struktur und Reinheit von Nanoröhren, Charakterisierung von Defekten/Störungen
• Chemie – Struktur-, Reinheits- und Reaktionsüberwachung
• Geologie – Mineralidentifikation und -verteilung, Flüssigkeitseinschlüsse und Phasenübergänge
• Biowissenschaften – einzelne Zellen und Gewebe, Arzneimittelwechselwirkungen, Krankheitsdiagnose
• Pharmazie – Einheitlichkeit der Inhalte und Verteilung der Komponenten
• Halbleiter – Reinheit, Legierungszusammensetzung, Eigenspannungs-/Dehnungsmikroskop.

Analyse von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen

Raman-Spektren können von fast allen Proben erfasst werden, die echte molekulare Bindungen enthalten. Das bedeutet, dass Feststoffe, Pulver, Schlämme, Flüssigkeiten, Gele und Gase mittels Raman-Spektroskopie analysiert werden können.

Obwohl Gase mit Raman-Spektroskopie analysiert werden können, ist die Konzentration von Molekülen in einem Gas typischerweise sehr gering, sodass die Messung oft schwieriger ist. Üblicherweise sind Spezialausrüstungen wie Laser mit höherer Leistung und Probenzellen mit langer Weglänge erforderlich. In einigen Fällen, in denen Gasdrücke hoch sind (z. B. Gaseinschlüsse in Mineralien), können problemlos Standard-Raman-Instrumente verwendet werden.

Analyse aus einem Materialgemisch

Das Raman-Spektrum eines Materials enthält Raman-Informationen über alle Moleküle, die sich innerhalb des Analysevolumens des Systems befinden. Wenn es also eine Mischung von Molekülen gibt, enthält das Raman-Spektrum Peaks, die alle unterschiedlichen Moleküle darstellen. Wenn die Komponenten bekannt sind, können die relativen Peakintensitäten verwendet werden, um quantitative Informationen über die Zusammensetzung der Mischung zu erhalten. Bei komplexen Matrizen können auch chemometrische Methoden zum Aufbau quantitativer Methoden eingesetzt werden.

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