Raman-Spektroskopie

Gestern, Heute und Morgen

Der Raman-Effekt, welcher 1928 von dem indischen Physiker Chandrasekhara Venkata Raman entdeckt wurde, beschreibt die inelastische Lichtstreuung an einem quantisierten System, d. h. Atomen, Molekülen oder auch Festkörpern. Bei der Raman-Spektroskopie werden diese Systeme mit monochromatischem Licht bestrahlt und das in alle Raumrichtungen gestreute Licht in seine spektralen Bestandteile zerlegt.

Janus Beitrag zur Raman-Spektroskopie:

Moderne Raman Spektroskopie - Aus Sicht der Forschung und Entwicklung
von Michael Schmitt, Friedrich-Schiller-Universität Jena und Prof. Dr. Jürgen Popp, Friedrich-Schiller-Universität Jena, IPHT Jena

Moderne Raman Spektroskopie - Aus Sicht der Industrie
von Harald Fischer und Dr. Olaf Hollrichter, beide Witec Ulm

Einleitung
Während der größte Anteil des gestreuten Lichtes dieselbe Wellenlänge wie das Anregungslicht aufweist, ist ein sehr kleiner Anteil des gestreuten Lichtes frequenzverschoben, d. h. bestitzt eine andere Wellenlänge. Das Frequenzmuster dieses inelastisch gestreuten Lichtes (Raman-Streuung) wird dabei durch die Quantenzustände des Streusystems bestimmt. In anderen Worten Raman-Streuung beschreibt den Energieaustausch zwischen dem einfallenden Photon (Licht) und der zu untersuchenden Materie. Im Falle von Molekülen kann die ausgetauschte Energie dabei gleich dem energetischen Abstand zwischen Rotations-, Schwingungs- oder elektronischen Energieniveaus des molekularen Streusystems sein. Die überwiegende Mehrzahl der Raman-Studien an Molekülen beschäftigt sich mit der Untersuchung der molekularen Schwingungsniveaus, weswegen man die Raman-Spektroskopie auch oft als Schwingugnsspektroskopische Methode bezeichnet, welche zur IR-Absorptionsspektroskopie komplementäre Informationen liefert.

Im weiteren Verlauf beziehen wir uns auch nur auf die Schwingungs-Raman-Spektroskopie, d. h. inelastische Lichtstreuung an einem schwingenden Molekül.

Die Technologie

Moleküle besitzen für sie charakteristische Molekülschwingungen, die den Molekülaufbau widerspiegeln. Daher kann ein Raman-Spektrum eines bestimmten molekularen Systems als ein für das Molekül charakteristischer Fingerabdruck gesehen werden. Über diesen Raman-Fingerabdruck lassen sich Moleküle identifizieren. Da es sich bei der Raman-Streuung um einen sehr schwachen Effekt handelt (nur eines aus einer Million gestreuter Photon wird inelastisch gestreut), benötigt man in der Praxis eine sehr große Photonendichte, wie sie nur ein Laser liefern kann. Daneben benötigt man sensitive Detektoren und vor allem Filter, um das viel intensivere elastisch gestreute Rayleigh-Licht von der Raman-Streuung abzutrennen. Am Anfang verwendete man dazu Doppel- oder Tripelmonochromatoren mit Photomultipliern als Detektoren. Bei den ersten Labor-Raman-Aufbauten handelte es sich um komplexe experimentelle Anordnungen, welche hauptsächlich für die Grundlagenforschung im Bereich chemischer und physikalischer Fragestellungen eingesetzt wurden. Ihr großes wissenschaftliches Potential auch außerhalb der Chemie und Physik im Bereich angewandter Grundlagenforschung hat die Raman-Spektroskopie erst in den letzten 10-20 Jahren voll entfaltet. Der Grund dafür liegt neben den großen Fortschritten im Bereich der Lasertechnologie vor allem im Design von sehr effizienten Filtern (z. B. Notch-Filter), die das elastisch gestreute Rayleigh-Licht effizient ausblenden, sowie in der Entwicklung von Multikanal-Detektoren (z. B. CCD-Detektoren), mit denen sich das komplette Raman-Spektrum auf einmal aufnehmen lässt. Dadurch wurde zum einen die Komplexität der Raman-Aufbauten reduziert und zum anderen das Anwendungsspektrum erheblich erweitert. So erreichte die Raman-Spektroskopie im letzten Jahrzehnt vor allem zunehmend die Lebenswissenschaften (Biologie, Biomedizin). Besonders die Verfügbarkeit kommerziell erhältlicher, recht einfach zu bedienender konfokaler Raman-Mikroskope (d. h. die Kombination der Raman-Spektroskopie mit der Lichtmikroskpie) ermöglicht es ohne allzu großen experimentellen Aufwand Raman-Spektren ortsaufgelöst aus einem räumlichen Bereich im Submikrometerbereich z. B. zur Charakterisierung von biologischen Zellen zu erhalten. Insgesamt lässt sich festhalten, dass sich die Raman-Spektroskopie in den letzten Jahren als nahezu unverzichtbares analytisches Werkzeug in fast allen naturwissenschaftlichen Gebieten (Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Pharmazie, Biologie, (Bio)Medizin, Geologie, Mineralogie, Umweltwissenschaften etc.) etabliert hat. Die Vorzüge der Raman-Spektroskopie liegen in ihrer Vielseitigkeit (nicht-invasiv, minimale bis gar keine Probenvorbreitung) und hohen chemischen/molekularen Spezifität. So bildet die Raman-Mikroskopie die örtliche Verteilung molekularer Spezies ab und liefert damit molekularen Kontrast im Gegensatz zur herkömmlichen Lichtmikroskopie, die die Probenmorphologie darstellt.

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