Raman-Spektroskopie

  • Einführung

    Raman-Spektroskopie dient zur Identifikation verschiedener Chemikalien und zur Analyse, wie viel einer bestimmten Substanz in einer Probe enthalten ist. Jede Chemikalie besitzt einen unverwechselbaren Fingerabdruck, der für die sofortige Identifikation und Qualifikation mit einer bekannten Datenbank abgeglichen wird. Diese Methode ist auf Feststoffe, Flüssigkeiten und Pulver anwendbar. Ohne physischen Kontakt oder Zerstörung können Proben im Mikroliter-Maßstab ebenso wie große Objekte in situ, in vitro und in vivo getestet werden. Selbst Unterwasser-Analysen sind möglich. Raman kann außerdem zwischen Isomeren unterscheiden und erfordert keine Probenaufbereitung. 

  • Die Wissenschaft

    Bei der Wechselwirkung mit einer Probe werden Strahlungen in alle Richtungen gestreut. Sobald Moleküle mit monochromatischer Strahlung wie Laserlicht bestrahlt werden, beginnen sie, sich zu bewegen und zu schwingen. Dieses Licht interagiert mit molekularen Schwingungen und führt dazu, dass die Energie der Laserphotonen nach oben oder unten verschoben wird. Die Registrierung dieser Differenz ergibt einen unverwechselbaren Fingerabdruck und ein Muster, das bei der Identifikation der jeweiligen Chemikalie hilft. In einem Raman-Spektrum zeigen insbesondere unpolare Bindungen intensive Bänder (C=C, N=N, O-O, S-S, P-P). Der nach dem indischen Physiker C. V. Raman benannte Effekt basiert auf molekularen Deformationen im elektrischen Feld E, bestimmt durch die molekulare Polarisierbarkeit α. Der Laserstrahl kann als eine oszillierende elektromagnetische Welle mit dem elektrischen Vektor E betrachtet werden. Bei Wechselwirkung mit der Probe induziert er das elektrische Dipolmoment P = αE, das Moleküle verformt. Aufgrund der periodischen Deformation beginnt das Molekül, mit einer charakteristischen Frequenz zu schwingen.

    Die Schwingungsamplitude wird Kernauslenkung genannt. Mit anderen Worten regt monochromatisches Laserlicht mit der Frequenz υ0 Moleküle an und verwandelt sie in oszillierende Dipole.  

    Rayleigh-Streuung

    Ein Molekül ohne Raman-aktive Zustände absorbiert ein Photon mit der Frequenz υ0. Das angeregte Molekül kehrt zum früheren Grundschwingungszustand zurück und emittiert dabei Licht mit derselben Frequenz υ0 wie die Anregungsquelle. Diese Form der Wechselwirkung wird Rayleigh-Streuung genannt.  

    Raman-Streuung

    Ein Photon mit der Frequenz υ0 wird von einem reinen Raman-aktiven Molekül absorbiert, das sich zum Zeitpunkt der Wechselwirkung in seinem Grundschwingungszustand befindet. Ein Teil der Energie des Photons wird zum Raman-aktiven Zustand mit der Frequenz υm transferiert und die Frequenz des gestreuten Lichts wird um υ0 - υm reduziert. Diese Form der Wechselwirkung wird Stokes-Streuung genannt.

    Wenn sich ein Molekül bereits im angeregten Schwingungszustand befindet, wird die überschüssige Energie des angeregten Raman-aktiven Zustands freigesetzt. Das Molekül kehrt in seinen Grundschwingungszustand zurück und die Frequenz des gestreuten Lichts erhöht sich um υ0 + υm. Diese Form der Wechselwirkung wird Anti-Stokes-Streuung genannt.

  • Anwendungsbeispiele
    • Charakterisierung der Zusammensetzung eines Materials und schnelle Identifikation unbekannter Stoffe z. B. in Lebensmitteln oder Textilien
    • Untersuchung subtiler chemischer Effekte wie Kristallinität, Polymorphismus, Phase, Eigenspannung oder -belastung, Proteinfaltung und Wasserstoffbindung
    • Analyse von historischen Pigmenten oder wichtigem forensischem Beweismaterial
    • Analyse geschichteter Proben, Einschlüsse, wie sie in Glas und Mineralien zu finden sind, Dünnschnitte auf einem Substrat und Stoffe in Glas- oder Kunststoffbehältern
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