Raman-Spektroskopie

Raman Aufbau

Die Raman-Spektroskopie ist ein physikalisches Messverfahren, das auf der nach Sir C.V. Raman benannten Raman-Streuung beruht. Diese weltweit etablierte Methode wird für verschiedenste materialspezifische Fragestellungen im Speziellen für die Analytik der chemischen Struktur von Molekülen in Wissenschaft und Industrie verwendet.

  • Analytik in Geo- Chemie-, Bio- und Werksstoffwissenschaften
  • Messungen unabhängig des Aggregatzustands der Probe
  • Methodenkopplung: Raman und laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS)
  • Untersuchung zu chemischer Zusammensetzung, Kristallorientierung, Kristallstruktur, Verspannung, Dotierung und Temperatur möglich

Funktionsweise

Bestrahlt man ein Medium mit einer monochromatischen Lichtquelle, so ist bei genauer spektraler Untersuchung des Streulichts ersichtlich, dass nicht nur die Anreger- oder Rayleigh-Wellenlänge darin enthalten ist. Dies hat seine Ursache in drei verschiedenen inelastischen Streuprozessen. Es kommt in Folge dieser zu Frequenzverschiebungen in Bezug zur Anregungsstrahlung, sogenannten Stokes- und Anti-Stokes-Linien. Molekülbindungen der bestrahlten Materie werden durch die Frequenz des einfallenden Lichts zu charakteristischen Schwingungen angeregt. Bei der Raman-Spektroskopie werden die Spektren des Streulichts beobachtet, um daraus Schlussfolgerungen zu Bindungen, Radikalen und weiteren chemischen Eigenschaften zu ziehen.
Raman Mikroskop

Rayleigh-, Stokes- und Anti-Stokes-Streuung

Raman-Streuung
Stokes und Anti-Stokes sind im Spektrum bezüglich der Wellenzahl symmetrisch um die Anregungsstrahlung angeordnet. Werden keine charakteristischen Schwingungen induziert – endet der Prozess energetisch also wieder auf dem Grundniveau – so spricht man von Rayleigh-Streuung. Werden Vibrationen oder Rotationen angeregt, so dass einfallendes Licht mit einer Frequenz abzüglich der der Schwingungen gestreut wird, ist eine Stokes-Streuung im Spektrum zu beobachten (Verschiebung zu niedrigeren Frequenzen). Die Anregung einer bereits schwingenden oder rotierenden Molekülbindung und anschließende Relaxation auf den Grundzustand, wird als Anti-Stokes-Streuung bezeichnet Verschiebung zu höheren Frequenzen). Aufgrund der nach der Boltzmann-Verteilung weitaus höheren Wahrscheinlichkeit der Stokes-Verschiebung, sind die dort befindlichen Spektrallinien weitaus intensiver als die der Anti-Stokes. Daraus folgend wird sich nicht selten auf eine Detektion der energetisch niedrigeren Streustrahlung konzentriert.

Anwendungen

Der aktuelle wissenschaftliche und technische Entwicklungsstandard bietet viele spektroskopische Verfahren, um auf Charakteristika von Materialien schließen zu können. Die Raman-Spektroskopie eignet sich im Speziellen zur Sammlung von Informationen zur chemischen Struktur von Molekülen. Dabei wird sie nunmehr nicht nur in wissenschaftlichen Laboren, sondern auch in der Industrie angewandt und ist dabei unabhängig vom Aggregatzustand der Probe durchführbar. Ein seitens von LTB Lasertechnik Berlin verfolgter Ansatz, ist die Methodenkopplung von Raman- und laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), basierend auf der Detektion mit Echelle-Spektrometern. Diese Technologiekopplung ermöglicht für ortsauflösende Messungen den Informationsgewinn zu in Proben enthaltenen chemischen Elementen sowie der Struktur, also den Bindungsarten und –formen von zugehörigen Molekülen. Dies eignet sich beispielsweise zur Untersuchung geologischer Materialien, wobei der Anwendungsbereich durch verschiedene Systemparameter, wie der Wellenlänge des Anregungslasers, individuell gestaltet und verändert werden kann.
Toluol Raman-Spektrum