Leistungsstarke Raman-Spektroskopie

Die Spektralanalyse ist eineäußerst nützliche Technik, die es uns ermöglicht, die Zusammensetzung eines Stoffes zu bestimmen, indem Licht auf ihn gerichtet oder das von ihm ausgestrahlte Licht gemessen wird. Dabei ist weder ein direkter Kontakt mit der Probe erforderlich, noch wird diese in irgendeiner Weise beschädigt. Daher ist sie eine äußerst praktische Messmethode für vielfältige Anwendungen in der wissenschaftlichen Forschung, den Biowissenschaften und der Industrie. Sie ermöglicht es uns sogar, Einblicke in die chemische Zusammensetzung entfernter Planeten zu gewinnen.

Inspirierende Gedanken

Im Grunde genommen erfordern die meisten spektroskopischen Verfahren, dass eine Substanz mit Licht bestrahlt wird, um anschließend die Farbe und die Intensität des zurückgestrahlten Lichts zu messen. Man muss bedenken, dass jede Lichtfarbe (oder Wellenlänge) eine andere Energie enthält. Substanzen absorbieren stark das Licht bestimmter Farben, die der Schwingungsenergie ihrer Atome, Moleküle oder Kristallgitter entsprechen.Daher können wir durch die Untersuchung der absorbierten Farben Rückschlüsse auf die Atome und Moleküle in der Probe ziehen und manchmal auch auf ihre Anordnung. Diese Informationen werden oft als spektraler Fingerabdruck oder chemischer Fingerabdruck bezeichnet, da diese Informationen für jede chemische Substanz einzigartig sind, so wie der Fingerabdruck jedes Menschen einzigartig ist.

In der uns umgebenden Welt finden sich die meisten charakteristischen Spektralsignaturen von Molekülen im Infrarotbereich (IR) des Spektrums. Daher ist die Infrarotspektroskopie (IR) bei Chemikern sehr beliebt, und viele Labore setzen diese Technik ein.

Obwohl der Anwendungsbereich sehr breit ist, lassen sich Infrarotstrahlen durch Glas und Wasser nur schlecht übertragen. Daher ist es mit dieser Methode nicht ohne Weiteres möglich, in Wasser eingetauchte Substanzen (wie beispielsweise eine vollständig mit Wasser gefüllte lebende Zelle) zu beobachten, ebenso wenig wie verschiedene chemische oder industrielle Prozesse, die im Wasser ablaufen (wie beispielsweise die Fermentation).Da man mit dieser Methode zudem nicht durch Glas hindurchsehen kann, lassen sich Proben in Reagenzgläsern nicht analysieren, und man kann auch nicht durch Fenster hindurchsehen (wie z. B. durch die Sichtfenster von Reaktionskammern, die bei der Halbleiterfertigung zum Einsatz kommen).

Ich kann jetzt ganz klar sehen

Im Jahr 1928 führte ein Wissenschaftler namens Chandrasekhara Raman Experimente durch, bei denen er transparente Proben mit hochreinem sichtbarem Licht bestrahlte. Natürlich drang der größte Teil des Lichts direkt hindurch – genau das macht Transparenz aus. Das Licht wurde nicht absorbiert.

Er stellte jedoch auch fest, dass sich winzige Mengen des Lichts in andere Farben verwandelten. Es zeigte sich, dass dies darauf zurückzuführen war, dass dieses Licht von den Molekülen in der Probe „unelastisch gestreut“ und nicht absorbiert wurde. Als besonders nützlich erwies sich schließlich die Erkenntnis, dass die spezifischen Spektralmuster des Lichts, bei dem sich die Farbe veränderte, eine Fülle von Informationen über die Probe enthielten, darunter auch die charakteristischen Informationen, die mit Hilfe der Infrarotspektroskopie gewonnen werden können.Dadie Raman-Spektroskopiejedoch sichtbares Licht anstelle von Infrarotlicht nutzt, können wir das Licht durch Fensterscheiben, Reagenzgläser oder sogar Glasfasern leiten und Proben von beliebigen Substanzen nehmen, die mit Wasser gemischt sind.

Genau wie das Infrarotspektrum liefert auch die Raman-Spektroskopie Aufschluss darüber, welche chemischen Substanzen in einer Probe enthalten sind und in welchen Mengen. Dies ist besonders hilfreich, wenn Sie Verunreinigungen in einer Substanz identifizieren oder feststellen möchten, ob bestimmte Moleküle vorhanden sind.

Darüber hinaus liefert die Raman-Spektroskopie viele Informationen, die nur mit dieser Technik gewonnen werden können. Sie kann Details der Kristallstruktur aufdecken und sogar Moleküle unterscheiden, die zwar aus denselben Atomen bestehen, aber unterschiedliche Kristallformen aufweisen (Polymorphe). Sie kann Aufschluss darüber geben, wie sich Proteine falten, oder Informationen über mechanische Spannungen in festen Materialien liefern und vieles mehr.

Von schwach zu stark

Da die Raman-Spektroskopie bereits 1928 entdeckt wurde und sehr nützlich ist, warum haben Sie erst jetzt davon gehört? Kurz gesagt: Die Technologien, die die Raman-Spektroskopie praktisch und kosteneffizient machen, haben sich erst in den letzten rund 25 Jahren wirklich durchgesetzt. Konkret gab es in diesem Zeitraum drei entscheidende technologische Fortschritte, die in Kombination die Detektion und Analyse extrem schwacher Raman-Signale erheblich vereinfacht haben:

Weit verbreitet 

Kommerzielle Raman-Geräte, die auf diesen Technologien basieren, sind mittlerweile in vielfältigen Ausführungen erhältlich und eignen sich für eine breite Palette von Anwendungen. Mit integrierter Raman-Funktion ausgestattete Mikroskope ermöglichen die detaillierte Untersuchung von Materialien wie Edelsteinen, lebenden Zellen und Arzneimitteln. Handheld-Raman-Spektrometer können zur Identifizierung unbekannter Flüssigkeiten bei der Freisetzung von Schadstoffen eingesetzt werden. Raman-Systeme lassen sich in Verbindung mit Durchflusszellen nutzen, um verschiedene Flüssigkeiten und Gase in industriellen Prozessen online und in Echtzeit zu überwachen.

Abb. 1: Das Niederfrequenz-Raman-Spektrum ermöglicht nicht nur eine klare Unterscheidung zwischen verschiedenen pharmazeutischen Wirkstoffen (API), sondern zeigt auch deren unterschiedliche Kristallformen (Polymorphe) an, was für eine korrekte Verabreichung von entscheidender Bedeutung ist.

Coherent eine Vielzahl von Laserquellen, leistungsstarke SureBlock™-Filterund sogarkomplette Raman-Systemean.