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Was ist Raman-Streuung

Wir erklären die Theorie hinter dem Raman-Effekt und wie er von Prof. Sir C. V. Raman entdeckt wurde.

Wissenschaftler nutzen die Raman-Spektroskopie, um Informationen über die chemische Zusammensetzung und Struktur von Materialien zu erhalten. Wir fokussieren Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge auf die Probe. Eine kleine Lichtmenge interagiert mit den chemischen Bindungen des Stoffes und das Spektrum des an der Probe gestreuten Lichts verändert seine Farbe. Wir können ein Raman-Spektrometer einsetzen, um das inelastisch gestreute Licht zu messen und Information über die Probe zu erhalten. Außerdem erklären wir, aus welchen Komponenten ein Raman-Mikroskop besteht und wie wichtig die einzelnen Komponenten für die Erfassung guter Spektren sind.

Was ist Spektroskopie?

Mit der Spektroskopie messen wir die Farben und relative Intensität des Lichts nach seiner Wechselwirkung mit Materialien. Die Spektroskopie kann uns Aufschluss über die chemische Zusammensetzung und die physikalische oder elektronische Struktur von Materialien geben.

Licht tritt auf unterschiedliche Weise in Wechselwirkung mit der Materie: Manche Stoffe lassen Licht hindurch, während andere es reflektieren oder streuen. Sowohl das Material als auch die Farbe (Wellenlänge) des Lichts beeinflussen diese Wechselwirkung.

Welche Farben wir wahrnehmen, hängt davon ab, welche Teile des sichtbaren Spektrums in unser Auge gelangen. Eine Substanz kann beispielsweise blau erscheinen, wenn sie die roten Anteile des Lichtspektrums absorbiert, die auf sie einfallen. Nur die blauen Anteile des sichtbaren Spektrums werden in unseren Augen reflektiert oder gestreut.

Die verschiedenen Funktionsprinzipien von Licht bei der Wechselwirkung mit Stoffen Die verschiedenen Funktionsprinzipien von Licht bei der Wechselwirkung mit Stoffen.

Wer hat die Raman-Spektroskopie entdeckt?

Der Prozess der Raman-Streuung ist nach seinem Entdecker, dem berühmten indischen Physiker Professor Sir Chandrasekhara Venkata Raman, benannt. Prof C. V. Raman und sein Student K. S. Krishnan zeigten, dass Licht seine Farbe ändert, wenn es durch ein transparentes Material übertragen wird. Durch die Wechselwirkung mit Molekülschwingungen hat sich seine Farbe und Energie verändert. Dies beschreibt den Prozess der inelastischen Raman-Streuung. Damals erkannten andere Wissenschaftler den Raman-Effekt als einen der überzeugendsten Beweise für die Quantentheorie an. Für diese großartige Entdeckung erhielt Prof C. V. Raman im Jahr 1930 den Nobelpreis in Physik.

1928 hat Prof. Raman den Raman-Effekt entdeckt. Es dauerte jedoch noch einige Jahrzehnte, bis die Fortschritte bei Lasern, Detektoren und Computern zur Entwicklung effizienter Raman-Systeme führten. Heute ist die Raman-Spektroskopie ein unverzichtbares Werkzeug sowohl im Labor als auch in der Produktion.

Wissenswertes über Raman-Spektroskopie

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Wie lässt sich der Raman-Effekt nachweisen?

Sie können den Raman-Effekt mit einem Raman-Spektrometer messen. Der erste Schritt besteht darin, die Probe mit nur einer Lichtfarbe zu beleuchten, beispielsweise mit einem Laser. Würde ein Material mit blauem Licht bestrahlt werden, könnten Sie davon ausgehen, dass es nur blaues Licht reflektiert. Das meiste Licht, das gestreut wird, bleibt in seiner Energie unverändert (Rayleigh-Streuung).

Nur etwa ein 10 Millionstel Teil des gestreuten Lichtes ist Raman-gestreut. Mit einem Raman-Spektrometer können Sie das Raman-Streulicht nachweisen, das seine Farbe verändert und seine Frequenz verschoben hat. Durch die Wechselwirkung mit Molekülschwingungen während des Streuprozesses hat es seine Frequenz verändert. Die Raman-Streuung tritt auf, weil Photonen (Lichtteilchen) einen Teil ihrer Energie mit Molekülschwingungen im Material austauschen.

Wie misst die Raman-Spektroskopie Schwingungsmoden?

Die Raman-Spektroskopie misst den Energieunterschied zwischen den Schwingungsmoden, indem sie das gestreuten Licht analysiert. Eine Streuung tritt auf, wenn ein Photon die Elektronenwolke eines Moleküls polarisiert und sie in einen „virtuellen“ Energiezustand versetzt. Die Raman-Streuung tritt auf, wenn Photonen ihre Energie während des Streuprozesses ändern. Dies liegt daran, dass das angeregte Molekül sich entspannt und einen höheren oder niedrigeren Schwingungszustand als seinen ursprünglichen erreicht.

Die Raman-Streuung ist inelastisch, weil Photonen ihre Energie durch Wechselwirkung mit den Energieniveaus der molekularen Schwingungen verändern. Die Raman-Streuung wird als „Stokes-Raman-Streuung“ bezeichnet, wenn die Streustrahlung Energie verliert. Sie wird als „Anti-Stokes-Raman-Streuung“ bezeichnet, wenn die Streustrahlung Energie gewinnt.
Die Stokes-Raman-Streuung tritt auf, wenn das Molekül vom Grundzustand in einen virtuellen Zustand übergeht, bevor es in einen Schwingungszustand mit höherer Energie als ursprünglich fällt. Die Anti-Stokes-Raman-Streuung tritt auf, wenn sich das Molekül zunächst in einem schwingungsangeregten Zustand befindet, dann in einen virtuellen Zustand übergeht und schließlich in seinen Grundzustand zurückkehrt. Wir verwenden selten Anti-Stokes-Raman-Licht, da es weniger intensiv ist als das Stokes-Licht. Es bildet jedoch gleichwertige Schwingungsdaten zum Molekül ab.

Die sogenannte Rayleigh-Streuung tritt dagegen auf, wenn das Molekül in seinen Grundschwingungszustand zurückkehrt. Sie setzt ein Photon mit der gleichen Energie wie das einfallende Photon frei. Das Rayleigh-Streulicht hat daher die gleiche Frequenz und Farbe wie das einfallende Licht. Die Rayleigh-Streuung ist etwa 107Mal intensiver als Raman-Streulicht. In modernen Spektrometern werden hocheffiziente Filter eingesetzt, um das Rayleigh-Streulicht zu entfernen. Dadurch wird die Raman-Streuung leicht detektierbar.

Energiediagramm zur Darstellung der Rayleigh- und Raman-Streuung
Ein Jablonski-Diagramm zeigt die wechselnden Energieniveaus bei Rayleigh- und Raman-Streuung. S0, S1, S2 sind typische elektronische Übergänge mit energetisch höheren Schwingungsniveaus.

Der Mechanismus der Raman-Streuung ist vergleichbar mit der Infrarot-Absorptionsspektroskopie (IR), es gelten jedoch andere Auswahlregeln. Damit Raman-Streuung auftritt, muss sich die molekulare Polarisierbarkeit während der Schwingung ändern. Sie werden einige Schwingungen im Raman-Spektrum sehen, aber nicht im Infrarot-Spektrum, und umgekehrt. Beispielsweise können die Kohlenstoffverbindungen in Diamant mit Raman-Spektroskopie analysiert werden, mit Infrarot-Absorptionsspektroskopie aber nicht.

Was sagt Ihnen die Raman-Verschiebung?

Die Raman-Verschiebung entspricht der Differenz zwischen der Energie des einfallenden Photons (Laserlicht) und des gestreuten Photons (Streulicht). Diese Energieänderung hängt von der Schwingungsfrequenz der Atome in einem Molekül ab. Durch die Untersuchung von Molekülschwingungen können wir die chemische und strukturelle Zusammensetzung des Materials ermitteln.

Eine starke Raman-Verschiebung oder Energieänderung deutet auf hochfrequente Molekülschwingungen hin. Dies liegt daran, dass leichte Atome durch starke Bindungen zusammengehalten werden. Eine geringe Raman-Verschiebung oder Energieänderung hingegen zeigt, dass die Molekülschwingungen niederfrequent sind. Das liegt daran, dass schwere Atome durch schwache Bindungen zusammengehalten werden.

Komponenten eines Raman-Mikroskops

Die Ausgangsbasis eines typischen Raman-Mikroskops ist ein optisches Mikroskop. Dieses ist mit einem Anregungslaser, Rayleigh-Filtern, einem Spektrometer und einem Detektor gekoppelt. Der Raman-Effekt ist sehr schwach: Nur etwa ein 10 Millionstel Teil des gestreuten Lichts hat eine veränderte Farbe. Dieses Licht ist zu schwach, um es mit bloßem Auge zu sehen, daher analysieren wir es mit einem hochempfindlichen Raman-Spektrometer.

Das inVia Raman-Mikroskop von Renishaw besteht aus folgenden Komponenten:

1. einem oder mehreren Lasern, die den Ultraviolett- (UV 244 nm) bis Infrarot-Bereich (IR 1064 nm) abdecken, wechselbar mit nur einem Klick

2. hochwertigen Objektivlinsen zur Fokussierung des Lichtes auf die Probe. Zudem sind Optionen erhältlich wie hochkonfokale 100× Auflösung, langer Arbeitsabstand und Immersion

3. Rayleigh-Filtern zur Trennung von reflektiertem und gestreutem Licht, sodass nur das Raman-Licht vom Spektrometer erfasst wird

4. motorisierten Spektrometerobjektiven, die automatisch für jede Laserwellenlänge optimiert werden

5. Master-Beugungsgitter mit hoher Streuung und Langlebigkeit, um das Raman-Licht in seine einzelnen Farben zu trennen

6. einem stabilen, empfindlichen thermoelektrisch gekühlten (-70 ˚C) CCD-Detektor

7. einem PC für die automatische Systemsteuerung, Datenerfassung und -analyse

Abbildung eines typischen Qontor-Systems

Ein typisches optisches Layout für ein konfokales Raman-Mikroskop inVia™

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Erfahren Sie noch mehr über die Raman- und Photolumineszenz- (PL-)Spektroskopie. Wir beantworten Ihre Fragen zur Raman-Mikroskopie, schnellen Raman-Bildgebung, Datenauswertung, Fluoreszenz und zu begleitenden Analyseverfahren.

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