Beschreibung
Unter Raman-Spektroskopie (benannt nach dem indischen Physiker C. V. Raman – Nobelpreis 1930) versteht man die spektroskopische Analyse der inelastischen Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern (Raman-Streuung).
Da die Energie des Lichtes direkt proportional zu seiner Frequenz ist (mit dem Planckschen Wirkungsquantum als Proportionalitätskonstante), bedeutet dies, dass das Licht durch die Interaktion mit dem Molekül sowohl Energie verlieren als auch Energie gewinnen kann. Erklärt werden kann dies durch die Anregung bzw. Vernichtung von Molekülschwingungen. Man bezeichnet dies als Raman Effekt. [1]
Die elastische Streuung wird als Rayleigh Streuung bezeichnet. Zusätzlich zu dem elastisch gestreuten Anteil findet sich in den Streuspektren ein geringer Anteil, der frequenzverschoben ist. Dabei treten rechts und links von der Anregungsfrequenz v0 paarweise Linien bei (v0 + vs) und (v0 – vs) auf. [1] Notwendige Bedingung für die Raman Aktivität ist die Polarisierbarkeit des Moleküls, d.h. die Deformierbarkeit der Elektronenhülle eines Moleküls unter Einwirkung eines
elektrischen Feldes.
Prinzip der Raman-Spektroskopie
Trifft Licht eine bestimmten Wellenlänge auf eine Probe, so tritt neben Absoption und Transmission auch Streueffekte auf.
Um bei Molekülen Raman-Spektroskopie anwenden zu können, muss sich die Polarisierbarkeit bei Rotation oder Schwingung des Moleküls ändern. Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Materie mit monochromatischem Licht bestrahlt, üblicherweise aus einem Laser. ImSpektrum des an der Probe gestreuten Lichts werden neben der eingestrahlten Frequenz (Rayleigh-Streuung) noch weitere Frequenzen beobachtet. Die Frequenzunterschiede zum eingestrahlten Licht entsprechen den für das Material charakteristischen Energien von Rotations-, Schwingungs-,Phonon- oder Spin-Flip-Prozessen. Aus dem erhaltenen Spektrum lassen sich, ähnlich dem Spektrum der Infrarotspektroskopie, Rückschlüsse auf die untersuchte Substanz ziehen. Die in einem Raman-Spektrum auftretenden Linien werden auch als Stokes-Linien bezeichnet.
Interpretation der Ergenisse
Aus dem Spektrum (Frequenz und der zugehörigen Intensität) und der Polarisation des gestreuten Lichtes kann man u. a. folgende Materialeigenschaften erfahren: Kristallinität, Kristallorientierung, Zusammensetzung, Verspannung, Temperatur, Dotierung und Relaxation. Die Raman-Spektroskopie erlaubt auch Aussagen über wässrige Systeme, die über Infrarot-Spektroskopie schwer zugänglich sind. So sind nicht nur abiotische, sondern auch biotische Systeme der Analyse zugänglich. Es ist prinzipiell sogar möglich, einzelne Spezies von Bakterien mittels Raman-Spektroskopie zu unterscheiden.
Die Raman-Streuung von Molekülen besitzt normalerweise einen sehr kleinen Streuquerschnitt (ca. 10−30 cm2), so dass man eine relativ hohe Konzentration an Molekülen oder eine hohe Laserintensität benötigt, um ein detektierbares Signal zu erhalten. Raman-Spektren einzelner Moleküle sind so nicht möglich.
Literatur & Quellen
- Markus Wirges (2012) „Wirkstoffüberzug von OROS-Tabletten – In-line Prozessüberwachung mittels Raman Spektroskopie und ihr Transfer vom Labor- zum Produktionsmaßstab.“ Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
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