Raman-Spektroskopie

Unter Raman-Spektroskopie (benannt nach dem indischen Physiker C. V. Raman) versteht man die spektroskopische Untersuchung der inelastischen Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern (Raman-Streuung). Sie dient unter anderem der Untersuchung der Materialeigenschaften zum Beispiel von Halbleitern oder Pigmenten (etwa bei Kunstgegenständen).

Funktionsprinzip

→ Hauptartikel: Raman-Streuung

Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Materie mit monochromatischem Licht, üblicherweise aus einem Laser, bestrahlt. Im Spektrum 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.

Der Grund liegt in einer Wechselwirkung des Lichtes mit der Materie, dem sogenannten Raman-Effekt, bei dem Energie vom Licht auf die Materie übertragen wird („Stokes-Seite“ des Spektrums), bzw. Energie von der Materie auf das Licht („Anti-Stokes-Seite“ des Spektrums). Da die Wellenlänge des Lichts, d. h. seine Farbe, von der Energie des Lichtes abhängt, bewirkt dieser Energieübertrag eine Verschiebung der Wellenlänge des gestreuten Lichtes gegenüber dem eingestrahlten Licht, die sogenannte Raman-Verschiebung.

Neben der klassischen Raman-Spektroskopie existieren noch einige Varianten und Weiterentwicklungen. Dazu gehören spektroskopische Techniken basierend auf der nichtlinearen Raman-Streuung (z. B. CARS, engl. coherent anti-stokes Raman scattering) und der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (engl. surface enhanced raman scattering, SERS) sowie die Kombination aus SERS und Rasterkraftmikroskopie (engl. atomic force microscopy, AFM), der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie (engl. tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS) ^[1][2][3].

Aussagen

Aus dem Spektrum (Frequenz und der zugehörigen Intensität) und der Polarisation des gestreuten Lichtes kann man Materialeigenschaften wie Kristallinität, Orientierung, Zusammensetzung, Verspannung, Temperatur, Dotierung, Relaxation usw. erfahren. Die Raman-Spektroskopie erlaubt auch Aussagen über wässrige Systeme, welche über Infrarot-Spektroskopie schwer zugänglich sind. So sind nicht nur abiotische Systeme der Analyse zugänglich. Es ist prinzipiell sogar möglich, einzelne Spezies von Bakterien mittels Raman-Spektroskopie zu unterscheiden^[4].

Die Raman-Streuung von Molekülen besitzt normalerweise einen sehr kleinen Streuquerschnitt (ca. 10⁻³⁰ cm^2[3]), 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. Dies ist jedoch mithilfe der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (surface enhanced raman scattering, SERS) möglich. Bei Auftreten von SERS können Verstärkungen der Raman-Signale von 10⁶ bis 10⁸ gegenüber den Signalen in Abwesenheit der metallischen Oberfläche erreicht werden. Die eigentliche Signalverstärkung kommt dadurch zustande, dass an metallischen Oberflächen sehr hohe Feldstärken auftreten, welche lokal zu einem sehr starken Intensitätseintrag führen. Mittels intelligent designter Metallstrukturen ist es möglich, örtlich sehr begrenzte elektro-magnetische Felder hoher Feldstärke zu erzeugen, und somit Raman-Spektroskopie an einzelnen Molekülen durchzuführen.

Siehe auch

• Oberflächenchemie
• Partikelplasmon

Literatur

• Josef Brandmüller, Heribert Moser: Einführung in die Ramanspektroskopie. Steinkopff, Darmstadt 1962 (Wissenschaftliche Forschungsberichte. Naturwissenschaftliche Reihe 70, ISSN 0084-0920).
• D. B. Chase, J. F. Rabolt (Hrsg.): Fourier Transform Raman Spectroscopy. From Concept To Experiment. Academic Press, San Diego CA u. a. 1994, ISBN 0-12-169430-5.
• Jeanette G. Grasselli (Hrsg.): Analytical Raman Spectroscopy. Wiley, New York NY u. a. 1991, ISBN 0-471-51955-3 (Chemical Analysis 114 A Wiley Interscience Publication).
• Michael J. Pelletier: Analytical Applications Of Raman Spectroscopy. Reprinted. Blackwell Science, Malden MA u. a. 2001, ISBN 0-632-05305-4.
• Bernhard Schrader (Hrsg.): Infrared And Raman Spectroscopy. Methods and Applications. VCH, Weinheim u. a. 1995, ISBN 3-527-26446-9.

Weblinks

• Nahfeld-Raman-Spektroskopie

Einzelnachweise

1. ↑ M. Schmitt, C. Krafft, J. Popp: Molekulares Imaging: Raman, CARS und TERS. In: BIOspektrum. 14, Nr. 6, 2008, S. 605–607 (PDF).
2. ↑ P. G. Etchegoin, E. C. Le Ru: A perspective on single molecule SERS: current status and future challenges. In: Physical Chemistry Chemical Physics. 10, Nr. 40, 2008, S. 6079–6089, doi:10.1039/b809196j (PDF).
3. ↑ ^{a b} Thomas Hellerer: CARS-Mikroskopie: Entwicklung und Anwendung. München, 2004 (Ludwig-Maximilians-Universität München, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Abstract & PDF).
4. ↑ M. Krause, P. Rösch, B. Radt, J. Popp: Localizing and identifying living bacteria in an abiotic environment by a combination of Raman and fluorescence microscopy. In: Analytical Chemistry. 80, Nr. 22, 2008, S. 8568–8575, doi:10.1021/ac8014559.