Ramanspektroskopie

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, Pigmenten, Kunstgegenständen.

Funktionsprinzip

→ Hauptartikel zu den physikalischen Grundlagen: 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 Spinflip-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 nicht-lineare Raman-Streuung (engl. coherent anti-stokes Raman scattering, CARS) 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 der Frequenz, der Intensität, dem Spektrum 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.

Die Raman-Streuung von Molekülen besitzt normalerweise einen sehr kleinen Streuquerschnitt (ca. 10³⁰ 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 Felder auftreten, welche lokal zu einem sehr starken Intensitätseintrag führen. Mittels intelligent designter Metallstrukturen ist es möglich sehr hohe und örtlich sehr begrenzte elektro-magnetische Felder zu erzeugen, und somit Raman-Spektroskopie an einzelnen Molekülen durchzuführen.

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 (Abstract & PDF ; Ludwig-Maximilians-Universität München, Fakultät für Chemie und Pharmazie, 2004). 

Literatur

• Jeanette G. Grasselli: Analytical Raman Spectroscopy. Wiley, 1991, ISBN 0-471-51955-3.
• Michael J. Pelletier: Analytical Applications Of Raman Spectroscopy. Wiley, ISBN 0-632-05305-4.
• Bernhard Schrader: Infrared And Raman Spectroscopy. VCH, 1995, ISBN 3-527-26446-9.
• Josef Brandmueller, Heribert Moser: Einführung in die Ramanspektroskopie. Steinkopff, 1962.
• D. B. Chase: Fourier Transform Raman Spectroscopy: From Concept To Experiment. Academic Press, 1994, ISBN 0-12-169430-5.

Siehe auch

• Oberflächenchemie
• Partikelplasmon

Weblinks

• Nahfeld-Raman-Spektroskopie
• Linkverzeichnis zur Raman-Spektroskopie (in Englisch)