Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Raman-Spektroskopie: Theorie und Anwendung

Die Raman-Spektroskopie ist eine zerstörungsfreie Analysetechnik, die auf der inelastischen Streuung von Photonen im Zusammenhang mit den verschiedenen Schwingungsmodi von Molekülen basiert. Diese Entdeckung von C. v. Raman im Jahr 1928 führte zu einer einfachen, aber effektiven Methode zur Bestimmung der Struktur einfacher Moleküle, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft immer beliebter wird.

Wenn der Laser des Spektrometers mit einer Probe interagiert, wird die Energie des zurückgestreuten Lichts verändert, was zu einem Raman-Spektrum führt, das wertvolle Informationen über die chemische Struktur liefert. In diesem Artikel werden einige der am häufigsten gestellten Fragen zur Raman-Spektroskopie behandelt, die sich auf die Theorie dahinter und die praktische Anwendung beziehen.

Klicken Sie unten auf eine Frage, um direkt zu diesem Thema zu springen:

1. Was ist Raman-Spektroskopie?
2. Welche Materialien können mit Raman gemessen werden?
   
3. Welche Informationen können aus dem Raman-Spektrum gewonnen werden?
4. Wie lese ich ein Raman-Spektrum?
5. Welche Vorteile bietet die Raman-Spektroskopie?
6. Raman kann zur Identifizierung unbekannter Substanzen sowie zur Materialverifizierung verwendet werden. Was ist der Unterschied?
7. Wer sollte Raman verwenden, sowie wo, wann, wie und warum?
8. Was ist SERS und wie kann es mir helfen?

1. Was ist Raman-Spektroskopie?

Raman ist eine Form der Molekülspektroskopie, die als inelastisch gestreutes Licht beobachtet wird, wenn eine Probe von einem Laser angeregt wird. Während die meisten Streuungen elastisch erfolgen, interagieren etwa 1 von 106 Streuprozessen mit dem Molekül durch Bindungsstreckung und Biegeschwingungen, was zu Raman-Streulicht führt. Die durch diese molekularen Wechselwirkungen veränderten Raman-Photonen können zu einem Spektrum verarbeitet werden, das sich auf die einzelnen Bindungen innerhalb eines Moleküls bezieht und dem Benutzer ein unschätzbares Analyseinstrument für den molekularen Fingerabdruck bietet. Dieser "Fingerabdruck" wird in erster Linie zur Materialidentifizierung und zunehmend auch zur Quantifizierung verwendet.

Hinweis: Molekülschwingungsspektroskopie erkennt nur zwei oder mehr Atome, die eine molekulare Bindung zwischen sich haben – Salze, Ionen und Metalle erfordern andere Analysemethoden.

2. Welche Materialien können mit Raman gemessen werden?

Mit der Raman-Spektroskopie lassen sich die meisten Stoffe identifizieren, die in ausreichender Menge und Reinheit und/oder in einfachen Gemischen vorliegen. Mit Raman können Tausende von festen und flüssigen Stoffen identifiziert werden, darunter Arzneimittel, Rohstoffe für Lebensmittel und Körperpflegeprodukte, kontrollierte Substanzen und damit verbundene Vorläuferstoffe und Streckmittel, Terrorkampfstoffe, giftige und ungiftige Chemikalien, Lösungsmittel und landwirtschaftliche Behandlungsmittel (z. B. Pestizide, Insektizide).

Wie beeinflusst die Fluoreszenz die Ergebnisse bei der Messung mit Raman?

Die Fluoreszenz ist traditionell die größte Einschränkung für Raman. Es handelt sich um einen sehr viel größeren Emissionseffekt, der ein erhebliches Hintergrundrauschen im Raman-Spektrum verursacht und die Peaks der Raman-Spektroskopie verdeckt. Natürliche Stoffe (z. B. Pflanzenfasern), stark gefärbte Materialien und Stoffe mit fluoreszierenden Verunreinigungen können bei der Raman-Spektroskopie zu schlechten Ergebnissen führen. Glücklicherweise ist diese Einschränkung nicht unüberwindbar.

Eine gängige Lösung besteht darin, die Wellenlänge des Anregungslasers von der Absorptionswellenlänge des Materials - in der Regel 532, 638 oder 785 nm - zu verlagern. Die am häufigsten gewählte Wellenlänge zur Verringerung von Fluoreszenzeffekten ist 1064 nm. 

Woher wissen Sie, welche Wellenlänge am besten geeignet ist? Lesen Sie unsere kostenlose Application Note für einige Tipps.

Applikation Note: Auswahl der am besten geeigneten Laserwellenlänge für Ihre Raman-Anwendung

Metrohm Raman verwendet seine eigene Technologie im MIRA XTR DS, einem bewährten, tragbaren 785-nm-Raman-System mit Fluoreszenzunterdrückung. Erfahren Sie mehr über diese einzigartige Lösung in unserem White Paper. 

White Paper: Fluoreszenzfreie 785 nm Materialidentifikation mit MIRA XTR DS

3. Welche Informationen können aus dem Raman-Spektrum gewonnen werden?

Die Peaks im Raman-Spektrum sind sehr schmal, was die Spezifität und Selektivität erhöht. Daher können sehr ähnliche Materialien unterschieden oder Zielanalyten in Gemischen identifiziert werden. Raman eignet sich hervorragend für die Strukturaufklärung von Molekülen, einschließlich Vernetzung und Sättigung. Einzigartige Fingerabdruck-Peaks im Raman-Spektrum können zur Unterscheidung zwischen sehr ähnlichen Spezies wie Isomeren und Substanzen verwendet werden, die sich nur durch eine einzige funktionelle Gruppe unterscheiden.

Die Raman-Spektroskopie kann Benutzern dabei helfen, das Fortschreiten einer chemischen Reaktion, Unterschiede in der Kristallinität zwischen Polymorphen und Änderungen der Bindungsenergien zu beobachten, die sich aus der auf ein Material ausgeübten Spannung ergeben. Die folgende Applikation Note bietet noch mehr Einblick in diese Art von Studie.

Applikation Note: Tragbare Raman-Spektroskopie zur Untersuchung von Polymorphen und zur Überwachung polymorpher Übergänge

Die Intensität im Raman-Spektrum ist direkt proportional zur Probenkonzentration und kann auch für quantitative Analysen verwendet werden. Erfahren Sie mehr in unserer kostenlosen Applikation Note unten.

Applikation Note: Quantitative Analyse eines wasserlöslichen Polymers mit dem i-Raman EX-Spektrometer

4. Wie lese ich ein Raman-Spektrum?

Obwohl das Raman-Spektrum einen potenziellen Bereich von 0–4000 cm hat- 1, können die meisten Anwendungen mit einem schmaleren Spektralbereich abgedeckt werden. Die Fingerabdruckregion, 400–1800 cm-1, enthüllt weitgehend die molekulare Umgebung von Atomen. Dies ist ausreichend für die Identifizierung unbekannter Stoffe und die Überprüfung von Materialien (siehe Abbildung unten), die beide von der Identität der Molekularstruktur abhängen.

Außerhalb des Fingerabdruckbereichs tragen einfache Kohlenstoffketten und Wasserstoffbindung wenig zur Materialidentifikation bei. Die Region mit hoher Wellenzahl wird jedoch aktiv im medizinischen Bereich für Krebsforschung, menschliche Zahnprobleme und Biokraftstoffe erforscht. Nischenanwendungen wie Kristallstruktur in Mineralien, Gemmologie, Organometalle und Halbleiter erfordern Informationen unter 400 cm^-1. 

5. Welche Vorteile bietet die Raman-Spektroskopie?

Raman ist eine leistungsstarke Analysetechnik:

• Hohe chemische Spezifität und Selektivität
• Wenig bis keine Probenvorbereitung
• Geringe bis keine Verbrauchskosten
• Zerstörungsfreie Analyse
• Schnell – von der Datenerfassung bis zu den Ergebnissen in Sekunden
• Einfache Benutzeroberflächen = Benutzerfreundlichkeit
• Berührungslose Analyse durch Barrieren
• Flexibilität bei der Probenahme
• Flexibler Formfaktor – von Tisch- bis hin zu Handheld-Systemen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Reiz der Raman-Spektroskopie in ihrer breiten Anwendbarkeit durch Nicht-Techniker in nicht herkömmlichen Umgebungen liegt. Die Raman-Spektroskopie holt die chemischen Analysefähigkeiten aus dem Labor heraus und ermöglicht eine sofortige Materialidentifizierung genau dort, wo sie benötigt wird: am Wareneingang, in Lebensmittelproduktionsanlagen, Museen, geheimen Labors, bei der Prozessanalyse oder sogar an der Grenze. All dies sind ideale Szenarien, die von den Stärken von Raman profitieren. 

Real World Raman: Vereinfachte Inspektion eingehender Rohstoffe

Real World Raman: MIRA DS in Aktion

Raman aus der realen Welt: Aufdeckung von mit Fentanyl versetzten, gefälschten und illegalen Drogen

6. Raman kann zur Identifizierung unbekannter Substanzen sowie zur Materialverifizierung verwendet werden. Was ist der Unterschied?

Identifizierung von Unbekannten ist ein Maß für die spektrale Ähnlichkeit zwischen der unbekannten Substanz und den Spektren der Bibliothek. Diese Identifizierungsmethode ist einfach zu implementieren, schnell und eignet sich für den Einsatz mit umfangreichen, anpassbaren chemischen Bibliotheken. Ein Beispiel für diese Technik ist die Vor-Ort-Prüfung eines kleinen Tütchens mit weißem Pulver, das bei einer Verkehrskontrolle beschlagnahmt wurde, um einen schnellen Nachweis der Illegalität zu erbringen, ohne dass die Behörden einer potenziellen Gefährdung ausgesetzt werden. Laden Sie unser White Paper herunter, um weitere Informationen zu diesem Thema zu erhalten.

White Paper: Identifizierung von Betäubungsmitteln in komplexen Proben

Die Selektivität von Raman macht es auch zu einer ausgezeichneten Technik für die Überprüfung bekannter Materialien, die die Konsistenz, Reinheit und Qualität von Rohstoffen für Hersteller von Lebensmitteln, Pharmazeutika, Haar- und Hautpflegeprodukten, Kosmetika und mehr bestätigt. Die Überprüfungsmethode erkennt leichte spektrale Unterschiede, indem jedes Probenspektrum auf ein Modell projiziert wird. Je nachdem, wie gut das Probenspektrum mit dem Modell übereinstimmt, wird die Prüfung entweder bestanden oder nicht bestanden. Erfahren Sie mehr über die Verifizierung mit Raman-Spektroskopie im folgenden White Paper. 

White Paper: Verifizierung, p-Werte und Trainingssätze für die Mira P

7. Wer sollte Raman verwenden, sowie wo, wann, wie und warum?

8. Was ist SERS und wie kann es mir helfen?

Die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) ist eine spezialisierte Raman-Technik, mit der Anwender Spuren von Substanzen erkennen können. Nicht alle Materialien sind SERS-aktiv, aber stark SERS-aktive Materialien können in Teilen pro Million (ppm, mg/L) oder Teilen pro Milliarde (ppb, µg/L) nachgewiesen werden. SERS kann auch verwendet werden, um eine bestimmte Komponente in einer Mischung nachzuweisen oder stark gefärbte Farbstoffe und Materialien zu identifizieren, da es nicht anfällig für Fluoreszenz ist.

Die größte Herausforderung für die SERS-Analyse ist der Nachweis einer Zielsubstanz in komplexen Matrices, z. B. in Wasser, Tabletten (z. B. entweder regulierte Arzneimittel, rezeptfreie Medikamente oder solche, die auf der Straße verkauft werden) und einer Vielzahl von Lebensmitteln. Mit Erfahrung und Untersuchung können die einzigartigen Eigenschaften der SERS-Analyse mit einfacher Probenvorbereitung genutzt werden.

Erfahren Sie mehr darüber, wie SERS im Vergleich zu Raman in unserem vorherigen Blogbeitrag abschneidet.

Raman vs. SERS… Was ist der Unterschied?

Fazit

Letztendlich ist die Raman-Spektroskopie ein ideales Verfahren zur Materialidentifizierung oder -überprüfung, das technischen und nichttechnischen Anwendern in einer Vielzahl von Bereichen zur Verfügung steht. Raman ist einfach zu implementieren, schont die Probe und kann für die Analyse von Tausenden von Materialien verwendet werden. Wenn Sie mehr über Raman und seine zahlreichen Vorteile erfahren möchten, lesen Sie unsere anderen Blogartikel, unsere Anwendungshinweise und White Papers.

Ihr Wissen zum Mitnehmen

Monographie: Einführung in die Raman-Spektroskopie

Produktleitfaden zur Raman-Spektroskopie

Kostenlose On-Demand-Webinare zur Raman-Spektroskopie

B&W Tek Spektroskopie-Blog

EC-Raman-Lösungen