Raman-Spektroskopie ist eine schwingungsspektroskopische Technik, die die inelastische Streuung von monochromatischem Licht, typischerweise von einem Laser, misst. Es liefert ergänzende Informationen zur Infrarotspektroskopie und ist besonders wertvoll für die Analyse wässriger Proben, kristalliner Materialien und biologischer Proben.

Prinzip der Raman-Streuung

Wenn monochromatisches Licht mit einem Molekül interagiert, unterliegen die meisten Photonen einer Rayleigh-Streuung (elastisch, keine Energieänderung), während ein kleiner Teil (ungefähr 1 von 10^7 Photonen) einer Raman-Streuung (inelastisch) mit einer Energieänderung unterliegt. Bei der Stokes-Raman-Streuung hat das gestreute Photon eine niedrigere Energie (längere Wellenlänge) als das einfallende Licht, was einer molekularen Schwingungsanregung entspricht. Bei der Anti-Stokes-Raman-Streuung hat das gestreute Photon eine höhere Energie (kürzere Wellenlänge) und tritt auf, wenn das Molekül in einen angeregten Schwingungszustand übergeht. Die Raman-Verschiebung (cm-1) ist die Energiedifferenz zwischen einfallendem und gestreutem Licht, unabhängig von der Laserwellenlänge.

Raman vs. Infrarotspektroskopie

Raman und IR sind komplementäre Techniken, die unterschiedlichen Auswahlregeln unterliegen. Raman-Aktivität erfordert eine Änderung der Polarisierbarkeit während der Vibration, während IR-Aktivität eine Änderung des Dipolmoments erfordert. Symmetrische Schwingungen (z. B. C=C-Streckschwingung in Alkenen) sind im Raman typischerweise stark, im IR jedoch schwach, wohingegen asymmetrische Schwingungen im IR stark, im Raman jedoch schwach sind. Wasser ist ein schwacher Raman-Streuer, aber ein starker IR-Absorber, was Raman ideal für wässrige Lösungen und biologische Proben macht. Darüber hinaus weisen Raman-Spektren bei Verwendung längerwelliger Laser (785 nm, 1064 nm) weniger Fluoreszenzinterferenzen auf als IR.

Instrumentierung

Ein Raman-Spektrometer umfasst eine Laserquelle mit üblichen Wellenlängen von 532 nm (grün), 633 nm (rot), 785 nm (nahes IR) und 1064 nm (IR); Längere Wellenlängen reduzieren die Fluoreszenz, folgen aber dem umgekehrten Gesetz der vierten Potenz, was zu einer geringeren Raman-Intensität führt. Der Laser wird durch ein Mikroskopobjektiv (Mikro-Raman) oder eine Linse auf die Probe fokussiert und ermöglicht so die Analyse von Mikrogrammmengen und eine räumliche Auflösung bis zu 1 µm. Ein Spektrograph mit Beugungsgitter trennt das Raman-gestreute Licht nach Wellenlänge, und Kerb- oder Kantenfilter entfernen die intensive Rayleigh-Linie. CCD-Detektoren (Charge Coupled Device) bieten eine hohe Empfindlichkeit für die Mehrkanaldetektion, während Fourier Transform (FT)-Raman ein Interferometer und einen Einkanaldetektor mit 1064-nm-Anregung verwendet.

Spezielle Raman-Techniken

Mehrere fortschrittliche Raman-Techniken verbessern seine Fähigkeiten. Die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) nutzt die Adsorption von Analytmolekülen auf aufgerauten Edelmetalloberflächen (Ag, Au), um Raman-Signale um 10^6-10^10 zu verstärken und so die Einzelmoleküldetektion zu ermöglichen. Die Resonanz-Raman-Spektroskopie (RRS) passt die Laserwellenlänge an eine elektronische Absorptionsbande des Analyten an und verstärkt bestimmte Schwingungsmoden um 10^3-10^5. Die konfokale Raman-Mikroskopie nutzt eine Lochblende, um unscharfes Licht zu unterdrücken und ermöglicht so die Erstellung von Tiefenprofilen und die dreidimensionale chemische Abbildung heterogener Proben. Die spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) kombiniert Rastersondenmikroskopie mit SERS für die chemische Bildgebung mit einer räumlichen Auflösung im Nanometerbereich.

Anwendungen

Raman-Spektroskopie wird zur Identifizierung von Pigmenten in Kunst und archäologischen Artefakten durch zerstörungsfreie Analyse, pharmazeutisches Polymorph-Screening und Erkennung gefälschter Arzneimittel, Diagnose von Krankheiten durch spektrales Raman-Fingerprinting von Geweben und Bioflüssigkeiten, Qualitätskontrolle von Halbleitern, Polymeren und Kohlenstoffmaterialien (Graphen, Kohlenstoffnanoröhren) sowie biomedizinische In-vivo-Bildgebung und Endoskopie mithilfe faseroptischer Raman-Sonden eingesetzt.