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Raman-Spektroskopie / RS

engl.: Raman spectroscopy

Raman-Spektroskopie
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Raman-Spektroskopie

schematische Darstellung eines Raman-Spektrums

Copyright: Hg
Beitrag: Hg 2009-03-31
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Prinzip

Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Probe mit monochromatischem Licht (üblicherweise einer leistungsstarken Laserquelle) bestrahlt. Das Spektrum des an der Probe gestreuten Lichts wird gemessen.

Ein sehr kleiner Teil des zurückgestrahlten Lichts weist Frequenzunterschiede zum eingestrahlten Licht auf (Raman-Shift). Diese entsprechen den für das Material charakteristischen Energien von Rotations-, Schwingungs-, Phonon- oder Spinflip-Prozessen. Der Raman-Effekt kann weitgehend symmetrisch im längerwelligen (Stokes-Seite) oder kürzerwelligen (Anti-Stokes-Seite) Bereich beobachtet werden. Vielfach wird nur ein Bereich (die Stokes Seite, also längerwellig) gemessen um den apperativen Aufbau in Grenzen zu halten.

Aus dem erhaltenen Spektrum lassen sich, ähnlich und ergänzend zu dem Spektrum der Infrarotspektroskopie, Rückschlüsse auf die untersuchte Substanz ziehen.


Technischer Aufbau

Raman Blockbild
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Raman Blockbild

Schematischer Aufbau eines Raman-Spektroskops

Copyright: berthold
Beitrag: berthold 2009-04-08
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Vereinfachter schematischer Aufbau eines Raman-Spektroskops:

  • Leistungsstarker Laser (Klasse 3 oder 4)
  • Notch-Filter: reflektiert genau in der Wellenlänge des Lasers, lässt andere Frequenzen durch
  • Optik zum fokussieren auf der Probe
  • Rückgestreutes Licht (grün gezeichnet) durch den Notch Filter wird die Rayleigh-Strahlung ausgeblendet
  • Gitter zerlegt in das Spektrum
  • gekühlter CCD-Sensor misst die Intensitäten abhängig von der Wellenlänge
  • Computer zur Berechnung, Anzeige und Weiterverarbeitung

Es sind in der Praxis weit aufwändigere Aufbauten üblich, z.B. Einsatz mehrerer verschiedenfarbiger Laser, Faseroptik zum Messkopf usw.




Mineralbestimmung mit Raman-Spektroskopie

Das Verfahren ist grundsätzlich für Gase, Flüssigkeiten und Festkörper geeignet. Bei Gasen und Flüssigkeiten arbeitet man mit einer 90° Rückstreugeometrie, bei Feststoffen mit 180°. Bei der Messung von Kristallen ist die Ausrichtug zur Kristallsymmetrie von Bedeutung. Weitere Einflussfaktoren sind Verunreinigungen, Störstellen, Fluoreszenz und Temperatur.

Eine wesentliche Einschränkung der Raman-Spektroskopie ist das Untergrundsignal das von der Fluoreszenz der Probe, von Verunreinigungen oder von der Fluoreszenz von Verunreinigungen herrühren kann. Da überschlägig von 108 einfallenden Lichtquanten nur ein Photon Raman-gestreut wird kann schon eine schwache Fluoreszenz um Größenordnungen mehr Lichtquanten erzeugen und die Messung nicht nur stören sondern unauswertbar machen. Der Einsatz längerwelliger Laser und die Technik der Fourier-Transform-Raman-Spektroskopie kann hier abhelfen.

Üblicherweise werden Mineralien durch den Vergleich der Spektren in Datenbanken (siehe Links) bestimmt. Problematisch ist die Bestimmung über den stärksten Peak da geräteabhängig dieser nicht unbedingt im messbaren Bereich liegen muss. Weiterhin erschweren Fluoreszenzeffekte und spektrale Artefakte die Identifizierung. Das Verfahren ist in der Regel zerstörungsfrei, jedoch können sich aufgrund der Erwärmung bei dunklen Mineralien Veränderungen/Beschädigungen einstellen.

Bezüglich der zur Analyse notwendigen Probemengen bestehen in erster Linie gerätebedingte Einschränkungen. Spektren von minimalen Mengen können mit einem am Mikroskop angeschlossene Raman-Spektrometer (Mikro-Raman) bzw. mit der Raman-Mikrosonde aufgenommen werden.


Raman-Diagramme

Raman-Spektrum
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Raman-Spektrum

Das Raman-Spektrum von Diamant zeigt eine scharfe Bande bei ca. 1332cm-1. Deswegen wird Diamant gerne zur Kalibrierung verwendet.

Sammlung: berthold
Copyright: berthold
Beitrag: berthold 2009-03-31
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In der Darstellung von Raman-Spektren wird die x-Achse üblicherweise mit der etwas ungewöhnlichen Δ Wellenzahl Einheit cm-1 (genauer Wellenzahldifferenz) angegeben.

Beispiel: Es wird mit einem 780 nm Laser (Wellenzahl = 10.000.000/780 nm = 12.820 cm-1) bestrahlt und z.B. bei 910 nm (Wellenzahl: 10.989 cm-1) ein Peak gemessen. Im Diagramm wird dann der Peak bei der Differenz (12.820 cm-1-10.989 cm-1 = Δ 1831 cm-1) gezeichnet.

Die y-Achse zeigt die Intensität der Rückstrahlung an. Nur in Einzelfällen und mit erheblichem Aufwand ist es möglich aus den Intensitäten quantitativ auf die Zusammensetzung zurückzurechnen.

Diese Darstellungsform hat den Vorteil unabhängig von der verwendeten Laserfrequenz und unabhängig von der Seite (Stokes/Antistokes) vergleichbare Darstellungen zu liefern.




Links - freie Mineralien-Raman-Datenbanken


Quellenangabe


Einordnung