Raman-Imaging Grundlagen
Was ist Raman-Imaging?
Grundlagen der Raman-Spektroskopie
Die Raman-Bildgebung basiert auf der Kombination zweier leistungsstarker Analysetechniken: Raman-Spektroskopie und Mikroskopie.
In der Raman-Spektroskopie wird spektroskopische Information inelastisch gestreuten, monochromatischen (Laser-)Lichts verwendet, um die chemische Natur von Materie zu untersuchen.
Dieser Prozess ist zerstörungsfrei und sogar standardmäßig ein berührungsloses Verfahren.
Die Grundlagen der Raman-Mikroskopie
Traditionell untersucht die Mikroskopie sehr kleine Proben. Nehmen wir an, Sie verwenden ein 100-fach Objektiv, um ein 1 µm großes Teilchen zu analysieren.
Implementieren Sie nun ein Raman-Spektrometer in dieses Mikroskop, können Sie eine spektroskopische, chemische Analyse dieses kleinen Teilchens erhalten.
Kombinieren Sie diese Spektraldaten dann mit räumlichen Informationen in zwei oder drei Dimensionen, sprechen wir von Raman-Bildgebung.
Über Raman Imaging
Kurzgesagt nehmen Sie dann diesen winzigen Messpunkt eines Raman-Mikroskops und bewegen die Probe zu einem neuen Punkt und dann zum nächsten und so weiter.
Mit diesem sequentiellen Mapping wird dann in Abhängigkeit der Schrittweite ein Bild, bzw. räumlich aufgelöste Spektralinformation generiert.
Über ein definiertes "Messgitter" von z. B. 10 x 10 µm wird dann ein definiertes Raman image erzeugt.
Was ist ein Raman-Bild?
Generell enthält ein chemisches Bild in jedem seiner Pixel molekulare Information. In einem Raman-Bild besteht diese Information aus kompletten Raman-Spektren. Das Bild erlaubt also chemische Interpretation von ortsaufgelösten Spektraldaten.
Diese chemischen Bilder können vielfältig dargestellt bzw. visualisiert werden. Beispielsweise kann so ein Falschfarbenbild gerendert werden, welches die chemische Struktur oder Zusammensetzung betont bzw. einzelne Besonderheiten hervorhebt. Die Abbildung zeigt eine Schmerztablette, die mittels Raman-Imaging in seine einzelnen Bestandteile zerlegt wurde.
Die typische Anwendung, also das Anfertigen von Falschfarbenbildern, ist allerdings nur eine Möglichkeit die materialeigenschaften einer Probe auszuwerten und vor allem bei der Partikelanalyse gibt es viele weitere Möglichkeiten.
Wie entsteht ein Raman-Bild?
Für die Erstellung von Raman-Bildern werden meistens Raman-Mikroskope verwendet. Das Vorgehen ist dabei wie eingangs erwähnt sehr einfach: Raman-Spektren werden innerhalb eines definierten Bereichs Punkt für Punkt erfasst, wobei der Abstand zwischen den Punkten die räumliche Information zu den Raman-Daten liefert.
Der Laser wird also auf einen einzelnen Punkt der Probe fokussiert, während der Probentisch die Probe in kleinen Inkrementen unter dem Laser bewegt, bis schließlich der gesamte definierte Bereich "gemappt" wurde.
Die erfassten räumlichen Daten können dabei ein-, zwei- oder sogar dreidimensional sein und ermöglichen dadurch auch die chemische Erkundung auch in die Probe hinein! (Tiefenprofilierung)
So können spannende analytische Fragen beantwortet werden, einschließlich Aussagen über die Homogenität von Beschichtungen, die Verteilung von Komponenten oder Informationen über Partikel und andere Verunreinigungen.
Häufig gestellte Fragen zur Raman-Bildgebung
Wie ist die räumliche Auflösung eines Raman-Mikroskops definiert?
Die konfokale Optik im Raman-Mikroskop filtert das gesammelte Raman-Signal. So kann der Messpunkt, an dem das Raman-Signal empfangen wird, genau selektiert und die räumliche Auflösung verbessert werden.
Die räumliche Auflösung eines konfokalen Raman-Mikroskops wird aber durch die Beugung des Lichts physikalisch begrenzt:
- dradial = 0,61 € / NA
- daxial = 1,4 € / NA
So ergibt sich, dass ein konfokales Raman-Mikroskop Proben bis zu einem halben Mikrometer Größe problemlos analysieren und charakterisieren kann.
Was ist Raman-Bildgebung (-Imaging)?
Raman Imaging ist eine Technik, die die spektrale mit der räumlichen Information in aussagekräftigen Bildern verknüpft. Es werden also Raman-Spektren an verschiedenen Positionen auf einer Probe gemessen und dann jedes Spektrum auf nur einen beschreibenden Gesamtwert für das entsprechende Pixel im Bild reduziert.
Die häufigst verwendete Methode ist die Betrachtung der höchsten Raman-Intensität, wodurch z.B. die chemische Verteilung und Konzentration dargestellt werden kann. Aber auch Bandenverschiebung, Bandenverhältnis, Signalbreite, usw. können zur Erzeugung von Raman-Bildern in verschiedenen Anwendungsszenarien verwendet. Die Pixelwerte werden dabei häufig als Graustufen oder Falschfarbenbilder visualisiert.
Wie lange benötigt die Erzeugung eines Raman-Bildes?
Die Messung eines Raman-Bildes beinhaltet die Erfassung vieler Raman-Spektren. Daher kann die Messzeit für ein Bild, das Tausende oder sogar Millionen von Raman-Spektren enthält, enorm lang sein.
Die Raman-Empfindlichkeit des Mikroskops ist von zentraler Bedeutung bei der Erzeugung von Raman-Bildern, um möglichst kurze Messzeiten zu ermöglichen.
Daher sollten die Auswahl der Messpunkte, der Laserleistung, sowie die optische Ausbeute für eine schnellere Bildaufnahme optimiert werden.
Kann ein Raman-Mikroskop durch Materialien hindurch messen?
Ja. Ein konfokales Raman-Mikroskop hat eine beugungsbegrenzte räumliche Auflösung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung. Daher sind Tiefenprofilierung und 3D-Raman-Bildgebung zur Analyse chemischer Verteilungen unter der Oberfläche möglich, sofern Laser- und Raman-Streuung nicht zu stark vom Material absorbiert werden.
Kann ein Raman-Mikroskop zur Analyse von Flüssigkeiten eingesetzt werden?
Ja. Wasser selbst hat ein sehr schwaches Raman-Signal, weshalb in Wasser gelöste Verbindungen ohne starke Lösemittelinterferenzen gemessen werden können. Dies wird oft als einer der Hauptvorteile der Raman-Spektroskopie gegenüber FT-IR betrachtet.
Ein Tropfen der zu untersuchenden Flüssigkeit wird einfach auf einem Glasprobenträger platziert und gemessen. Um das Verdampfen der Probe zu vermeiden werden Quarzküvetten oder konkave Quarzdeckgläser für die Raman-Messungen von Flüssigkeiten verwendet.
