Raman-Spektrometer-Optik erklärt

Als nächstes muss das Licht getrennt werden, damit wir genau bestimmen können, wie das Licht mit der Probe interagiert hat. Um das Licht zu trennen, wird ein Beugungsgitter verwendet. Wenn Licht auf ein Beugungsgitter scheint, verlassen die verschiedenen Wellenlängen des Lichts das Beugungsgitter in leicht unterschiedliche Richtungen. Dies liegt daran, dass der Winkel des Lichts beim Austritt aus dem Beugungsgitter direkt mit der Wellenlänge des Lichts zusammenhängt.

Von dort wird das separierte Licht zu einem CCD-Detektor geschickt. Da sich jede Wellenlänge des Lichts, die das Beugungsgitter verlässt, in einem etwas anderen Winkel bewegt, landet jede Wellenlänge des Lichts an einem anderen Punkt auf dem Detektor. Der Detektor erfasst dann diese Informationen und erstellt im Wesentlichen ein "Foto" des Raman-Streulichts, das schließlich zur Erzeugung des Raman-Spektrums verwendet wird.

Der am häufigsten verwendete Laser in der Raman-Spektroskopie ist ein grüner Laser mit 532 nm, da diese Laser eine hohe Empfindlichkeit zu geringen Kosten bieten. Je kürzer die Wellenlänge des Lasers ist, desto höher ist die Empfindlichkeit. Für Experimente, die eine sehr hohe Empfindlichkeit erfordern, sollte stattdessen ein teurerer blauer 488-nm-Laser verwendet werden.

Die Empfindlichkeit ist jedoch nicht der einzige Faktor, der bei der Auswahl eines Lasers berücksichtigt werden muss. Laser mit einer kürzeren Wellenlänge führen eher dazu, dass die Probe fluoresziert, was das Raman-Spektrum stört. Wenn also eine Probe fluoresziert, wenn ein 532-nm-Laser verwendet wird, funktioniert ein 785-nm-Infrarotlaser oft besser. Da der 785-nm-Laser die meisten Proben nicht zum Fluoreszieren bringt, ist er ein sehr vielseitiger Laser für die meisten Experimente, allerdings auf Kosten einer gewissen Empfindlichkeit.  

Laser mit einer längeren Wellenlänge neigen jedoch dazu, mehr Wärme zu erzeugen, die die Probe beschädigen könnte. Dies kann gemildert werden, indem die Leistung des Lasers verringert wird - was wiederum leider die Empfindlichkeit von Raman weiter verringert. Aus diesem Grund ist ein 633-nm-Laser für einige Experimente eine gute Wahl, die Wellenlänge ist lang genug, um Fluoreszenz zu vermeiden, aber kürzer als der 785-nm-Laser, sodass die Probe nicht so stark erhitzt wird.

Das Beugungsgitter im Inneren des Raman-Spektrometers verteilt die verschiedenen Wellenlängen des Raman-Streulichts im Raum, bevor es den CCD-Detektor erreicht. Wie stark oder wie wenig das Licht gestreut wird, kann durch Ändern der Anzahl der Linien auf dem Beugungsgitter eingestellt werden. Beugungsgitter mit einer höheren Liniendichte, d.h. mehr Linien pro Millimeter auf dem Gitter, sorgen dafür, dass sich das Licht stärker ausbreitet.

Die Kontrolle, wie sich das Licht über den Detektor ausbreitet, ist sehr nützlich, um verschiedene Teile des Raman-Spektrums zu untersuchen. Um den gesamten Raman-Bereich (100 – 3500 ^cm-1) zu untersuchen, muss ein großer Wellenlängenbereich betrachtet werden. Aus diesem Grund ist ein Gitter mit einer geringeren Liniendichte erforderlich, da Beugungsgitter mit einer geringeren Liniendichte das Licht nicht so stark streuen, sodass ein größerer Lichtbereich den Detektor erreichen kann.

Um einen kleinen Teil des Spektrums zu untersuchen, ist ein Beugungsgitter mit einer höheren Liniendichte erforderlich, wodurch sich das Licht stärker ausbreitet. Das bedeutet, dass insgesamt weniger Licht den Detektor erreicht, wir aber bestimmte Teile des Spektrums genauer untersuchen können - z.B. mit höherer spektraler Auflösung.

Wenn der Laser für ein Raman-Experiment ausgetauscht wird, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass auch das Beugungsgitter geändert werden muss. Obwohl die Raman-Verschiebungen für eine Probe immer gleich sind, beeinflusst die Wellenlänge des Lasers die Wellenlänge des Raman-Streulichts, das den Detektor erreicht. 

Wenn ein Laser mit einer kürzeren Wellenlänge verwendet wird, hat das resultierende Raman-Streulicht Licht mit Wellenlängen, die nahe beieinander liegen. Das bedeutet, dass Laser mit einer kürzeren Wellenlänge ein Beugungsgitter mit einer höheren Liniendichte benötigen, um das Licht besser über den Detektor zu verteilen. Laser mit längeren Wellenlängen erzeugen Streulicht, das stärker gestreut ist, daher sollte ein Beugungsgitter mit geringerer Liniendichte verwendet werden.

Bei der Häufigkeit, mit der Gitterroste möglicherweise gewechselt werden müssen, ist zu beachten, dass Gitterroste sehr empfindlich sind und leicht ruiniert werden können, wenn sie mit Lösungsmitteln oder sogar Öl von Fingerabdrücken in Kontakt kommen. Glücklicherweise haben moderne Raman-Spektrometer mehrere Gitter auf einem Revolver, so dass das Gitter automatisch gewechselt werden kann.

Es ist auch erwähnenswert, dass das Raman-Spektrometer immer kalibriert werden sollte, nachdem das Gitter gewechselt wurde. Dies liegt daran, dass sich der Gitterrevolver möglicherweise nicht immer an die gleiche Stelle dreht, was bedeutet, dass das Licht, das vom Beugungsgitter ausgeht, auf leicht unterschiedliche Teile des Detektors fallen kann. Um das Spektrometer entsprechend zu kalibrieren, wird eine Referenzprobe mit bekannten Peaks gemessen. Die typischen Referenzen sind eine Neon-, Argon- oder Quecksilberlampe.

Die Optimierung eines Raman-Experiments ist oft ein Balancespiel. Unterschiedliche Laser haben unterschiedliche Stärken und Schwächen. Die Wahl eines Beugungsgitters oder einer anderen Komponente im Spektrometer, die die Auflösung des Spektrums erhöht, verringert in der Regel die Empfindlichkeit. Wenn Sie jedoch all diese Faktoren beim Aufbau eines Experiments berücksichtigen, erhalten Sie qualitativ hochwertige Spektren für eine Vielzahl von Proben.