Raman

Die Raman-Technik

RamanPrinciple

Der Raman-Effekt basiert auf der inelastischen Streuung von Licht an Materie. Strahlungsenergie kann von Molekülbindungen in Form von Vibrationsenergie aufgenommen werden. Dies bewirkt eine spezifische Energie-/Frequenz-Verschiebung im gestreuten Licht, was als Raman-Spektrum dargestellt werden kann. Da jede chemische Bindung ein einzigartiges Raman-Spektrum erzeugt, lässt sich die chemische Zusammensetzung einer Probe qualitativ und quantitativ aus diesem Spektrum ermitteln.

 

Raman-Spektroskopie

  • liefert einen "chemischen Fingerabdruck" der untersuchten Proben;
  • ist nicht-invasiv, zerstörungsfrei;
  • erfordert, wenn überhaupt, nur eine minimale Probenvorbereitung;
  • zeigt keine Interferenz mit Wasser;
  • kann zur Erzeugung eines optischen Bildes genutzt werden.

Konfokales Raman-Imaging

Konfokale Raman-Mikroskopie ist ein hochauflösendes, bildgebendes Verfahren, das man häufig zur Charakterisierung der chemischen und molekularen Zusammensetzung von Materialien und Proben einsetzt. Die chemischen Eigenschaften von festen und flüssigen Stoffen lassen sich mit einer beugungsbedingten räumlichen Auflösung (λ/2 der Anregungswellenlänge, bis zu 200 nm) analysieren. Die Proben müssen dafür weder markiert noch anderweitig präpariert werden. Mittels Raman-Bildern kann man die chemischen Komponenten und deren räumliche Verteilung in den untersuchten Proben anschaulich darstellen.

 

Die Raman-Mikroskope und bildgebenden Verfahren von WITec erreichen durch Kombination eines extrem empfindlichen, konfokalen Mikroskops mit einem ultrahigh-throughput Spektroskopiesystem beispiellose chemische Empfindlichkeit.

 

 

WTC RAMAN 504x257

3D Raman-Imaging und Tiefenprofile

3D Volumen-Scans und Tiefenprofile können wertvolle Informationen über die Dimension eines Objekts oder die Verteilung einer bestimmten Verbindung in einer Probe liefern.

Konfokale Raman-Mikroskopiesysteme von WITec ermöglichen Tiefenauflösung bei geringem Hintergrundrauschen, so dass sich Tiefenprofile und 3D-Bilder mit außergewöhnlicher spektraler und räumlicher Auflösung generieren lassen. Die Bilder werden Punkt für Punkt und Zeile für Zeile aufgenommen, wobei die Probe durchweg im Focus bleibt. Mit dieser Technik kann man die Proben auch segmentweise entlang der optischen Achse analysieren.

 

 

WITec 3DRaman FluidInclusion

3D konfokales Raman-Bild eines Flüssigkeitseinschlusses in Granat (Rot: Granat, Blau: Wasser, Grün: Calcit, Türkis: Glimmer).

Scanbereich: 60 μm x 60 μm x 30 μm.

WITec Raman DepthProfile

Raman-Tiefenprofil (x-z-Richtung) einer mehrlagigen Polymerschicht mit den jeweiligen Spektren.

Scanbereich 50 μm x 100 μm, 200 x 200 Pixel, 24.000 Spektren, Aufnahmedauer pro Spektrum: 50 ms.

WITec 3DRaman Emulsion

3D konfokales, farbcodiertes Raman-Bild einer Emulsion aus Öl (grün), Alkanen (Magenta) und Wasser (Blau).

Scanbereich 30 μm x 30 μm x 11.5 μm, 150 x 150 x 23 Pixel, 517.500 einzelne Raman-Spektren, gesamte Aufnahmezeit 23 min.

Ultrafast Raman-Imaging

aronal animatedGIF PPT2003

Aufnahme eines ultraschnellen Raman-Bildes in Echtzeit mit 760 µs / Spektrum, 40.000 Spektren = 42 s / Bild.

Mit dem ultraschnellen Raman-Imaging lässt sich ein Raman-Bild in nur wenigen Minuten erzeugen. Mit anderen Worten: die Aufnahme eines Raman-Spektrums lässt sich in nur 760 Mikrosekunden bewerkstellligen. In einer Sekunde kann man 1300 Raman-Spektren erfassen.

Die neueste spektroskopische EMCCD-Detektortechnologie und die Hochdurchsatz-Optik eines konfokalen Raman-Imaging-Systems sind die Schlüsselelemente dieses neuen Geräts. Es eignet sich besonders gut für Messungen an empfindlichen und wertvollen Proben, wenn man mit möglichst niedriger Anregungsenergie arbeiten muss. Auch zeitaufgelöste Untersuchungen von schnellen, dynamischen Prozessen können von der ultraschnellen Erfassung der Raman-Spektren profitieren.

 

Vorteile:

  • Kosten-Reduktion durch eine kürzere Analysedauer bei gleichzeitiger vermehrter Daten-Generierung;
  • Schnelle Durchführbarkeit zeitkritischer Arbeiten;
  • Ideal für empfindliche und wertvolle Proben, die nur geringe Anregungsenergie schadfrei tolerieren;
  • Untersuchung schneller, dynamischer Prozesse (Spektren und/oder Bildserien) mit zeitaufgelösten Raman-Messungen.

Kombinierte Raman-Analyse von WITec

Die WITec-Systeme sind modular aufgebaut, so dass verschiedene Techniken wie Raman-Imaging, Fluoreszenz, Luminiszenz, Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) und Scanning Nahfeld Optische Mikroskopie (SNOM oder NSOM) in einem Gerät kombiniert werden können. Somit lässt sich an jeder Probe eine umfassende Analyse durchführen. Der Wechsel von einer zur nächsten Methode ist ganz simpel: man dreht einfach den Objektivrevolver.

 

Raman und AFM

Durch Kombination von konfokalem Raman-Imaging mit AFM lassen sich Informationen über die chemischen Eigenschaften einer Probe mit der Darstellung ihrer Oberfläche verknüpfen. Diese beiden komplementären Techniken sind in den Raman-AFM-Mikroskopen vereinigt worden und ermöglichen eine umfassende Probencharakterisierung. Eine typische Anwendung für Raman-AFM-Mikroskope ist TERS (Tip-Enhanced Raman-Spektroskopie).

 

 

WITec Raman AFM polymer blend cleavage

Zweimal derselbe Ausschnitt einer Polymermischung dargestellt mit Raman (links) und AFM (rechts), aufgenommen mit einem Raman-AFM-Mikroskop von WITec.

Raman und SNOM

Eine kombinierte Analyse mittels Raman und SNOM, jenseits des optischen Beugungslimits, liefert informative Resultate selbst bei anspruchsvollen Experimenten.

 

 

Raman und SEM

Die Kombination von Raman und SEM ist eine neue korrelative Mikroskopietechnik. Dadurch lassen sich die durch SEM im Nanobereich detektierten Strukturen mit den durch Raman gewonnen chemischen Informationen korrelieren.

Diorite RamanSEM

Überblendetes Raman-SEM-Bild einer geologischen Probe. Die Bilder wurden mit dem korrelativen RISE-Mikroskop aufgenommen.

Hochauflösendes Raman-Imaging auf die Spitze getrieben

Die konfokalen Raman-Imaging-Systeme von WITec erreichen eine räumliche Auflösung von bis zu 200 nm lateral und 780 nm vertikal. Spezielle Fragestellungen können allerdings Raman-Informationen mit einer Auflösung jenseits des Abbe'schen Beugungslimits, also < 200 nm lateral, nötig machen. WITec-Mikroskope sind auch für solche Zwecke ideal geeignet, weil sie verschiedene Mikroskopietechniken in einem Gerät vereinigen und damit das Beugungslimit überwinden können.

Nearfield Raman WorkingPrinciple

Nahfeld-Raman-Imaging

Die Verknüpfung von chemischer Raman-Information mit hochauflösender Scanning Nahfeld Optischer Mikroskopie (SNOM) ist ein außergewöhnliche Mikroskopievariante. Mit Nahfeld-Raman-Imgaging ist es möglich, konfokale Raman-Bilder mit einer lateralen Auflösung von < 100 nm zu erzeugen.

Durch die einzigartige Kombination eines ultrahigh-throughput Spektroskopiesystems mit einem SNOM-Mikroskop von WITec, das mit der WITec-eigenen Cantilever-Technologie arbeitet, erreicht man besondere Empfindlichkeit und Bildqualität.

 

Das Prinzip

Der Anregungslaser wird durch die SNOM-Cantileverspitze im Nahfeld (evanescenten Feld) der Apertur fokussiert. Während die Probe auf einem Piezo-getriebenen Scantisch fährt, rastert der Laser sie Punkt für Punkt und Zeile für Zeile ab. Auf diese Weise entsteht ein hyperspektrales Raman-Bild. Die optische Auflösung hängt somit nur vom Durchmesser der Apertur (des Cantilevers) ab und liegt i.d.R. bei < 100 nm. Der Cantilever steht in ständigem Kontakt zur Probe, da seine Position wie im AFM-Kontakt-Modus optisch über die Strahlablenkung kontrolliert wird.

TERS

Auch Tip Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) liefert chemische Informationen über eine Probe mit einer lateralen Auflösung, die weit unter dem Beugungslimit liegt. TERS ist eine Kombination aus Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) und Rasterkraftmikroskopie-Techniken, z.B. AFM. Das einzigartige Mikroskopiesystem von WITec, welches Raman und AFM in einem Instrument integriert, ist erstklassig ausgerüstet für TERS-Experimente. 

Um einen TERS-Effekt zu erzeugen, kann man eine mit (Edel-)Metall beschichtete AFM-Spitze als Nanostruktur benutzen. Das Licht des Anregungslasers fokussiert man auf den Apex dieser Spitze. Vermutlich durch Oberflächenplasmon-Resonanz erhöht sich lokal die Feldstärke, wodurch die Raman-Signale intensiviert werden. Die laterale Auflösung hängt vom Apex-Durchmesser ab und kann z.B. 10 - 20 nm betragen.

Die Belichtung der Spitze kann von oben, von unten oder von der Seite erfolgen. Die Mikroskopiesysteme von WITec sind mit einer Strahlengeometrie ausgestattet, die alle Belichtungsarten möglich macht. Das invertierte Mikroskop ist ideal für TERS-Experimente an transparenten Proben, das Auflichtmikroskop und die seitliche Belichtung bietet sich für TERS an lichtundurchlässigen Proben an.

Beispiele für TERS-Anwendungen können Sie in diesen Veröffentlichungen nachlesen:

G. Rusciano et al., Nanoscale Chemical Imaging of Bacillus subtilis Spores by Combining Tip-Enhanced Raman Scattering and Advanced Statistical Tools. ACS nano 8, 12300-12309 (2014).

A. Weber-Bargioni et al., Hyperspectral Nanoscale Imaging on Dielectric Substrates with Coaxial Optical Antenna Scan Probes. Nano letters 11, 1201-1207 (2011).

 

 

 

 

 

Raman TERS Principle

WITec Raman-Imagingsysteme

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