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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
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) 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 hervorragenden konfokalen Mikroskops mit einem ultrahigh-throughput Spektroskopiesystem eine hohe chemische Empfindlichkeit für anspruchsvolle chemische und molekulare Analysen.
3D-Scans und Tiefenprofile können wertvolle Informationen über die Maße und Größen eines Objekts oder die Verteilung einer molekularen Verbindung in einer Probe liefern.
Konfokale Raman Mikroskopiesysteme von WITec ermöglichen eine exzellente Tiefenauflösung bei geringem Hintergrundrauschen, so dass sich Tiefenprofile und 3D-Bilder mit außergewöhnlicher spektraler und räumlicher Auflösung erstellen lassen. Die Bilder werden Punkt für Punkt und Zeile für Zeile aufgenommen, wobei die Probe durchweg im Fokus bleibt. Mit dieser Technik kann man die Proben auch segmentweise entlang der optischen Achse analysieren.
Mit dem ultraschnellen Raman Imaging lässt sich ein Raman Bild in nur wenigen Minuten erzeugen.
Die neueste spektroskopische EMCCD-Detektortechnologie und die Hochdurchsatz-Optik eines konfokalen Raman Imaging Systems sind die Schlüsselelemente für ultraschnelles Raman Imaging. 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 lassen sich durch die ultraschnelle Erfassung der Raman Spektren durchführen.
Vorteile:
Die WITec Systeme sind modular aufgebaut, so dass verschiedene Techniken wie Raman Imaging, Fluoreszenz, Lumineszenz, Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) und Optische Nahfeld-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 einfach: man dreht einfach den Objektivrevolver.
Durch Kombination von konfokalem Raman Imaging mit AFM lassen sich Informationen über die chemischen Eigenschaften einer Probe mit der Darstellung der Oberfläche verknüpfen. Diese beiden komplementären Techniken sind in den Raman-AFM-Mikroskopen vereint worden und ermöglichen eine umfassende Probencharakterisierung. Eine typische Anwendung für Raman-AFM-Mikroskope ist TERS (Tip-Enhanced Raman-Spektroskopie).
Eine kombinierte Analyse mittels Raman und SNOM, jenseits des optischen Beugungslimits, liefert informative Resultate selbst bei anspruchsvollen Experimenten in hoher Auflösung.
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.
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 vereinen und damit das Beugungslimit überwinden können.
Die Verknüpfung von chemischer Raman Information mit hochauflösender Optischer Nahfeld-Mikroskopie (SNOM) ist eine außergewöhnliche Mikroskopievariante. Mit Nahfeld Raman Imaging 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.
Der Anregungslaser wird durch die SNOM-Cantileverspitze im Nahfeld (evaneszentes 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 in der Regel 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.
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 Gerät integriert, ist erstklassig geeignet 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 inverse Mikroskop ist ideal für TERS-Experimente an transparenten Proben, das Auflichtmikroskop und die seitliche Belichtung bieten sich für TERS an lichtundurchlässigen Proben an.
Beispiele für TERS-Anwendungen können Sie in diesen Veröffentlichungen nachlesen:
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