Raman-Spektroskopie und -Mikroskopie

Konfokale Raman-Mikroskopie.
© Fraunhofer IGB
Konfokale Raman-Mikroskopie.
Innenansicht Auflichtmikroskop.
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Innenansicht Auflichtmikroskop.

Die konfokale Raman Mikrospektroskopie ermöglicht die ortsaufgelöste Identifikation von chemischen, biologischen und mineralischen Komponenten in komplexen heterogenen Proben.

 

Messprinzip und Einsatzgebiete

Ähnlich wie die Infrarot‑Spektroskopie nutzt die Raman‑Spektroskopie die Wechselwirkung von Licht mit Materie und erlaubt damit Einblicke in den molekularen Aufbau und die Eigenschaften eines Materials. Ein großer Vorteil der Raman‑Spektroskopie ist, dass bei der Untersuchung von Proben in wässrigen Medien keine störende Wasser‑Bande im Spektrum vorhanden ist.

Prinzipiell kann die Raman‑basierte Analyse und Charakterisierung auf unterschiedlichsten Materialien, von Kunststoffen über Medizin- und Pharmaprodukte bis hin zu biologischen Geweben angewandt werden.

 

Automatisierte und hochflexible Raman-Analysen mit Leica-Mikroskopen und CARS-Einheit

Mit dem konfokalen inVia™ Qontor Raman‑Mikroskop von Renishaw steht am Fraunhofer IGB ein automatisiertes und hochflexibles Mikroskop für die Forschung zu Verfügung, welches für Untersuchungen in allen Geschäftsfeldern des IGB (Gesundheit, Umwelt und Nachhaltige Chemie) eingesetzt werden kann.

Das System ist mit zwei Leica‑Mikroskopen ausgestattet, sodass sowohl Messungen in Auflicht (mit Einhausung) als auch invers in Transmission möglich sind. Das System verfügt über zwei Laser mit 532 nm (max. 50 mW) und 785 nm (max. 300 mW) und ist mit einer CARS‑Einheit (coherent anti‑Stokes Raman spectroscopy) ausgestattet.

 

Analyse chemischer Verbindungen und Materialien

Eine häufige Anwendung der Raman‑Mikroskopie ist die Analyse chemischer Verbindungen und Materialien (z. B. Katalysatoren, Flüssigkeiten etc.). Am Fraunhofer IGB wurden hier in der Vergangenheit u. a. verschiedene Hydrogele untersucht.

 

Identifizierung von Stoffen in Proben unbekannter Zusammensetzung

Darüber hinaus ermöglicht die Raman‑Mikroskopie anhand des für jeden Stoff typischen und einzigartigen Bandenmusters eine zerstörungsfreie Identifikation der chemischen Zusammensetzung unbekannter Proben. So konnten wir am Institut beispielweise den Entstehungsmechanismus chemischer Korrosion an Kupferproben ermitteln und damit eine biologische Ursache ausschließen.

 

Qualitative und quantitative Analyse von Zellen in biologischen Proben

Auch in der Biologie findet die Raman‑Spektroskopie Anwendung. Sie wird zur Analyse verschiedener Zellsysteme genutzt. Am Fraunhofer IGB verfolgen wir Ansätze zur Differenzierung unterschiedliche Mikroorganismen in Biofilmen, zur Unterscheidung von Lebend- und Totzellen durch Raman‑Spektren und zur Quantifizierung von Mikroorganismen in fluiden Systemen.

Anwendungsbeispiele

Untersuchung eines Mikrochips

Untersuchung eines Mikrochips, die Probenstelle befindet sich in einer Vertiefung von ca. 3 mm.
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Untersuchung eines verunreinigten Mikrochips, die Probenstelle befindet sich in einer Vertiefung von ca. 3 mm.

Mittels eines 50x-Objektivs mit 8,5 mm LWD (long working distance) konnten geeignete Messstellen identifiziert und ortsaufgelöst Raman-spektroskopische Untersuchungen durchgeführt werden.

Kontaminierte Messstelle (rot).
© Fraunhofer IGB
Kontaminierte Messstelle (rot).
Raman-Spektren eines Mikrochips
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Raman-Spektren der kontaminierten (rot) und nicht kontaminierten (blau) Messstellen mit 532-nm-Laser. Die pink markierten Banden bei 1600 cm-1 und 3050 cm-1 deuten auf aromatische Bestandteile der ca. 1 µm großen tröpfchenförmigen Verunreinigungen hin.
Messtelle auf einem Mikrochip
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Nicht kontaminierte Messstelle (blau).

Mikrobiologische Analysen und Raman

Differenzierung von oralen Bakterien
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Differenzierung von oralen Bakterien anhand des Raman-Spektrums und statistischer Modelle.

Verschiedene orale Bakterienstämme wurden unter denselben Bedingungen kultiviert, auf Glas-Coupons fixiert und mit einem 53-nm-Laser gemessen. Spektren wurden bearbeitet, um spezifische Banden in der Region 600‑1800 nm-1 sichtbar zu machen („Fingerprint“‑Region für organische Proben, in denen chemische Unterschiede sichtbar sind).

Statistisches Modell für Raman-Spektroskopie
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Durch ein statistisches Modell (in diesem Fall O2PLS‑DA), das auf den gesammelten Spektren basiert, konnten Unterschiede zwischen den Bakterien festgestellt werden. Diese Unterschiede sind auf unterschiedliches Bandenverhalten in der „Fingerprint“‑Region zurückzuführen.

Analyse von Korrosion

Korrodiertes Rohr
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Beispiel für Korrosion an einem Rohr (entspricht nicht der tatsächlichen Probe).

Es wurden drei verschieden korrodierte Rohr‑Proben untersucht, die unterschiedliche visuelle Eigenschaften aufzeigten. Es sollte festgestellt werden, welche Art von Korrosion vorliegt. Die erstellten Proben wurden aus einem Produktionsschritt entfernt.

Raman-Analyse gekoppelt mit FTIR-Analyse
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Die Raman Analyse gekoppelt mit FT‑IR Analysen erlaubte eine eindeutige Einordnung der Korrosionen. Zu sehen sind Kupferoxid (Probe 4) und Malachit (Proben 5 und 6). Anhand der Raman‑Spektren konnten außerdem weitere Verunreinigungen durch Kupferacetat und Kupferformiat festgestellt werden.