Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Seminar: Computergestütztes Messen Thema: Spektraloptische Analytik Dozent: Dr. Thomas Franke, Prof. Dr. Georgeta Salvan Referentin: Viviane Herdel www.tu-chemnitz.deChemnitz.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Seminar: Computergestütztes Messen Thema: Spektraloptische Analytik Dozent: Dr. Thomas Franke, Prof. Dr. Georgeta Salvan Referentin: Viviane Herdel www.tu-chemnitz.deChemnitz."—  Präsentation transkript:

1 Seminar: Computergestütztes Messen Thema: Spektraloptische Analytik Dozent: Dr. Thomas Franke, Prof. Dr. Georgeta Salvan Referentin: Viviane Herdel ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Spektraloptische Analytik

2 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 2 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Ramanspektroskopie  Stokes-Gesetz  Geschichte  Überblick  Streuungsarten  Molekülschwingungen  Der Fingerabdruck der Moleküle  Raman Gerätetechnik und der Photoelektrische Effekt Anwendung und Beispiele Ablauf

3 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 3 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Methode, welche durch Untersuchung der inelastischen Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern Rückschlüsse auf Materialeigenschaften liefert Ramanspektroskopie

4 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Stokes-Verschiebung / Stokes-Gesetz  Verschiebung der Wellenlänge bzw. der Frequenz von Licht zwischen Absorption und Emission Beispielsweise bei der Fluoreszenz und dem Raman-Effekt

5 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 5 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Geschichte der Ramanspektroskopie

6 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 6 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel 1928 entdeckte der indischen Wissenschaftler Ch.V.Raman bei der Untersuchung zur Lichtstreuung den Raman Effekt 1930 erhielt Ch.V. Raman für den experimentellen Nachweis des Raman-Effektes den Nobelpreis der Physik Zunächst starkes Interesse an der Ramanspektroskopie Nach dem zweiten Weltkrieg Entwicklung empfindlicher Infrarot-Detektoren  IR- Spektroskopie wurde zur Routinemethode  Raman-Spektroskopie wurde zurückgedrängt Ramanspektroskopie – Geschichte – Entdeckung und Vergessenheit

7 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 7 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel 1960 Entwicklung des Lasers  Renaissance der Raman-Spektroskopie  Wurde jedoch keine Routinemethode, wegen dem Hindernis : Fluoreszenz Ende der 80er/Anfang der 90er Zwei wesentliche Entwicklungen, die Raman- Spektroskopie wieder in den Blickpunkt des Interesses rückten:  die Fourier-Transform-Raman-Spektroskopie mit Anregungswellenlängen im NIR- Bereich, wo eine Anregung der Fluoreszenz äußerst selten ist  CCD-Detektoren, die eine Aufnahme von kompletten Raman-Spektren in wenigen Sekunden möglich machen Ramanspektroskopie – Geschichte – Die Renaissance

8 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 8 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Bestrahlung der Materie mit monochromatischem Licht (üblicherweise mit Laser) Im Spektrum des gestreuten Lichts erfolgt Beobachtung der eingestrahlten Frequenz (Rayleigh-Streuung) und weiteren Frequenzen (Raman-Streuung) Frequenzunterschiede zum eingestrahlten Licht entsprechen den für das Material charakteristischen Energien von Rotations-und Schwingungsprozessen  Aus dem erhaltenen Spektrum lassen sich Rückschlüsse auf die untersuchte Materie ziehen Raman-Spektroskopie - Überblick

9 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 9 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Rayleigh-Streustrahlung Streustrahlungen Raman-Streustrahlung  Stokes-Streustrahlung  Anti-Stokes-Streustrahlung

10 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 10 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Intensiver als Raman-Streustrahlung Weist im Spektrum dieselbe Frequenz wie das Erregerlicht auf Elastischen Stoß zwischen Molekül und einem Lichtquant der Erregerstrahlung  Keine Energieaufnahme/abgabe an das Molekül Rayleigh-Streustahlung (~99,9%)

11 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 11 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Weist im Spektrum eine unterschiedliche Frequenz zum Erregerlicht auf Liegt dem Raman-Effekt zugrunde  Streuphänomen mit unelastischer Streuung von Licht an Molekülen  Molekülschwingungen und Molekülrotationen Stokes-Strahlung und Anti-Stokes-Strahlung Raman-Streustahlung (~0,1%)

12 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 12 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Energieübertragung vom Photon auf das Molekül (  höheres Energieniveau)  Molekülschwingung  Die Stokes-Streustrahlung befindet sich demnach bei größeren Wellenlängen (kleinere Frequenzen) als die Rayleigh-Linie Raman Stokes-Streustrahlung

13 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 13 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Molekül befindet sich schon in angeregtem Schwingungszustand Schwingungsenergie wird an Anregungsstrahlung abgeben  Molekül geht in den Schwingungsgrundzustand über  Die Streustrahlung befindet sich demnach bei kleineren Wellenlängen (größeren Frequenzen) als die Rayleigh-Linie Intensitäten der Anti-Stokes-Linien nur gering (bei Raumtemperatur befinden sich nur wenige Moleküle im angeregten Schwingungszustand) Raman Anti-Stokes-Streustrahlung

14 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 14 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Streuungsarten

15 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 15 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Molekülschwingungen

16 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 16 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Kreise = Atome Feder = Chem. Verbindung Striche = Grad der Auslenkung Bewegung: beide Atome schwingen gegeneinander Jedes Molekül hat charakteristische Schwingbewegungen m = Masse ( je größer, desto träger die Bewegung) k = Federkraftkonstante v = Schwingungsfrequenz  Nun erfolgt ein Laserbeschuss … Molekülschwingungen

17 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 17 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Wechselwirkung zwischen Molekül und Laserlicher  Angeregter Zustand Der Grundzustand unterscheidet sich vom angeregten Zustand durch die Auslenkung Molekülschwingungen

18 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 18 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Symmetrische Streckschwingung Asymmetrische Streckschwingung Biegeschwingung Molekülschwingungen am Beispiel von H2O Sauerstoffatom Wasserstoffatom

19 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 19 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Tanz der Moleküle

20 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 20 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Jedes Molekül hat einen charakteristischen Fingerabdruck Kommt zustande durch charakteristische Bewegungen, die Molekül machen kann Die Raman-Spektroskopie macht diesen Fingerabdruck sichtbar Raman-Spektroskopie

21 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 21 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Hautentzündungen Muskelerkrankungen Lungenentzündung Toxisches Schocksyndrom Sepsis (Blutvergiftung) Alle Bestandteile (Moleküle) der Zelle haben charakteristische Bewegungen, aus denen sich der jeweilige Fingerabdruck der Moleküle ergibt. Fingerabdruck einer Zelle - Staphylococcus Aureus

22 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 22 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Die Zelle wird mit einem Laser bestrahlt Das Spektrum setzt sich zusammen aus molekularen Bestandteilen Fingerabdruck einer Zelle - Staphylococcus Aureus

23 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 23 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Fingerabdruck einer Zelle mittels Raman-Spektroskopie

24 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 24 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Für die Aufnahme von Raman-Spektren ist eine intensive und monochromatische Lichtquelle notwendig  Laserstrahlung zeitlich und räumlich kohärent parallel und gut fokussierbar Für Raman-Spektroskopie wird Laserstrahlung vom UV- über den sichtbaren bis hin zum NIR-Spektralbereich genutzt (bei bestimmten Anregungswellenlängen kann Fluoreszenz vermieden werden)  Auswahl der Wellenlänge hängt davon ab 1. welcher Laser verfügbar ist 2. erfolderlichen Empfindlichkeit der Analyse Raman-Gerätetechnik - Laser

25 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 25 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Der Photoelektrische Effekt/ Photoeffekt

26 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 26 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Vorraussetzung: metallische Platten mit Licht bestrahlen Nur negative Ladungen emittieren Direkte Proportionalität zwischen: Emittiertem Elektronenstrom und Intensität des eingestrahlten Lichts Beim Photoeffekt wird ein Photon durch die Elektronenhülle eines Atoms vollständig absorbiert  Die Energie des Photons geht auf Elektronen über. Das Elektron… 1. Verlässt das Atom vollständig verlässt (Äußerer Photoeffekt) 2. Wird in einen angeregten Zustand gehoben (Innerer Photoeffekt) Der Photoelektrische Effekt/ Photoeffekt

27 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 27 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Die Energie des Photons ist größer als die Bindungsenergie B des Elektrons  Das Elektron wird mit kinetischer Energie emittiert Äußerer Photoelektrischer Effekt

28 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 28 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Die Energie des Photons kleiner als die Bindungsenergie B des Elektrons Energie kann ausreichen, um das Elektron in einen angeregten Zustand zu versetzen Die Elektronen werden dabei mittels der Energie der Photonen vom Valenzband in das energetisch höher gelegene Leitungsband gehoben Befindet sich der angeregte Zustand in einem Leitungsband, entsteht ein Strom  Photoleitung: Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien aufgrund der Bildung von ungebundenen Elektron-Loch-Paaren bei Bestrahlung Innerer Photoelektrischer Effekt

29 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 29 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Photoleitung ist abhängig von der Energie (bzw. der Wellenlänge) des eingestrahlten Lichts  Praktische Anwendungen des inneren Photoelektrischen Effekts: Solarzellen, Belichtungsmesser oder Sensoren Innerer Photoelektrischer Effekt

30 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 30 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Das Prinzip der Halbleiterdetektoren basiert auf dem inneren photoelektrischen Effekt Beim Einwirken von Licht entstehen bewegliche Ladungsträger, die das Material elektronisch verändern  Die Lichtenergie verändert die Leitfähigkeit Halbleiterdetektoren

31 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 31 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Vorteile Geeignet für Feststoffe und Flüssigkeiten Keine Probenvorbereitung Keine Störung durch Wasser Zerstörungsfrei Für ein Material so einzigartig wie ein Fingerabdruck Raman-Spektren können in wenigen Sekunden aufgezeichnet werden Analysen durch Glas- oder Polymerverpackungen hindurch Fernanalytik: Sowohl das Laser- als auch das Raman- Streulicht kann über weite Strecken durch Glasfasern übertragen werden. Raman-Spektren können aus einem sehr kleinen Volumen erhalten werden (Durchmesser < 1 µm) Anorganische Materialien lassen sich häufig leichter Raman- als IR-spektrometrisch analysieren. Vorteile und Nachteile der Raman-Spektroskopie Nachteile Nicht geeignet für Metalle und Legierungen Der Raman-Effekt ist wenig intensiv. Für den Nachweis sind empfindliche und optimierte Spektrometersysteme erforderlich Verunreinigungen oder die Probe selbst können fluoreszieren und das Raman-Spektrum vollständig überlagern Aufheizung der Probe: Durch die intensive Laserstrahlung kann die Probe zerstört oder das Raman-Spektrum durch die entstehende Wärmestrahlung verdeckt werden

32 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 32 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Strukturaufklärung von organischen und anorganischen Verbindungen Pathogendiagnostik (Pathogen = Krankheitserreger) Zell- und Gewebediagnostik (Hautkrankheiten, Entzündungen) Qualitäts- oder Prozesskontrolle (Lebensmittelstandard, Verbraucherschutz) Regenerativen Medizin (Unterscheidbarkeit der Zelltypen, Bestimmung der Zellvitalität) Bereiche: Biochemie, Biomedizin, Medizintechnik, Materialwissenschaft, Industrie, Lebensmitteltechnologie Anwendung

33 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 33 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Optischer Handscanner Quantitative Bestimmung der mikrobakteriellen Kontamination von Fleisch und anderen Lebensmitteln In der Entwicklung: Qualitative Analyse, welche die Lebensmittelzusammensetzung misst (Schweine, Rind oder Pferdefleisch) Anwendung Beispiel 1 – der FreshSCAN

34 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 34 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Messgerät, mit dem sich sofort erkennen lässt, ob eine Wunde bakteriell kontaminiert ist Zusätzlich zum Laser-Raman-Messgerät Kompakte Kamera: Erstellt dreidimensionale Bilder einer Wunde  Heilungsprozess wird dokumentiert  Die Daten kann der Patient per Internet an seinen Arzt schicken  Arzt kann Diagnose stellen und Anweisungen zur weiteren Behandlung geben Anwendung Beispiel 2 - IndigoSCAN

35 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 35 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Entschlüsselung der molekularen Fingerabdrücke von Krankheiten z.B. für eine verlässliche Diagnose von Krankheiten wie z. B. Krebs  Detektion von zirkulierenden Tumorzellen  Sehr intensiv erforschtes Gebiet Ermöglicht: Diagnostik von Primärtumor Schweregrad erkennen Vorschlag einer optimalen und patientenspezifischen Behandlung Identifizierung der wenigen Krebszellen neben den vielen gesunden Blutzellen stellt jedoch eine sehr große Herausforderung dar Anwendung – Beispiel 3 Identifizierung/ Charakterisierung von im Blut zirkulierenden Tumorzellen

36 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 36 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Abschlussbericht: FreshScan, Innovative Konzepte zur prozessbegleitenden Charakterisierung von Lebensmitteln auf Basis mikrosystemtechnischer Detektorvarianten https://www.youtube.com/watch?v=RHpthamL-nU aachen.de/forschung/molekulare_thermodynamik/molekulare_thermodynamik/project/Experimentelle_und_theore tische/?type=1 aachen.de/forschung/molekulare_thermodynamik/molekulare_thermodynamik/project/Experimentelle_und_theore tische/?type=1 freshscanner-zum-wundscanner-1117.htm freshscanner-zum-wundscanner-1117.htm Quellen

37 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 37 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel Noch Fragen? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

38 Seminar: Computergestütztes Messen Referatsthema: Spektraloptische Analyseverfahren 38 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Viviane Herdel QUIZ


Herunterladen ppt "Seminar: Computergestütztes Messen Thema: Spektraloptische Analytik Dozent: Dr. Thomas Franke, Prof. Dr. Georgeta Salvan Referentin: Viviane Herdel www.tu-chemnitz.deChemnitz."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen