Spektraloptische Analytik

Ablauf Ramanspektroskopie Stokes-Gesetz Geschichte Überblick Streuungsarten Molekülschwingungen Der Fingerabdruck der Moleküle Raman Gerätetechnik und der Photoelektrische Effekt Anwendung und Beispiele

Ramanspektroskopie Methode, welche durch Untersuchung der inelastischen Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern Rückschlüsse auf Materialeigenschaften liefert

Stokes-Verschiebung / Stokes-Gesetz Verschiebung der Wellenlänge bzw. der Frequenz von Licht zwischen Absorption und Emission Beispielsweise bei der Fluoreszenz und dem Raman-Effekt

Geschichte der Ramanspektroskopie

Ramanspektroskopie – Geschichte – Entdeckung und Vergessenheit 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 – Die Renaissance 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

Raman-Spektroskopie - Überblick 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

Streustrahlungen Rayleigh-Streustrahlung Raman-Streustrahlung Stokes-Streustrahlung Anti-Stokes-Streustrahlung

Rayleigh-Streustahlung (~99,9%) 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

Raman-Streustahlung (~0,1%) 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 Stokes-Streustrahlung 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 Anti-Stokes-Streustrahlung 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)

Streuungsarten

Molekülschwingungen

Molekülschwingungen 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 Wechselwirkung zwischen Molekül und Laserlicher  Angeregter Zustand Der Grundzustand unterscheidet sich vom angeregten Zustand durch die Auslenkung

Molekülschwingungen am Beispiel von H2O Symmetrische Streckschwingung Asymmetrische Streckschwingung Biegeschwingung Sauerstoffatom Wasserstoffatom

Tanz der Moleküle

Raman-Spektroskopie Jedes Molekül hat einen charakteristischen Fingerabdruck Kommt zustande durch charakteristische Bewegungen, die Molekül machen kann Die Raman-Spektroskopie macht diesen Fingerabdruck sichtbar

Fingerabdruck einer Zelle - Staphylococcus Aureus 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 Die Zelle wird mit einem Laser bestrahlt Das Spektrum setzt sich zusammen aus molekularen Bestandteilen

Fingerabdruck einer Zelle mittels Raman-Spektroskopie

Raman-Gerätetechnik - Laser 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 welcher Laser verfügbar ist erfolderlichen Empfindlichkeit der Analyse

Der Photoelektrische Effekt/ Photoeffekt

Der Photoelektrische Effekt/ Photoeffekt 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)

Äußerer Photoelektrischer Effekt Die Energie des Photons ist größer als die Bindungsenergie B des Elektrons Das Elektron wird mit kinetischer Energie emittiert

Innerer Photoelektrischer Effekt 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 Photoleitung ist abhängig von der Energie (bzw. der Wellenlänge) des eingestrahlten Lichts  Praktische Anwendungen des inneren Photoelektrischen Effekts: Solarzellen, Belichtungsmesser oder Sensoren

Halbleiterdetektoren 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

Vorteile und Nachteile der Raman-Spektroskopie 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 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.

Anwendung 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 Beispiel 1 – der FreshSCAN 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 2 - IndigoSCAN 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 3 Identifizierung/ Charakterisierung von im Blut zirkulierenden Tumorzellen 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

Quellen Abschlussbericht: FreshScan, Innovative Konzepte zur prozessbegleitenden Charakterisierung von Lebensmitteln auf Basis mikrosystemtechnischer Detektorvarianten www.photonikforschung.de/.../1-bf-Psb_RAMAN-CTC-final-bf.pdf http://www.raman.de/htmlDE/home/startDe.html https://www.youtube.com/watch?v=RHpthamL-nU http://www.chemgapedia.de http://www.analytik-news.de/Presse/2013/519.html www.analytik-news.de/Fachartikel/Volltext/UniJena1.pdf http://www.ltt.rwth- aachen.de/forschung/molekulare_thermodynamik/molekulare_thermodynamik/project/Experimentelle_und_theore tische/?type=1 http://www.heise.de/tr/artikel/Scanner-fuer-den-Koerper-2166233.html http://www.igb.fraunhofer.de/de/kompetenzen/zellsysteme/raman.html http://www.mikroelektronik.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/vue-nachrichten/news/detail/News/vom- freshscanner-zum-wundscanner-1117.htm http://www.digitalefolien.de/biologie/mensch/sinne/spektrum.html http://parra1909.blogspot.de/2010/07/la-palabra-laser-esta-compuesta-por-las.html http://childfriendlynews.com/wp-content/uploads/2011/11/raman.jpg

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