Raman-Spektroskopie-Instrumentierung

Raman-Spektren zeichnen sich durch zwei Eigenschaften aus. Die Peaks sind scharf und liegen oft dicht beieinander, und der Signalpegel ist sehr niedrig. Aus diesem Grund sollte ein typisches Spektrometer für die Raman-Spektroskopie eine hohe Auflösung und eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Eine hohe Auflösung bedeutet typischerweise eine Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich und wird normalerweise durch die Verwendung eines schmalen Spalts am Eingang des Spektrometers erreicht. Ein schmaler Spalt bedeutet jedoch auch eine geringe Empfindlichkeit, daher sollten Sie immer die Verwendung eines Spektrometers mit der höchsten numerischen Auflösung in Betracht ziehen, mit der Sie leben können und trotzdem gute spektrale Ergebnisse erzielen.

Die Empfindlichkeit des Spektrometers kann von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden. Zunächst einmal sollten die verwendeten Optiken vorzugsweise transmissiv und nicht reflektiv sein. Der Grund dafür ist, dass Transmissionsoptiken (wie Linsen und Transmissionsgitter) einen höheren Durchsatz haben als ihre reflektierenden Gegenstücke (Spiegel und Reflexionsgitter). Außerdem kann ein Spektrometer mit einer hohen numerischen Apertur mehr Licht von Ihrer Probe sammeln und ist dadurch empfindlicher als eines mit einer niedrigeren numerischen Apertur. Eine große numerische Apertur führt jedoch im Allgemeinen zu größeren und teureren Optiken. Wenn Sie also ein Raman-Spektrometer für ein handheld und/oder kompaktes Instrument suchen, müssen Sie möglicherweise eine geringere numerische Apertur und damit eine geringere Empfindlichkeit in Kauf nehmen.

Wie bereits erwähnt, ist die Spaltbreite des Spektrometers im Allgemeinen recht schmal, um eine gute Auflösung zu erzielen. Die Empfindlichkeit des Spektrometers kann jedoch durch die Verwendung einer hohen Spaltöffnung (oft mehrere mm) und eines Detektors mit ebenso hohen Pixeln (oder einem 2D-Detektorarray) erhöht werden.

Da Detektoren, die für die Spektroskopie verwendet werden, Integrationstyp-Detektoren sind, können Sie den Signalpegel Ihres Raman-Spektrums erhöhen, indem Sie über einen langen Zeitraum integrieren. Es ist nicht ungewöhnlich, länger als 1 Sekunde zu integrieren. Leider steigt auch die Dunkelladung eines Detektors mit der Integrationszeit, und im schlimmsten Fall könnten Sie den Detektor allein mit der Dunkelladung sättigen, so dass kein Dynamikbereich für Ihr reales Signal mehr vorhanden ist. Der Ausweg ist die Kühlung des Detektorchips, da der Dunkelladungsaufbau proportional zur Temperatur ist. Für High-End-Raman-Instrumente kann der Detektor auf -60 Grad C gekühlt werden, während Mid-Range-Instrumente möglicherweise nur auf -10 Grad C gekühlt werden. Für handheld Instrumente, die oft batteriebetrieben sein müssen, sollte man die Kühlung vermeiden, da sie viel Strom verbraucht. Das bedeutet, dass die Integrationszeiten für handheld Geräte oft auf weniger als 1 Sekunde begrenzt sind.

Die wichtigsten Parameter für den Laser sind die Laserwellenlänge und die optische Leistung des Lasers. Raman ist eine Schwingungsspektroskopie und Sie können grundsätzlich jede Laserwellenlänge verwenden, um die Schwingungszustände der Moleküle Ihres Probenmaterials zu verändern. Es gibt jedoch mehrere Faktoren, die Ihre Wahl der Laserwellenlänge beeinflussen, und Sie werden wahrscheinlich einige Kompromisse eingehen müssen. Alle Materialien zeigen Raleigh-Streuung, die einen Basislinienpegel in Ihrem Raman-Spektrum erzeugt, der größer als Ihr Raman-Signal sein kann und es dadurch erschwert, Ihr Raman-Signal zu erkennen. Da die Rayleigh-Streuung proportional zu 1/ λ⁴ ist, würden Sie die geringste Streuung erhalten, wenn Sie eine lange Laserwellenlänge wählen. Leider zeigen viele Materialien Fluoreszenz bei einer längeren Wellenlänge, und die Fluoreszenz erzeugt auch einen Hintergrundpegel, der Ihre Raman-Peaks überdecken kann. Eine weitere Komplikation bei Wellenlängen über 1100 nm ist, dass Sie spezielle Detektoren verwenden müssen, die beispielsweise aus InGaAs hergestellt werden, das im Allgemeinen viel teurer ist als Silizium-Detektoren, die bis zu 1100 nm verwendet werden können.

Die beliebteste Laserwellenlänge für Raman ist 785 nm, weil sie für die meisten Materialien ein guter Kompromiss zwischen Streuung und Fluoreszenz ist. Außerdem können Sie mit 785 nm als Laserwellenlänge bis zu 3650 cm^-1 (1100 nm) Raman-shift abdecken und trotzdem einen Silizium-CCD-Detektor verwenden. Andere gängige Wellenlängen sind 532 nm, 830 nm und 1060 nm.

Ihre Wahl der Laserleistung hängt hauptsächlich von Ihrem Kostenziel und der Schadensschwelle Ihrer Probe ab. Je höher die benötigte Ausgangsleistung, desto höher sind natürlich auch die Kosten für den Laser. Wenn Ihre optische Leistungsdichte auf der Probe zu hoch wird, können Sie Ihre Probe beschädigen oder verändern, was unerwünscht ist. Wenn Sie beispielsweise Messungen an menschlicher Haut vornehmen, wollen Sie den Patienten nicht verbrennen.

Die Funktion der Sonde besteht darin, das Licht vom Laser zu führen, es auf Ihre Probe zu fokussieren (dies ist die Zuführung Optik), Ihr Raman-Signal von der Probe zu sammeln und es zum Spektrometer zu führen (dies ist Ihre Sammeloptik). In der Sammeloptik müssen Sie einen Kantenfilter platzieren, der die Laserwellenlänge am Eintritt in das Spektrometer hindert.

Die Sonde kann entweder auf Multimode-Fasern oder free space optischen Komponenten basieren.

Der Vorteil der free space Optik ist, dass sie die verlustärmste Option ist. Linsen mit guten AR-Beschichtungen können oft bis zu 99 % Ihres Lichts durchlassen, was bedeutet, dass Sie nur wenige Prozent Ihrer wertvollen Raman-Photonen in der Sondenoptik verlieren. Andererseits erfordert die free space Optik eine sehr präzise Ausrichtung der verschiedenen Elemente und mit dem Spektrometer. Wenn Sie einen hohen Spalt in Ihrem Spektrometer verwenden, sollten Sie zusätzliche Optiken einbauen, um Ihren kreisförmigen Laserfleck auf der Probe in eine Linie am Eingang des Spektrometers umzuwandeln.

Der Hauptvorteil der Verwendung von Glasfasern besteht darin, dass die Notwendigkeit einer genauen Ausrichtung entfällt. Wenn Sie einen hohen Spalt verwenden, können Sie sogar ein Faserbündelkabel verwenden, bei dem die Fasern in einem Kreis zu Ihrer Probe hin und entlang einer Linie, die mit der Spaltabmessung übereinstimmt, zum Spektrometer angeordnet sind. Glasfasern haben jedoch den Hauptnachteil, dass sie verlustbehaftet sind. Sie können bis zu 50 % Ihres Raman-Signals durch den Durchgang durch die Faser(n) verlieren.