Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Ein spektroskopischer Fingerabdruck identifiziert chemische Stoffe
Die Raman-Spektrosopie liefert als schwingungs-spektroskopische Methode ähnlich detaillierte Spektren von chemischen Stoffen wie die Infrarot-Spektroskopie. Anders als ein IR-Spektrometer nimmt ein Raman-Spektrometer diese Informationen aber im sichtbaren Spektralbereich auf und umgeht so die besonderen Herausforderungen der Messung im Infraroten. Die Abbildung 1 zeigt ein Raman-Spektrum von Paracetamol und demonstriert die hohe Informationsdichte der Spektren. Sie ist Voraussetzung für die zuverlässige Identifikation von chemischen Stoffen oder die Bestimmung der Reinstoff-Konzentrationen in komplexen Mischungen.
Insbesondere für die Prozess-Messtechnik bietet die Raman-Spektroskopie diverse Vorteile gegenüber anderen verbreiteten Verfahren:
- Hohe Informationsdichte im Vergleich zu NIR- und UV/Vis-Spektroskopie
- Kopplung des Raman-Effekts an die Polarisierbarkeit von Molekülen und nicht an deren Dipolmoment (wie die IR-Absorption), sodass homo-nukleare Moleküle wie N2, H2, O2 detektiert werden können
- Messung von nicht-polaren Gruppen (-S-S-, -C-S-, -C=C-) problemlos möglich
- Problemlose Messung in wässrigen Medien (im Gegensatz zur IR-Spektroskopie)
- Messung im sichtbaren Spektralbereich, keine aufwändigen optischen Komponenten
- Inline-Messung: nur ein Zugangspunkt nötig, Messung in Rückstreugeometrie (im Gegensatz zu Transmissions-Spektroskopie)
- Nutzung von optischen Fasern zur Lichtleitung über weite Strecken oder zur Parallelisierung möglich
- Spektrometer ohne bewegliche Teile
- Einfache Messung auch im Spektralbereich deutlich unterhalb von 1000 1/cm, bspw. zur Detektion schwacher Bindungen, bis hinunter zu Wasserstoffbrücken
Der Einsatz der Raman-Spektroskopie bringt allerdings auch zahlreiche Herausforderungen mit sich. Vor allem der geringe Wirkungsquerschnitt bei der Wechselwirkung mit Molekülen erhöht den technischen Aufwand, sodass je nach Einsatz Kosten und Nutzen abgewogen werden müssen.
Raman-Spektroskopie an Gasen
Die Raman-Spektroskopie ist eine vergleichsweise aufwändige Methode, da sie hochwertige Komponenten wie leistungsstarke Laser und gekühlte Kameras erfordert. Das Grundproblem: Der Raman-Effekt ist äußerst unwahrscheinlich – es werden nur sehr wenige Photonen inelastisch gestreut, die detektiert werden können. Besonders herausfordernd ist dies bei Gasen, deren Teilchendichte typischerweise um einen Faktor 1000 geringer ist als bei Flüssigkeiten oder Festkörpern. Dennoch bietet die Raman-Spektroskopie gerade bei der Analyse von Gasen entscheidende Vorteile gegenüber anderen Methoden, wie etwa der Infrarot-Spektroskopie. Sie ermöglicht wie in Abbildung 2 dargestellt die Detektion homonuklearer Gase wie Stickstoff (N₂), Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂), die mit anderen spektroskopischen Verfahren oft nicht oder nur schwer nachweisbar sind. Prinzipiell können mit der Raman-Spektroskopie alle im Gasgemisch vorhandenen Gase gleichzeitig detektiert werden – ohne zusätzliche Hilfssensorik für z. B. Stickstoff oder Wasserstoff.
Am Fraunhofer IPM haben wir einen einfachen und preiswerten Raman-Sensor für Wasserstoff entwickelt. Sehen Sie hier mehr dazu.