RAMAN-Spektroskopie
Die RAMAN-Spektroskopie ist ein Teil der Schwingungsspektroskopie, häufig sind IR-inaktive Schwingungen im RAMAN beobachtbar. Im Gegensatz zur IR-Spektroskopie sind diejenigen Schwingungen RAMAN-erlaubt, die zu einer Änderung der Polarisierbarkeit des Moleküls führen. Bei der, auch RAMAN-Streuung genannten, Technik wird ein Molekül durch monochromatisches Licht des sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereichs angeregt. Die von der anregenden Strahlung eingetragene Energie wird in der Regel (durch Elektronenschwingungen) unter Beibehaltung der Frequenz wieder emittiert, diese elastische Streuung wird Rayleigh-Streuung genannt. Führen die durch die Anregung induzierten Elektronenschwingungen zu einer Änderung der Polarisierbarkeit des gesamten Moleküls, so wird ein geringer Teil der eingetragenen Energie für die Anregung der Molekülschwingung verwendet und die inelastisch gestreute (Stokes-Streuung), frequenzverminderte Strahlung, wieder reemittiert. Die Streuung erfolgt dabei diffus in alle Raumrichtungen. Die höchsten RAMAN-Intensitäten werden bei Schwingungen beobachtet, bei denen das gesamte Molekül kontrahiert bzw. gestreckt wird. Ein anschauliches Beispiel ist die symmetrische Streckschwingung von CO2. Die Beschreibung der durch die RAMAN-Spektroskopie angeregten Molekülschwingungen ist dabei analog der IR-Spektroskopie. Gegenüber der IR-Spektroskopie ist die RAMAN-Spektroskopie unempfindlich gegenüber Wasser bzw. wässrigen Medien.
Das beobachtete Spektrum hängt allerdings deutlich von der Wellenlänge und Intensität der Anregungsstrahlung ab:
I ~ ν4I0N(∂α/∂q)²
(ν Frequenz der Anregungsstrahlung, I0 Intensität der Anregungsstrahlung, N Anzahl der streuenden Moleküle, (∂α/∂q) Polarisierbarkeitsänderung)
Daher werden für die Anregung ausschließlich Laser verwendet, übliche Laserwellenlängen sind 514,5 nm (Argon-Ionen oder Diode) und 785 nm (NIR-Diode), möglich sind jedoch praktisch alle verfügbaren Laserwellenlängen. Die Anregungsstrahlung muss dabei zwingend für den Detektor ausgeblendet werden, da sie um Größenordnungen intensiver ist, als die RAMAN-Streuung. Genutzt werden dafür sogenannte Notch-Filter oder Bragg-Gitter, robuster und langlebiger sind jedoch hartbeschichtete Langpass-Filter. Letztere lassen aber eine Beobachtung von Anti-Stokes-Banden[1] nicht zu, wobei auf deren Beobachtung auch häufig verzichtet werden kann. Im Einsatz ist auf eine hohe Güte (OD-Wert) der Filter zu achten. Bei preiswerten Langpass-Farbfiltern ist möglicherweise auch der Einsatz mehrerer Filter notwendig.
Ein konkurrierender Prozess zur RAMAN-Streuung ist die Fluoreszenz. Durch die intensive Anregung des Lasers tritt sie häufig in RAMAN-Spektren auf und verhindert die Beobachtung der RAMAN-Banden durch Überlagerung. Umgangen werden kann die gleichzeitige Fluoreszenzanregung durch Änderung der Anregungswellenlänge (Anregung bei größerer Wellenlänge, jedoch können dann auch die RAMAN-Banden deutlich geringer sein, siehe obige Gleichung) oder durch die Beobachtung der Anti-Stokes-Banden im RAMAN-Spektrum.
[1] Anti-Stokes-Streuung tritt auf, wenn sich Moleküle bereits im angeregten Zustand befinden und diese Energie bei Reemission der Anregungsstrahlung hinzugefügt wird – d. h. die Reemission bei größerer Energie/höherer Frequenz erfolgt. Die Intensität der Streuung ist aber nochmals 90 % geringer als die der Stokes-Streuung.