DIY Ramanspektroskopie im Mikroskop

wilfried48 · Oktober 14, 2020, 23:50:30 NACHMITTAGS

Hallo,

inzwischen läuft unser am Schülerforschungszentrum aufgebautes DIY Raman-Mikrospektrometer erfolgreich und ich hatte
nach den Diskussionen in einem früheren Thread
https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=29782.msg221629#msg221629
versprochen ein paar Bilder vom Aufbau und typische Spektren zu zeigen.

Aufgebaut wurde es in Anlehnung an die Beiträge von Martin Mach im Bärtierchenjournal an einem Zeiss Standard WL mit Auflichtkondensor, siehe Bild 1 und Bild2.

Der grüne Laser mit 532 nm Anregungswellenlänge wird anstelle der Lichtquelle über eine Zeiss Schwalbe am Auflichtkondensor befestigt und über den halbdurchlässigen Spiegel und das Objektiv auf die Probe fokussiert.
Das von der Probe ausgehende Ramanlicht passiert den halbdurchlässigen Spiegel und wird durch einen Kantenfilter (540 nm), der im Polarisationsschieber des Mikroskops sitzt, von der Anregungswellenlänge getrennt. Dieser Kantenfilter muss sehr hochwertig sein und die Laserstrahlung mit mindestens 4, besser 5 Zehnerpotenzen unterdrücken. Auf der zweiten Position des Pol-Schiebers sitzt ein Neutralfilter der die Beobachtungsintensität beim Blick durch den Binoeinblick um zwei Zehnerpotenzen abschwächt, sodass man den Laser, ohne Gefahr für die Augen, auf einem Probendetail positionieren kann. Der Schieber kann nur zwischen diesen beiden Positionen hin und herbewegt werden, sodass man nicht aus Unachtsamkeit in starkes Laserlicht blicken kann. Mit einer Sammellinse im Photoausgang des Trinotubus wird das Ramanlicht auf den Eingang eines Lichtleiters fokussiert, in ein Gitterspektrometer geleitet, das Spektrum auf einen CCD Zeilensensor fokussiert und am PC Monitor dargestellt.
Das Mikroskop ist in einem dunklen Kasten mit Rollvorhang untergebracht, um nach den Einstellarbeiten das Umgebungslicht des Raums bei der Aufnahme des Spektrums zu unterdrücken. Typische Aufnahmezeiten für das Spektrum sind ca. 2 sec und eine Mittelung über 10 Spektren also 20 sec pro Spektrum.
In den nachfolgenden Bildern sind einige typische Spektren gezeigt (Bilder 3 bis 6 ).
Der kleine Peak bei 532 nm vor der Kante des Kantenfilters stammt von Anregungslaser.
Spezielle Fragen werden gerne beantwortet.
Es gibt auch schon einige Spektren von mineralogischen Proben, die ich bei Gelegenheit mal raussuchen muss.

viele Grüsse
Wilfried

hugojun · Oktober 15, 2020, 09:39:23 VORMITTAG

Hallo Wilfried ,
Gratulation zu Deinem/Euren DIY Raman Spektrometer.
Ich bin neugierig, welche Mineral-Spektren Ihr aufgenommen habt und würde sie gerne mal sehen.
Meine Unternehmungen waren bis her nicht erfolgreich.
Wie ich auf einem Foto sehe , benutzt ihr auch das Surplus Spektrometer.
Dazu einige Fragen:
Wieviel Linien /mm hat das Gitter?
Habt ihr den Bandbereich verkürzt, um eine bessere Auflösung zu bekommen.
Welchen Kantenfilter ( Hersteller / Model) benutz ihr (meiner ist von Thorlabs FEL0550
https://www.thorlabs.com/drawings/cd44dd1705149421-AF37A82B-A96F-5E73-360493D07F778C80/FEL0550-AutoCADPDF.pdf).
Leider blieben alle Unternehmungen bisher ohne Erfolg. Ich habe viel mit der Integration-zeit -Einstellung probiert,
bekomme aber immer wieder undefinierte Spikes. Deshalb habe ich zunächst an Kühlung gedacht, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern, aber es scheint, dass Ihr ohne auskommt.
Im Bild mein Aufbau mit dem Amplival POL u/d mit einem 150mW (80mW Dauerleistung)532nm Laser.

LG
Jürgen

Horst Wörmann · Oktober 15, 2020, 12:23:28 NACHMITTAGS

Hallo Wilfried,

Glückwunsch zum erfolgreichen Aufbau! Das sieht sehr gut aus.
Der Frage von Jürgen möchte ich mich anschließen: was hat das Spektrometer für Eigenschaften? Ich bin immer davon ausgegangen, daß die (billigen) USB-Spektrometer wie das erwähnte Surplus nicht empfindlich genug sind, aber hier geht es wohl sogar ohne Kühlung. Die verwendeten Filter und Strahlteiler würden mich auch interessieren.

Jürgen: wo genau liegt das Problem? Keine Peaks zu sehen oder zu viel Rauschen oder erratische Einzelpeaks?

Zum Thema gibt es übrigens ein ganz neues Buch:
Jürgen Popp, Thomas Mayerhöfer
Micro-Raman-Spectroscopy
De Gruyter 2020

Viele Grüße aus Bonn
Horst

hugojun · Oktober 15, 2020, 12:34:05 NACHMITTAGS

Hallo Horst,

das Rauschen scheint sich in Grenzen zu halten, die steilen , stabilen und recht starken Peaks sind immer an derselben Stelle.
Ansonsten habe ich keine Unterschiede, egal welche Material ich teste.
Manchmal glaube ich, es liegt an der Gittereinstellung und ich habe da Peaks höherer Ordnung am Sensor,
aber bei der Messung von Interferenzfiltern oberhalb des Sperrfilters (550nm) mit kurzer Integrationszeit
scheint alles normal?

BTC-110s technische Daten

Das optische Schema Cherni-Turner
ADC-Auflösung 16 Bit
Arbeitsbereich des Detektors 200 - 1100 nm
Integrationszeit 50 ms - 65000 ms
Dynamikbereich 1300: 1

Datenübertragungszeit 350 ms

Stromversorgung 5 V / 2 A
Gesamtabmessungen 5.75x3.75x1.75 Zoll

Beugungsgitter 1800 l / mm
Spalt 50µm

Auflösung 0,5-3,0 nm

LG
Jürgen

Reinhard · Oktober 15, 2020, 15:24:49 NACHMITTAGS

Hallo zusammen,

könnte jemand einen Raman-Laien kurz darüber aufklären, was es bedeutet, wenn es heißt, mit dieser Technik könnten (auch)
Spektren von Mineralen angefertigt werden.
Könnte man damit dann auch Aussagen über die chemische Zusammensetzung eines Minerals machen, oder was ist gemeint?

Viele Grüße
Reinhard

Florian D. · Oktober 15, 2020, 15:42:11 NACHMITTAGS

Hallo Rainhard

Nun, jede Linie im Ramanspektrum entspricht einer Schwingungsmode der Moleküle oder des Kristallgitters. Die Lage ist charakteristisch für die Substanz. Es gibt Bibliotheken mit den Lagen und Intensitäten der Linien, so dass die Identifizierung von Substanzen und Mineralen damit möglich ist.

Viele Grüsse
Florian

hugojun · Oktober 15, 2020, 16:31:05 NACHMITTAGS

Hallo Reinhard ,
in Ergänzung zu Florian möchte ich hinzufügen, dass es sich um eine Phasen-Analyse handelt, im Sinne von Mineralphase.Wenn diese Mineralphase nur aus einem Element besteht , wie zum Beispiel der Diamant , dann hat man auch die Elemente bestimmt.
Beim Olivin ( Olivin-Reihe (Fe,Mg)₂SiO₄)z.B. , kann man aus den beiden Spezifischen Peaks , aus Abstand und Größenverhältnis den %mol Gehalt von Fayalit (Fe₂Sio₄)/ Forsterit (Mg₂Sio₄) bestimmen.

LG
Jürgen

Reinhard · Oktober 15, 2020, 18:20:57 NACHMITTAGS

Hallo Florian, hallo Jürgen,

danke für Eure Erläuterungen.
Das müßte dann ja auch ermöglichen, im Mineral "Kolwezit" [(Cu1,33 Co0,66) CO3 (OH)] einen überschüssigen
Anteil von Malachit [Cu2 (CO3) (OH) ] zu bestimmen, das würde mir sehr weiterhelfen.
Bleibt natürlich die Frage: Hat hier im Forum schon jemand einsatzbereite Geräte dieser Art?
Die Proben müssen wahrscheinlich fest sein. Geht das auch mit amorphen Stoffen?

Danke für Antworten
Reinhard

Horst Wörmann · Oktober 15, 2020, 19:08:00 NACHMITTAGS

Hallo Reinhard,

"Phasenanalyse" engt die Methode etwas ein, die ist wesentlich universeller. Kann man mit der IR-Spektroskopie vergleichen, die ja komplexe Spektren mit schmalen Linien liefert und gewissernmaßen den Fingerabdruck einer Substanz liefert. Der Unterschied zur Raman-Spektroskopie: die IR ist eine Absorptionsspektroskopie, die Raman-Spektroskopie beruht dagegen auf der inelastischen Streuung der Photonen am Molekül; bei IR-aktiven Schwingungen ändert sich das Dipolmoment, bei Raman die Polarisierbarkeit. Dummerweise ist die Intensität des Raman-Streulichts sehr gering, etwa ein Millionstel der eingestrahlten Intensität.
Auch Raman liefert einen Fingerprint, wie Wilfrieds Spektren zeigen; dazu gibt es Bibliotheken, siehe Florians Beitrag. Die Experten können die Linien allerdings auch bestimmten Schwingungen zuordnen und so Strukturanalyse machen.
Man kann also nicht nur Phasenanalyse machen, sondern auch Identifizierung aller möglichen Stoffe, sogar in wässriger Lösung, was bei IR nicht geht. Anwendungen pharmazeutische Forschung, Analyse von Mikroplastik, Medizin und Biologie, Archäometrie und insbesodere Forensik.
Die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten machen Raman deshalb auch für den Mikroskopiker so interessant. Leider sind Theorie und praktische Realisierung kompliziert und auch teuer.

Bei Deinem Problem könnten die folgenden Kollegen helfen, die schon ihre funktionierenden Einrichtungen im Internet präsentiert haben:
Martin Mach (Bärtierchen-Journal!)
J.M. Derochette
Stefan Oertel
welch letztere beiden sich speziell mit Mineralien befaßt haben, und natürlich Wilfried! Die Proben müssen für Raman nicht fest sein, und amorph geht auch.

Viele Grüße
Horst

hugojun · Oktober 15, 2020, 19:23:32 NACHMITTAGS

Hier noch mal eine genauere Beschreibung meines Problems.
Ich habe die Bandbreite so eingestellt , dass über 3648 pixel der Bereich von 500nm bis 670nm abgebildet wird.
Dabei tritt am roten Rand eine höhere Ordnung ein , die aber nicht weiter stören sollte.
Die Anzeige ist kalibriert und zeigt diesen Wellenlängen Bereich auch an. In einem weiteren Schritt muss noch eine Umrechnung in Wellenzahlen erfolgen , so , das man unabhängig von der Wellenlänge des Lasers , Spektren vergleichen kann.
In Bild 1 zeige ich den Dunkelstrom bei der Integrations-Zeit , wie sie von Wilfried benutzt wurde:
2 sec ( 2000ms)10 Wiederholungen.
Dabei fallen 4 Peaks oberhalb von 550nm auf , der stärkste ganz rechts mit einer Intensität von ca. 10000 A.U..
In Bild 2 messe ich gedämpftes Tageslicht bei gleicher Integrations- Zeit und mit dem Kantenfilter 550nm.
Die maximale Intensität bei 590nm beträgt jetzt ca. 36000 A.U..
Alle Peaks aus der Dunkelstrom Messung sind weiterhin vorhanden und scheinen auch verstärkt zu werden.
Ich habe beide Bilder als GIF geladen.
LG
Jürgen

wilfried48 · Oktober 15, 2020, 20:01:19 NACHMITTAGS

Hallo Horst und Jürgen,

zu euren Fragen:

Das Spektrometer hat ein Gitter mit 1800 L/mm und es wird eine Auflösung von 1 nm angegeben.
Die Auflösung hatte es gefühlt auch als ich es ursprünglich für Fluoreszenzspektrometrie gekauft habe. Aber für die Fluoreszenzspektrometrie ging mir der Spektralbereich nicht weit genug ins rote und ich habe mit Anleitung durch Surplus versucht durch Drehen des Gitters den Spektralbereich zu verschieben.
Da ich dabei aber leider an einer falschen Schraube gedreht habe war plötzlich das ganze Spektrum weg und ich habe einige Stunden bei Dunkelheit und offenem Spektometer verbracht bis ich mit einem Laser das Spektrometer wieder einigermaßen optimiert hatte. Im Moment messe ich an der 532 nm Laserlinie, die durch einen Linienfilter mit 1 nm Halbwertsbreite geht, eine Auflösung von 2nm.
Das ist auch der Grund warum ich das Spektrum noch nicht für 532 nm Raman optimiert habe. Man könnte nämlich durch drehen des Gitters das Spectrum nach links verschieben und somit die Auflösung der CCD Zeile besser nutzen. Aber da das Spektometer zur Zeit nicht mehr erhältlich ist und Spektrometer mit ähnlichen Leistungsdaten ein vielfaches kosten (ich habe damals 250 US$
plus Zoll bezahlt) habe ich mich bis jetzt nicht nochmal herangewagt (never touch a running System!).

Der Laser ist eine billiger noname Chinalaser mit eine Leistungsangabe von 200 mW aus eBay für 37 Euro. Er läuft sehr stabil und ich habe ihm wie oben schon erwähnt ein 1nm Linienfilter mit 70% Transmission von Thorlabs (ca. 120 Euro) gegönnt. Das filtert einige Unreinheiten in der nähe der Laserlinie weg sodass der Kantenfilter näher heranreichen kann.
Als Kantenfilter habe ich zunächst auch den Thorlabs FEL0550 verwendet aber der reicht eben nur bis 550 nm an den Laser heran und hat auch keine so berückende Dynamik. Aber man kann mit ihm auch schon Spektren erhalten. Die nicht vollständig unterdrückte Laserlinie begrenzt allerdings noch ein wenig die Dynamik des Spektrometers.
Zur Zeit ist ein noname Kantenfilter aus eBay drin (ca. 120 Euro) der ab und an von http://www.thunderoptics.fr/ vertrieben wird. Dieser reicht bis 540 nm herunter und hat etwa eine Zehnerpotenz grösseres Transmissions Verhältnis.
Das Carotin-Spektrum auf dem Laptop im Bild vom von meinem Gesamtaufbau ist noch mit dem Thorlabs Filter gemacht.
Man sieht, dass die Laserlinie noch deutlich durchkommt.
Das weiter unten gezeigte Carotin-Spektrum ist mit dem Filter von Thunderoptics gemacht und da verschwindet die Laserlinie fast im Rauschen bei viel höherer Zählrate der Carotinlinien.
Aber Vorsicht, ich habe bei thunderoptics zwei Filter bestellt einen mit 25mm und einen mit 12,5 mm Durchmesser. Und obwohl der mit 25mm nach Datenblatt der bessere war und auch teuerer war (ca. 200 Euro), war er für Raman nicht tauglich (völlig indiskutables Transmissionsverhältnis). Ich vermute, dass die in ihrem eBay shop die Datenblätter vertauscht hatten.
Als Strahlteiler habe ich wie schon erwähnt den Teilerspiegel im Einsatz der im Auflichtkondensor vom Zeiss Standard eingebaut ist.
Die Sammellinse im Phototubus ist von Thorlabs und ist der Lichtleiteranschluss ebenfalls (ist der gleiche wie am Fluoreszenzspektrometerwürfel von Thorlabs.
Diesen habe ich auf der Drehbank an den Innendurchmesser vom Photoausgang des Trinotubus angepasst.
Theoretisch müsste man das Ramanspektrum auch direkt auf den Lichtleiter projizieren können wenn man den in der Zwischenbildebene des Tubus anbringt. Vielleicht sogar mit grösserer Ausbeute wenn man ihn dort präzise xy justieren kann. Das habe ich aber noch nicht ausgetestet.
Die CCD Zeile des Spektrometers wäre sogar über ein eingebautes Peltierelement kühlbar umd das Rauschen noch etwas zu verbessern. Das wird aber von Surplus nicht empfohlen, da es bei diesem Spektrometer zur Kondenswasserbildung führen kann. Insbesondere wenn man es schon mal offen hatte müsste man es wohl unter Schutzgas wieder abdichten.
Wir haben das Spektrometer ja eigentlich gebaut um in einem "Jugend forscht Projekt", wo es um Graphene Quantendots geht, die verschiedenen Kohlenstoff Modifikationen Diamant, Graphit und Graphene zu unterscheiden. Am Diamant mit seiner starken Ramanlinie waren wir, wie man oben sieht, erfolgreich. An Graphit oder Graphene Proben konnten wir leider noch kein vernünftiges Spektrum erzeugen. Wahrscheinlich ist für solche Proben dann das Signal-Rauschverhältnis des DIY Spektometers dann doch zu klein.
Wir haben vor das Rauschen zu verbessern, indem wir das ganze Spektrometer in eine Minikühlbox (Milchkühler einer Kaffeemaschine) packen. Da würde dann eventuelles Kondenswasser an der kältesten Stelle der Kühlerwand entstehen und nicht im Spektrometer.
Aber für ein anderes Projekt, wo es um die Identifizierung von Mikroplastik unter dem Mikroskop geht, ist es schon gut einsetzbar, wie ihr an den oben gezeigten Spektren aus verschiedenen Kunststoffen seht.
Mineralogisch wurde ausser an Quarz, Diamant noch nicht viel gemacht, da ich da wenig Erfahrung habe. Ich habe mal verschiedene Mineralien aus meiner kleinen Mikromount "Sammlung" druntergelegt und bei einem Mineral wo Olivenit draufsteht, gab es z.B. ein ganz brauchbares Spektrum. Wenn ich morgen am SFZ bin werde ich das mal raussuchen und einstellen.
Ansonsten könnt ihr mir gerne mal Mineralproben, die euch interessieren, zusenden.
Sie dürfen halt bei 532 nm keine Fluoreszenz zeigen. Fluoreszenz, auch schon äusserst schwache, ist der Tod des Raman Spektrums.
Wenn ihr z.B. das oben gezeigte Spektrum von dem aufgeklebten Mikrodiamanten anseht so hat die starke Diamantlinie einen hohen breiten Untergrund der sicher durch Fluoreszenz aus dem Kleber (Minitröpfchen UHU Plus) stammt. Vor dem Aufkleben war dieser Untergrund jedenfalls nicht da. Doch nachdem das erste Mikrodiamäntchen durch einen Luftzug vom Objektträger im Staub des Fussbodens verschwunden war, habe ich mir ein dauerhaftes Justierpräparat durch Aufkleben verschafft.
Ich würde Jürgen empfehlen es zunächst auch mal mit einem Diamantkriställchen zu versuchen. Daran kann man Laserspot und Detektor gut justieren.

viele Grüsse
Wilfried

wilfried48 · Oktober 15, 2020, 20:22:48 NACHMITTAGS

Hallo Jürgen,

die 1000 bis 1500 Counts im Dunkelstrom und vor allem die Ausreisser einzelner Kanäle kommen mir etwas hoch vor.
Aber was du vor der Aufnahme eines Spektrums auf jeden Fall machen musst ist ein Abzug des Dunkelspektrums.
Das ist der untere Button links mit der Bezeichnung (use current Spektrum as Background).
Dann müsstest du im Anschluss ein Dunkelspektrum mit max. 50 bis 100 Counts bei 2000 ms Integrationszeit bekommen.
Und dann unmittelbar danach das eigentliche Spektrum registrieren.
Dieser Dunkelstromabgleich ist für empfindliche Messungen eigentlich vor jeder Messung notwendig, da das Spektrometer doch stark driftet.
Insbesondere wenn das Spektrometer vorher mal kurzzeitig in die Sättigung gefahren wurde.
Daher immer schön im Dunkeln arbeiten, oder das Mikroskop in einen dunklen Kasten stellen.

viele Grüsse
Wilfried

hugojun · Oktober 15, 2020, 22:24:35 NACHMITTAGS

Hallo Wilfried ,
vielen Dank für deinen ausführlichen Bericht.
Viele Dinge, die Du da schilderst, habe ich selber durchlaufen. Speziell die Einstellarbeiten des Innenlebens des Spektrometers waren aufreibend.
Auch einen Kühlversuch, Spektrometer gut Verpackt und eingefroren, dann in eine Kühlbox umgepackt und angeschlossen, wurde unternommen. Die Problematik mit der Kondensation war mir bekannt.
Den 12,5 mm Durchmesser Kantenfilter von thunderoptics habe ich auch ausprobiert, hat aber keinen Unterschied gemacht. Vielleicht schalte ich mal beide hintereinander.
Nur mit dem 1nm Linienfilter habe ich keine Erfahrung, vielleicht sollt ich das noch nachholen.
Die Sache mit dem Abzug des ,,Background" hatte ich vergessen zu erwähnen, habe ich aber gemacht, Da sieht es so aus, als ob die gleichen Peaks überkompensieren und nach unten ausschlagen.

,,Ich würde Jürgen empfehlen es zunächst auch mal mit einem Diamantkriställchen zu versuchen. Daran kann man Laserspot und Detektor gut justieren."

Da Raman ja Zerstörung Frei zu sein scheint und meine Frau zustimmt, werde ich das Hochzeitsgeschenk, welche ich damals meiner Frau gemacht habe, ausleihen.
Drück mir die Daumen

Jürgen

wilfried48 · Oktober 15, 2020, 22:48:48 NACHMITTAGS

Zitat von: hugojun in Oktober 15, 2020, 22:24:35 NACHMITTAGS
....

,,Ich würde Jürgen empfehlen es zunächst auch mal mit einem Diamantkriställchen zu versuchen. Daran kann man Laserspot und Detektor gut justieren."

Da Raman ja Zerstörung Frei zu sein scheint und meine Frau zustimmt, werde ich das Hochzeitsgeschenk, welche ich damals meiner Frau gemacht habe, ausleihen.
Drück mir die Daumen

Jürgen

Hallo Jürgen,
natürlich kannst du auch den Einkaräter im Ring von deiner Frau missbrauchen. Aber es ist doch ein Mikrospektrometer und da genügt auch der kleinste, den es beim Goldschmied gibt.
Mein Einstelldiamant (0.002 Karat) hat 2 Euro gekostet.

viel Erfolg und viele Grüsse
Wilfried

wilfried48 · Oktober 16, 2020, 22:23:58 NACHMITTAGS

Hallo Jürgen,

bei mir sieht das Dunkelspektrum vor der Aufnahme des Ramanspektrums so aus wie unten in Bild 1 gezeigt.

Man erhält ein Rauschspektrum von ca. +-50 Counts, bei unegekühltem Detektor, 2000 msec Integrationszeit und Mittelung über 10 Spektren.

Einige tausend counts, so wie bei dir sind eindeutig zu viel für die Ramanspektroskpopie. Ich vermute, dass dein Detektor oder die Software eine Macke hat.

Anbei noch zwei Spektren von von mineralogischen Proben Olivenit (Grube Clara) Bild 2 und Rosenquarz Bild 3

viele Grüsse
Wilfried