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Bildgebung Siehe auch:
Forschung Techniken
Dienstleistungen Ramanmikroskopie
HU und SALSA Rasterelektronenmikroskopie
Das Labor Lichtmikroskopie

Spektroskopische Bildgebung

Ein Bild sagt mehr als tausend Spektren

 

Mikroskope eröffnen uns einen faszinierenden Blick in die Welt der Mikro- und Nanometer, die dem menschlichen Auge verborgen ist. Bei komplexen Proben, wie biologischen Zellen oder mikro- und nanostrukturierten Materialien, stellt sich nicht nur dem Laien häufig die Frage, was genau ein Mikroskopbild darstellt, da Informationen über chemische Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften fehlen. Methoden der spektroskopischen Bildgebung nehmen sich dieses Problems an und ermöglichen, den Bildern „chemischen Sinn“ hinzuzufügen.

Solche, auch als Mikrospektroskopie bezeichneten Methoden, basieren auf spektroskopischen Verfahren, welche Materie aufgrund ihrer Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung (z.B. sichtbares Licht, Röntgenstrahlen etc.) untersuchen. Für jede Substanz charakteristische Intensitätsverteilungen der verschiedenen Wellenlängen (also charakteristische Spektren) ermöglichen z.B. Atome, Moleküle oder Kristallstrukturen zu identifizieren (qualitative Analyse) und häufig auch mengenmäßig zu bestimmen (quantitative Analyse).

Die Mikrospektroskopie koppelt diese Analyse mit der Mikroskopie. Eine Probenoberfläche wird mit einem mikroskopisch kleinen Messvolumen schrittweise abgetastet, und in jedem Messpunkt (also in jedem Pixel eines so entstehenden Bildes) wird eine spektroskopische Messung durchgeführt. Aus den Daten lassen sich Verteilungskarten z.B. chemischer Strukturen berechnen.

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Grundprinzip der Ramanmikroskopie: Ein fokussierter Laserstrahl tastet eine Probe ab, und in jedem Bildpunkt wird ein Spektrum (hier: Intensity vs. Wavenumber) aufgezeichnet, welches für jeden Bestandteil charakteristische Signale enthält. Ausgewählte Signalintensitäten liefern die Verteilungskarte der Substanzen (hier: anorganische Phasen einer Zementsteinprobe des 19. Jahrhunderts). (siehe: Petra Dariz, Thoms Schmid, in: Mater. Charact. 129 (2017) 2.*)

 

Jede Methode der Mikrospektroskopie stellt ein „chemische Auge“ dar, welches den Blick auf jeweils nur einen Teil der Probeneigenschaften ermöglicht. So gibt es Methoden der Elementanalytik, welche Informationen über Atome bzw. die Verteilung der Elemente des Periodensystems liefern (z.B. Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt mit Röntgenspektroskopie, SEM-EDX), wogegen molekülspektroskopische Methoden auf chemische Bindungen abzielen und so die Bestimmung von Molekülen oder Kristallstrukturen ermöglichen (z.B. Ramanmikroskopie). Komplexe Fragestellungen lassen sich häufig nur durch Kombination dieser verschiedenen Informationen lösen.

Spektroskopische bzw. chemische Bilder liefern einen sehr unmittelbaren Blick auf den inneren Aufbau auch sehr komplexer Materialien und tragen wesentlich zu deren Verständnis bei, sodass ein 100 x 100-Pixel-Bild eben doch mehr aussagt, als die 10.000 Spektren, welche zu seiner Erstellung gemessen und analysiert werden müssen.

 

Verschiedene „chemische Augen“ machen unterschiedliche Eigenschaften einer Materialprobe sichtbar: Die Elementanalytik mittels SEM-EDX eröffnet den Blick auf die verschiedenen chemischen Elemente (hier die Beispiele Eisen und Aluminium), wogegen Molekülspektroskopie in Form der Ramanmikroskopie einige ihrer chemischen Verbindungen sichtbar macht und sogar Einblick in feinste Änderung innerhalb von Kristallen gewährt (hier: lokaler Einbau von Fremdionen in das Kristallgitter von Hämatit α-Fe2O3). (siehe: Petra Dariz, Thoms Schmid, in: Mater. Charact. 129 (2017) 2.*)

* Die Abbildungen in diesem Abschnitt stammen, angepasst und erweitert, aus:

Materials Characterization

P. Dariz, T. Schmid
Ferruginous phases in 19th century lime and cement mortars: A Raman microspectroscopic study
Mater. Charact. 129 (2017) 2–17
PDF © Abstract (free)   Supplementary material (free)

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Forschung

Meine aktuellen Forschungsprojekte lassen sich mit folgenden Stichworten zusammenfassen:

  • Analytische Chemie/Analytical Sciences
  • anwendungsorientiert
  • interdisziplinär
  • Chemische/spektroskopische Bildgebung

Mittels chemischer/spektroskopischer Bildgebung – insbesondere mittels Ramanmikroskopie – werden anwendugsorientiert praxisrelevante Fragestellungen bearbeitet, die sich nur im intensiven Austausch mit voneinander lernenden Partnern unterschiedlicher wissenschaftlicher Disziplinen lösen lassen (externe Kooperationspartner: siehe blaue Felder in der Abbildung).

Aktuelle Fragestellungen sind:

(Forschung: siehe auch Publications)

 

Dienstleistungen für Industriekunden

Erkenntnisse und Erfahrungen aus der Forschung fließen häufig direkt in die Auftragsanalytik für Industriekunden der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ein. Unter dem Stichwort „Sonderprobenanalytik/troubleshooting samples analysis“ werden Ursachen von Produktabweichungen gesucht. Typisches Beispiel sind mikroskopisch kleine Verfärbungen in tablettierten Produkten. Da meistens weder die Ursachen noch die Natur der Verfärbungen (anorganisch, organisch oder metallisch) per se bekannt sind, müssen komplementäre, sich gegenseitig ergänzende und häufig mikro-spektroskpisch bildgebende Analyseverfahren eingesetzt werden.

Darüber hinaus wurde im Rahmen der Konsortialstudie InLight die Industrie über Forschungstrends informiert, und in der Diskussion mit Hersteller- und Anwenderfirmen wurden zukünftige Möglichkeiten und Bedarfe in der Prozessanalytik ermittelt.

 

HU Berlin und SALSA

Im Rahmen der Graduiertenschule „School of Analytical Sciences Adlershof“ (SALSA) an der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) arbeiten internationale Doktoranden an ihrer Promotion und besuchen Seminare, Vorlesungen und Praktika. Neben Lehraufträgen an der HU und der Einrichtung und dem Management eines Applikationslabors (siehe unten) konzentriert sich meine Tätigkeit an der HU auf die wissenschaftliche Unterstützung und Lehre innerhalb von SALSA sowie die Mit-Organisation von Summer Schools.

(Lehre: siehe auch Vorlesungen)

  • Lab Course SALSA: „Applied Microspectroscopy“
  • Lehrauftrag HU: Vorlesung „Schwingungsspektroskopie (IR/Raman)“, BSc Chemie
  • Vorlesung HU: „Angewandte Mikrospektroskopie“ im Rahmen der Fortgeschrittenenvorlesung Analytische Chemie, MSc Chemie
  • KOSMOS Summer University 2014 „Limits and Scales in Analytical Sciences“
  • SALSA Summer University 2015 „Sensitivity and Selectivity in Analytical Sciences“
  • SALSA Summer University 2016 „Make and Measure in Analytical Sciences“

 

SALSA Application Lab

Das Beste zum Schluss: 2015/2016 richtete ich das SALSA Application Lab Aufgrund von Erfahrungen aus Anwendung (Industrie-Auftragsanalytik) und anwendungsorientierter Forschung ein und administriere und nutze es für

  • Lehre für SALSA (z.B. Laborkurse)
  • Forschungsprojekte von SALSA Fellows
  • anwendungsorientierte Forschung
  • Realproben
  • Kooperationen mit Forschenden aus SALSA, BAM, Firmen, ….

Im Labor stehen folgende Analysetechniken (mit einem Schwerpunkt auf Spektroskopie und Bildgebung) zur Verfügung:

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