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Tragbare Raman-Spektrometer sind mit keinen anderen analytischen chemischen Instrumenten vergleichbar. Alle Spektrometer (z. B. IR/NIR, UV-Vis, GC/MS und Raman) basieren auf Wechselwirkungen zwischen Materie und Energie und umfassen Detektoren, die Informationen über die daraus resultierenden atomaren und molekularen Veränderungen sammeln. Diese Informationen werden zur Qualifizierung und/oder Quantifizierung verschiedener chemischer Arten verwendet. Normalerweise ist ein Spektrometer ein Tischgerät, das an einen Computer oder eine andere visuelle Anzeige angeschlossen ist und von einem Analytiker in einem Labor verwendet wird.
Klassische Raman-Spektrometer fallen in diese Kategorie. Laser, Filter, Detektoren und die gesamte zugehörige Hardware für die Probenahme sind in einer Einheit vereint, während die Datenverarbeitung und -anzeige in der Nähe erfolgt.
Einen Vergleich anderer spektroskopischer Techniken finden Sie in unserem vorherigen Blogbeitrag.
Raman ist in vielerlei Hinsicht eine einzigartige Untersuchungsanalysetechnik. Es läutet, "Wenn Sie es sehen können, kann Raman es identifizieren.»
Tatsächlich liegen die Stärken von Raman in der Kombination aus einfachen Probenahmemethoden und hoher Spezifität. Für viele Reinstoffe ist eine direkte Analyse möglich ohne Probenvorbereitung. Die Probenahme erfolgt durch direkten Kontakt mit einer Substanz, aus der Ferne oder durch eine Barriere hindurch. Sogar im Wasser gelöste Stoffe können direkt identifiziert werden. Diese Technik ist hochspezifisch; jedes mit Raman untersuchte Material erzeugt ein einzigartiges „Fingerabdruck“-Spektrum. Mithilfe der Raman-Spektroskopie lassen sich einzelne Substanzen eindeutig identifizieren, während selbst sehr ähnliche Verbindungen zuverlässig ausgeschlossen werden.
Das Raman-Spektrum
Raman-Spektren enthalten Spitzen in einem Bereich, der einer bestimmten molekularen Konnektivität entspricht und zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer Probe verwendet werden kann. Der Spektralbereich hängt vom Design des Spektrometers ab und stellt ein Gleichgewicht zwischen Auflösung und Empfindlichkeit dar.
Die «Fingerabdruckregion» (400–1800 cm-1) wird verwendet, um Unbekanntes zu identifizieren und bekannte Materialien zu verifizieren. Die Region unter 400 cm-1 ist hilfreich bei der Analyse von Mineralien, Edelsteinen, Metallen und Halbleitern. Für die meisten organischen Materialien (z. B. Öle, Polymere, Kunststoffe, Proteine, Zucker/Stärke, Alkohole, Lösungsmittel usw.) gibt es nur sehr wenige Informationen über 2255 cm-1 ist in Raman-Anwendungen nützlich, da Kohlenstoff-Wasserstoff-Ketten wenig zur Molekülqualifizierung beitragen.
MIRAs Messbereich
of 400–2300 cm-1 is perfect for most Raman applications, including:
- Pharma & other regulated industries
- Food
- Personal care & cosmetics
- Defense & security
- Process analytics
- Materials ID
- Education & research
MIRA ist in verschiedenen Konfigurationen für alle Arten von Anwendungen und Benutzeranforderungen erhältlich.
Kleine, aber gute Dinge
Technologie, Analyse, Benutzerfreundlichkeit, Genauigkeit – das tragbare Raman-Gerät bietet all dies in einem kleinen Format, das über die engen Grenzen des Labors hinausgeht. Darüber hinaus werden dadurch viele neue Arten von Benutzern angesprochen, die Raman für völlig neue und spannende Anwendungen einsetzen. Im weiteren Verlauf dieses Blogbeitrags teile ich Einzelheiten zur Entwicklung von Komponenten, die zur Miniaturisierung von Raman geführt haben. Anschließend folgt die Entstehungsgeschichte von Metrohm Raman, Hersteller von MIRA (Metrohm Instant Raman Analyzer).
Bei der Entwicklung von MIRA kamen vier bedeutende Innovationen zusammen: Diodenlaser, spezielle Filter und Gitter, On-Axis-Optik und das CCD (Charge Coupled Device) in einem einzigartigen Design, das als «astigmatischer Spektrograph» bezeichnet wird. Diese Grundkomponenten eines Raman-Spektrographen sind in der obigen grafischen Darstellung zu sehen. Beachten Sie, dass dies keine genaue Darstellung der einzigartigen Geometrien ist, die im Gehäuse von MIRA gefunden wurden!
Die Raman-Spektroskopie ist eine Technik, die auf der Anregung von Molekülen mit Licht (Energie) beruht. Lebenslauf Ramans Entdeckung der Raman-Streuung im Jahr 1928 wurde durch fokussiertes Sonnenlicht ermöglicht, das dann schnell durch eine Quecksilberlampe zur Anregung und fotografische Platten zur Detektion ersetzt wurde. Das Ergebnis ist eine einfache, weit verbreitete und effektive Methode zur Bestimmung der Struktur einfacher Moleküle.
Das erste kommerzielle Raman-Spektrometer war in den 1950er Jahren verfügbar. Mit der zunehmenden Verfügbarkeit von Lasern in den 1960er Jahren und der Einführung verbesserter Filtertechnologien in den 1970er Jahren wuchs die Popularität der Raman-Analyse als Methode für ein breites Spektrum chemischer Analysen. Integrierte Systeme gab es erstmals in den 1990er Jahren, und die Miniaturisierung der Instrumente begann Anfang der 2000er Jahre.
Miniaturisierung von Raman-Spektrometern
Diodenlaser waren der erste Schritt in Richtung tragbarer Raman-Geräte. Diejenigen unter Ihnen, die ein gewisses Alter erreicht haben, erinnern sich vielleicht noch daran, dass es sich dabei um die Art kleiner, cooler Niedrigenergielaser handelt, die in CD-Playern verwendet werden und an der Quelle durch ein einzigartiges Beugungsgitter stabilisiert werden.
Leistungsstarke, effiziente optische Filter tragen ebenfalls zur Miniaturisierung bei, indem sie die Streuung des Laserlichts innerhalb des Spektrographen kontrollieren. Die Entwicklung empfindlicher, kleiner ladungsgekoppelter Bauelemente (CCDs), die häufig in Mobiltelefonkameras verwendet werden, ermöglichte die Erkennung der Raman-Streuung und die effiziente Übertragung der resultierenden Signale zur Verarbeitung an einen Computer.
Der astigmatische Spektrograph vereinfachte sowohl die Geometrie Und Ausrichtung der vielen Komponenten innerhalb eines Raman-Spektrometers; dieses Design stellte den letzten Fortschritt in der Entwicklung tragbarer Raman-Spektrometer dar.
Von Wyoming in die Schweiz
In den 1990er Jahren wurden neue Technologien, die für verschiedene Branchen entwickelt wurden, in die Raman-Spektroskopie integriert. In Laramie, WY (USA) war Dr. Keith Carron damals Professor für Analytische Chemie mit Schwerpunkt auf oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS). Dr. Carron verfügte bereits über robuste SERS-Tests, aber er stellte sich ein kostengünstiges Raman-System vor, mit dem er seine Tests auf den Märkten für Industrie, Medizin oder Verteidigung und Sicherheit einführen könnte. Seine nächsten Schritte würden die Raman-Spektroskopie revolutionieren.
Unter Verwendung handelsüblicher Teile entwickelten Dr. Carron und sein Team ein kostengünstiges Tischgerät, das die hohen Kosten der Raman-Analyse eliminierte und so deren Einsatz im Universitätslehrplan ermöglichte. In den frühen 2000er Jahren begann ein Forschungs- und Bildungsboom, als sich Raman von einer esoterischen Technik für High-End-Anwendungen zu einer allgemein für alle möglichen Aufgaben verfügbaren Technik entwickelte. Dr. Carron ist dafür verantwortlich, Raman in die heutige Ära zu führen. Eine Zusammenarbeit führte zu einem tragbaren Raman-System und schließlich zu einem neuen astigmatischen Spektrographendesign in einem sehr kleines Instrument.
Die Tragödien vom 11. September 2001 in den USA führten unmittelbar zu einem verstärkten Einsatz von Technologien zur Erkennung terroristischer Aktivitäten. Etwa zu dieser Zeit verstärkte die Angst vor Anthrax den Bedarf an Analysatoren mit „weißem Pulver“. Ziel war die feldtaugliche chemische Analyse .
Dr. Carron wurde dazu inspiriert, ein tragbares, batteriebetriebenes Raman-Gerät zur Identifizierung von Sprengstoffen und anderen illegalen Materialien zu erfinden. Eine Reihe von Iterationen führten im Februar 2012 zu CBex, einem handflächengroßen Raman-System (sogar kleiner als MIRA!), das von Snowy Range Industries entwickelt wurde. CBex erregte die Aufmerksamkeit der Metrohm AG und im August 2013 wurde Dr. Carron ein Kooperationsangebot zugesandt.
Da kommt MIRA
MIRA wurde 2015 geboren. Es handelt sich nicht nur um ein neuartiges Analyseinstrument, sondern auch um ein einzigartiges tragbares Raman-Spektrometer. MIRA hat den kleinsten Formfaktor aller kommerziell erhältlichen Raman-Instrumente.
Was MIRA wirklich von der Konkurrenz abhebt, sind die integrierten Smart Acquire-Routinen, die jedem überall Zugriff auf hochpräzise Analyseergebnisse bieten. Es ist robust, treffen MIL-STD 810G Und IP67 Spezifikationen – Sie können MIRA fallen lassen oder in eine Flüssigkeit tauchen, um eine Identifizierung zu erhalten.
Nachdem Raman die engen Grenzen des Labors verlassen hatte, bot es plötzlich Potenzial für neue Einsatzmöglichkeiten durch Laien, die hochanalytische Tests sicher, schnell und genau durchführen konnten.
Tatsächlich hat die Miniaturisierung von Raman die Sicherheit in vielerlei Hinsicht revolutioniert:
- Durch die Direktanalyse werden die Gefahren durch den Kontakt mit Laborlösungsmitteln und anderen Chemikalien eliminiert.
- Eine Analyse der Verpackung durchgängig verhindert, dass der Benutzer mit potenziell gefährlichen Materialien in Kontakt kommt.
- Durch eine vereinfachte Materialidentifizierung vor Ort wird die Qualität der Inhaltsstoffe von Lebensmitteln, Medikamenten, Nahrungsergänzungsmitteln, Kosmetika und Hautpflegeprodukten überprüft.
- Die Identifizierung illegaler Materialien wie Rauschgift, Sprengstoffe und chemischer Kampfstoffe ermöglicht ein schnelles Eingreifen militärischer und ziviler Behörden.
Wie geht es weiter?
Ich hoffe, es hat Ihnen Spaß gemacht, mehr über die Entwicklung der Raman-Technologie von Tischsystemen bis hin zu den heutigen Handgeräten zu erfahren. Wir veröffentlichen weiterhin weitere Artikel über MIRA, die mehrere interessante Anwendungen der tragbaren Raman-Spektroskopie im Detail beschreiben. Nachfolgend finden Sie eine Auswahl dieser Artikel:
Real World Raman: MIRA DS im Einsatz – Arzneimittel sicher vor Ort erkennen
Real World Raman: Vereinfachung der Wareneingangskontrolle bei Rohmaterialien
Ihre Wissens-Take-aways
Instrumentenkalibrierung, Systemüberprüfung und Leistungsvalidierung für MIRA
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