Mit der Raman Spektroskopie lassen sich unterschiedliche Moleküle in Materialien und organischem Gewebe enttarnen - wie bei einem einzigartigen Fingerabdruck. Das nutzen die Experten des ­Sensorik Forschungszentrums CTR zur Kontrolle von Lebensmitteln, für ein besseres Recycling und in der Photovoltaik-Produktion.

 Die Experten des CTR forschen an optischen Technologien und deren Anwendungen. Laufende Arbeiten beschäftigen sich intensiv mit der Raman-Technologie, welche die spektrale Charakteristik der unelastischen Lichtstreuung an unterschiedlichen Materialien erfasst. Die Vorteile der Raman-Spektroskopie liegen darin, dass sich die Technologie für ­Feststoffe und Flüssigkeiten eignet und Analysen auch durch Wasser, Glas- oder Polymerverpackungen hindurch möglich sind. Dadurch erhält man detaillierte Informationen über die chemische Struktur und die molekulare Interaktion eines Messobjektes, ohne dabei das Messobjekt zu zerstören.

Lebensmittel, Pharma, Recycling und Photovoltaik

Im Pharma- und Kosmetikbereich nutzt man die Raman-Technologie zur Erkennung der räumlichen Wirkstoffverteilung in Tabletten, zur Effektkontrolle von Kosmetika auf der Haut oder zur Entwicklung neuer Medikamente. An der CTR laufen einige Forschungen, etwa im Nahrungsmittelbereich, wo es um die schnelle optische Detektion von Einzelbakterien geht, und im Life-Science Bereich, wo man die Vitalität von menschlichem Gewebe untersucht. Besonders industrienah sind die CTR-Forscher bei Recyclinganwendungen. Dazu entwickelten sie einen Prototyp zur Glassortierung. Dieser Laborprototyp erkennt unterschiedliche Glassorten in Echtzeit und trennt diese dann mit hoher Genauigkeit. Das ist für den Wiederverarbeitungsprozess von Bedeutung. Bei Verunreinigungen besteht die Gefahr, dass das wiederverwertete Glas aufgrund von Spannungen im Material unter Belastung bricht.
In Kooperation mit dem Weltmarktführer im Recycling, Tomra Sorting Solutions, haben die Forscher die Raman-Spektroskopie als Alternative zu bisherigen Methoden getestet. Entscheidender Vorteil: Raman bietet zusätzlich zu den etablierten Methoden basierend auf sichtbaren Licht eine Information über die chemische Zusammensetzung der Gläser. Methoden, die im sichtbaren Licht arbeiten, können lediglich herkömmliches Weiß- von Buntglas unterscheiden. Raman erweitert den Anwendungsbereich und ermöglicht zusätzlich die Erkennung von Spezialgläsern wie Mineral- oder Feuerschutzgläsern. Diese unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung und können dadurch präzise getrennt werden. Auch in der Photovoltaik wollen die CTR-Forscher neue Maßstäbe in der Produktionskontrolle setzen. Dabei geht es darum, die Raman-Spektroskopie für die Vernetzungsgradkontrolle zu nutzen und diese auch inline anzuwenden. Damit soll erstmals eine flächendeckende Qualitätskontrolle ermöglicht werden, um Produktionsmängel sofort zu identifizieren.

Lichtstreuung bringt Information

Die Raman-Spektroskopie ist heute eine der wichtigsten Untersuchungsmethoden der Molekül- und Festkörperphysik und ein schnelles Verfahren zur Materialcharakterisierung. Die zu untersuchende Materie wird mit Licht - üblicherweise aus einem Laser - bestrahlt. Der Laserstrahl regt die Grundschwingungen von Molekülen oder Molekülrotationen an, diese wiederum strahlen die Energie zurück, wobei das eingestrahlte Licht gestreut wird. Und genau in dieser Streuung liegt die wesentliche Information. Nach der Zerlegung des Streulichts zeigen sich neben der intensiven Spektrallinie der Lichtquelle zusätzliche Spektrallinien des Materials. Die letzteren Linien sind dann die Raman-Linien, die die unelastische Streuung des Lichtes an Atomen oder Molekülen darstellen. Daraus können materialspezifische Eigenschaften wie die Zusammensetzung, die Verspannung, die Temperatur, die Dotierung, die Kristallinität oder die Kristallorientierung erkannt werden. Es ist quasi wie ein Fingerabdruck auf Molekülebene, der das Material eindeutig charakterisiert. Die Vorteile der Raman-Spektroskopie liegen darin, dass sich die Technologie für Feststoffe und Flüssigkeiten eignet und Analysen auch durch Wasser, Glas- oder Polymerverpackungen hindurch möglich sind. Die Probe selbst wird nicht zerstört, muss auch nicht vorbereitet werden, und selbst aus sehr kleinem Volumen (Durchmesser 1 µm, d.h. geringer als ein Tausendstel Millimeter) lassen sich Raman-Spektren generieren. Analysieren kann man damit biologische, chemische und pharmazeutische Proben (z. B. Bakterien oder Krebszellen). Ferner wird sie zur chemischen und physikalischen Charakterisierung von Halbleitermaterialien, Edel- und Halbedelsteinen, Katalysatoren, Mineralien, Polymeren und vielen anderen Materialien verwendet. Doch die Technologie hat auch Nachteile: Metalle und Legierungen können mit dem System nicht analysiert werden.