Raman Imaging Analytik – RIA

Raman Imaging Analytik – RIA.

Pro FIT Förderprojekt.

Steckbrief
Pro FIT Förderprojekt

Programm zur Förderung von Forschung, Innovation und Technologien.
Dieses Projekt wurde kofinanziert durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).

Efre Project Berliner Glas
Projektträger:Investitionsbank Berlin
Projektbegleitung:Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB)
Förderkennzeichen:10156347
Laufzeit:2014 – 2016
Projektpartner:

Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz GmbH & Co., Berlin

eagleyard Photonics GmbH, Berlin

Laser- und Medizin-Technologie GmbH, Berlin (Verbundkoordinator)

Raman-Spektroskopie

Bestrahlt man Materie mit Licht, wird bekanntermaßen ein Teil des Lichtes absorbiert, ein Teil transmittiert, und ein Teil des Lichtes wird reflektiert. Eine richtungsunabhängige Reflexion wird Streuung genannt. Bei der Rayleigh- oder Mie Streuung hat das gestreute Licht die gleiche Wellenlänge wie das eingestrahlte Licht, es handelt sich um eine elastische Streuung. Im Energiebändermodell werden dabei die mit dem Licht wechselwirkenden Elektronen zunächst auf ein höheres Energieniveau angehoben und fallen dann unter Aussendung von Licht wieder auf ihr Ursprungsniveau zurück.

 

Es gibt aber weitere Wechselwirkungen, bei welchen ein- und ausgestrahltes Licht nicht die gleiche Wellenlänge (Farbe bzw. Frequenz) hat. Neben der Fluoreszenz zählt die Raman Streuung dazu, die auch als inelastische Streuung bezeichnet wird. In dieser Streuung entstehen in Folge von Rotation oder Schwingungszuständen von Molekülen charakteristische Frequenzbänder, welche bei Anregung mit monochromatischem Licht eines Lasers als Spektrum ausgewertet werden können und eindeutige Informationen über die bestrahlten Materialien liefern. Insbesondere Moleküle können hiermit elegant untersucht und detektiert werden.

 

Bei Berliner Glas am Standort Berlin war dieses Projekt im Unternehmensbereich Medical Applications angesiedelt. Hier gelangen Sie zur entsprechenden Markt-Übersichtsseite:

Medizintechnik

Informationen zum Projekt

Ziele

Die Raman-Spektroskopie gilt als aufwändige und teure Technologie, die zudem mit relativ langen Messzyklen einhergeht. Im Projekt RIA wurde daher das Ziel gesetzt, mit nur einer einzigen Strahlquelle und einem Spektrometer/ Monochromator eine echte  Vielkanalfähigkeit herzustellen.

 

Dies würde den Preis pro Ramankanal auf ein bislang nicht erreichtes niedriges Niveau senken und potenziell äußerst reizvolle Anwendungsmöglichkeiten erschließen, wo es auf viele Messungen innerhalb kurzer Zeit ankommt.

 

Zum einen können Materialien schnell und kostengünstig analysiert werden, wobei die hohe Selektivität von Raman Signalen uneingeschränkt genutzt werden könnte. Typisches Einsatzgebiet sind sogenannte Mikrotiterplatten mit 96 oder 400 einzelnen Probenaufnahmen. Raman-Spektroskopie ist beispielsweise ein häufig genutztes Mittel bei der Produktion oder der Echtheitsprüfung von Medikamenten.

 

Ein weiteres potenzielles Anwendungsgebiet ist die Erkennung von Krankheiten wie beispielsweise Krebs. Mit Vielkanalanwendungen kann man gewisse Areale auf der Haut, ohne diese abzuscannen, untersuchen und erhält so eine gewissermaßen bildhafte spektrale Darstellung eines gewissen Bereiches der Oberfläche. Auch Kunstwerke ließen sich durch solche Untersuchungsmethoden hinsichtlich ihrer Echtheit untersuchen. Als letztes Beispiel sei die Analyse biologischer Systeme wie Bakterienkulturen genannt.

Projektpartner und Arbeitspakete

Laser- und Medizin-Technologie GmbH, Berlin (kurz: LMTB)  ist als Initiator und Verbundkoordinator maßgeblich für das Gesamtkonzept verantwortlich. Die LMTB verfügt über große Expertise in der Raman-Spektroskopie und hat sich bereits früher intensiv mit Anwendungen basierend auf Einzelstrahlquellen beschäftigt. Die LMTB zeichnet überdies verantwortlich für die Berechnung und den Aufbau des Strahlführungs- und Strahlformungssystems und die Integration der Partnerkomponenten.

 

eagleyard Photonics GmbH, Berlin für die Berechnung und Bereitstellung der Laserstrahlquelle. Hierbei wird das Laserlicht einer Single Emitter Laserdiode mit hoher Leistung im Grundmode (+ 2W)  durch ein diffraktives optisches Element (DOE) in viele Teilstrahlen aufgespaltet.

 

Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz GmbH & Co., Berlin (kurz: Berliner Glas) für das optische Design und die Auslegung des eigentlichen Spektrometers, in welchem durch ein Gitterelement das eintreffende Licht spektral aufgespaltet wird. Das Licht wird mittels eines hochempfindlichen Detektors aufgefangen, sodass die Signale gewandelt  und  elektronisch weiterverarbeitet werden können. Die besondere Herausforderung liegt darin, eine Vielzahl an Spektren mit nur einem Monochromator zu analysieren.

 

Projektteam bei Berliner Glas:
Dr. Ali Khettal (Zentralbereich: Messtechnik-, Software-, Elektronik-
und Optikentwicklung (MSE) – Optikdesign
Dennis  Leenman (Business Unit: Medical Applications)  – Systemarchitekt
Dr. Stefan Beyer (Business Unit: Medical Applications) – Projektleitung

Ergebnisse

In der Laufzeit des Projektes konnte erfolgreich ein Vielkanal-Raman-Spektrometer auf Laborniveau aufgebaut werden. Mit diesem weltweit einzigartigen System können nach derzeitigem Stand 60 Kanäle in echter Parallelität betrieben werden. Das Faserbündel ist hier bereits auf 100 Kanäle ausgelegt, das Spektrometer erfordert aber ein kundenspezifisches Redesign des Gitters.

 

Da die Untersuchungsergebnisse sehr gut mit den Erwartungen übereinstimmen, hat sich zudem ein fundamentales Verständnis über Design und Bau solcher Multikanalsysteme eingestellt. Dieser Zugewinn an Know-how kann nicht nur für IR-Spektroskopie, sondern grundsätzlich auch für klassische Spektroskopie in Transmission, Reflexion oder für Fluoreszenzanwendungen genutzt werden.

Ausblick

Nach Projektende soll das gewonnene Know-how weiterentwickelt und verwertet werden. Derzeit sind die Projektpartner darum bemüht, einen schlagkräftigen In-Verkehr-Bringer zu gewinnen, der bereit ist, die notwendigen Investitionen für eine Serienreifmachung zu tätigen. Die Projektpartner werden auch über das Projektende hinaus gemeinschaftlich an verschiedenen Themen zusammenarbeiten. Die Installierung eines Kompetenzzentrums für Raman-Spektroskopie ist geplant.

 

Ansprechpartner bei Berliner Glas:

Dr. Stefan Beyer (Entwicklung)

Martin Kuchenbecker (Vertrieb)

Abbildungen
Vielkanal-Spektrometer
Abbildung 1: Gesamtaufbau des Vielkanal Spektrometers
 
 
Vielkanal-Spektrometer
Probe simultan mit 121 Laserspots bestrahlt
Abbildung 2: Labordemonstrator (Quelle: LMTB)
 
 
Abbildung 3: 2 x 2 mm² Probe simultan mit 121 Laserspots bestrahlt
 
 
Vermessung einer PMMA- Probe
 Spektrometerdesign von Berliner Glas
Abbildung 4: Vermessung einer PMMA- Probe simultan an 30 verschiedenen Orten
Das höchste Signal stammt vom Zentralkanal, der designbedingt eine besonders hohe Laserintensität aufweist.
Abbildung 5: Spektrometerdesign von Berliner Glas, Dr. Ali Khettal