Ausgabe 123 (September 11)

Imaging
True Surface Microscopy
für topographisches raman-Imaging
Eine neue integrierte Kombination aus
einem konfokalen Raman-Ima ging
System und einem optischen Profi lometer
ermöglicht erstmals die konfokale
Abbildung der Verteilung der chemischen
Bestandteile entlang der Oberfläche
einer großen Probe.
Abb.1 a: 3D-Raman-Bild
(Rekonstruktion) der Verteilung
von Öl, Alkan und Wasser in einer
Emulsion. Grün: Öl; Rot: Alkan;
Blau: Wasser; 30 x 30 x 11.5 µm,
150 x 150 x 23 Pixel, 517 500
Raman-Spektren; Aufnahmezeit für
den gesamten Stack: 23 min.
Abb. 1 b: Korrespondierende
Spektren; Grün: Öl; Rot: Alkan;
Blau: Wasser
Damit wird die seit langem etablierte
Raman-AFM-Kombination um eine
Tech nik erweitert, die eine Vielzahl von
Vorteilen bietet.
Die konfokale Raman-Mikroskopie stellt
ein leistungsfähiges Tool für das chemische
3D-Imaging dar. Eine Stärke
liegt vor allem darin, dass neben der
Verteilung der chemischen Bestandteile
auch weitere Eigenschaften wie die
Kristallinität, oder Materialspannungen
mit einer lateralen Auflösung von bis
zu 200 nm und einer Tiefenauflösung
bis 500 nm bildlich dargestellt werden
können.
Auch relativ große Probenbereiche mit
einigen Zentimetern Kantenlänge lassen
sich damit noch gut untersuchen.
Solche großen Probenbereiche sind aber
praktisch immer verkippt oder rau im
Vergleich zur Tiefenauflösung von weniger
als einem Mikrometer. Daher liegen
bei der Messung von großen Proben
viele Probenbereiche gar nicht mehr
im Fokus des konfokalen Mikroskops.
Durch die integrierte Kombination eines
konfokal-chromatischen Sensors zur
Oberflächen­Profilometrie mit einem
konfokalen Raman-Mikroskop lassen
sich solche Proben erstmalig untersuchen.
Neben Bildern von der Proben topo
graphie erhält man dadurch zusätzlich
eine Abbildung, die die chemischen
Eigenschaften exakt entlang der Oberfläche
darstellt (topographisches Raman­
Imaging).
Konfokales raman-Imaging
Beim konfokalen Raman-Imaging wird
ein hochempfindliches konfokales
Mikroskop mit einem äußerst sensitiven
Raman-Spektroskopiesystem kombiniert.
Die konfokale Mikroskopie ist eine
spezielle Technik, bei der man nur
die Informationen aus der Fokusebene
erhält, da das Streulicht von außerhalb
der Fokusebene mittels einer Apertur
ausgeblendet wird. Die Aufnahme des
Bildes erfolgt dann durch Rastern der
Probe oder des Anregungslasers Punkt
für Punkt und Zeile für Zeile. Ein großer
Vorteil dieser Methode ist ein sehr großer
Bildkontrast und ein sehr gutes Signal/
Rausch-Verhältnis. Außerdem lassen
sich Tiefenprofile und sogar dreidimensionale
Bilder erzeugen. Die laterale
Auflösung liegt beugungsbegrenzt bei
ca. 200 nm.
Bei einem konfokalen Raman-Mikroskop
wird nun an jedem Bildpunkt ein komplettes
Raman-Spektrum aufgenommen.
Eine typische Bildgröße von 256
Zeilen mit 256 Pixel resultiert in 65.536
Spektren. Aus dieser Multi-Spektrum-
Datei lassen sich nun mit einer speziellen
Software, zum Beispiel durch
Integration über bestimmte Bereiche im
Spektrum, Bilder der Verteilung verschiedener
Spezies in der Probe gewinnen.
Abbildung 1a zeigt ein konfokales
3D-Raman-Bild einer Öl-Wasser-Alkan-
Emulsion aufgenommen mit dem konfokalen
Raman-Mikroskop alpha300 R.
(Probenvolumen: 30 x 30 x 11,5 µm,
23 einzelne Raman-Bilder, 150 x 150
Pixel, 22.500 Spektren, Aufnahmezeit:
pro Bild 60 Sekunden, pro Stack: 23
Minuten, Grün: Öl, Rot: Alkan, Blau:
Wasser). In Abbildung 1b sind die dazugehörigen
Spektren mit entsprechender
Farbkodierung dargestellt.
Konfokal chromatischer Sensor –
profilometrie
Mit einem konfokal chromatischen
Sensor lässt sich die Oberflächen topographie
beliebiger Proben im Nanometerbereich
bestimmen, und das berührungslos
und mit einer räumlichen Auflösung
von wenigen Mikro metern.
Dazu wird eine möglichst punktförmige,
weiße Lichtquelle mittels einer Linse auf
die Probe fokussiert. Die dazu verwendete
Linse hat – im Gegensatz zu den
üblicherweise in der Optik verwendeten
Linsen – einen möglichst großen chromatischen
Fehler. Das heißt, die Brennweite
dieser Linse ist für jede Farbe unterschiedlich:
Der Fokuspunkt für blaues
Licht liegt viel näher an der Linse als
der für grünes oder gar rotes Licht. Wird
nun das von der Probe reflektierte Licht
durch eine kleine Blende (Pinhole) detektiert
und dessen spektrales Maximum
mit einem Spektrometer bestimmt, so
lässt sich alleine aus der Farbe des reflektierten
Lichts die Probenhöhe bestimmen.
Das Pinhole sorgt nämlich dafür, dass
nur das Licht zum Spektrometer gelangt,
welches sich im Fokus auf der
Probenoberfläche befindet. Somit lässt
sich aus dem detektierten Spektrum
eindeutig die Probenhöhe gewinnen.
Durch Abrastern der Probe lässt sich
2 SpecTruM 123 september 2011
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