DIY Ramanspektroskopie im Mikroskop

[TStein]

Hallo Horst,

danke für deine Kommentare. Bezüglich der China-Käufe hast du sicherlich recht, bei den Preisen wäre ein Fehlkauf nicht sehr amüsant.

Lasermodul: Da ich im weiteren Sinne auch viel auf Arbeit mit optischer Messtechnik und Spektrometrie/Spektroskopie zu tun habe, habe ich auch schon einen grünes Roithner-Lasermodul geplant. Inwiefern die Laserwellenlänge bei Erwärmung bei den einfachen, nicht temperaturstabilisierten Modulen stabil bleibt, müsste man testen. 100mW habe ich übrigens schonmal zur Streulichtmessung verwendet, da kann man selbst in erstklassigen Quarzglas die Laserspur sehen, selbst nach mehreren Reflexionen. Die Laserbrille habe ich schon eingeplant, auf Arbeit bin ich auch für mehrere Laser verantwortlich. Wäre sicherlich urkomisch, wenn ich mir die Augen in meiner Freizeit wegbrutzle.

Bezüglich Filter denke ich auch, dass das FHR-Set am Vielversprechendsten ist. Ich vermute aber auch ganz stark, dass der Laserlienienfilter wahrscheinlich nicht notwendig ist. Soweit ich mich belesen habe, gibt es auch bei den ultra-schmalbandigen Filtern einige Probleme mit undefinierter Polarisation oder falls man nicht ideal kollimiert (mit Winkelspektrum) auf den Filter geht. Da ist die schöne schmalbandige Kante recht schnell auf normales Niveau verschliffen. Nach meiner Recherche wäre aber auch diese LP-FilterSerie bei Edmundoptics einigermaßen vergleichbar: https://www.edmundoptics.eu/f/laser-line-longpass-filters/13020/ Ist aber preislich auch die selbe Liga.

Apropos Scan-Range, die 0-1900cm-1 ergeben sich durch das 1200er Gitter und die 27mm CCD. Das Horiba-Spektrometer hat auch einen speziellen Scanmodus, da kann man auch für einen größeren Scanbereich on-the-fly scannen oder entsprechend Spektralbereiche aneinander stitchen. Für eine Einbindung per Software gibts hier DLLs, da das Spektrometer doch noch recht aktuell ist.

Da die Kameras sowieso mit einer anderen Software ausgelesen werden, habe ich hier 2 Softwarepakete, welche auch schon recht gut für Verwendung in der Spektroskopie angepasst sind. Ich plane aber die Hardware möglichst in der freien Micromanager-Software (https://micro-manager.org/) einzubinden, da ich das Leica-Mikroskop eh damit steuern möchte. Die Kameras und das Spektrometer tauchen zumindest in der Hardware-Kompatibilitätsliste auf, habs aber noch nicht ausprobiert. Etwas Programmiererfahrung mit ImageJ, dem zugrundeliegenden Programm, habe ich.

Bezüglich Aufweitung des Laserstrahls hätte ich an einen monolithischen 1-4x Beamexpander gedacht, damit der kollimierte Strahl auf ~10mm Durchmesser kommt. Kannst du sagen, wie das bei dir realisiert ist, ne Thorlabs-Schiene mit Linsen würde sicherlich auch gehen. 

Die Einkopplung ins Spektrometer würde bei mir übrigens nicht mittels Faser erfolgen, sondern da ich eh ein Inverses Mikroskop verwende, über eine Direktankopplung des Spektrometers an einen der seitlichen Ports. Das Mikroskopbild mit dem hellen fokussierten Laserspot wird dann auf den verstellbaren Eingangsschlitz des Spektrometers projiziert. Mal schaun wie gut das funktioniert, denn der Laserspot muss dann sehr genau den Schlitz treffen. Zur Not hätte ich auch noch eine entsprechende Faserkopplung da.

Bezüglich Wellenlängenkalibrierung des Spektrometeraufbaus habe ich schon einiges an Erfahrungen gesammelt (aus meiner Astrophotografie-Karriere ). Man kann hier bspw. die kleinen Neon-Glimmlampen von Leuchtstofflampenstartern verwenden (bspw. Typ Relco-480, hier sind die ganzen regelmäßig verteilten Spektrallinien aufgelistet: https://www.ursusmajor.ch/downloads/sques-relco-sc480-calibration-lines-5.0.pdf). Oder auch für das RamanSpektrometer selbst, mittels "Spektralon (weißes aufgeschäumtes Teflon)", da es recht viele scharfe RAMAN-Linien hat.
Ein Beispielspektrum vom RELCO-Starter habe ich vorhin erst aufgenommen. Hab mal einen schnellen Screenshot davon angehängt.

Wünsche auch ein frohes Fest und Lg
Tino

[hugojun]

Hallo Horst,

du hast natürlich meine Anspielung richtig verstanden.

Danke für deine Zusammenfassung deiner bisherigen Erfahrungen und Enttäuschungen.

Wie ich aus Tinos und deinem Bericht ersehe, ist bei euren Ansätzen viel Teil-Automatisierung im

Spiel.

Einen steuerbaren Grau-Filter-Revolver zu integrieren macht sicherlich Sinn.

,,Habe mich damit immer über starke Störungen im Spektrometer gewundert, bis ich dann herausgefunden habe,

dass der Filter bei 532 nicht die versprochenen OD6 hat."

Könnte ein Hinweis auf die Artefakte in meinen Spektren sein, da ich genau den geleichen Type benutze.

Der AHF RET537 LP Filter ist wahrscheinlich ein konkreter Schritt in die richtige Richtung.

Roithner-Laser -Technik hat da einiges an 50mW Lasern auf Lager von einfachen Dioden bis gekühlte Module und man muss beurteilen können,

welche Anschaffung sinnvoll ist und welche überflüssig.


Noch´ nen schönen Feiertag

Jürgen

[TStein]

Hallo liebe Mineralien- und RAMAN-Begeisterte und natürlich auch alle Anderen,

ich habe nun doch nach einiger Zeit das RAMAN-Mikroskop-Setup fertiggestellt und möchte vom "First-Light" und den ersten Messungen berichten.
Der Grundaufbau ist in etwa wie schon damals geplant (siehe 7 Beitrage weiter unten) und zwar in etwa folgender:
1. Mikroskop LEICA DMI6000CS (Inverses Mikroskop, eigentlich für Confocal Scanning, 5 mot. umschaltbare Ports (Vis + 2x Kamera + 1 x CS-Port + 1x unter dem Mikroskop), motorisierter Tisch, motorisierter Z-Fokus, Fluoreszenz-Auflichteinheit, 6fach Fluoreszenz-Filterwechser, Standard HC Fluotar-Objektive 5x, 10x, 20x Long Distance)
2. Laser ~20mW 532nm DPSS-Laser-Modul
3. RAMAN-Filterset von AHF (1x 45° dichroitischer Strahlteiler in Leica-"Leer"-Filtercube eingebaut, 1 x LongPass 537nm in Schieber eingebaut)
https://www.ahf.de/en/products/spectral-analysis-photonic/optical-filters/filter-sets/raman-sets/2360/532-nm-raman-et-lp-filter-set?c=511
4. Spektrometer HORIBA IHR320 mit 3-Gitter-Drehturm (1200Lp/mm Blaze 630nm, 600Lp/mm Blaze 1000nm, 1200Lp/mm Blaze 330nm),
Multimode-Faserkopplung 25µm-Kern
5. Kamera Princeton-Instruments PI NTE CCD-1340_1300-EMB, (wird noch auf vorhandene HORIBA Syncerity KAMERA mit 2048px CCD umgerüstet)
6. Kalibrierung mit Neon-Glimmlampe Relco SC480, oder Si-Wafer, oder Spectralon (weißes Teflon)

Anbei ein paar Impressionen vom Aufbau:
Bild 1: Laser mit Justierung
Bild 2: Filterwürfel mit 45° Strahlteiler im Filterwechsler
Bild 3: Filterschieber mit Kantenfilter
Bild 4: Motorisierter Tisch mit Gerümpel
Bild 5: Niedrigauflösendes (1nm) einfaches Faserspektrometer zum Test
Bild 6: Hochauflösendes abbildendes Gitterspektrometer IHR320
Bild 7: Linke Seite des Mikroskops mit CS-Port, noch ohne Faserkopplung
Bild 8: Diamantkorn auf Diamantsägeblatt (Mikroskopaufnahme), Lumineszenz und RAMAN ist schon zu erkennen
Bild 9: Niedrigauflösendes Spektrum von Teflon

Richtige Messungen folgen :

Lg Tino

Änderung: Bildgröße aufgrund verbesserter Darstellung geändert

[TStein]

Nachdem ich einige Zeit mit der Justage und der Optimierung der Einkopplung verbracht habe, war der Laserspot auch ausreichend klein (2-3µm) und das hochauflösende Spektrometer mit Kamera konnte in Betrieb genommen werden. Die Kalibration mittels der Glimmlampe hat auch sehr gut funktioniert und die Software und die Auswertung ist jetzt auch Ready.
Die Spektren sind leider verkehrt herum, da die Kamera 180° verdreht ausgelesen wurde. Ging leider nicht so einfach Rückgängig zu machen.

Erstmal ein paar Kalibriermessungen:
Bild1: Spektrum der RELCO SC480 Kalibrationslampe; 1200er Gitter, 20x Objektiv, 4x5s Belichtungszeit
Bild2: Si-100-Wafer, markante Linie bei 520cm-1; 1200er Gitter, 20x Objektiv, 4x5s Belichtungszeit
Bild3: Teflon-Fingerprint; 1200er Gitter, 20x Objektiv, 4x5s Belichtungszeit

Lg Tino

[plaenerdd]

Hallo Reinhard und alle, denen Raman-Spektroskopie noch nicht viel sagt,
im Bärtierchenjournal Februar2017 bis August 2017 ist eine schöne Einführung mit ein paar Beispielen unter anderem, der Nachweis von Karotin in einem roten Bärtierchen.
LG Gerd
EDIT: Sorry, ich hatte nicht gemerkt, dass hier ein alter Faden ausgegraben wurde. Reinhards Frage war von 2020 und ist sicher schon beantwortet, die Einführung ist trotzdem gut.

[TStein]

Hallo Gerd, hallo Reinhard,

ich habe den etwas älteren Faden wieder reaktiviert, da ich denke dass hier recht interessante Infos bezüglich der RAMAN-Mikroskopie zusammengetragen sind. Es gab auch keine klassiche Eingangsfrage, sondern eine Vorstellung des Messprinzips und eine eingehende Diskussion dazu. Ich hatte diesbezüglich vor einigen Monaten meine Planung eines Aufbaus zur Diskussion gestellt und wollte mich explizit darauf beziehen. Falls es für alle Interessierten etwas praktischer ist, die Fäden nicht allzu lang werden zu lassen, kann ich auch gerne einen Neuen eröffnen.
---
Vllt. etwas Allgemeines (and die Administration), kann man die Darstellungsgröße der eingefügten Bilder noch nachträglich verkleinern? Diese sind leider etwas aufdringlich groß geworden. In der Vorschau des Beitrags werden leider die Bilder nicht dargestellt.

Vg Tino 

[TStein]

Hallo nochmal
und anbei ein paar schöne Beispiele, was RAMAN-Spektroskopie/Mikroskopie eigentlich kann und warum es sich lohnt den hohen Aufwand dafür zu betreiben.

Bild1: RAMAN-Spektrum einer Diamantspitze eines Glasbeschriftungsstifts. Der RAMAN-Peak bei 1332cm-1 ist charakteristisch für Diamant und repräsentiert bestimmte genau definierte Kristallschwingungen. Man kann durch eine extrem genaue Bestimmung der Peak-Position bspw. Rückschlüsse auf Materialspannungen, Verunreinigungen usw. ziehen. Sogar die Temperatur lässt sich damit messen. Aber leider nicht mit meinem Setup.
Bild2: RAMAN-Spektrum von Glimmer
Bild3: RAMAN-Spektrum von Wavellit
Bild4: RAMAN-Spektrum von natürlichen Olivin, aus einer vulkanischen Olivin-Bombe. Hier gibt es zwei charakteristische Peaks, bei etwa 820cm-1 und 850cm-1, aus welchen sich bei sehr genauer Bestimmung der jeweiligen Peak-Positionen zerstörungsfrei die Zusammensetzung, bzw. das Verhältnis von magnesiumhaltigen Forsterit und eisenhhaltigen Fayalit bestimmen lässt. https://de.wikipedia.org/wiki/Olivingruppe
Das gilt dann auch bespielsweise für meteoritisches Olivin, welcher dann interessante Rückschlüsse auf die Bildungstemperaturen usw. zulässt. Dies interessiert mich hierbei besonders, aber dazu später mehr.
Vg Tino

Änderung: Diagrammskalierung Glimmer korrigiert, Rechtschreibung

[hugojun]

Hallo Tino ,

professioneller Aufbau und Equipment. Wow!
Ja , der Doppelpeak des Olivin , der ist natürlich für eigne von uns das Ziel , wie ich es schon mal ganz kurz in
Antwort # 6 angesprochen habe. Entscheidend ist natürlich, dass man die benötigte Auflösung des Doppel-peaks und dessen Position hinbekommt.
Bin auf deine Fortsetzung gespannt!
LG
Jürgen

[TStein]

Hallo Jürgen,
danke. Wie du bereits geschrieben hast, die Olivin-Bestimmung erfordert leider eine sehr geringe Messunsicherheit des Spektrometers, sowie eine ausreichend hohe Auflösung.
Die interessanten Messungen spielen sich in einem Bereich von 815cm^-1 bis 825cm^-1 sowie 847 cm⁻¹ to 857 cm⁻¹ ab, was etwa 10cm^-1 oder 0,3nm in Wellenlängeneinheiten entspricht und die Peaks liegen leider nur etwa 32cm^-1 oder etwa 1nm auseinander.
Die Messunsicherheit einschließlich Kalibrierung sollte dann wohl schon etwa  +/-1cm^-1 oder +/-0,03nm betragen. Hmm, hier wirds schon echt knifflig.
Ich denke, dass ich mit meinem Aufbau und sorgfältiger Kalibrierung schon in etwa in den erforderlichen Bereich komme. Hab jetzt noch keinen Offset korrigiert, sonderen die Kalibrierung nur aufgrund der NeAr-Kalibrierlampe und quadratischer Approximation durchgeführt. Die spektrale Auflösung ist aber leider nicht ganz so gut wie gedacht, sondern nur so etwa 0,3-0,4nm, ist aber vermutlich bereits ok. Auch der Laser muss dann schon ziemlich genau und stabil sein, vllt muss ich auch nochmal über eine Temperaturregelung nachdenken.
Lg Tino

Ps. Ein kurzes Snipplet zur Info: https://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2021/EPSC2021-586.html?pdf       

[Horst Wörmann]

Hallo Tino,

perfekt! Glückwunsch zum funktionierenden System!
Die Bilder würde ich nicht verkleinern, finde ich gut so.
Zur Lasertemperatur: da würden mich mal Ergebnisse zur Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge interessieren. Nach unseren Erkenntnissen liegt die typische Tuningkurve bei 3-5 GHz pro Kelvin, zumindest bei meinem grünen Roithner-Teil. Vielleicht ist der Laser auch so stabil genug. Man muß halt bei jeder Messung mit Diamant kalibrieren.

Viele Grüße aus Bonn
Horst Wörmann

[TStein]

Hallo Horst,

ich hatte mal zur Wellenlängenabhängigkeit von einem ND:YVO4 DPSS mit 532nm folgenden Artikel gefunden:
https://link.springer.com/article/10.1007/s12596-022-00968-z
Dort wird von 12,9pm/K ausgegangen. Außerdem schwingen bei den gewöhnlichen Lasermodulen anscheinend mehrere (2 oder 3, jeweils von Strom und Temperatur abhängig) Longitudinalmoden gleichzeitig an, welche für wirklich schmalbandige Anwendungen herausgefiltert werden müssen. Diese sind beim 2-modigen Anschwingen, jeweils orthogonal polarisiert und können durch eine Polfilter selektiert werden.

Vg Tino

[Horst Wörmann]

Hallo Tino,

da habe ich was falsch verstanden. Bei uns ging es um die Wellenlängenverschiebung des Lasers, um SERDS zu machen und die Fluoreszenz wegzurechnen. Das geht nicht mit dem DPSS-Laser, da reichen die 0,013 nm/K nicht aus.
Für mich ist die größte Fehlerquelle die exakte Wellenlängenkalibrierung mit den Neon-Linien. Das Maximum müßte man eigentlich nach Kurvenanpassung mittels Gaußkurve bestimmen, andernfalls liegt das scharfe Maximum der Linie mal auf der einen Diode, mal auf einer knapp daneben. Das habe ich aber noch nicht hingekriegt. Die Unsicherheit der Kalibrierung halte ich für größer als kleine Temperaturshiften beim Laser.

Viele Grüße
Horst

[TStein]

Hallo Horst,

ich habe mir kürzlich die Spektroskopiesoftware Spektragryph (https://www.effemm2.de/spectragryph/) angeschaut und die ist wirklich erstklassig. Ist auch frei, wenn man kein Buiness betreibt. Hier kann man alles sehr komfortabel beschriften, Peaks anfitten, RAMAN-Shifts berechnen, Baselines abziehen, auch im Batch, eigentlich alles was das Spektrokopikerherz begehrt. Ich denke der Jürgen hat die Vorgängersoftware Spekwin32 bereits in Verwendung, die kann auch schon fast alles.
Die nachfolgende Gauss-Fit-Auswertung der Peaks der Neon-Glimmlampe hat damit beispielsweise keine 2min gedauert (Die Kalibrierung der CCD beruht nur auf der Glimmlampenmessung. Hierbei ist auch zu sehen, dass der 532er Laser eigentlich 531,94nm hat, was schonmal -2cm^-1 Offset bedeuted):

Lg Tino

[TStein]

Und hier nochmal speziell für Jürgen ein paar schnelle RAMAN-Spektren von einem schlecht polierten Test-Meteoriten:
Lg Tino

[hugojun]

Hallo Tino ,

recht herzlichen Dank für die Spektren von deinem Meteoriten.

Die rote und grüne Linie scheinen reine Olivine zu sein, wo hingegen die gelbe Line eine Schnittmenge von Olivin und Pyroxen zu sein scheint.
Eindeutig ist die graue Line für den reinen Pyroxen mit seinen vier charakteristischen Peaks.
Die Legende lässt vermuten, dass du mit einem 20X Objektiv gearbeitet hast. Vielleicht habe ich es weiter oben überlesen, aber wie groß ist die
laterale Ausdehnung des Messpunktes bei dieser Messung?

LG
Jürgen