DIY-Raman-Mikroskop

[ChristianH]

Hallo Markus,
schön, dass es da noch mehr "verrückte" Spektroskopie-Interessierte gibt. Flüssigkeiten mit Raman zu untersuchen ist nicht so einfach, was für ein Raman-System benutzt Du?

Ich habe früher auch mal Raman an Flüssigkeiten mit einem Selbstbau versucht, aber die Intensitäten sind schon mau und die Belichtungszeiten lagen bei etwa 100 s. Angeregt wurde mit einem grünen Laser, da ist die Raman-Effizienz höher als bei Deinem IR-Laser, es gibt aber häufig auch mehr Fluoreszenz. Damit die Anregung in der Flüssigkeit bleibt, habe ich die Küvette in einer Edelstahl-Hohlkugel positioniert (2 ehemalige Eierbecher) und das Raman-Signal über eine optische Faser in einen 20 cm Monochromator geleitet.

Gemessen habe ich Leitungswasser und mit verschiedenen Alkoholkonzentration kontaminiertes Wasser, es sind schon deutliche Unterschiede zu sehen. Wichtig war der Untergrundabzug mittels einer Messung ohne Flüssigkeit, da die Küvette auch leuchtet.

Spannendes Projekt, schreib mal wie es weiter geht.

Viele Grüße
Christian

[nuplikon]

Hallo Christian, ich habe ein Zeiss Jena Pol Mikroskop mit Trino u. Kameraadapter.

Den spektrografischen Teil wollte ich auch komplett selbst bauen, habe schon einiges dafür geholt. Bin dann zu der Überzeugung gekommen, dass die richtige Basteltiefe ein einfaches OEM System ist, gerade was den Monochromator betrifft. Da warte ich beim Selbstbau, um ehrlich zu sein, auf LED Arrays, IR-Vis-UV, denn ich bin nicht so der Reagenzienmensch, ich versuche viel mit Physik zu lösen. Dennoch kann man sich dann für einzelne Aufgaben gut welche zusammenstellen.   

Für die aktuellen Raman Systeme gibt es üblich Mikroskop Adapter oder Probes als kleine Mikroskop Umbau oder Aufbau Kits. Das mit Duallasern als Zusatzlichtquelle ist schon klasse. Ich bräuchte das aber für den Schrank, nicht für den Keller.

Mein Raman ist ein gekühltes 785nm CCD BW Tek, ich betreibe es derzeit mit der normalen BW Tek 785 nm BAC Probe. Zur Referenzmessung nutze ich z.B. PE Zuschnitte. Das Ergebnis ist soweit OK, aber ich kann Deinen Aufbau schon verstehen, das nervt ziemlich, wenn man variieren muss. Messungen durch PE oder sowas funktionieren bei mir sehr schlecht. Es dominiert immer der PE Behälter. Richtig gut funktioniert es mit Quarzglas Küvetten. Der Laser ist ziemlich stark, ich nutze den bei sowas im 10 Sek. Bereich mit ca. 70% Leistung.

Das waren die ersten Raman Analysen, wenn Du mich so fragst, wäre Deine Grafik eher im ID Spektrum von Wasser, starkes breites OH-Streckband ca. 3200 bis 3600 cm-1, schwächeres H-O-H-Biegeband ca. 1640 cm-1.  Mein 785 nm Ramanbereich geht nur bis 3000, da kann ich lange am ID Spektrum arbeiten. Aber eine Hebung bei 1640 sollte es schon geben. Ich habe es mit Alufolie um die Küvette probiert sowie volle Leistung, da hebt sich bisher beim 785 nm Laser mit Quarzküvette allerdings nichts, werde es nochmal mit Iso u. PPG probieren.



 

[nuplikon]

Hallo Christian, hier ist das detaillierte Iso Ergebnis von meinem Aufbau mit BAC Probe u. Quarzglasküvette. Mit Wasser tut sich der 785 nm Raman etwas schwer in Sachen ID Scan.

[ChristianH]

Hallo Markus,
tolles Spektrum, das BWTek-Spektrometer scheint gut zu laufen. Da muss ich wohl noch etwas fummeln. Vermutlich ist mein 532 nm Laser in Kombination mit dem 550 nm Longpass Filter nicht ideal. Ich komme von der Photo-Lumineszenz-Spektroskopie (eine Art Fluoreszenz), da ist man von der Wellenlänge her weit weg vom Laser und der Filter ist hier unkritisch. Bei Raman sieht das leider anders aus. Deshalb die Idee mit dem Doppelmonochromator. Der sollte durch einen höheren Kontrast/Filterwirkung an verschiedene Laserwellenlängen anzupassen sein. Aber bisher sieht das nicht wirklich gut aus.

Als ein Vorteil bei einem 532 nm Laser sind normale CCD-Kameras als Detektor gut geeignet. Bei einem  785 nm Laser werden die Kameras langsam blind. Deshalb wollte ich beides mal ausprobieren.

Deine Bemerkung zu den Küvetten ist interessant. Ich habe welche aus Quarzglas, die sind aber für Transmission nur 2seitig poliert und damit für Raman nicht brauchbar. Für die Messungen hier wurden 4seitig polierte eingesetzt, leider gab es bezahlbare nur aus Kunststoff. Da muss ich wohl weiter suchen.

Mein Laser kann nur ca. 50 mW. Im Mikroskop kommen durch den 90/10 Strahlteiler nur 10% davon an der Probe an. Das ist schon arg wenig. Bei der Küvettenhalterung ist das zum Glück nicht so und es wird die volle Laserleistung eingekoppelt. Was für eine Laserleistung benutzt Du?

[nuplikon]

Hallo Christian,

es sollte ein 300 mW Laser sein mit einer gekühlten back-thinned CCD im Spektrometer. Der Laser hat auf einen Meter ca. einen 30 cm Streukreis, das heisst, eine Lichtdichte von ca. 1,2 mW/cm nach 60 cm. Ich weiss noch nicht warum er das macht, aber Dauerstrich läuft der nicht, da steuert der hin. Der geht völlig easy mit 90% durch alle Laserbrillen, die ich hier habe, eine spezielle OS5 785 nm habe ich bestellt.

Raman 785nm spielt sich bei 65 cm bis 3200 cm ab. Das ist relativ überschaubar. Das mit der Floureszenz ist sowas von nervig im organischen Bereich, dass man da gerne Beschränkungen akzeptiert, wenn das besser wird. Einfaches Sesamöl vibriert dir aus dem 785 nm Raman, da geht es erst beim 1064 nm Raman los. So kommt man zur Wellenlänge.

CCD technisch kann man übrigens beim Selbstbau mit Duallasern arbeiten, die CCD`s schaffen das, aber der Monochromator nicht, die Notchfilter usw. auch nicht, also bleibt es wohl bei einer typischen Wellenlänge.

Das Mystische bei der Mikroskopie ist der Effekt, den viele als Quatsch bezeichnen, selbstleuchtende Objekte kann man viel stärker bzw. detailreicher vergrössern. Mit gepulsten Lasern kann man Objekte z.B. sehr spezifisch anregen zu fluoreszieren.

Das geht noch weiter, wie Du weisst, nur ist das jetzt schon viel zuviel Technologie für ein Mikroskop. Darum ist es wohl die Kunst ein Optisches System wie eine Linse zu designen, nicht in Glasbausteinen.

Wenn man sich die Mikroskop Raman Leute anschaut, was die in Datenbanken hochladen, dann ist das meisst biologisch, Bakterienkulturen usw. Kann man auch mit einem externen Raman, da wirds dann aber schon langsam unexklusiv. Da zählt dann auch die Raman Qualität stärker.

Alternativ nehmen sich viele z.B. einen ATR1600 785 nm Raman, der kostet derzeit um die 5.000 Euro, wird per App betrieben, hat einen Akku, kann auch Spektren exportieren. So fächert sich das dann auf.

Ich bin beim Raman noch am evaluieren, ich weiss noch garnicht, wo es hingeht, darum lese ich gern Foren. Praxisnäher geht es nicht. Vor einer Konstruktion stehen vermutlich viele Aufgaben, die man gelösst hat bzw. lösen will. Im Privatbereich ist es da mehr auf das Mögliche optimiert.

[nuplikon]

Hallo Christian, ich bin noch am priorisieren. Es ist nicht abwägig Raman, UV VIS, Floureszenz u. Weisslicht über das Objektiv als Kopf zu sammeln. Was da aber erstmal rausfällt, das ist der Doppelmonochromator u. Strahlenteiler. Selbst eine Halskonstruktion mit Würfeladaptern wäre unvorteilhaft. Jetzt die Prio, der Laser sollte direkt zur Probe, Raman=Photonen, das ist nicht nur Dein Problem beim Mikroskop Raman. Laser, Lampen u. LED Einkopplung über ein motorisiertes Filterrad. Die Quellen können auch über Dichroics oder Faserkoppler kombiniert werden.

- Laser 785 nm für Raman
- Laser 532, 520 nm für Raman u. Fluoreszenz
- LED, Deuterium, Halogen für UV-VIS
- Weisslicht für die Kamera

Hinter dem Mikroskopkopf kommt ein motorisiertes Filter bzw. Spiegelmodul

- Kamera für Bild u. Positionierung
- Spektrometer für UV-VIS
- Raman Spektrometer mit Notch bzw. Longpass Filterung
- Fluoreszenzkanal Emissionsrückkanal, Filterung u. Kamera bzw. Spektrometer

Den Koaxialen Hauptkanal sollte man vermutlich beibehalten:
Selektives Detektions-Licht über Dichroic via Objektiv auf die Probe, Rueckweg: Probe via Objektiv u. Notchfilter zur Detektion. Einen UV-Vis Multispektralscan wird man kaum notchen können, da müsste man dann z.B. eine ringförmige Lichtquelle zur Verfügung stellen.  Da ist noch eine Menge Lichtarchitektur im Spiel, also in Sachen Vereinfachung.

MCU für Stepper, Raspberry Pi für Tabellen, Kalibrierung, Websteuerung, Spektren.
Komplette Linearisierung jetzt schon über Kalibriertabellen.

Mir fällt dazu das Quasar Spektrometer ein, das hat eine vernünftige Verstärkung, das sollte Raman via Notchfilter sowie UV-Vis locker hinbekommen. Du kannst aber auch ein Ocean Hr2000+ nehmen, das bekommst Du günstig aus der besprochenen Insolvenzmasse, dazu noch die Stellar Deuteriumlampe, u. eine Weisslichtlampe, da steht übrigens drauf, dass UV Strahlen einem die Sehfähigkeit nehmen. Das solltest Du bei der Gesamtkonstruktion beachten, den 785 erstmal pro Forma inkludieren, nicht das der dir da rumknattert.

Was haelst Du von dem Setup ? Doppelmonochromator Monster raus, Strahlen-Teiler raus. Nicht alle Optiken lassen UV Strahlen durch, Weisslicht im Hauptkanal nur als Prüflicht. Sonst alle Probleme gelösst. Neue Teile kein Problem. Ich weiss allerdings nicht, welches Gitter im HR2000+ drin ist, aber da waren noch mehr Spektrometer. Das Gitter kann man austauschen, nur kann dann auch ein neuer Eprom fällig werden, das wäre dann ein Support vom Hersteller.
 
 

[ChristianH]

Hallo Markus,
ich bin gerade in den Urlaub gestartet und schaue daher nicht mehr so oft ins Forum.

Du hast da ja ein tolles und sehr flexibles System am Laufen. Machst Du das beruflich?

Mein Spektrometer ist historisch motiviert. Während des 9-monatigen Corona Lock-Downs hatte ich den Vorgänger aus Resten für ein provisorisches Online Praktikum an Halbleiter-Proben und Graphen zusammengebastelt. Eine Beschreibung ist hier: https://kai.nl.tab.digital/s/6Qj7dF3wCqWRrGN. Für ernsthafteres Arbeiten an Halbleiter-Nanostrukturen hatten wir ein System mit Kühlung auf Flüssig-Helium-Temperatur bei minimalen Vibrationen, das ist privat nicht zu machen. Für das Graphen hatte ich mit einem kommerziellen Raman-Mikroskop Renishaw Invia (https://www.renishaw.com/en/invia-confocal-raman-microscope--6260) gearbeitet, das ist in einigen Aspekten ähnlich wie Dein System. Mit Fokus auf diese Proben hat das aktuelle DIY-Spektrometer erstmal geringe Laserleistungen (bei unseren Halbleiter-Nanostrukturen reichten nW und Graphen wird bei zu hohen Leistungen zerstört) und die klassischen Thorlabs Filter mit 50 nm Abständen reichen aus (die Raman-Linien von Graphen liegen weit weg vom Laser).

Für Raman an Mineralien oder Bio-Materialien ist das natürlich nicht optimal. Einmal der Würfel-Strahlteiler, der nur 10% der Laserleistung zur Probe weiterreicht und der 550 nm Filter. Auf der anderen Seite lässt der Würfel-Strahlteiler bei Bedarf noch etwas Laserlicht Richtung Spektrometer durch, das erleichtert die Justage des Systems erheblich. Ein dichroitischer Filter als Stahlteiler wäre natürlich nett, aber dann wie von Dir vorgeschlagen in einer Art Filterrad. Da das System möglichst flexibel auslegt werden soll, möchte ich mich noch nicht auf eine Laser-Wellenlänge festlegen. So könnte man z.B. verschiedene Laser je nach Material einsetzten oder auch die vor Dir erwähnte Fluoreszenz mal anschauen. Allerdings geht Flexibilität wahrscheinlich auf Kosten der "Leistungsfähigkeit".

Mit dem Doppelmonochromator bin ich noch am überlegen. Aktuell bin ich eher enttäuscht. Das liegt aber vermutlich an meiner Umsetzung und nicht am Prinzip. Z.B. hier sind die Vorteile zusammengefasst: https://www.s-and-i.de/duovista.html. Wenn nicht, als einfach Monochromator lief er schon brauchbar (gemessene Linienbreiten von 0.15 nm). Die Steuerung erfolgt über ein Python-Programm auf einem Windows-Laptop, die Kalibrierung erfolgte über die bekannten Linien einer Energiesparlampe. 

Mich reizt auch das Selberbauen, wird sicherlich nicht so gut wie kommerzielle Lösungen, macht mir aber mehr Spaß und man lernt viel.

Interessant finde ich auch Raman an Mineralien. Der Laser-Spot hat einen Durchmesser von etwa 800 nm und mit der motorisierten Stage könnte man Oberflächen abrastern. Das konnte das Renishaw-Mikroskop auch und erlaubte damit eine Lokalisierung von Graphen-Flocken und die Unterscheidung zwischen Bereichen mit Monolagen und dickeren Schichten. Aber mangels Proben ist das kein Thema mehr. 
       
Viele Grüße Christian

[nuplikon]

Hallo Christian, viel Spass im Urlaub. Das man im Labor gern alles selber baut, das ist mir schon klar. Man kann statt fertigen Spektrometern natürlich alles selber konstruieren. Beugungsgitter u. geignete CCD Kameras gibt es am Markt. Ich kann unmittelbar zu Deinem Beitrag wenig beitragen, weil ich das mehr aus Maker oder Benutzerebene sehe. Aber wenn man wie Du an die Sache rangeht, ist doch eine Frage nach Multi Modal Aspekten völlig richtig plaziert.

   

[ChristianH]

Hallo Markus,

> "Ich kann unmittelbar zu Deinem Beitrag wenig beitragen" 
Doch, mir hat die Konversation Spaß gemacht und geholfen. Im direkten Umfeld kennt sich kaum jemand mit diesem Gebiet aus und etwas Austausch über das Hobby ist immer nett. Ich habe mit dem Basteln angefangen ohne konkretes Ziel wofür. Auch dafür war der Austausch hilfreich. Und dann finde ich es immer spannend zu sehen, womit und wie andere an das Thema herangehen.     

Nach den letzten Kommentaren überlege ich zweigleisig zu fahren. Dafür soll der 90/10 Würfel-Strahlteiler gegen ein motorisiertes 4x Filterrad ausgetauscht werden mit Platz für den Würfel-Strahlteiler und zusätzlich 3 Filterwürfel, wie die von meinem Leica-Mikroskop. In die Filterwürfel können dann dichroitische Spiegel jeweils für verschiedene Laserwellenlängen. Dann soll das nur selten gebrauchte hintere Gitter im unteren Monochromator gegen einen Spiegel ausgetauscht werden. Mit Spiegel wird der untere Monochromator bei nur geringen Verlusten quasi überbrückt und es bleibt ein Einfach-Monochromator. Damit kann das ganze entweder klassisch betrieben werden mit einem dichroitischen Strahlteiler und Einfach-Monochromator oder für Tests mit dem Würfel-Strahlteiler und dem Doppel-Monochromator.       

Den Filterwechsler bekommen ich vermutlich selber hin, für die Filterwürfel werde ich einen Kumpel mit 3D-Drucker fragen, aber die dichroitischen Filter müsste ich beschaffen. Kennst Dafür eine günstige Quelle?

Viele Grüße
Christian

[nuplikon]

Hallo Christian, habe selber noch keine gekauft, "Semrock Filter" in eBay eingeben, da wird einem schwumrig bei den Preisen, 80$ ö.ä. Wenn Du einen Vorort Importer brauchst, dann gern PN an mich.

Wenn Du das mit dem Filterrad umsetzt, schreib das mal ins Forum. Was da nun alles adaptiert wird, ist erstmal nicht so wichtig, einfach die fast verlustfreie Zuführung der Quellen.

Wo ich vom Thema Filter abgekommen bin, das waren die fasergekoppelten Notchfilter. Raman baut man besser mit kollimierten Freistrahloptiken. Selbst in meiner fasergekoppelten Probe ist ein kleiner optischer Aufbau. Das sollte für viele der Anlass sein Mikroskop Optiken zu nutzen. Aber auch da ist es zeitgemäss mit einer fasergekoppelten Zuführung u. Wiedereinkopplung zu arbeiten. Nur der kritische Bereich bleibt eine Freistrahloptik. Das ist bei grossen Ramanmikroskopen oft nicht so, nur kann man die schlecht als mobil bezeichnen.
 

 

Dual Probe

 

Video Probe

[nuplikon]

SCHOTT Langpassfilter GG-420, 25,4 mm Durchm. 33 Euro, habe grad beim Mikroskopverkäufer nach einer Halterung gefragt, im Zweifelsfall im Fotoadapter.