Konfokale Raman-Mikroskopie

Konfokale Raman-Mikroskopie (CRM) ist eine leistungsstarke analytische Methode zur Untersuchung von Polymerproben aller Art mit hoher Ortsauflösung. Durch die Kombination von Raman-Spektroskopie mit konfokaler Mikroskopie liefert die CRM detaillierte chemische Bilder von Polymeren, bis in den Submikrometerbereich. In der Polymerforschung ermöglicht CRM die Analyse der Materialverteilung, Phasentrennung und Hohlräumen innerhalb von Polymerkompositen, Folien, Coatings sowie zur Identifizierung von Additiven und Verunreinigungen.

Zerstörungsfrei und dreidimensional

Zu den Hauptvorteilen gehören die zerstörungsfreie Natur der Methode und die Möglichkeit, chemische Informationen dreidimensional abzubilden. CRM wird häufig in der Qualitätskontrolle, der Materialforschung und der Entwicklung neuer Polymermaterialien eingesetzt und bietet Einblicke in Eigenschaften wie Kristallinität, molekulare Orientierung und chemische Bindungen, ohne die Probe zu verändern.  

CRM für organische und synthetische Polymere geeignet und bietet die hohe räumliche und chemische Auflösung, die notwendig ist, um komplexe Polymerverhalten, Qualitätskontrolle und die Entwicklung neuer polymerbasierter Materialien zu verstehen:

1. Polymerfilme und -beschichtungen: Dünne Filme und Beschichtungen auf Substraten können auf chemische Zusammensetzung, Homogenität und Schichtdicke untersucht werden. CRM eignet sich hervorragend zur Analyse von mehrlagigen Beschichtungen, Additiven und Verunreinigungen oder Hohlräumen in Filmen.
   
2. Polymerblends und -komposite: CRM kann die Verteilung verschiedener Polymere oder Füllstoffe innerhalb eines Verbundstoffs abbilden und so Phasentrennung, Füllstoffverteilung und Grenzflächenmerkmale (Interface) zwischen den verschiedenen Komponenten aufzeigen.
3. Biologisch abbaubare Polymere und Biomaterialien: CRM kann biologisch abbaubare Polymere, z. B. in medizinischen Geräten und Arzneimittelabgabesystemen, untersuchen. Es hilft, den Abbauprozess, die chemische Zusammensetzung und die Stabilität unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten.
4. Kristalline und teilkristalline Polymere: CRM kann Unterschiede in der Kristallinität und molekularen Orientierung in Polymeren wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) erkennen, was für das Verständnis mechanischer und thermischer Eigenschaften entscheidend ist.
5. Polymerfasern und Textilien: CRM wird zur Analyse von synthetischen Fasern (wie Polypropylen, Polyamid und Polyester) in Textilien verwendet. Es kann die Verteilung von Schlichten, Farbstoffen, Additiven und die molekulare Orientierung innerhalb der Fasern abbilden.
6. Mikroplastik und Umweltproben: CRM hat an Bedeutung gewonnen, um Mikroplastik in Umweltproben zu identifizieren und deren chemische Zusammensetzung, Größe und Abbauzustand zu analysieren.
7. Vernetzte und gehärtete Polymere: Für duroplastische Polymere (z. B. Epoxide) hilft CRM, den Vernetzungsgrad und die chemische Homogenität zu bestimmen, was für die Bewertung des Aushärteprozesses und der Materialbeständigkeit wichtig ist.
8. Leitfähige Polymere und elektronische Materialien: CRM kann leitfähige und halbleitende Polymere analysieren, die in der Elektronik verwendet werden, und so chemische Zusammensetzung, Dotierungsgrad und die Verteilung leitfähiger Füllstoffe aufzeigen.
9. Polymere mit Additiven: CRM eignet sich hervorragend zum Nachweis und zur Untersuchung von Additiven wie Weichmachern, Stabilisatoren, Pigmenten und Flammschutzmitteln innerhalb einer Polymermatrix.

Beispiele:

Grundlagen

Bei der CRM wird ein Laser auf die Polymerprobe fokussiert, wodurch molekulare Schwingungen angeregt werden, die spezifisch für die chemischen Bindungen im Material sind. Wenn das Laserlicht mit der Probe interagiert, verschiebt sich ein kleiner Teil des gestreuten Lichts in der Wellenlänge entsprechend den Schwingungsenergieniveaus der Moleküle des Polymers – ein Phänomen, das als Raman-Effekt bekannt ist. Dieses verschobene Licht wird gesammelt und analysiert, um ein Raman-Spektrum zu erzeugen, das detaillierte Informationen über die chemische Zusammensetzung und Struktur der Probe liefert.

Um das Signal räumlich zu filtern, wird bei der CRM eine konfokale Lochblende verwendet, sodass nur Licht aus einem sehr kleinen Volumen der Probe den Detektor erreicht. Durch dreidimensionales Scannen der Probe erstellt die CRM eine hochauflösende chemische Karte, die eine eingehende Analyse der Polymereigenschaften wie Phasenverteilung, Kristallinität und chemische Zusammensetzung ohne aufwändige mechanische Probenpräparation ermöglicht. Diese hohe räumliche Auflösung macht die CRM besonders wertvoll für das Verständnis komplexer Polymerstrukturen, die Qualitätskontrolle und die Untersuchung von Materialverhalten unter verschiedenen Bedingungen.

Veröffentlichungen:

• Baade, G., Geertz, G., Güttel, R., Friedland, J., Polymeric Reactors for Catalytic Reactions beyond Earth: Proof of concept, 29 November 2024, Version 1, https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2024-51pdl
• Bunjes, A., Arndt, J.-H., Geertz, G., Barton, B., Characterization and chemometric modelling of mechanically recycled polypropylene for automotive manufacturing, Polymer, Volume 249, 2022, https://doi.org/10.1016/j.polymer.2022.124823
• Zou, M., Barton, B., Geertz, G., Brüll, R., Accurate determination of the layer thickness of a multilayer polymer film by non-invasive multivariate confocal Raman microscopy, Analyst, Volume 144, 2019, https://doi.org/10.1039/C9AN00664H