Sprengstoff, Zucker oder Kokain? – Was kann man tun, wenn man die chemische Zusammensetzung einer unbekannten Substanz rasch und einfach bestimmen will?
Manche Substanzen kann man recht einfach durch charakteristische Nachweisreaktionen bestimmen. Doch die elegantesten Methoden sind die, für die man gar keine chemische Reaktion braucht, sondern nur Licht. Wir müssen nicht riechen oder kosten – wir müssen nur hinsehen. Wieder einmal ist hier die Quantenphysik mit im Spiel.
Vor Kurzem hatte ich die Gelegenheit, bei uns an der TU Wien in den Raman-Spektroskopie-Labors vorbeizuschauen. Die Raman-Spektroskopie ist eine simple, aber unglaublich mächtige Methode der chemischen Analyse – ich war fasziniert, was damit heute alles möglich ist. Die Grundlagen dessen, was dort passiert, sind eigentlich ganz einfach:
Wenn Lichtteilchen auf Moleküle stoßen
Wenn sichtbares Licht durch Materie geschickt wird – zum Beispiel durch eine Flüssigkeit oder durch das Gas unserer Atmosphäre – dann geschieht meist nicht viel: Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist viel größer als die Atome und Moleküle, auf die es trifft. Die Photonen des Lichtstrahls werden allenfalls abgelenkt, behalten ihre Energie aber fast immer bei. Diese Ablenkung bezeichnet man als „Rayleigh-Streuung”: Die Energie des Lichts bleibt gleich, die Wellenlänge – und somit die Farbe – ändert sich nicht. Diese Art von Streuung ist der dominierende Streu-Vorgang in unserer Atmosphäre.
Energie-Austausch
Bei einem winzig kleinen Anteil der Photonen geschieht aber etwas anderes: Sie tauschen Energie mit den Teilchen aus, auf die sie treffen. Das bezeichnet man dann als Raman-Streuung. Das Spannende daran ist: Das Licht und die Teilchen können die Energie nicht in beliebigen Mengen austauschen, sondern nur in bestimmten Quanten.
Wenn ein Photon von einem Molekül absorbiert wird, dann kann ein Teil der Photonen-Energie dafür verwendet werden, eine Bewegung im Molekül anzuregen – etwa eine Schwingung oder Rotation der Atome gegeneinander. Diese Molekül-Schwingung kann nicht beliebige Energien annehmen. Quantenphysikalisch sind nur ganz bestimmte Energie-Werte möglich. Wenn eine solche Schwingung im Molekül angeregt wird, und dann vom Molekül wieder ein Photon ausgesandt wird, dann hat das ausgesandte Photon weniger Energie als das vorher absorbierte. Auch der umgekehrte Prozess ist möglich: Wenn das Molekül bereits vibriert und dann ein Photon schluckt, kann es passieren, dass die Energie des Photons mit der Vibrations-Energie gemeinsam in ein Photon mit höherer Energie umgewandelt wird.
Entscheidend ist: Die Energiedifferenz zwischen dem absorbierten und dem ausgesandten Photon muss immer genau zu einem quantenmechanisch erlaubten Energie-Wert des Moleküls passen. Andere Energien kann das Photon mit dem Molekül nicht austauschen. Wenn man nun genau untersucht, wie viel Energie die Photonen verloren (oder auch gewonnen) haben, dann lässt sich feststellen, mit welchen Molekülen man es zu tun hatte – denn verschiedene Molekülsorten mit verschiedenen möglichen Rotationen oder Vibrationen haben auch unterschiedliche erlaubte Energie-Werte.
A photon walks into a bar …
Die Sache ist ein bisschen wie beim Bezahlen an der Bar: Ich habe eine bestimmte Summe Geld in der Tasche. Für ein Glas Wein zahle ich drei Euro vierzig, in Cocktail kostet sieben Euro neunzig. Ich kann keine eineinhalb Gläser Wein bestellen – die gibt es nur ganzzahlig. Wenn hinterher jemand kontrolliert, wie viel Geld noch in meiner Tasche ist und mit der ursprünglichen Summe vergleicht, dann kann er sagen, ob ich Wein oder einen Cocktail getrunken habe.
Bei einem echten Streu-Experiment passieren natürlich viele solche Quanten-Energie-Austauschprozesse gleichzeitig. Unzählige Photonen treffen auf die Moleküle meiner Probe – und sehr viele von ihnen regen unterschiedlichste Quanten-Übergänge an. Die Photonen, die man von diesen Quanten-Übergängen zurückbekommt, werden dann analysiert – vergleichbar mit einer großen Menge an Personen, die nach einer gemeinsamen Getränke-Runde aus der Bar zurückkommen. Wenn wir bei jedem einzelnen Bar-Besucher messen, wie viel Geld er ausgegeben hat, und wenn wir die Preislisten der Bars in der Umgebung gut kennen, dann können wir genau sagen, aus welchem Lokal die Gruppe gekommen ist. Im Bier-Beisl ums Eck kostet ein Bier nur drei Euro – in Gruppen, die von dort kommen, gibt es immer eine große Anzahl von Leuten, die nur drei Euro ausgegeben haben. Gruppen aus der nobel-Bar daneben erkenne ich vielleicht an den Preisen für Cosmopolitan und trockenen Martinis …
Bild: Raman-Spektrum von Tetrachlormethan. Die einzelenen Maxima in der Kurve entsprechen verschiedenen möglichen Molekül-Vibrationen.
Raman-Spektroskopie ist im Grunde nichts anderes: Man leuchtet mit einem Laser auf eine Probe und betreibt Statistik mit den Photonen, die von den Molekülen der Probe mit veränderter Energie wieder emittiert werden. Typischerweise sind in einer Probe viele verschiedene Energie-Übergänge gleichzeitig zu sehen – so wie es in einem Lokal viele verschiedene Getränke zu kaufen gibt. Aber die Gesamtheit der Getränkekarte ist in jedem Lokal ziemlich einzigartig – so einzigartig wie die Liste an erlaubten Quantenübergängen einer bestimmten chemischen Substanz.
In Behälter hineinschauen, ohne den Deckel zu öffnen
Besonders faszinierend ist, dass man mit Raman-Spektroskopie auch Substanzen im Inneren von undurchsichtigen Behältern untersuchen kann. Normalerweise richtet man einen Laserstrahl auf die Probe, dort entsteht ein heller Punkt – und das Licht, das davon ausgeht wird analysiert. Mache ich das mit einem Plastikbehälter, kann ich zwar das Material des Behälters bestimmen, nicht aber den Inhalt. Das klingt zwar naheliegend, ist aber eigentlich gar nicht so selbstverständlich. Der Laserstrahl dringt nämlich zum Teil ins Innere des Behälters ein. Man kann das eindrucksvoll mit einem Laser-Pointer demonstrieren, den man sich direkt an den Finger hält: Das Laserlicht wird gestreut, breitet sich aber auch im Inneren des Fingers aus, der Finger leuchtet.
Das Laserlicht, das ins Innere des Behälters eindringt, kann dort natürlich auch Raman-Streuprozesse auslösen und charakteristische Energie-Portionen mit den Molekülen austauschen. Diese Lichtsignale sind aber kaum zu sehen, wenn sie von dem hellen Strahl überlagert werden, der von der Oberfläche des Behälters ausgesandt wird. Wenn man aber nicht die Auftreffstelle des Lasers untersucht, sondern das Licht ein Stück weit davon entfernt analysiert, dann lässt sich die charakteristische Licht-Signatur des Inhalts erkennen – viel zu schwach, als dass unser Auge das Leuchten wahrnehmen würde, aber genug, um zuverlässige Messungen zu ermöglichen. Um das Signal zu verbessern kann man noch das Signal des Behälter-Materials statistisch abziehen – und schon weiß man, was sich im Inneren des Behälters befindet, ganz ohne ihn zu öffnen.
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