Klar2O Wasserlabor Nahaufnahme einer Raman-Spektroskopie-Messung mit Laser auf einem Probenträger zur Mikroplastik-Analyse.

Raman-Spektroskopie

Polymeridentifikation bis in den Mikrometerbereich

Die Raman-Spektroskopie ist eine hochauflösende spektroskopische Methode zur chemischen Identifikation von Mikroplastikpartikeln. Sie nutzt die Wechselwirkung von Laserlicht mit molekularen Schwingungen und erzeugt so einen eindeutigen molekularen Fingerabdruck.

Warum Raman-Spektroskopie für Mikroplastik?

Optisch lassen sich Mikroplastikpartikel häufig nicht zuverlässig identifizieren. Raman löst dieses Problem durch eine chemische Analyse direkt am einzelnen Partikel.

Icon chemische Identifikation

Eindeutige chemische Identifikation

Jedes Polymer besitzt ein charakteristisches Raman-Spektrum. Dadurch lassen sich PE, PP, PET oder PS zuverlässig von natürlichen Materialien unterscheiden.

Icon Mikroskop

Sehr hohe räumliche Auflösung

Konfokale Raman-Mikroskopie eignet sich besonders für kleine Partikel bis in den niedrigen Mikrometerbereich.

Icon Wasser

Geringe Wasserinterferenz

Wasser zeigt nur schwache Raman-Signale und stört die Analyse deutlich weniger als bei vielen IR-basierten Verfahren.

Icon Partikelanalyse

Einzelpartikelanalyse

Jedes Partikel wird einzeln vermessen. Dadurch entstehen belastbare Aussagen zu Partikelzahl, Größe, Form und Polymerart.

Klar2O Wasserlabor Illustration der Raman-Spektroskopie zur Mikroplastik-Analyse mit Laser, Filter, Probenträger und Streulichtmessung.

Prinzip der Raman-Streuung

1. Laseranregung

Ein fokussierter Laserstrahl mit definierter Wellenlänge wird über das Raman-Mikroskop auf ein einzelnes Mikroplastikpartikel gerichtet. Im Material wechselwirkt das Licht mit den Molekülen und deren Schwingungszuständen. Der größte Teil des gestreuten Lichtes ist Rayleigh-Streuung: Es wird elastisch gestreut und besitzt dieselbe Energie wie das eingestrahlte Laserlicht. Dieses Signal wird im Spektrometer weitgehend herausgefiltert.

Ein sehr kleiner Anteil des Lichtes wird dagegen inelastisch gestreut. Dabei gibt ein Photon Energie an eine Molekülschwingung ab oder nimmt Energie aus einer bereits angeregten Schwingung auf. Da Polymere unterschiedliche chemische Bindungen und
Kettenstrukturen besitzen, entstehen charakteristische Raman-Signale. Genau diese Signale bilden die Grundlage für die spätere Identifikation von PE, PP, PET oder anderen Kunststoffen.

Klar2O Wasserlabor Grafik mit charakteristischen Raman-Spektren von PE, PP und PET zur Identifikation typischer Mikroplastik-Polymere.

2. Raman-Spektrum

Nach der Laseranregung wird das inelastisch gestreute Licht im Spektrometer analysiert. Gemessen wird die Energieverschiebung zwischen eingestrahltem und gestreutem Licht, der sogenannte Raman-Shift. Er wird in cm⁻¹ angegeben und bildet die x-Achse des Raman-Spektrums.

Die Peaks im Spektrum entstehen durch molekulare Schwingungen bestimmter Bindungen und Strukturelemente. Da PE, PP und PET unterschiedliche chemische Strukturen besitzen, zeigen sie jeweils charakteristische Peakmuster. Diese Muster dienen als chemischer Fingerabdruck und ermöglichen die Polymeridentifikation von Mikroplastikpartikeln.

Klar2O Wasserlabor Raman-Spektrum von isotaktischem Polypropylen mit charakteristischen Raman-Banden zur Mikroplastik-Identifikation.

3. Polymeridentifikation

Zur Polymeridentifikation wird das gemessene Raman-Spektrum mit Referenzspektren bekannter Kunststoffe verglichen. Entscheidend sind dabei nicht einzelne Peaks isoliert, sondern das gesamte spektrale Muster aus Peakpositionen, relativen Intensitäten und Bandformen. So lassen sich Polymere wie Polyethylen, Polypropylen, PET oder Polystyrol voneinander unterscheiden.

Vor dem Abgleich werden störende Signale wie Hintergrundfluoreszenz oder Messrauschen möglichst reduziert. Anschließend bewertet eine Spektrendatenbank die Übereinstimmung mit bekannten Referenzen. Bei ausreichender Signalqualität kann das untersuchte Partikel dadurch chemisch eindeutig als bestimmter Kunststoff klassifiziert werden.

Ein Blick ins Labor: Raman-Analyse von Mikroplastik Schritt für Schritt

Damit Sie nachvollziehen können, wie aus einer Wasserprobe ein belastbares Analyseergebnis entsteht, zeigen wir hier den typischen Ablauf einer Raman-basierten Mikroplastik-Analyse: von der Probenahme über die Filtration bis zur chemischen Identifikation einzelner Partikel.

1. Probenahme & Kontaminationskontrolle

Die Probe wird vom Kunden selbst in einer sauberen Glasflasche entnommen. Um den Kontakt mit Kunststoffmaterialien zu minimieren, wird zwischen Flaschenöffnung und Deckel eine Lage Aluminiumfolie eingelegt.

Dieser Schritt ist besonders wichtig, da bereits einzelne Faser aus Kleidung, Staubpartikel und Kunststoffabrieb das Ergebnis beeinflussen können. Eine saubere Probenahme ist daher die Grundlage für eine belastbare Mikroplastik-Analyse.

Klar2O Wasserlabor Braunglasflasche für Wasserprobe im Labor zur Trinkwasseranalyse, Probenaufbewahrung und Untersuchung von Wasserqualität und Schadstoffen

Probenahme in Glas

Für unsere Mikroplastik-Analysen verwenden wir Glasflaschen. Glas ist inert, frei von Kunststoffbestandteilen und schützt die Probe vor äußeren Einflüssen.

Frei von Kunststoffen:
Glas enthält keine Kunststoffbestandteile und gibt keine Partikel an die Probe ab.

Sicherer Schutz:
Braunglas schützt lichtempfindliche Proben zuverlässig.

Kontaminationsarm:
Aluminiumfolie unter dem Deckel reduziert das Risiko von Verunreinigungen durch den Verschluss.

Optimiert für die Analyse:
Geeignet für Transport, Lagerung und anschließende Laboranalyse.

2. Filtration der Wasserprobe

Im Labor wird die Wasserprobe über einen geeigneten Filter gegeben. Die enthaltenen Partikel bleiben auf der Filteroberfläche zurück und können anschließend mikroskopisch lokalisiert und spektroskopisch untersucht werden.

Für die aman Analyse ist das Filtermaterial entscheidend: Es muss Partikel gut sichtbar machen und darf die Messung möglichst nicht durch eigene Signale oder Fluoreszenz beeinflussen.

Klar2O Wasserlabor Membranfiltration einer Wasserprobe im Labor zur Trinkwasseranalyse, Wasserprüfung und Untersuchung von Wasserqualität im Leitungswasser

Kontrollierte Filtration

Filtermaterial passend zur Probe auswählen

In der Raman-Analytik können verschiedene Filtermaterialien eingesetzt werden, zum Beispiel goldbeschichtete Filter, Siliziumfilter oder Aluminiumoxid-Filter. Diese Materialien verhalten sich bei der Messung unterschiedlich: Manchen bieten einen besseren optischen Kontrast, andere einen geringeren spektralen Hintergrund oder eine höhere mechanische Stabilität. Deshalb wird der Filter nicht pauschal gewählt, sondern passend zur Probe und zur geplanten Auswertung.

Filtration unter kontrollierter Luftführung

Die Filtration erfolgt in einer Clean Bench, um den Eintrag von Staub, Fasern und luftgetragenen Partikeln zu minimieren. So wird verhindert, dass externe Verunreinigungen auf den Filter gelangen und später als Mikroplastik fehltinterpretiert werden.

3. Mikoskopische Lokalisierung

Nach der Filtration wird der Filter mikroskopisch untersucht. Dabei werden potenzielle Mikroplastik lokalisiert, vermessen und dokumentiert. Erfasst werden unter anderem Größe, Form, Farbe und Position der Partikel. Die optische Analyse allein ist jedoch noch keine sichere Polymeridentifikation. Sie dient als Grundlage für die gezielte Raman-Messung.

Klar2O Wasserlabor Mikroskopaufnahme von Mikroplastik-Partikeln in einer Wasserprobe mit 200-µm-Maßstab zur Laboranalyse.

Vom Filterbild zur Raman-Messung

Die Mikroskopie zeigt, welche Partikel auf dem Filter liegen und wo sie sich befinden. So können auffällige Fragmente, Fasern oder Partikel gezielt für die Raman-Messung ausgewählt werden.

Partikel sichtbar machen

Auf dem Filter werden einzelne Partikel, Fasern und Fragmente erkannt. Größe, Form und optischer Kontrast helfen bei der Auswahl relevanter Messpunkte.

Gezielte Raman-Messung vorbereiten

Die genaue Position der Partikel wird dokumentiert. Dadurch kann der Laser anschließend präzise auf einzelne Partikel fokussiert werden.

4. Raman-Messung am Einzelpartikel

Bei der Raman-Messung wird ein fokussierter Laserstrahl gezielt auf ein einzelnes Partikel gerichtet. Das gestreute Licht enthält Informationen über die molekulare Struktur des Materials.

Aus dieser Wechselwirkung entsteht ein Raman-Spektrum. Dieses Spektrum wirkt wie ein chemischer Fingerabdruck und ermöglicht die Unterscheidung verschiedener Polymere.

Klar2O Wasserlabor Analyse von Mikroplastik mit Mikroskopaufnahme und PP-Raman-Spektrum zur Identifikation von Polypropylen im Wasser

Vom Einzelpartikel zum Raman-Spektrum

Der Laser wird präzise auf ein zuvor lokalisiertes Partikel fokussiert. Das dabei entstehende Raman-Signal wird als Spektrum aufgezeichnet und anschließend zur chemischen Identifikation genutzt.

Laser gezielt fokussieren

Die Messung erfolgt nicht flächig, sondern direkt am einzelnen Partikel. Dadurch kann das Signal eindeutig einem bestimmten Fragment, einer Faser oder einem Partikel zugeordnet werden.

Raman-Spektrum erfassen

Das gestreute Licht wird spektral ausgewertet. Die charakteristischen Peaks zeigen, welche molekularen Bindungen im Material vorhanden sind.

Polymervergleich vorbereiten

Das gemessene Spektrum bildet die Grundlage für den späteren Abgleich mit Referenzspektren bekannter Kunststoffe wie PE, PP, PET oder PS.

5. Spektrenabgleich & Polymeridentifikation

Im letzten Analyseschritt wird aus dem gemessenen Raman-Spektrum eine belastbare Materialzuordnung abgeleitet. Dabei wird nicht nur geprüft, ob Kunststoff vorliegt, sondern auch, welcher Polymertyp in der Probe vorhanden ist.

Klar2O Wasserlabor Grafik zur Mikroplastik-Analyse mit gemessenem Raman-Spektrum und Referenzdatenbank für Kunststoffarten wie PP, PE, PET und PS.

Vom Spektrum zur Polymerart

Die Auswertung kombiniert Signalqualität, spektrales Muster und Datenbankvergleich. Entscheidend ist die Übereinstimmung des gesamten Spektrums.

Referenzabgleich

Peakpositionen, Intensitätsverhältnisse und Bandformen werden mit bekannten Materialprofilen verglichen.

Materialzurodnung

Bei ausreichender Trefferqualität wird das Partikel klassifiziert, zum Beispiel als PE, PET, PP oder PS. Cellulose, Mineralien und andere nicht-kunststoffbasierte Materialien können abgegrenzt werden.

Grenzen der Raman-Spektroskopie

Die Raman-Spektroskopie liefert sehr spezifische Polymerinformationen, ist bei realen Umweltproben aber nicht in jedem Fall störungsfrei. Fluoreszierende Begleitstoffe, Farbstoffe, Pigmente oder organische Rückstände können ein starkes Hintergrundsignal erzeugen und die charakteristischen Raman-Peaks teilweise überdecken. Besonders farbige oder stark pigmentierte Kunststoffe können dadurch schwieriger sicher identifiziert werden.

Die Raman-Spektroskopie liefert sehr spezifische Polymerinformationen, ist bei realen Umweltproben aber nicht in jedem Fall störungsfrei. Fluoreszierende Begleitstoffe, Farbstoffe, Pigmente oder organische Rückstände können ein starkes Hintergrundsignal erzeugen und die charakteristischen Raman-Peaks teilweise überdecken. Besonders farbige oder stark pigmentierte Kunststoffe können dadurch schwieriger sicher identifiziert werden.

Raman vs. FTIR

Zwei Methoden, unterschiedliche Stärken

Raman- und FTIR-Spektroskopie sind etablierte Verfahren zur chemischen Identifikation von Mikroplastik. Beide Methoden liefern Informationen über molekulare Schwingungen, unterscheiden sich aber in räumlicher Auflösung, Wasserempfindlichkeit und Störanfälligkeit gegenüber Probenbestandteilen.

Ein zentraler Vorteil der Raman-Spektroskopie ist die Analyse sehr kleiner Einzelpartikel. Raman arbeitet mit Laserlicht, das mikroskopisch stark fokussiert werden kann. Dadurch lassen sich kleine Fragmente und Fasern gezielt vermessen, ohne zu viel Signal aus der Umgebung mitzuerfassen.

FTIR bleibt dennoch relevant. Die Methode ist häufig robuster gegenüber Fluoreszenz und eignet sich gut für größere Partikel, Filme oder Proben mit geringerer optischer Störung. Raman und FTIR sind daher keine Gegensätze, sondern komplementäre Verfahren.

Warum wir Raman-Spektroskopie einsetzen

Für Mikroplastik in Wasser ist Raman-Spektroskopie besonders geeignet, wenn kleine Einzelpartikel chmisch identifiziert werden sollden. Die Methode verbindet mikroskopische Lokalisierung mit materialspezifischer Spektroskopie und ermöglicht die Zuordnung einzelner Partikel zu Polymerarten wie PE, PP, PET oder PS.

Eigenschaft Raman FTIR
Kleine Partikel Sehr gut geeignet Eingeschränkt
Wasserinterferenz Gering Höher
Fluoreszenzprobleme Relevant Geringer
Dunkle Kunststoffe Schwieriger Häufig robuster
Räumliche Auflösung Sehr hoch Niedriger

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