Evaluation of techniques for handling luminescence in Raman spectroscopy for space application in regard to the search for extraterrestrial life
Creators: name: Hanke, Franziska
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2020
Subjects: subject: Ramanspektroskopie
subject: Lumineszenz
subject: Weltraumforschung
subject: Suche nach extraterrestrischem Leben
subject: Raman spectroscopy
subject: Luminescence
subject: Space Exploration
subject: Search for Extraterrestrial Life
subject: 530 Physik
subject: US 1550

description: Die Ramanspektroskopie (RS) ist eine analytische Technik, die in Folge einer optischen Anregung eines Stoffes materialspezifische Informationen über dessen molekulare Schwingungen und Kristallstruktur liefert. Da sowohl Minerale als auch biologische Materialien untersucht werden können, ist die RS in der Weltraumforschung von besonderem Interesse. So werden im Jahr 2020 gleich zwei Marsrover (ExoMars und Mars 2020) Ramanspektrometer mitführen, deren Aufgabe unter anderem die Detektion von Spuren von vergangenem oder gegenwärtigem extraterrestrischen Leben sein wird. Die Charakterisierung von stark lumineszierenden biologischen Proben und Mineralen stellt eine der größten Herausforderungen in der konventionellen RS dar. Daher beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Problem der Lumineszenz in der RS. Dazu wird das Potenzial von fünf verschiedenen ramanspektroskopischen Techniken zur Handhabung der Lumineszenz evaluiert. Diese Techniken beinhalten (i) die Auswahl von verschiedenen Anregungswellenlängen (325 nm, 532 nm, 785 nm, 1064 nm), welche auf dem Konzept der spektralen Trennung des Lumineszenz- und Ramansignals basiert. (ii) Eine Alternative ist das Photobleichen, wobei die Lumineszenz durch eine lange Belichtungszeit unterdrückt wird. (iii) Eine weitere Methode für die spektrale Separation von Raman- und Lumineszenzphotonen ist die anti-Stokes RS. (iv) Bei der SERDS Technik werden zwei leicht verschobene Anregungswellenlängen verwendet. (v) Abschließend erfolgt die Untersuchung der Streu- und Emissionsstrahlung in der Zeitdomäne. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass es keine universelle Lösung gibt um das Problem der Lumineszenz in der RS zu überwinden. Allerdings weist die Verwendung unterschiedlicher Laserwellenlängen großes Potenzial für die erfolgreiche Handhabung der Lumineszenz in der RS auf. In Kombination mit SERDS und/oder Photobleichen steigt die Wahrscheinlichkeit verwertbare Spektren für die Probencharakterisierung zu erhalten.
description: Raman spectroscopy (RS) is an analytical technique conveying material-specific information about a material’s molecular vibrations and crystal structure in succession of an optical excitation of the material. Due to the fact that mineralogical as well as biological material can be examined, RS is of special interest for space research. For instance, two Mars rovers (ExoMars and Mars 2020) will each carry along a Raman spectrometer in the year 2020, with the aim of detecting inter alia traces of extant or extinct extraterrestrial life. One of the biggest challenges in conventional RS is the characterization of strongly luminescent biological or mineralogical material; therefore, the dissertation at hand deals with the problem of luminescence in RS. For this purpose, the potential of five different Raman spectroscopic techniques for the handling of luminescence will be evaluated. These techniques include (i) the selection of different excitation wavelengths (325 nm, 532 nm, 785 nm and 1064 nm), which is based on the concept of the spectral separation of the luminescence signals as well as Raman signals. (ii) Photobleaching provides an alternative whereby the luminescence is suppressed by long exposure. (iii) A further method for the spectral separation of Raman photons as well as luminescence photons is provided by the anti-Stokes RS. (iv) The SERDS technique uses two slightly shifted excitation wavelengths. (v) Finally the examination of inelastic scattering and emission takes place in the time domain. The results of this dissertation show that there is no universal solution to overcome the problem of luminescence in RS. However, the usage of different excitation wavelengths offers great potential for handling luminescence in RS successfully. In combination with SERDS and/or photobleaching the probability to obtain exploitable spectra for sample characterization increases