The ERA2 facility: towards application of a fiber-based astronomical spectrograph for imaging spectroscopy in life sciences

Astronomical instrumentation is most of the time faced with challenging requirements in terms of sensitivity, stability, complexity, etc., and therefore leads to high performance developments that at first sight appear to be suitable only for the specific design application at the telescope. However, their usefulness in other disciplines and for other applications is not excluded. The ERA2 facility is a lab demonstrator, based on a high-performance astronomical spectrograph, which is intended to explore the innovation potential of fiber-coupled multi-channel spectroscopy for spatially resolved spectroscopy in life science, material sciences, and other areas of research.Comment: 10 pages, 9 figures, SPIE Conference "Astronomical Telescopes and Instrumentation" 2012, Amsterda

Evaluation of Colloids and Activation Agents for Determination of Melamine Using UV-SERS

UV-SERS measurements offer a great potential for environmental or food (detection of food contaminats) analytics. Here, the UV-SERS enhancement potential of various kinds of metal colloids, such as Pd, Pt, Au, Ag, Au-Ag core-shell, and Ag-Au core-shell with different shapes and sizes, were studied using melamine as a test molecule. The influence of different activation (KF, KCl, KBr, K 2SO 4) agents onto the SERS activity of the nanomaterials was investigated, showing that the combination of a particular nanoparticle with a special activation agent is extremely crucial for the observed SERS enhancement. In particular, the size dependence of spherical nanoparticles of one particular metal on the activator has been exploited. By doing so, it could be shown that the SERS enhancement increases or decreases for increasing or decreasing size of a nanoparticle, respectively. Overall, the presented results demonstrate the necessity to adjust the nanoparticle size and the activation agent for different experiments in order to achieve the best possible UV-SERS results

Licht als Universalwerkzeug : Größenbestimmung der Mikrokapseln mittels elastischer Lichtstreuung und Mineral-Untersuchungen mittels In Situ Ramanspektroskopie

The present work consist of two major parts. The first part, extending over chapters 1, 2, 3 and 4, addresses the design and construction of a device capable of determining the shell thickness and the core size for monolayer spherical particles in a flow. The second part containing chapters 5, 6, 7, 8, 9 and 10, concentrate on the use of Raman spectroscopy as a space application, namely for use as a tool for in situ planetary investigations. This part directly addresses the MIRAS project, a study run under the auspices of Federal Ministry of Education and Research, BMBF and German Aerospace Center, DLR under national registration number 50OW0103. MIRAS stands for "Mineral Investigation by in situ Raman Spectroscopy". Microcapsule Sizing by Elastic Light Scattering The industrial development of processes based on microcapsules depends on the possibility to provide clear and complete information about the properties of these microcapsules. However, the tools for an easy and efficient determination of the microcapsule properties are lacking, several methods being often required to describe adequately the microcapsule behavior. Methods for evaluating the individual size and size distribution of both the core and the shell are required together with methods for measuring the mechanical strength, stability in appli-cation media, permeability of the shell, etc. Elastic light scattering measurements provide a possible way of determining properties such as core size, shell size and refractive index. The design and con-struction of a device capable of measuring the above mentioned parameters for a core-shell particle is the subject of the first part of this thesis. The basic principle of measurement for the device proposed here consists of an-alyzing one particle at a time by recording the elastic light scattering pattern at angles between approx. 60 and 120 grad. By comparing the experimentally recorded phase functions with the previously calculated phase functions stored in a database, the geometry of the scattering object can be identified. In our case the geometry is characterized by two parameters: the shell thickness and the core radius. In chapter 2 a short overview on the methods used for sizing microparticles is given. Different sizing methods are compared, and the advantages and disadvan-tages for the general problem of sizing are shortly discussed. It is observed that all sizing methods that are based on elastic light scattering theories are ensemble methods. Chapter 3 focusses on the theories used for calculating the theoretical scattering patterns with emphasize on the Mie theory. The generalization of Mie theory for layered particles is shortly presented and the far field intensity approximations are discussed. The last chapter (4) of this first part describes the experimental approach for building an automatic microcapsule sizer. The approach started by O. Sbanski [76] with the development of a software packet for calculating and storing theoret-ical phase functions for core-shell particles was continued with the designing and construction of a measuring device. The hardware construction and the software with all implemented corrections imposed by the individual setup components are described in detail. For the laser, the monochromaticity, the intensity profile of the beam as well as the planarity of the equi-phase fronts are taken into consid-eration. The flow cell with three different designs is described, and the influences of the employed design on the light scattering patterns are discussed together with the optical system used for recording the experimental phase functions. The detection system formed by two identical linear CCD arrays is presented together with the software approach used for data acquisition. Ways of improving the quality and the speed of the analyzing process are discussed. The final section presents measurements run on samples made of homogeneous spheres and also on samples containing industrial microcapsules. Mineral Investigation by in situ Raman Spectroscopy The envisaged future planetary missions require space-born instruments, which are highly miniaturized with respect to volume and mass and which have low needs of power. A micro Raman spectrometer as a stand alone device on a planetary surface (e.g. Mars) offers a wide spectrum of possibilities. It can assess the chemical analysis via determination of the mineral composition, detect organic molecules in the soil, identify the principal mineral phases, etc. The technical developments in the last years have introduced a new generation of small Raman systems suitable for robotic mineral characterization on planetary surfaces [20, 95]. Two different types of spectrometer were considered for the MIRAS study. As supporting laboratory experiments for the MIRAS study, the measure-ments on standard minerals and on SNC Mars meteorites are discussed in chapter 6. The following SNC meteorites have been investigated: Sayh al Uhaymir 060, Dar al Gani 735, Dar al Gani 476, Northwest Africa 856, Los Angeles, Northwest Africa 1068 and Zagami. Pyrite as a hitherto undescribed phase in the picritic (olivin-phyric) shergottite NWA 1068 as well as reduced carbon (e.g. graphite) and anatase in the shergottite Say al Uhaymir 060 are new findings for this class of meteorites. A detailed description of the proposed designs for MIRAS, with the compo-nents used for building the test version on a breadboard is covered in chapter 7. The scientific as well as the mission requirements imposed on the instrument are discussed. The basic design is presented and the main components that are brought together to build the device being the laser unit, the Raman head, the Rayleigh filtering box, and the spectral sensor (spectrometer with a matching de-tector) are described. The two proposed designs, one based on an acousto-optic tunable filter (AOTF) and the other based on a dispersive hadamard transform spectrometer are compared to each other. The actual breadboard setup with the detailed description of the components follows in Section 7.3. Further de-velopment of a Raman spectrometer for planetary investigations is proposed in combination with a microscope as part of the Extended-MIRAS project. The software developed for controlling the breadboard version of MIRAS is described in chapter 8 together with a short description of the structure of a relational database used for in house spectra management. The measuring pro-cedures and the data processing steps are presented. Spectra acquired with the MIRAS breadboard version based on the AOTF are shown in chapter 9. The final chapter addresses a rather different possibility of using Raman spectroscopy for planetary investigations. The chapter summarizes the content of four tech-nical notes that were established within the study contracted by the European Space Agency with firma Kayser-Threde in Munich concerning the possibility of applying Raman spectroscopy in the field of remote imaging.Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Hauptteilen. Der erste Teil, der die Kapitel 1, 2, 3 und 4 umfasst, beschäftigt sich mit dem Design und Aufbau eines Gerätes, welches in der Lage sein sollte, die Schalendichte und die Kerngröße von geschichteten Kugeln in einer Strömung festzustellen. Der zweite Teil, der aus den Kapiteln 5, 6, 7, 8, 9 und 10 besteht, befasst sich mit der Raman-Spektroskopie als Anwendung in der Raumfahrt, und zwar mit deren Einsatz bei in-situ-planetarischen Erforschungen. Dieser Teil bezieht sich direkt auf das MIRAS-Projekt, eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter der nationalen Eintragsnummer 500W0103 geförderte Studie. MIRAS steht für "Mineral Investigations by in situ Raman Spectroscopy". Größenbestimmung der Mikrokapseln mittels elastischer Lichtstreuung Der industrielle Fortschritt der auf Mikrokapseln basierenden Prozesse hängt mit der Möglichkeit zusammen, eindeutige und komplette Informationen über die Eigenschaften dieser Mikrokapseln zu liefern. Es gibt allerdings kaum Instrumente zur schnellen und effizienten Feststellung der Eigenschaften von Mikrokapseln. Zahlreiche Methoden sind häufig notwendig, um das Verhalten von Mikrokapseln ausreichend zu beschreiben. Man braucht Methoden zur Auswertung der indi-viduellen Größe und der Größenverteilung von Kern und Schale sowie zur Messung der mechanischen Eigenschaften, Stabilität in Anwendungsmedien, Schalenper-meabilität usw. Die Messungen des elastischen Streulichts stellen eine mögliche Methode dar, Eigenschaften wie Kerngröße, Schalengröße und Brechungsindex festzulegen. Das Design und der Aufbau eines Gerätes, das die obengennanten Parame-ter für eine Mikrokapsel messen kann, bilden das Thema des ersten Teils dieser Arbeit. Das grundlegende Messprinzip für das hier vorgeschlagene Gerät besteht in der Analyse einzelner Kapseln, indem das Streuungsmuster des elastischen Lichts bei Winkeln zwischen ca. 60 und 120 grad aufgezeichnet wird. Werden die expe-rimentell aufgezeichneten Phasenfunktionen mit den vorher berechneten Streu-ungsmustern in der Datenbank verglichen, so kann die Geometrie des Streuung-sobjektes identifiziert werden. In unserem Fall wird die Geometrie durch zwei Parameter gekennzeichnet: die Schalendichte und den Kernradius. In Kapitel 2 wird ein kurzer Überblick über die Methoden zur Festlegung der Größe von Mikrokapseln gegeben. Es werden verschiedene Methoden miteinander verglichen und Vorteile bzw. Nachteile für das Allgemeinproblem der Größenbes-timmung werden kurz angesprochen. Es wird festgestellt, dass alle Methoden, denen die Theorien der elastischen Lichtstreuung zugrundeliegen, "Ensemble-Methoden" sind. Kapitel 3 beschreibt die Theorien, die oft auf die Berechnung der theoretischen Streuungsmuster angewandt werden, wobei hier die Mie-Theorie im Mittelpunkt steht. Die Erweiterung der Mie-Theorie auf geschichtete Kugeln wird hier kurz geschildert und die Vereinfachungen der Fernfeldstärke werden diskutiert. Das letzte Kapitel (4) dieses ersten Teils befasst sich mit dem experimentellen Projekt zum Aufbau eines automatischen Mikrokapselanalysators. Das von O. Sbanski [76] begonnene Projekt mit der Entwicklung eines Softwarepakets zur Berechnung und Speicherung von theoretischen Phasenfunktionen für Mikrokapseln wurde mit dem Entwurf bzw. dem Aufbau eines Messgerätes fortgesetzt. Die Hardware und die Software mit allen für die individuellen Elemente des Aufbaus benötigten Korrekturen werden ausführlich beschrieben. Für den Laser werden Monochromatizität, Strahlstärkeprofil sowie die Planarität von gleichphasigen Wellenfronten berücksichtigt. Die Strömungszelle mit drei verschiedenen Designs wird geschildert. Einflüsse des eingesetzten Entwurfs auf die Eigenschaften der Lichtstreung sowie das optische, zur Aufzeichnung experimenteller Phasenfunktionen verwendete System werden diskutiert. Das aus zwei identischen linearen CCD-Arrays bestehende Detektionssystem wird zusammen mit der zur Datenaufnahme verwendeten Software präsentiert. Es werden gleichfalls einige Methoden zur Verbesserung der Qualität bzw. Geschwindigkeit des Analyseprozesses angesprochen. Der letzte Teil beschreibt Messungen, welche an homogenen Kugeln sowie industriellen Mikrokapseln durchgeführt wurden. MIRAS - "Mineral Investigation by in situ Raman Spectroscopy" Die für die Zukunft vorausgesehenen planetarischen Missionen benötigen Instru-mente, die in Bezug auf Volumen und Gewicht extrem stark miniaturisiert sind und wenig Energie brauchen. Ein Mikro-Ramanspektrometer als allein operieren-des Gerät auf der planetarischen Oberfläche (z.B. Mars) bietet ein breites Spek-trum von Möglichkeiten an. Es kann die chemische Analyse durch Festlegung der mineralischen Zusammensetzung auswerten, organische Moleküle im Boden ausweisen, die mineralischen Hauptphasen identifizieren usw. Die technischen Entwicklungen der letzten Jahre haben eine neue Generation kleiner Raman-systeme mit sich gebracht, welche für die mineralische Charakterisierung von planetarischen Oberflächen geeignet sind. Für die MIRAS-Studie wurden zwei verchiedene Typen von Spektrometern berücksichtigt. In Kapitel 6 werden die Messungen von Standardmineralien und SNC-Marsmeteoriten als unterstützende Laborexperimente behandelt. Folgende SNC-Meteorite sind untersucht worden: Sayh al Uhaymir 060, Dar al Gani 735, Dar al Gani 476, Northwest Africa 856, Los Angeles, Northwest Africa 1068 und Zagami. Pyrit als eine bis jetzt unbeschriebene Phase in dem Picritic (Olivin-Phyric) Shergottit NWA 1068 sowie reduzierter Kohlenstoff (z.B. Graphit) und Anatase in dem Shergottit Say al Uhaymir 060 sind neue Erkenntnisse für diese Meteoritenklasse. Eine detaillierte Beschreibung der vorgeschlagenen Entwürfe für MIRAS mit den Bauteilen, die zum Aufbau der Testversion eines Breadboard verwendet wurden, wird in Kapitel 7 geliefert. Es werden sowohl die wissenschaftlichen als auch die Missionsanforderungen an das Gerät diskutiert. Der Grundentwurf wird vorgeführt, wobei die einzelnen Hauptbauteile des Gerätes die Laserein-heit, den Ramankopf, das Rayleigh-Filtersystem und das Spektrometer (mit einem passenden Detektor) darstellen. Die zwei vorgeschlagenen Entwürfe, der eine basierend auf einem akusto-optisch einstellbaren Filter (AOTF), der andere hingegen auf einem dispersiven Hadamard-Transformationsspektrometer werden miteinander verglichen. Der tatsächliche Breadboard-Aufbau sowie eine detaillierte Beschreibung der Bauteile folgen in Unterkapitel 7.3. Es wird ein weiteres Entwicklungskonzept für ein Raman-Spektrometer in Bezug auf planetarische Untersuchungen, im Zusammenhang mit einem Mikroskop als Teil des erweiterten MIRAS-Projektes, vorgeschlagen. Das für die Kontrolle der MIRAS Breadboard-Version entwickelte Programm samt der Struktur einer zum internen Spektrummanagement verwendeten rela-tionelen Datenbank werden in Kapitel 8 vorgestellt. Die Messprozeduren und die Datenbearbeitungsvorgänge werden zusammen beschrieben. Die mit der auf AOTF basierenden MIRAS Breadboard-Version aufgenommenen Spektren sind in Kapitel 9 abgebildet. Das letzte Kapitel (10) bezieht sich auf eine etwas andere Möglichkeit, Raman-Spektroskopie bei planetarischen Untersuchungen anzuwen-den. Das Kapitel fasst den Inhalt von vier technischen Beobachtungen zusam-men, welche im Rahmen der von der Firma Kayser Threde in München für die European Space Agency ausgeschriebenen Studie aufgezeichnet wurden. Diese Studie befasst sich mit der Möglichkeit, Raman-Spektroskopie auf das Gebiet der Fernaufnahmen anzuwenden

UV Raman Imaging - A Promising Tool for Astrobiology: Comparative Raman Studies with Different Excitation Wavelengths on SNC Martian Meteorites

The great capabilities of UV Raman imaging have been demonstrated on the three Martian meteorites:  Sayh al Uhaymir, Dar al Gani, and Zagami. Raman spectra without disturbing fluorescence and with high signal-to-noise-ratios and full of spectral features were derived. This result is of utmost importance for the development of powerful instruments for space missions. By point scanning the surfaces of the meteorite samples, it was possible for the first time to construct UV-Raman images out of the array of Raman spectra. Deep-UV Raman images are to the best of our knowledge presented for the first time. The images were used for a discussion of the chemical−mineralogical composition and texture of the meteorite surfaces. Comparative Raman studies applying visible and NIR Raman excitation wavelengths demonstrate a much better performance for UV Raman excitation. This comparative study of different Raman excitation wavelengths at the same sample spots was done by constructing a versatile, robust sample holder with a fixed micro-raster. The overall advantages of UV resonance Raman spectroscopy in terms of sensitivity and selectivity are demonstrated and discussed. Finally the application of this new technique for a UV Raman instrument for envisaged astrobiological focused space missions is suggested

UV Raman spectroscopy - A technique for biological and mineralogical in situ planetary studies

We report on the great advantages of using deep UV Raman system for in situ planetary applications. Among them are to be mentioned: (I) higher scattering efficiency compared to VIS–IR Raman excitation wavelengths, (II) electronic resonance effects which increase the intrinsically weak Raman signal thus improving the S/N ratio of the detected Raman signals and (III) spectral separation of Raman and fluorescence signals. All these advantages are making UV Raman a valuable technique for in situ planetary applications. Mineral as well as biological samples were analyzed using Raman deep UV excitation and the results are presented. For the mineral samples a comparison with excitation in the NIR–VIS spectral regions is made. The impact of fluorescence on Raman data acquisition at different laser excitation wavelengths is assessed. Making use of the resonance effects, spectra of microorganisms were recorded with a high S/N ratio, allowing afterwards a very precise identification and classification (to the strain level) of the measured samples

The effect of Antimonate, Arsenate, and Phosphate on the Tranformation of Ferrihydrite to Goethite, Hematite, Feroxyhyte, and Tripuhyite

Iron oxides, typical constituents of many soils, represent a natural immobilization mechanism for toxic elements. Most iron oxides are formed during the transformation of poorly crystalline ferrihydrite to more crystalline iron phases. The present study examined the impact of well known contaminants, such as P(V), As(V), and Sb(V), on the ferrihydrite transformation and investigated the transformation products with a set of bulk and nano-resolution methods. Irrespective of the pH, P(V) and As(V) favor the formation of hematite (alpha-Fe2O3) over goethite (alpha-FeOOH) and retard these transformations at high concentrations. Sb(V), on the other hand, favors the formation of goethite, feroxyhyte (delta'-FeOOH), and tripuhyite (FeSbO4) depending on pH and Sb(V) concentration. The elemental composition of the transformation products analyzed by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy show high loadings of Sb(V) with molar Sb:Fe ratios of 0.12, whereas the molar P:Fe and As:Fe ratios do not exceed 0.03 and 0.06, respectively. The structural similarity of feroxyhyte and hematite was resolved by detailed electron diffraction studies, and feroxyhyte was positively identified in a number of the samples examined. These results indicate that, compared to P(V) and As(V), Sb(V) can be incorporated into the structure of certain iron oxides through Fe(III)-Sb(V) substitution, coupled with other substitutions. However, the outcome of the ferrihydrite transformation (hematite, goethite, feroxyhyte, or tripuhyite) depends on the Sb(V) concentration, pH, and temperature

The Effect of Antimonate, Arsenate, and Phosphate on the Transformation of Ferrihydrite to Goethite, Hematite, Feroxyhyte, and Tripuhyite

Iron oxides, typical constituents of many soils, represent a natural immobilization mechanism for toxic elements. Most iron oxides are formed during the transformation of poorly crystalline ferrihydrite to more crystalline iron phases. The present study examined the impact of well known contaminants, such as P(V), As(V), and Sb(V), on the ferrihydrite transformation and investigated the transformation products with a set of bulk and nano-resolution methods. Irrespective of the pH, P(V) and As(V) favor the formation of hematite (alpha-Fe2O3) over goethite (alpha-FeOOH) and retard these transformations at high concentrations. Sb(V), on the other hand, favors the formation of goethite, feroxyhyte (delta'-FeOOH), and tripuhyite (FeSbO4) depending on pH and Sb(V) concentration. The elemental composition of the transformation products analyzed by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy show high loadings of Sb(V) with molar Sb:Fe ratios of 0.12, whereas the molar P:Fe and As:Fe ratios do not exceed 0.03 and 0.06, respectively. The structural similarity of feroxyhyte and hematite was resolved by detailed electron diffraction studies, and feroxyhyte was positively identified in a number of the samples examined. These results indicate that, compared to P(V) and As(V), Sb(V) can be incorporated into the structure of certain iron oxides through Fe(III)-Sb(V) substitution, coupled with other substitutions. However, the outcome of the ferrihydrite transformation (hematite, goethite, feroxyhyte, or tripuhyite) depends on the Sb(V) concentration, pH, and temperature