Inaktivierung von Proteinen und Zellen durch Laserbestrahlung von ...

Schadensmodellierung 173
zu erwarten ist. Die Temperaturen haben in einem Abstand von nur 15 nm (1
Proteinlage) bereits um einen Faktor 10 im Vergleich zu den Maximaltemperaturen
abgenommen.
Unter den oben genannten Annahmen von linearer Wärmeleitung und Vernachlässigung
der latenten Wärme für Schmelzen und Verdampfen ergaben sich bei
den genutzten Bestrahlungsparametern, unter denen eine Enzyminaktivierung
beobachtet werden konnte (54 mJ/cm2 ,35psPulslänge), Oberflächentemperaturen
von 4500 K und 9000 K für die 15 nm und 80 nm Partikel. Da diese Temperaturen
oberhalb der Phasenübergänge von Wasser und Gold liegen, können mit dem verwendeten
einfachen thermischen Modell die bei der Inaktivierung auftretenden
Temperaturen nicht mehr berechnet werden.
Oberhalb vom spinodalen Punkt muss mit einer Blase um die Partikel gerechnet
werden, so dass diese thermisch isoliert werden und entsprechend schneller
bis zum Schmelzpunkt von Gold erhitzt werden können. Ab der Schmelztemperatur
muss die latente Schmelzwärme von 63 J/g zugeführt werden, um eine
weitere Temperaturerhöhung zu bewirken. Ab der Verdampfungstemperatur
muss die latente Verdampfungswärme von 1.65 kJ/g aufgebracht werden, bevor
die Partikel vollständig verdampft sind. Mit der spezifischen Wärmekapazität
von 0.129 J/gK und einem Q-Faktor von 0.7 kann eine Maximaltemperatur abgeschätzt
werden, die sich unter Vernachlässigung der Wärmeleitung oberhalb
vom spinodalen Punkt ergibt. Zum Vergleich sind die Energien, die bei unverändert
anhaltender Wärmeleitung aufgebracht werden müssten, in der folgenden
Tabelle aufgeführt. In der Tabelle sind die Energien aufgelistet, die benötigt
werden, um bis zu einer der Temperaturen bzw. einem vollständigen Aufschmelzen
oder einem vollständigen verdampfen nötig sind. Analog zu den Temperaturrechnungen
mit ps-Pulsen ist in Abbildung 5.4 der zeitliche Temperaturverlauf für
6 ns Pulse bei Temperaturen unterhalb vom spinodalen Punkt dargestellt. In der
vorhergehenden Tabelle sind ebenfalls die Energien aufgeführt, die benötigt werden,
um die Partikel bis zum spinodalen Punkt von Wasser, zum Schmelzpunkt
und zum Verdampfungspunkt zu heizen bzw. vollständig zu verdampfen. Die
Wärmeleitung spielt bei Bestrahlung mit Nanosekundenpulsen im Vergleich zu
den Pikosekundenpulsen eine wichtige Rolle, was an der geringeren erreichbaren
Maximaltemperatur und daran, dass der Temperaturverlauf dem Laserpulsverlauf
leicht folgt, zu sehen ist. Die Temperaturerhöhung im umgebenden Wasser
weist wie bei einer Bestrahlung mit ps-Pulsen einen starken Temperaturgradi-