Inaktivierung von Proteinen und Zellen durch Laserbestrahlung von ...

30 Theorie
kritischer Blasenradius [nm]
10 4
10 3
10 2
10 1
10 0
spinodaler
Punkt
kritischer
Punkt
s]
-3 -1
log Nukleationsrate [cm
10
50 100 150 250 300 160 180 200 220 240 260
T-T sat [°C]
T-T sat [°C]
50
0
-100
-150
-200
spinodaler
Punkt
2,8 µm 15 nm
8µm
kritischer
Punkt
Abbildung 2.8: a) Kritischer Radius einer Blase in Abhängigkeit von der Temperatur,
die erreicht werden muss, damit eine Blase wachsen kann. b) Nukleationskeimrate
bei einer Temperatur T oberhalb der Siedetemperatur Tsat von 100◦C durch Dichteschwankungen
im Wasser pro Volumen und Zeit in Abhängigkeit von der Temperatur.
Abbildung nach [195](verändert).
Für ein Sieden bei Temperaturen unterhalb vom spinodalen Punkt sind somit Siedekeime
mit einer Ausdehnung oberhalb des kritischen Radius notwendig. Dies
können zum einen Verunreinigungen sein (heterogene Nukleation) als auch statistische
Dichteschwankungen in Wasser. Die Dichteschwankungen wirken als
Nukleationskeim. Dies wird als homogene Nukleation bezeichnet [180]. Die
Nukleationsrate pro Volumen und Zeit, die durch solche Dichteschwankungen
hervorgerufen wird, ist in Abbildung 2.8 nach Vogel und Venugopalan [195] dargestellt.
Aus ihr läßt sich abschätzen, ob es in der Umgebung erhitzter Mikround
Nanopartikel zur Blasenbildung durch homogene Nukleation kommt. Danach
ergibt sich für ein Volumen, das von 15 nm Partikeln, die mit ca. 10 nm
Protein beschichtet sind, eingenommen wird, eine Temperatur von 328◦C, bei
der schon innerhalb von 35 ps eine Blasenbildung zu erwarten ist. Partikel mit
einem Radius von 1.5 µm bis4µmnehmen ein entsprechend größeres Volumen
ein, so dass die Temperatur, nach der homogene Nuklation innerhalb von 15 µs
erwartet werden kann, auf 308◦Csinkt. Die Temperaturen, bei denen Blasenbildung durch homogene Nukleation erwartet
werden, liegen oberhalb der spinodalen Temperatur bei Normaldruck. Homogene
Nukleation ist deshalb für ein Sieden um die Partikel nicht relevant. Kommt es
bei Erreichen des spinodalen Punktes zum schlagartigen Verdampfen des Wassers
in der Umgebung der Partikel, wird aufgrund der Zustandsgleichung von
Wasser ein Druck von ca. 90 bar erwartet [133], der die Blasenentstehung treibt.