Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

120 T. Dreier
Abb. 6.7. Molekulare Vorgänge bei der photoakustischen Spektroskopie (links).
Aufbau eines einfachen Spektrofons (rechts)
Probe befinden. Daher ist, solange keine Überlappungen der druckverbreiterten
Absorptionsspektren verschiedener Molekülsorten auftreten, die photoakustische
Spektroskopie besonders in der Umweltanalytik interessant
[1,3,6].
Die Verhältnisse bei der Photoakustik sind in Abb. 6.7 skizziert. Durch
Absorption von zeitlich gepulstem Laserlicht (wellenförmiger Pfeil im Energieniveauschema
links) gelangt das Molekül in einen zeitlich instabilen angeregten
Zustand. Finden während der Lebensdauer dieses Zustands zwischenmolekulare
Stöße mit anderen Molekülen oder Atomen in der Probe
statt, so kann eine nachfolgende Stoßdeaktivierung das Molekül ohne Aussendung
von Strahlung wieder in den Grundzustand übergehen (gerade Pfeile
im Energieniveauschema). Bei einem Druck von 1 mbar erfolgt diese strahlungslose
Deaktivierung (engl. Quenching) in ca. 10 −5 s. Die anfänglich absorbierte
Energie wird adiabatisch in thermische Bewegungsenergie umgewandelt
und führt zur Ausbreitung einer Druckwelle, die mit einem empfindlichen
Mikrofon nachgewiesen werden kann. Relative Druckänderungen von
10 −7 können so zeitaufgelöst registriert werden. Da der Nachweis auf der
strahlungslosen Deaktivierung beruht, eignet sich die Methode auch gut für
Substanzen mit geringer Fluoreszenzquantenausbeute. Ein Nachteil der photoakustischen
Spektroskopie ist, dass die erzielbare spektrale Auflösung durch
Druck- und Dopplerverbreiterung begrenzt wird. Die Empfindlichkeit kann
durch resonante Verstärkung der Druckwelle erhöht werden, die durch die
Relaxation der Molekülanregung hervorgerufen wurde, indem die Pulsfolge
(bei gepulstem Laserbetrieb) bzw. die durch den Lichtzerhacker ( ” Chopper“)
in Abb. 6.7 periodisch unterbrochene kontinuierliche Intensität des Lasers bei
den Eigenfrequenzen der Messzelle betrieben wird. Dann wirkt die Zelle, ähnlich
wie der Korpus einer Gitarre, als Resonanzverstärker der akustischen
Welle.