Dreidimensionale konfokale Absorptionsmessungen zur räumlichen ...

2. Theorie
Die Fragestellung, die sich ergibt wenn man ein 3-dimensionales Bild aufnehmen möchte,
lässt sich letztendlich auf die Positionsbestimmung einer dünnen absorbierenden Schicht
im Raum zurückführen. Wie diese Positionsbestimmung erfolgt, soll in diesem und dem
folgenden Kapitel näher beschrieben werden.
Da es sich in dieser Arbeit um ein lichtmikroskopisches Verfahren mit organischen
Farbstoffmolekülen als Sonden handelt, soll zunächst am Beispiel des Farbstoffes Rhodamin
6G veranschaulicht werden, welche Prozesse sich bei Wechselwirkung von Licht
mit solchen Molekülen abspielen und welche Kenntnisse zu der späteren Interpretation
der Messsignale herangezogen werden können. Dieser Farbstoff ist in der Literatur
eingehend untersucht worden und ist der am häufigsten verwendete Laserfarbstoff [14].
Danach wird eine kurze Einführung in das Konzept des hier vorgestellten Verfahrens
gegeben und noch einmal kurz auf die üblich Kenngrößen der Mikroskopie eingegangen.
In dem anschließenden Kapitel werden dann die Aussagen zusammengetragen und ein
mathematisches Modell dieses bildgebenden Verfahrens entwickelt.
2.1. Molekulare Grundlagen
Organische Farbstoffmoleküle sind meist sehr große, komplexe Moleküle. Aus dieser Größe
und Komplexität folgt, dass man heutzutage noch nicht alle Moleküleigenschaften
komplett mit ab-initio-Methoden erfassen kann. Aber schon in den 30er Jahren des letzten
Jahrhunderts hat Jablonski einen Weg vorgeschlagen, mit dem es möglich ist die
spektroskopischen Daten zumindest qualitativ und anschaulich zu bewerten und zu verstehen
[15].
Nach diesem Modell befinden sich die Moleküle in definierten Energiezuständen, zwischen
denen sie z.B. nach erfolgter Lichtabsorption oder -emission hin und her wechseln.
Dies wird in Abbildung 2.1 gezeigt. Die Wahrscheinlichkeit mit denen solch ein Wechsel
geschieht, ist über die sog. Auswahlregeln gegeben und spiegelt sich in den Intensitäten
der zugehörigen Absorptionsbanden wieder.
Bei Raumtemperatur und ohne äußeres Strahlungsfeld befindet sich ein organisches
Molekül im seinem elektronischen Grundzustand S0. Diesem elektronischen Zustand, wie
auch allen anderen elektronischen Zuständen, sind noch weitere Schwingungs-, Rotationsund
Translationszustände überlagert. Diese Zustände geben sich im Absorptionsspektrum
als charakteristische Schultern, Nebenmaxima und/oder Verbreiterungen der Absorptionsmaxima
zu erkennen.
Die Nomenklatur des hier bezeichneten Grundzustandes ergibt sich daraus, dass die
meisten Moleküle im Grundzustand als Singulett vorliegen. Dies bedeutet, dass sich
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