Dissertation
Femtosecond imaging-mode laser-induced breakdown spectroscopy
Abstract
Many nonlinear optical microscopy techniques based on the high-intensity nonlinear phenomena were developed recent years. A new technique based on the minimal-invasive in-situ analysis of the specific bound elements in biological samples is described in the present work. The imaging-mode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is proposed as a combination of LIBS, femtosecond laser material processing and microscopy. The Calcium distribution in the peripheral cell wall of the sunflower seedling (Helianthus Annuus L.) stem is studied as a first application of the imaging-mode LIBS. At first, several nonlinear optical microscopy techniques are overviewed. The spatial resolution of the imaging-mode LIBS microscope is discussed basing on the Point-Spread Function (PSF) concept. The primary processes of the Laser-Induced Breakdown (LIB) are overviewed. We consider ionization, breakdown, plasma formation and ablation processes. Water with defined Calcium salt concentration is used as a model of the biological object in the preliminary experiments. The transient LIB spectra are measured and analysed for both nanosecond and femtosecond laser excitation. The experiment on the local Calcium concentration measurements in the peripheral cell wall of the sunflower seedling stem employing nanosecond LIBS shows, that nanosecond laser is not a suitable excitation source for the biological applications. In case of the nanosecond laser the ablation craters have random shape and depth over 20 µm. The analysis of the femtosecond laser ablation craters shows the reproducible circle form. At 3.5 µJ laser pulse energy the diameter of the crater is 4 µm and depth 140 nm for single laser pulse, which results in 1 femtoliter analytical volume. The experimental result of the 2 dimensional and surface sectioning of the bound Calcium concentrations is presented in the work.
In den letzten Jahren wurden zahlreiche nichtlineare optische Mikroskopietechniken entwickelt, die auf hoch-Intensitätsphänomenen basieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Technik vorgestellt, die auf der minimal-invasiven in-situ Analyse von gebundenen Spurenelementen in biologischen Proben basiert. Bildgebende Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (imaging-mode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) wird als Kombination von LIBS, femtosekunden Lasermaterialbearbeitung und Mikroskopie vorgeschlagen. Als erste Anwendung wird die räumliche Verteilung von Kalzium in der äusseren Zellwand der Stengel von Sonnenblumenkeimlingen (Hellianthus Annuus L.) mit bildgebendem LIBS untersucht. Verschiedene nichtliniare optische Mikroskopietechniken werden besprochen. Die räumliche Auflösung des bildgebenden LIBS-Mikroskops wird basierend auf dem Konzept der Point-Spread Function erörtert. Es wird ein Überblick über die grundlegenden Prozesse des Laserinduzierten Breakdown gegeben. Es werden Ionization, Breakdown, Plasmabildung und Ablationsprozesse betrachtet. In ersten Experimenten wurde Wasser mit einer definierten Konzentration von Kalziumsalz als Modell des biologischen Objektes verwendet. Die transienten Laser-induzierten Plasmaspektren wurden für Nanosekunden- und Femtosekunden-Laseranregung gemessen und analysiert. Die Experimente zur Messung der lokalen Kalziumkonzentrationen in der äusseren Zellwand im Stengel von Sonnenblumen Keimlingen unter Verwendung von Nanosekunden-LIBS zeigt, dass der Nanosekunden-Laser keine geeignete Anregungsquelle für biologische Anwendungen ist. Im Fall des Nanosekunden-Lasers haben die Ablationskrater zufällige Formen und Tiefen über 2 µm. Die Analyse der Femtosekunden-Laserablationskrater ergibt eine reproduzierbare Kreisform. Bei 3.5 µJ Laserpulsenergie ist der Durchmesser des Kraters 4 µm und die Tiefe 140 nm bei Einstrahlung eines einzelnen Laserpulses. Dies entspricht einem Analysevolumen von einem Femtoliter. Die experimentellen Ergebnisse der 2-dimensionalen Oberflächensektionierung von gebundenen Kalziumkonzentrationen wird in der vorliegenden Arbeit demonstriert.
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Dissertationen (Experimentalphysik III - Femtosekundenspektroskopie und ultraschnelle Laserkontrolle)Citation
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