Fleckenanalyse mit spiegelnden Würfeln

News: Fleckenanalyse mit spiegelnden Würfeln

Wenn Wissenschaftler wissen wollen, um welche Substanz es sich bei einer unbekannten Probe handelt, dann lassen sie häufig einen Lichtstrahl darauf fallen und stellen fest, welche Wellenlängen von dem Material absorbiert werden. Dieses als Spektroskopie bekannte Verfahren eignet sich bei Gasen selbst für winzigste Mengen. Mit Flüssigkeiten und Feststoffen in geringsten Spuren gab es jedoch Schwierigkeiten. Durch eine neue Methode stieg die Empfindlichkeit des Tests auch in diesen Fällen um den Faktor einhundert. Dabei wird die Probe außen auf einen Würfel gegeben, in dessen Inneren Laserlicht hin und her reflektiert wird.

Spektroskopie ist die Kunst, Atome und Moleküle daran zu erkennen, welche Wellenlängen des Lichtes sie absorbieren. Üblicherweise wird dazu ein Lichtstrahl durch einen Zylinder mit der zu prüfenden Substanz darin geleitet. Am anderen Ende registriert ein Detektor die übriggebliebene Intensität. Bei extrem verdünnten Proben jedoch, in denen sich nur wenige der interessanten Moleküle befinden, trifft das Licht unter Umständen gar nicht mit den Teilchen zusammen.

Für gasförmige Stoffe besteht die Lösung dieses Problems darin, den Lichtstrahl einfach mittels Reflexion mehrfach durch die Probenkammer wandern zu lassen. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, daß die Photonen mit den Gasmolekülen wechselwirken. Dieses Prinzip läßt sich allerdings nicht auf Flüssigkeiten oder Feststoffe anwenden. Diese müßten nämlich auf einen Träger wie zum Beispiel eine Glasplatte aufgebracht werden. An den zusätzlichen Grenzflächen käme es zu weiteren Reflexionen, die das Experiment zu sehr stören würden, sagt Andrew Pipino vom National Institute of Standards and Technology.

Der Chemiker dachte sich, wenn die Probe nicht in die Kammer mit dem Licht darf, dann muß sie eben draußen bleiben. Und er entwarf einen hohlen Miniwürfel aus ultrareinem Silikatglas. In dieses schickt er über ein spezielles Prisma Laserlicht, das an den extrem glatten Wänden fast zu einhundert Prozent gespiegelt wird. Auf diese Weise kann ein Blitz bis zu 100 000mal reflektiert werden, bevor er den Würfel verläßt (Physical Review Letters vom 11. Oktober 1999, Abstract).

Bei jeder Reflexion an den inneren Wänden tunnelt ein verschwindend kleiner Anteil des Lichts zur Außenwand des Würfels und "tastet sie ab". Wenn sich dort ein Molekül befindet, daß zu seiner Wellenlänge paßt, absorbiert dieses die winzige Energiemenge, wodurch die Intensität des Lichtstrahls abnimmt. Pipino mißt diesen Abfall und kann dadurch bestimmen, welche Substanz in Spuren auf dem Würfel saß. Seiner Ansicht nach ließe sich die Methode so weit verfeinern, daß "der Nachweis einzelner Moleküle eines Tages denkbar sein könnte."

Der Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft ist Betreiber dieses Portals. Seine Online- und Print-Magazine, darunter »Spektrum der Wissenschaft«, »Gehirn&Geist« und »Spektrum – Die Woche«, berichten über aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung.