Techniklexikon

Ionisationsspektroskopie

Laserphysik und -technikAtom- und Molekülphysik, spezielle Methode der Atomspektroskopie bzw. Molekülspektroskopie und insbesondere der Laserspektroskopie. Dabei werden neutrale Atome oder Moleküle untersucht, indem sie mit verschiedenen Methoden ionisiert (Ionisation) und die Ionen detektiert werden. Der prinzipielle Aufbau eines derartigen Experimentes ist in Abb. 1 dargestellt. Der spezielle Vorteil der Ionisationsspektroskopie sind die erreichbaren Empfindlichkeiten, die aufgrund des sehr effizienten Nachweises geladener Teilchen weit höher liegen als in der Emissionsspektroskopie oder der Absorptionsspektroskopie. Zum Nachweis geladener Teilchen stehen eine Reihe kommerziell erhältlicher Detektoren zur Verfügung, die überwiegend auf dem Prinzip des Sekundärelektronenvervielfachers basieren, wie z.B. das Channeltron oder die Mikro-Kanal-Platte (MCP). Dabei muss das eintreffende Teilchen genug Energie haben, um ein Primärelektron auszulösen, welches dann durch Sekundärelektronenemission zu einem messbaren Strompuls verstärkt wird.

Bei der Laserspektroskopie werden die gesuchten Teilchen des zu untersuchenden Stoffes zunächst mit Laserphotonen aus dem Grundzustand in ein höheres Energieniveau versetzt und anschliessend aus diesem angeregten Zustand heraus mit einem zweiten Laser nicht-resonant ionisiert. Bei ausreichender Fokussierung der Strahlen (< 100 m) und Intensität des ionisierenden Lasers (typischerweise im Bereich von 10 W) können im Prinzip alle angeregten Atome auch ionisiert werden. Charakteristisch für die Laserspektroskopie (Abb. 2) ist die hohe Selektivität aufgrund der resonanten Anregung (Laseranregung). Erzeugt man mit dieser auto-ionisierende (Autoionisation) bzw. Rydberg-Zustände und fügt weitere resonante Anregungsschritte vor der Ionisation ein (Mehr-Photonen-Spektroskopie), können selbst bei relativen Häufigkeiten von 10^-10 seltene Isotope noch eindeutig nachgewiesen werden. Durch die Kombination mit Massenspektrometern (z.B. einem Quadrupolmassenspektrometer) kann die Selektivität nochmals um mehrere Grössenordnungen (bis zu 10⁷) gesteigert werden.

In der Atom- und Molekülspektroskopie bietet die Ionisationsspektroskopie eine Alternative zur Bestimmung von Energieniveaus. Die Laserspektroskopie eignet sich aufgrund ihrer hohen Nachweisempfindlichkeit besonders zur Analyse geringster bzw. extrem schwach konzentrierter Stoffmengen. Sie wird deshalb sowohl in der Grundlagenforschung als auch in industriellen Anwendungen und dem Umweltschutz intensiv eingesetzt.

Ionisationsspektroskopie 1: Prinzipieller Aufbau eines Experiments zur Ionisationsspektroskopie (I⁺: Ionen, e^-: Elektronen).

Ionisationsspektroskopie 2: Typische Anregungsschemata in der Laserspektroskopie: a) 1. Schritt: resonante Anregung, 2. Schritt: nicht-resonante Ionisation; b) 2. Schritt: resonante Anregung in einen auto-ionisierenden Zustand bzw. in einen Rydberg-Zustand mit anschliessender Ionisation; c) Mehrfache resonante, photonische Anregung vor der Ionisation zur Erhöhung der Selektivität (Mehr-Photonen-Spektroskopie).