The mechanism of ultra-short (femtosecond) and nanosecond laser ablation of biological tissue: mass spectrometry of ionic and neutral species

Abstract

In the intensity range 1012W/cm2 - 1014W/cm2 the most prominent field of application of femtosecond lasers is the precision microstructuring ranging from metals, dielectrics to biological tissues. The overall goal of this research was to gain a deeper understanding of the processes involved in laser ablation of hard biological tissue material with ultra-short femtosecond laser radiation. An investigation into the mechanism of laser ablation of biological tissue is a complicated problem due to the complexity of the examined organic material. Furthermore, the pulse characteristics of the ultrashort lasers place it in a unique temporal regime. The combination of pulse duration of ~ 30fs and peak intensity of 1015W/cm2 presents the possibility of producing interactions with minimal ablation damage. Based on the acquired knowledge, the appropriate experimental parameters will be found. The resulting processes arisen due to the interaction of ultrashort femtosecond laser pulses with tooth and bone samples are analyzed with Laser Ablation-Time of flight-Mass Spectrometry. A complete set of measurements were performed in order to investigate in details the ablation mechanism. More specific the mass spectra of ablated neutral and ion particles from organic matter were studied. A more detailed view was taken by investigating the ablation dynamics at several wavelengths. The precise examination of the mass spectra of laser ablation with 193nm and 800nm introduces the way of altering the chemical composition of the ablated tissue. No molecular ions were observed for any of the biological targets for both wavelengths. The results indicate that the peptide bond is the main target in the molecule of collagen. It was suggested that the fragmentation pathway for the amino acid molecules is initiated by [alpha]-cleavage reaction which results in formation of decarboxylated ion. The fluence dependence, for ablation with ultra-short and nanosecond laser pulses, was obtained and was determined very precisely the ablation threshold for organic material. The analysis of the laser ablation data, suggests that a considerable fraction of the biological molecules are ablated from the surface intact. In general, was found that ablation with ultra-short (femtosecond) pulses at 800nm radiation yields the highest number of characteristic ions. The results also show the molecule dependent optimum intensity of laser ablation required to produce the highest yield of characteristic ions. The high peak powers which are typical for the femtosecond pulses, give rise to ionization pathways distinct from resonant excitation processes. From the analysis of the post-ionization mass spectra can be deduced the coupling mechanism between the intense laser pulse and the molecules. The ionization mechanism of molecular species interacting with intense laser pulses was examined in order to gain more inside into the fragmentation pathways. We suggested that the mechanism of coupling between the intense IR radiation field and molecule can be based on Keldysh theory, which gives the qualitative criterion (the Keldysh parameter) for field ionization that has been applied to atoms and molecules. At high intensities in the photoionization mass spectra at 800nm doubly charged species were formed which are subject to considerable Coulomb repulsion. This results in explosion of the atom (molecule) and formation of stable ions. It was demonstrated that multiply charged species were produced for ionization laser intensities approaching 1014 W/cm2.

Die meist verbreitete Anwendung von Femptosekundenlaser im Intensitätsbereich von 1012W/cm2 - 1014W/cm2 ist die präzise Mikrostrukturierung von Metallen, Nichtleitern und biologischen Geweben. Das Hauptziel war, die Prozesse der Laserablation von harten biologischen Geweben durch die Strahlung eines Femtosekundenlaser eingehend zu untersuchen. Die Untersuchung des Mechanismus von Laserablation biologischer Gewebe stellt wegen der Komplexität des untersuchten biologischen Stoffs eine komplizierte Aufgabe dar. Darüber hinaus wird dieser Stoff durch die Impulscharakteristik des Lasers im Bereich der Ultrakurzwellen einzigartiger Zeitbedingungen ausgesetzt. Die Kombination einer Impulsdauer von ca. 30fs und einer Spitzenintensität in Höhe von 1015W/cm2 ermöglicht eine Wechselwirkung bei minimalen Schaden von der Ablation. Aufgrund der erworbenen Kenntnisse werden die entsprechenden Parameter für die Experimente festgestellt. Die Prozesse, die infolge der Wechselwirkung von Femptosekundenlaserimpulsen und Zahn- und Knochenmustern entstehen, werden mit Laserablationszeit von Flight-Massenspektroskopie analysiert. Ein vollständiger Vermessungssatz wurde ausgeführt, um den Ablationsmechanismus ausführlich zu untersuchen. Es wurden besonders die Massenspektra von ablatierten neutralen und ionen teilchen organischer Stoffe untersucht. Die Dynamik der Ablationsprozesse wurde näher bei mehreren Wellenlängen der Laserstrahlung untersucht. Die präzise Untersuchung der Massenspektra der Laserablation mit 193nm und 800nm leitet ein Verfahren zur Änderung der chemischen Zusammensetzung des ablatierten Gewebes ein. Bei keinem von den biologischen Objekten wurden Molekül ionen für die beiden Wellenlängen festgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass im Kollagenmolkül das Ziel die Peptidbindung ist. Es wurde angenommen, dass der Fragmentationsweg von den Molekülen der Aminosäure durch die -Spaltungsreaktion eingeleitet wird, die die Entstehung eines dekarboxylierten Ions zur Folge hat. Es wurde die Abhängigkeit des Flusses für die Ablation mit Ultrakurz- und Nanosekundenlaserimpulsen erforscht und es wurde sehr genau die Ablationsschwelle für organische Stoffe bestimmt. Die Analyse der Angaben für die Laserablation zeigen, dass ein großer Teil der biologischen Moleküle unversehrt von der Oberfläche ablatiert werden. Generell wurde festgestellt, dass die Ablation mit Ultrakurzimpulsen (Femptosekundenimpulsen) bei Strahlungen mit einer Wellenlänge von 800nm die größte Zahl von charakteristischen Ionen sichert. Die Ergebnisse zeigen auch die von den Molekülen abhängigen optimale Intensität der Laserablation, die für den größten Gewinn von charakteristischen Ionen erforderlich ist. Die hohen Spitzenleistungen, die für die Femptosekundenimulsen typisch sind, verursachen Ionisierungswege, die sich von der Anregung der Resonanzprozesse unterscheiden. Von der Analyse der Post-Ionisierungsmassspektra kann der Kopplungsmechanismus zwischen den intensiven Laserimpulsen und den Molekülen hergeleitete werden. Es wurde der Mechanismus für die Ionisierung von Molekülspezies, die mit den intensiven Laserimpulsen in Wechselwirkung stehen, untersucht, um eine tiefgründige Information über den Fraktionsweg zu bekommen. Wir nehmen an, dass der Kopplungsmechanismus zwischen der intensiven Infrarotstrahlung und den Molekülen auf der Theorie von Keldysh beruht, die das Qualitätskriterium (Parameter von Keldysh) für das Ionisierungsfeld bestimmt, dem die Atome und Moleküle unterworfen sind. Bei hohen Intensitäten wurden in der Photoionisierungsmassspektra bei 800nm doppelt geladene Spezies gebildet, die wesentlichen Coulomb-Abstossenkräften unterworfen sind. Das führt zur Explosion des Atoms (des Moleküls) und Entstehung von stabilen Atomen. Es wurde gezeigt, dass bei Intensitäten von der Grösse bis 1014 W/cm2, mehrfach geladene Spezies gebildet wurden.