Authors:	Petersen, Jan Hauke
Title:	Entwicklung und Charakterisierung eines Pikoliter‐Dosiersystems für Kalibrierungen in der induktiv gekoppelten Plasma‐Massenspektrometrie in Verbindung mit der Laserablation
Online publication date:	31-Jul-2017
Year of first publication:	2017
Language:	german
Abstract:	Die Laserablation in Verbindung mit der induktiv gekoppelten Plasma‐Massenspektrometrie (LA‐ICP‐MS) gehört zu den nachweisstärksten Analysetechniken für die Untersuchung der Elementzusammensetzung und besitzt für viele Elemente einen linearen Arbeitsbereich vom Ultraspurenbereich bis zur Bestimmung von Hauptkomponenten. Die LA‐ICP‐MS ermöglicht zudem durch eine direkte Beprobung kleinster Objekte mit Durchmessern von wenigen μm einen minimalen Probenvorbereitungsaufwand. Eine Limitierung der LA‐ICP‐MS ist die eingeschränkte Verfügbarkeit von geeigneten Referenzmaterialien zur Kalibrierung und Verifizierung für Objekte im μm‐Größenbereich. Da die bei der Ablation abgetragene Masse ohne weitere Untersuchungen zumeist unbekannt ist, wird typischerweise eine relative Kalibrierstrategie verwendet, bei der die beprobte Masse von Probe und Kalibrierstandard möglichst konstant gehalten wird. Bei der Analyse von diskreten individuellen μm‐großen Objekten, wie einzelnen Zellen oder Partikeln, können die Zielobjekte allerdings vollständig abgetragen werden und besitzen häufig unterschiedliche Größen, so dass meist kein konstanter Probenabtrag erreicht werden kann. Bei vollständigen Ablationen diskreter Objekte können jedoch Messsignale erhalten werden, die linear mit der absoluten ablatierten Analytmasse korrelieren, so dass eine absolute Kalibrierstrategie verfolgt werden kann. Konzentrationen lassen sich ggf. durch zusätzliche Bestimmung oder Abschätzung der ablatierten Masse berechnen. Diese absolute Kalibrierstrategie ist Gegenstand aktueller Grundlagenforschung und es besteht sowohl für die Herstellung von Kalibrierstandards, als auch bei der Herstellung und Charakterisierung von Referenzmaterialien starker Forschungsbedarf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges pL‐Dosiersystem entwickelt, welches ermöglicht, aus gut verfügbaren Elementstandardlösungen feste Kalibrierstandards für die LA‐ICP‐MS herzustellen. Das System basiert auf dem thermischen Tintenstrahldruckverfahren. Für die Steuerung von modifizierten Tintenstrahldruckerpatronen wurde eine Kombination aus elektronischen Mikrokontrollern in Verbindung mit einer Computerschnittstelle entwickelt, die es erlaubt den Dosiervorgang in Abhängigkeit der zu dosierenden Lösung zu optimieren. Das System ermöglicht eine definierte Analytmasse unter mikroskopischer Beobachtung gezielt auf feste Oberflächen zu transferieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ermittelt, dass die ausgestoßenen Tropfen in einem Radius von 56‐122 μm auf der Probenoberfläche auftreffen und ein Gesamtvolumen von ca. 30 pL pro Dosierung besitzen. Nach Trocknung verblieben auf hydrophoben Oberflächen Rückstände mit Durchmessern von 12‐50 μm während sich auf Agarosegelen Impaktionsspuren mit Durchmessern von ca. 50‐100 μm beobachten ließen. Nach vollständiger Ablation dieser Rückstände konnten mittels LA‐ICP‐MS transiente Signale mit einer Gesamtdauer von wenigen Sekunden detektiert werden. Die integrierten Signalintensitäten besitzen eine relative Standardabweichung von 4‐10 % und erlauben eine lineare Kalibrierung, bei der für ausgewählte Elemente absolute Nachweisgrenzen von wenigen Femtogramm Analytmasse ermittelt werden konnten. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass das pL‐Dosiersystem eine direkte Dosierung von bekannten Analytmassen auf das zu untersuchende μm‐große Objekt erlaubt und somit eine Quantifizierung mittels Standardaddition ermöglicht. Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit für die Analyse von Modellproben und Referenzmaterialien untersucht. Das entwickelte System und die untersuchte Kalibriertechnik haben sich hierbei als vielversprechende Werkzeuge für die Untersuchung von individuellen μm‐großen Objekten herausgestellt. Laser ablation in hyphenation with inductively coupled plasma mass spectrometry (LA‐ICP‐MS) is one of the most sensitive techniques for analyzing the elemental composition of objects and offers an extended linear working range for most elements from concentrations within the ultra‐trace regime up to the determination of major compounds. Furthermore, using a minimum effort for sample preparation LA‐ICP‐MS allows the direct sampling of small objects and sampling areas with diameters of only a few μm, respectively. However, a wellknown limitation is the restricted availability of suitable reference materials for calibration and verification in various applications in the μm‐size regime. Since without further investigations the ablated mass remains unknown, commonly a relative calibration strategy is applied, for which the sampled mass for calibration standards and samples is kept as constant as possible. Analyzing μm‐sized, discrete, individual object such as cells or particles, the target objects may be completely ablated, and often vary in size. In such cases mostly no constant sampling mass can be achieved. However, if such discrete objects can be completely ablated it may be possible to obtain signals which correlate linearly to the ablated analyte mass and an absolute calibration approach may be applied. Concentrations may be calculated if the ablated mass can be determined or estimated by additional investigations. This absolute calibration strategy is topic of current fundamental research and there is high need for further research on preparation of calibration standards and preparation and characterization of reference materials. Within this work a novel pL‐dosing system was developed, which allows the preparation of calibration standard samples for LA‐ICP‐MS from highly available element‐standard solutions. The system is based on the thermal inject process. To drive modified inject printer cartridges, a combination of electronic microcontrollers connected to a computer interface was developed, which allows to individually optimize the dosing process for each solution to be transferred. Using this system, it is possible to transfer defined amounts of analyte mass under microscopic observation directly onto solid surfaces. Within this work, it was determined that the ejected droplets impact within a radius of 65‐122 μm onto a target surface and contain a volume of approx. 30 pL per dosing event. After drying on hydrophobic surfaces, residues with diameters of 12‐50 μm remained. While targeting agarose gels, impact marks with diameters of approx. 50‐100 μm were observed. After total ablation of such residues transient signals with duration of a few seconds were observed by LA‐ICP‐MS. The respective integrated signal intensities with relative standard deviations of 4‐10 % allow fora linear calibration. Detection limits of low femtogram analyte masses could be determined for selected elements. Furthermore, it could be demonstrated, that the developed pL‐dosing system enables the direct dosing of known amounts of analyte mass onto the selected μm‐sized samples and allows therefore a quantification using the method of standard addition. The developed system and the investigated calibration technique demonstrated its potential as a promising tool for the analysis of μm‐sized objects.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2520
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000014384
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VIII, 209 Blätter
Appears in collections:	JGU-Publikationen