Entwicklung und Charakterisierung eines Pikoliter‐Dosiersystems für Kalibrierungen in der induktiv gekoppelten Plasma‐Massenspektrometrie in Verbindung mit der Laserablation
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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.