Authors:	Maul, Jochen
Title:	Ortsaufgelöster Nachweis von Elementspuren mittels Laserablation und Resonanzionisations-Massenspektrometrie und Untersuchungen zur Laserablations-Dynamik
Online publication date:	13-Jan-2005
Year of first publication:	2005
Language:	german
Abstract:	Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methode für einen empfindlichen und isotopenselektiven Elementnachweis entwickelt. Unter Einsatz von Laserablation geschieht der Probenaufschluß direkt und mit einer Ortsauflösung von unter 30 m. Hierzu wurde ein hochauflösendes MALDI-TOF-Massenspektrometer, welches üblicherweise für biochemische Fragestellungen eingesetzt wird, mit einem spektroskopischen Aufbau zur resonanten Ionisation von Elementgehalten modifiziert. Die Methode ist somit insbesondere für die Untersuchung von Elementspuren in Festkörperproben mit mikroskopischer Struktur konzipiert. Methodische Entwicklungsarbeiten wurden anhand des Elements Gadolinium durchgeführt. Durch die Verwendung gepulster Farbstofflaser stehen ausreichend hohe Laserfelder zur Verfügung, um unabhängig von Hyperfeinstruktur und Isotopieverschiebung Übergänge aller Isotope im Rahmen des Resonanzionisations-Verfahrens zu sättigen. Darauf konnte eine Isotopenverhältnisanalyse mit einer Genauigkeit im Prozentbereich verwirklicht werden. Verschiedene Anregungsleitern wurden untersucht, und mit elementspezifischen Resonanzüberhöhungen bis zu zwei Größenordnungen über dem nicht-resonant gebildeten Untergrund konnte eine Nachweiseffizienz von über 10-4 (entsprechend sub-fg/g-Niveau) erzielt werden. Dazu wurden Simulationsrechnungen zum atomaren Sättigungsverhalten in starken resonanten Laserfeldern durchgeführt. Erste Anwendungen des Laserablationsverfahrens waren Proben kosmologischer Herkunft. Der physikalische Prozeß der Laserablation bei Metallen wurde unter Hochvakuum-Bedingung systematisch in Abhängigkeit der Laserfluenz untersucht. In der ablatierten Plasmaphase erwies sich der Neutralanteil als besonders geeignet für geschwindigkeitsselektive Laserionisations-Messungen. Eine bimodale Struktur wurde beobachtet, bestehend aus einer thermischen und einer schockwellen-induzierten Komponente. Der ionische Anteil der ablatierten Dampfphase konnte über variable elektrische Feldpulse untersucht werden. Laserablation unter Atmosphärenbedingung wurde an einem beschichteten Messingtarget untersucht. Dabei wurde die Entstehung von permanenten Oberflächenstrukturen beobachtet, welche sich durch Nichtgleichgewichts-Prozesse in der Dampfphase erklären lassen. Within the present work, a novel method for a sensitive and isotope selective detection of elemental traces has been developed. The sample decomposition is thereby realized by laser ablation, with a spatial resolution below 30 m. Therefore, a high resolution MALDI-TOF mass spectrometer, which is normally used for biochemical applications, has been combined with a spectroscopic setup for the resonant ionization of elements. This method is especially conceived for the investigations of elemental traces in solid samples with microscopic structure, where a conventional chemical treatment fails because of possible contaminations. By the use of pulsed dye lasers, sufficient laser field strengths are available for transition saturations of all isotopes of the test element gadolinium within the resonance ionization procedure, and an isotopic ratio analysis at a percent level of accuracy is realized. Different spectroscopic excitation schemes have been investigated, and an element specific resonance enhancement up to two orders of magnitude from non-resonant background has been obtained. Thereby, the detection efficiency exceeds a value of 10-4 (corresponding to sub-fg/g-level). Additional simulation work has been carried out, mainly to describe the atomic saturation behavior under intense resonant laser fields. Subsequently, the laser ablation method has been applied to samples of cosmological relevance. In an additional section, physical processes during laser ablation of metallic substrates have been investigated. After analyzing the composition of the ablated phase in dependency of the applied ablation laser fluence, the neutral fraction has been used for a velocity selective laser ionization measurement. A bimodal structure has emerged, indicating the presence of a thermal and shockwave-driven component. The ionic part of the ablation plume has been investigated by means of controled electric field manipulation of ion energy classes. Additional investigations have been performed on the base of a coated brass target under atmospheric condition, where nonequilibrium phenomena during the ablation process could be directly visualized from the remaining surface morphology.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3059
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-6482
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen