DE102004048380A1 - Analysis of an element concentration of a sample, comprises irradiating the sample with the help of a laser ablation- inductive coupled plasma mass spectrometer - Google Patents

Analysis of an element concentration of a sample, comprises irradiating the sample with the help of a laser ablation- inductive coupled plasma mass spectrometer Download PDF

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Abstract

The laser has a density of 109> W/cm2>, and surface diameter of a less than 100 mu m. The standard solutions are sputtered with a microspayer (3) into the plasma product by the laser ablation. The solution (less than mu l/min) is added by spraying pumps. An independent claim is also included for a device by using the above method.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Elementkonzentrationen in Festkörperproben und andererseits zur quantitativen Lokalanalyse und Verteilungsanalyse. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung der vorgenannten Verfahren geeignete Vorrichtung.The The invention relates, on the one hand, to a method for the quantitative determination of elemental concentrations in solid samples and on the other hand for quantitative local analysis and distribution analysis. Further concerns the invention a for carrying out the the aforementioned method suitable device.

Als Analysenmethode zur Bestimmung von Spurenelementen bis in den ng/g und sub-ng/g -Konzentrationsbereich und lateralen Elementverteilungen im μm Bereich werden derzeit in der Massenspektrometrie zur direkten Ablation des zu untersuchenden festen Probenmaterials verschiedene Verfahren z. B. unter Verwendung von fokussierten Laserstrahlen angewandt. Bekannt ist beispielsweise das Verfahren der Laserablation – induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometrie (LA-ICP-MS) in der Spuren- und Mikrolokalanalyse. Dieses Verfahren ist nachteilig jedoch nicht in der Lage, direkt quantitative Elementkonzentrationen zu bestimmen.When Analysis method for the determination of trace elements down to the ng / g and sub-ng / g concentration range and lateral element distributions in the μm range are currently in mass spectrometry for direct ablation of the solid sample to be examined, various methods z. B. using focused laser beams applied. For example, the method of laser ablation is known - inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) in the trace and micro-local analysis. This method is disadvantageous, however able to directly determine quantitative elemental concentrations.

Andere direkte Analysenverfahren zur Bestimmung von Spurenkonzentrationen (z.B. GDMS- Glimmentladungs-Massenspektrometrie oder RFA – Röntgenfluoreszenzanalyse), sind regelmäßig nicht empfindlich genug oder sogar ungeeignet, quantitative Analysendaten von Spurenelementen in untersuchten Probenmaterialien zu liefern oder sie erfordern den Probenaufschluss des Festkörpermaterials (z.B. Massenspektrometrie mit induktiv gekoppelter Plasmaionenquelle – ICP-MS), was im besonderen für Keramiken oft schwierig ist. Zudem sind diese Analysenverfahren in der Regel nicht für Verteilungsanalysen nichtleitender Probenmaterialien (so auch biologischen Proben wie Gewebeschnitten) infolge von Aufladungseffekten auf der Probenoberfläche geeignet und machen dementsprechend speziell zu entwickelnde Techniken erforderlich.Other direct analysis methods for the determination of trace concentrations (e.g., GDMS glow discharge mass spectrometry or RFA - X-ray fluorescence analysis), are not sensitive on a regular basis enough or even unsuitable, quantitative analysis data of trace elements in sample materials to be tested or require them sample digestion of the solid state material (e.g. Mass spectrometry with inductively coupled plasma ion source - ICP-MS), what in particular for Ceramics is often difficult. In addition, these are analytical methods usually not for Distribution analyzes of non-conductive sample materials (including biological Samples such as tissue sections) due to charging effects on the Sample surface suitable and accordingly require special techniques to be developed.

In zunehmenden Maße werden in der Analytik Laser, wie beispielsweise der Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge im UV-Bereich (λ-266 nm oder 213 nm) eingesetzt. Diese Laser werden häufig für den Probeneintrag in nachweisstarke ICP-Massenspektrometer (LA-ICP-MS: laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry) verwendet. Zur Zeit sind Nd-YAG-Lasersysteme mit einem Laserspotdurchmesser von einigen μm bis zu einigen hundert μm zur Mikrolokalanalyse kommerziell verfügbar (z. B. LSX 200, CETAC Technologies, Ohama, USA oder UP 213, New WAVE Research, Fremont, USA).In increasing dimensions become in the analytics laser, as for example the Nd YAG laser with one wavelength in the UV range (λ-266 nm or 213 nm). These lasers are often used for sample entry in high-detection ICP mass spectrometer (LA-ICP-MS: laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry) used. At present, Nd-YAG laser systems with a laser spot diameter of a few μm up to a few hundred μm For microlocal analysis commercially available (eg LSX 200, CETAC Technologies, Ohama, USA or UP 213, New WAVE Research, Fremont, USA).

Nachteilig ist, dass die Methode der LA-ICP-MS nicht direkt quantitative Analysenergebnisse liefert. Beträgt die eingestrahlte Laserleistungsdichte mehr als 109 W/cm2, so wird das Probenmaterial nahezu stöchiometrisch ablatiert. Unter einer stöchiometrischen Ablation im Sinne dieser Erfindung wird verstanden, dass die atomare Zusammensetzung des durch die Laser-Festkörperwechselwirkung entstandenen Dampfes identisch der des laserbetrahlten Festkörpers ist. Dies ermöglicht vorteilhaft eine einfache semiquantitative Analyse des Probenmaterials, wenn die Konzentration eines Elementes bekannt ist (z.B. eines Matrix- oder Spurenelementes, das zur internen Standardisierung (Interstandardelement) herangezogen werden kann), wobei die Elementkonzentrationen in beliebigen Probenmaterialien mit einem Fehlerfaktor von 2 bis 3 bestimmbar sind. Bei einer dieser eingestrahlten Laserleistungsdichte von mehr als 109 W/cm2 wird die Quantifizierung der massenspektrometrischen Analysendaten wesentlich vereinfach, da Fraktionierungseffekte in der Regel minimiert werden.The disadvantage is that the method of LA-ICP-MS does not directly provide quantitative analysis results. If the irradiated laser power density is more than 10 9 W / cm 2 , the sample material is ablated almost stoichiometrically. A stoichiometric ablation in the sense of this invention is understood to mean that the atomic composition of the vapor produced by the laser-solid-state interaction is identical to that of the laser-irradiated solid. This advantageously allows a simple semiquantitative analysis of the sample material if the concentration of an element is known (eg a matrix or trace element that can be used for internal standardization (interstandard element)), wherein the element concentrations in any sample materials with an error factor of 2 to 3 are determinable. At one of these irradiated laser power densities of more than 10 9 W / cm 2 , the quantification of the mass spectrometric analysis data is substantially simplified, since fractionation effects are usually minimized.

Für viele Fragestellungen in der Materialentwicklung, Materialforschung, in der Mikroelektronik, in der Geologie und in den Lebenswissenschaften werden jedoch quantitative Analysendaten mit hoher Präzision gefordert. Deshalb ist es von besonderer Bedeutung, geeignete Quantifizierungsmethoden zu entwickeln. Die verschiedenen Kalibrierstategien in der LA-ICP-MS wurden schon in [1] diskutiert. Besonders vorteilhaft sind on-line Methoden der Lösungskalibration, da sie eine interne Standardisierung erlauben und mögliche Matrix- und Fraktionierungseffekte berücksichtigt werden. Bei allen Verfahren der Lösungskalibration in der LA-ICP-MS waren bisher die Zerstäubung der Standardlösung mittels eines geeigneten Zerstäubers [2, 3, 4] oder Mikrozerstäuber mit Desolvator [5] und die Ablation der zu untersuchenden Festkörperprobe in einer Laserablationskammer voneinander getrennt. Vorteil dieser Kalibration mit einem Monogasfliesssystem im Vergleich zum Dualgasfliesssystem [6] ist eine bessere Optimierung der experimentellen Parameter und demzufolge niedere Nachweisgrenzen, bessere Richtigkeit und Präzision der Analysenergebnisse.For many Questions in material development, materials research, in of microelectronics, in geology and in the life sciences However, quantitative analysis data required with high precision. Therefore it is of particular importance, appropriate quantification methods to develop. The different calibration strategies in the LA-ICP-MS have already been discussed in [1]. Particularly advantageous are on-line Methods of solution calibration, since they allow internal standardization and possible matrix and fractionation effects become. For all methods of solution calibration in LA-ICP-MS were so far the atomization the standard solution by means of a suitable atomizer [2, 3, 4] or microsprayers with desolvator [5] and the ablation of the solid sample to be examined separated from each other in a laser ablation chamber. Advantage of this Calibration with a monogas flow system compared to the dual gas flow system [6] is a better optimization of the experimental parameters and Consequently, lower detection limits, better accuracy and precision of Analysis results.

Ein Problem der Lösungskalibration in der LA-ICP-MS sind jedoch in Abhängigkeit vom Zerstäuber die unterschiedlichen Elementempfindlichkeiten der ICP-MS (z.B. 3-5 Größenordnungen höher unter Verwendung eines Ultraschallzerstäuber) im Vergleich zu den wesentlich niedrigeren Elementempfindlichkeiten in der LA-ICP-MS, diese können aber über eine Internstandardelement korrigiert werden. Probleme treten dann auf, wenn die Zerstäubung der Standardlösungen und die Laserablation der Festkörperprobe räumlich voneinander getrennt sind, insbesondere dann, wenn es zu keiner idealen Mischung beider Aerosole in der Laserablationskammer kommt. Ideal wäre deshalb ein direkter Einbau eines Mikrozerstäubers in die Laserablationskammer, um eine direkte Zerstäubung der Standardlösung in das Laserplasma [7] und eine bessere Matrixanpassung zu gewährleisten.However, one problem of solution calibration in LA-ICP-MS, depending on the nebulizer, is the different element sensitivities of ICP-MS (eg, 3-5 orders of magnitude higher using an ultrasonic nebulizer) compared to the much lower element sensitivities in LA-ICP-MS However, these can be corrected via an internal standard element. Problems arise when the atomization of the standard solutions and the laser ablation of the solid sample are spatially separated, especially if there is no ideal mixture of the two aerosols in the laser ablation chamber. Ideally, therefore, a direct incorporation of a micro-atomizer into the laser ablation chamber, a direct atomization of the standard solution in the laser plasma [7] and a better Matri to ensure adaptation.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu Verfügung zu stellen, welches einerseits eine einfache quantitative Bestimmung von Elementkonzentrationen in verschiedenen Probenmaterialien (Bulkanalyse) ermöglicht und andererseits eine quantitative Lokal- und Verteilungsanalyse auf Oberflächen von Festkörperproben, in biologischen Gewebeproben, z. b. dünnen Gewebeschnitten und in mit Gelelektrophorese getrennten Proteinspots in ein- und zweidimensionalen Gelen erlaubt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen.The The object of the invention is to provide a method available on the one hand, a simple quantitative determination of element concentrations in different sample materials (bulk analysis) allows and on the other hand a quantitative local and distributional analysis on surfaces of solid samples, in biological tissue samples, e.g. b. thin tissue sections and in with Gel electrophoresis separated protein spots in one- and two-dimensional Gels allowed. Another object of the invention is to provide a for execution of the method to provide suitable device.

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch, sowie durch eine Vorrichtung mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens und der Vorrichtung finden sich in den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.The Objects of the invention are achieved by a method with the set of features according to the main claim, and by a device with the totality of features according to the independent claim. Advantageous versions of the method and the device can be found in each of them referred back Claims.

Gegenstand der Erfindungobject the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei dem ein spezieller Mikrozerstäuber in eine Laserablationskammer eingebaut wird, wobei eine stöchiometrische Laserablation des untersuchten Materials angestrebt wird. Dabei können neben beliebigen Festkörperproben auch vorteilhaft biologische Materialien untersucht werden. Unter biologischen Materialien sind dabei insbesondere Materialien in Zellorganellen (z. B. Mitochond rien) in isolierten Proteinspots in zweidimensionalen Gelen, biologische Gewebeschnitte oder biologische Strukturen zu verstehen. Die Laserablation des biologischen Materials erfolgt in der Regel in einer Laserablationskammer mit einem gekühlten Targethalter. Die Laserablationskammer ist vorteilhaft mit einem ICP-MS oder auch weniger empfindlichen ICP-OES (OES- optical emission spectrometry) gekoppelt. Der Beschuss der Probenoberfläche erfolgt mit Photonen eines Lasers, wobei eine Ortsauflösung (Laserspotdurchmesser) auf der Oberfläche der Probe von einigen wenigen μm realisierbar sind. In die Wandung der Laserablationskammer wird ein spezieller kommerziell verfügbarer Mikrozerstäuber.The The invention relates to a method in which a special microspray in a laser ablation chamber is installed, wherein a stoichiometric Laser ablation of the investigated material is sought. there can in addition to any solid samples also advantageous to study biological materials. Under Biological materials are in particular materials in Cell organelles (eg mitochondria) in isolated protein spots in two-dimensional gels, biological tissue sections or biological To understand structures. The laser ablation of the biological material usually takes place in a laser ablation chamber with a cooled target holder. The laser ablation chamber is advantageous with an ICP-MS or also less sensitive ICP-OES (OES-optical emission spectrometry) coupled. The bombardment of the sample surface is done with photons of a Lasers, where a spatial resolution (Laserspotdurchmesser) on the surface of the sample of a few microns feasible are. In the wall of the laser ablation chamber becomes a special commercially available Microatomizer.

Bei einer Leistungsdichte des Lasers von wenigstens 109 W/cm2, vorteilhaft sogar bis 1010 W/cm2 auf der Oberfläche der Probe, erfolgt die Ablation des Probenmaterials in der Laserablationskammer in der Regel stöchiometrisch. Das so ablatierte Probenmaterial wird anschließend mit einem Trägergas, beispielsweise einem Argon-Strom, in das induktiv gekoppelte Plasma (inductively coupled plasma = ICP) eines hochselektiven ICP-Massenspektrometers transportiert und ionisiert. Anschließend werden die Ionen nach ihrem Massezu-Ladungsverhältnis separiert und empfindlich detektiert. Eine Bestimmung der elementaren Zusammensetzung bis in den Ultraspurenbereich und eine Verteilungsanalyse des untersuchten Probenmaterials sind dabei mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren möglich. Als alternatives Detektorsystem kommt beispielsweise auch die ICP-OES in Betracht.At a power density of the laser of at least 10 9 W / cm 2 , advantageously even up to 10 10 W / cm 2 on the surface of the sample, the ablation of the sample material in the laser ablation chamber is usually carried out stoichiometrically. The sample material thus ablated is then transported with a carrier gas, for example an argon stream, into the inductively coupled plasma (ICP) of a highly selective ICP mass spectrometer and ionized. Subsequently, the ions are separated according to their mass to charge ratio and sensitively detected. A determination of the elemental composition down to the ultratrace range and a distributional analysis of the examined sample material are possible with this method according to the invention. As an alternative detector system, for example, the ICP-OES is also considered.

Während der Messung wird auf die Probenoberfläche ein gepulster Laserstrahl der Leistungsdichte von wenigstens 109 W/cm2, vorteilhaft sogar bis 1010 W/cm2 mit einem Spotdurchmesser in einem weiten Bereich von einerseits 20 – 50 μm bis andererseits in den sub-μm Bereich fokussiert. Zur Quantifizierung der LA-ICP-MS werden definierte Standardlösungen mit einem Mikrozerstäuber in das durch die Laserablation erzeugte Plasma zerstäubt. Hierbei können verschiedene Kalibriertechniken Anwendung finden.During the measurement, a pulsed laser beam of the power density of at least 10 9 W / cm 2 , advantageously even up to 10 10 W / cm 2 with a spot diameter in a wide range of on the one hand 20- 50 microns on the other hand in the sub-micron on the sample surface Focused area. To quantify the LA-ICP-MS, defined standard solutions are atomized with a micro-atomizer into the plasma generated by laser ablation. Various calibration techniques can be used here.

  • 1. Die externe Kalibration lässt sich dann anwenden, wenn eine Blindprobe (Blank) gleicher Matrix verfügbar ist. Hierbei wird für jedes Element eine Kalibriergerade erstellt, indem die Standardlösungen mit definierten Elementkonzentrationen sukzessive zerstäubt werden, während die Blindprobe mit einem fokussierten Laserstrahl unter optimalen experimentellen Verhältnissen ablatiert wird. Nach Erstellung der Kalibriergerade wird die zu untersuchende Probe bei unveränderten experimentellen Parametern ablatiert, wobei mit dem Mikrozerstäuber ein 2% HNO3 Lösung in das Plasma eingebracht wird. Nur so lassen sich äquivalente experimentelle Bedingungen gewährleisten. Zur Korrektur der unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Laserablations-ICP-MS und der ICP-MS unter Verwendung des Mikrozerstäubers wird ein geeignetes Internstandardelement (z.B. ein Matrixelement bekanntet Konzentration) herangezogen.1. The external calibration can be used if a blank of the same matrix is available. Here, a calibration line is created for each element by successively atomizing the standard solutions with defined element concentrations, while the blank is ablated with a focused laser beam under optimal experimental conditions. After establishing the calibration curve, the sample to be examined is ablated with unchanged experimental parameters, with the micro-atomizer a 2% HNO 3 solution is introduced into the plasma. Only in this way can equivalent experimental conditions be guaranteed. To correct the different sensitivities of laser ablation ICP-MS and ICP-MS using the micro-atomizer, a suitable internal standard element (eg, a matrix element known concentration) is used.
  • 2. Wenn keine Blindprobe vorhanden ist, kann die Standardadditionsmethode angewendet werden. Hierbei wird die zu analysierende Probe mit dem Laser ablatiert und anschließend werden die Standardlösungen mit steigender Konzentration systematisch zerstäubt. Aus der erhaltenen Kalibriergeraden lässt sich unter Berücksichtigung der verschiedenen Elementempfindlichkeiten beider Probeneintragverfahren die Elementkonzentration des Analyten bestimmen. Vorteil dieser Kalibrierstrategie im Vergleich zur externen Kalibrierung ist, dass es sich hier um eine ideale Matrixanpassung handelt.2. If there is no blank, the standard addition method may be used be applied. Here, the sample to be analyzed with the laser ablated and then become the standard solutions systematically atomized with increasing concentration. From the obtained calibration line let yourself under consideration of different element sensitivities of both sample entry methods determine the element concentration of the analyte. Advantage of this Calibration strategy compared to external calibration is that this is an ideal matrix match.
  • 3. Eine ideale Kalibrierung in der LA-ICP-MS lässt jedoch bei Anwendung der Isotopenverdünnungsanalyse erreichen [8]. Hierbei wird die Lösung eines hochangereicherte Isotopenspikes in das Materialplasma der ablatierten Probe zerstäubt. Bei Anwendung der on-line Isotopenverdünnungsanalyse spie len, da Isotopenverhältnisse gemessen werden, mögliche Plasmaschwankungen oder instrumentellen Instabilitäten bei der Messung kein Rolle mehr.3. However, ideal calibration in LA-ICP-MS can be achieved using isotope dilution analysis [8]. Here, the solution of a highly enriched isotope spikes in the Ma terial plasma of the ablated sample. Using on-line isotope dilution analysis, as isotope ratios are measured, potential plasma fluctuations or instrumental instabilities do not matter in the measurement.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, die zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Laser mit einer Leistungsdichte von wenigstens 109 W/cm2 auf der Oberfläche einer zu analysierenden Probe, eine Laserablationskammer, sowie ein nachgeschaltetes Massenspektrometer. Zur Anwendung der on-line Lösungskalibration in der LA-ICP-MS wird ein Mikrozerstäuber in die Laserablationskammer direkt eingebaut. Die Probenzufuhr der Standardlösungen erfolgt definiert über eine hochpräzise Spritzenpumpe im unteren μL/min Bereich.The invention further relates to a device which is suitable for carrying out the aforementioned method. The device comprises a laser with a power density of at least 10 9 W / cm 2 on the surface of a sample to be analyzed, a laser ablation chamber, and a downstream mass spectrometer. To apply the on-line solution calibration in LA-ICP-MS, a micro-atomizer is directly installed in the laser ablation chamber. The sample supply of the standard solutions is defined via a high-precision syringe pump in the lower μL / min range.

Auch der gesamte Probentisch mit der Laserablationskammer ist vorteilhaft auf einer 3-dimensionalen Verschiebeeinheit angeordnet, die ebenfalls eine Verschiebeauflösung von wenigstens 2 μm aufweisen sollte. Dies ermöglicht eine quantitative Elementverteilungsanalytik an Festkörperproben oder biologischen Proben mittels LA-ICP-MS.Also the entire sample table with the laser ablation chamber is advantageous arranged on a 3-dimensional displacement unit, which also has a displacement resolution of at least 2 μm should have. this makes possible a quantitative elemental distribution analysis on solid samples or biological samples by LA-ICP-MS.

Optional ist zusätzlich ein hochauflösendes Mikroskop vorgesehen, so dass neben der spektroskopischen Analyse auch eine mikroskopische Untersuchung an der Probe vorgenommen werden kann.optional is additional a high-resolution microscope provided so that in addition to the spectroscopic analysis also a microscopic examination of the sample can be made.

Mittels der erfindungsgemäßen Laserablations-ICP-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) mit on-line Lösungskalibration kann über ein schnelles Scanningverfahren die simultane und direkte quantitative Elementanalyse an Probenoberflächen verschiedenster Festkörperproben ermöglicht werden. Für die Laserablation ICP-MS von Proteinspots in 2D-Gelen ist eine direkte Bestimmung von Phosphor oder auch Metallkonzentrati onen bei entsprechender Leistungsdichte von 109 W/cm2 möglich.By means of the laser ablation ICP mass spectrometry (LA-ICP-MS) according to the invention with on-line solution calibration, the simultaneous and direct quantitative elemental analysis on sample surfaces of a wide variety of solid-state samples can be made possible by means of a rapid scanning method. For the laser ablation ICP-MS of protein spots in 2D gels, a direct determination of phosphorus or even metal concentrations at a corresponding power density of 10 9 W / cm 2 is possible.

Spezieller Beschreibungsteilspecial Description part

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand einer Figur näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch eingeschränkt werden soll. Dabei zeigt die Figur: Experimentelle Anordnung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens mit Laserablationskammer mit einem eingebauten Mikrozerstäuber zur on-line Kalibration der LA-ICP-MS.following the object of the invention is explained in more detail with reference to a figure, without that the subject matter of the invention is limited thereby should. The figure shows: Experimental arrangement of the analysis method according to the invention with laser ablation chamber with a built-in micro-atomizer for on-line calibration of the LA-ICP-MS.

Dabei bedeuten in der Figur:there mean in the figure:

11
Laserablationskammerlaser ablation
22
Eingebauter MikrozerstäuberBuilt microatomizer
33
Festkörperlaser (Nd-YAG-Laser)Solid-state lasers (Nd-YAG) laser
44
Frequenzverdoppler (Second Harmonic Generation = SHG)frequency doubler (Second Harmonic Generation = SHG)
55
Frequenzverdreifacher (Third Harmonic Generation = THG)frequency tripler (Third Harmonic Generation = THG)
66
Frequenzverfünfacher (Quintuple Harmonic Generation =Frequenzverfünfacher (Quintuple Harmonic Generation logo CNRS logo INIST
QHG)QHG)
77
CCD-KameraCCD camera
88th
Zoom Mikroskopzoom microscope
99
Probenhaltersample holder
1010
Blendecover
1111
Zoom Systemzoom system
1212
Fokussierlinsefocusing lens
1313
Peltier KühlelementPeltier cooling element
1414
Mikromanipulatorversteller (x/y/z: 2 μm Auflösung)Mikromanipulatorversteller (x / y / z: 2 μm Resolution)
1515
Detektionssystem (ICP-MS oder ICP-OES)detection system (ICP-MS or ICP-OES)

Als Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellt, die den folgenden Anforderungen eines quantitativen Analysenverfahren zur LA-ICP-MS genügt: Entwicklung einer speziellen gekühlten Ablationskammer mit Mikrozerstäuber für die direkte quantitative Bestimmung von Elementkonzentrationen in Festkörperproben und von Gewebeschnitten. Um biologische Proben, wie Gewebeschnitte direkt zu analysieren, sollte der Probenhalter in der Laserablationskammer (z. B. mit einem Peltierelement) gekühlt werden.When embodiment becomes a device according to the invention presented the following requirements of a quantitative Analysis procedure for LA-ICP-MS is sufficient: Development of a special cooled Ablation chamber with micro-atomizer for the direct quantitative determination of elemental concentrations in solid samples and of tissue sections. For biological samples, such as tissue sections directly To analyze, the sample holder should be in the laser ablation chamber (For example, with a Peltier element) are cooled.

Das erfindungsgemäße Analysensystem ist insbesondere gekennzeichnet durch ein Laserablationssystem mit folgenden Elementen und Eigenschaften:

  • • Mikrozerstäuber zur definierten Zerstäubung von Standardlösungen zur Erstellung von Kalibriergeraden oder zur Zerstäubung hochangereicherter Isotopenspikes für die Isotopenverdünnungsanalyse.
  • • Blitzlampengepumpter Nd-YAG Festkörperlaser in MOPA (Oszillator-Verstärker Anordnung)
  • • Emission gepulster Strahlung mit Pulsbreite < 5 ns, Wiederholraten von bis zu 20 Hz und gausförmigen transversalen Strahlenprofil.
  • • Frequenzkonversion durch harmonische Vervielfachung unter Ausnutzung nicht linearer Effekte in doppelbrechenden Kristallen
  • • Gleichzeitige Generierung von gepulster Laserstrahlung der Wellenlänge 1064 nm, 532 nm und 213 nm. Je nach Applikation kann die jeweilige Strahlung entsprechender Wellenlänge mittels Kippspiegel zu- oder abgeschaltet werden.
  • • Nachgeschalteter Strahlengang bestehend aus Abschwächer, Energiemessung, Strahlmanipulator, Wellenlängenseparatoren und Fokussieroptik.
  • • Fokussieroptik bestehend aus Zoomteleskop und Objektivlinse, Strahlung der Wellenlänge 213 nm kann kleiner als 10 μm auf Probenoberfläche fokussiert werden.
  • • Fokussieroptik für gleichzeitige Fokussierung der Strah lungen der Wellenlängen 1064 und 532 nm auf Nanospitze.
  • • Echtzeit Probenbeobachtung mit Hilfe eines Zoommikroskops, einer CCD Kamera und einer Bildbearbeitungssoftware während des Ablationsprozesses (erforderliche Auflösung < 2 μm)
  • • 3 dimensionale Probenpositionierung mit einer Auflösung von < 2 μm.
  • • Einsatz eines zusätzlichen, stark vergrößernden optischen Mikroskops (< 500x) außerhalb der Strahlachse zur Feinpositionierung der Nanospitze.
  • • Ablationskammer mit Eintrittsfenster für Laserstrahlung, Beobachtung und Mikromanipulatorversteller. Alle Eintrittsfenster sind abgedichtet.
The analysis system according to the invention is characterized in particular by a laser ablation system having the following elements and properties:
  • • Microsprayers for the defined atomization of standard solutions for the creation of calibration lines or for the atomization of highly enriched isotope spikes for the isotope dilution analysis.
  • • Flash lamp pumped Nd-YAG solid state laser in MOPA (oscillator amplifier arrangement)
  • • Emission of pulsed radiation with pulse width <5 ns, repetition rates of up to 20 Hz and Gaussian transverse beam profile.
  • • Frequency conversion through harmonic multiplication by utilizing nonlinear effects in birefringent crystals
  • • Simultaneous generation of pulsed laser radiation of the wavelengths 1064 nm, 532 nm and 213 nm. Depending on the application, the respective radiation of the corresponding wavelength can be switched on or off by tilting mirrors.
  • • Downstream beam path consisting of Attenuator, energy metering, beam manipulator, wavelength separators and focusing optics.
  • • Focusing optics consisting of zoom telescope and objective lens, radiation of wavelength 213 nm can be focused smaller than 10 μm on sample surface.
  • • Focusing optics for simultaneous focusing of the 1064 and 532 nm wavelengths on nanotipes.
  • • Real-time sample observation using a zoom microscope, a CCD camera and image processing software during the ablation process (required resolution <2 μm)
  • • 3-dimensional sample positioning with a resolution of <2 μm.
  • • Use of an additional, magnifying optical microscope (<500x) outside the beam axis for fine positioning of the nanotip.
  • • Ablation chamber with entrance window for laser radiation, observation and micromanipulator adjuster. All entrance windows are sealed.

Die Quantifizierung der Analysenresultate der erfindungsgemäßen on-line Lösungskalibrations-LA-ICP-MS kann, wie nachfolgend aufgeführt, über verschiedene Quantifizierungsstrategien erfolgen.

  • 1. Lösungskalibration der LA-ICP-MS unter Verwendung von Standardlösungen über externe Kalibration oder die Standardadditionsmethode [9]
  • 2. Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Isotopenverdünnungsanalyse unter Verwendung der Lösungskalibration: Hierbei erfolgt die Quantifizierung des S, Cu, Zn, Fe, Si oder anderer Elemente mit mindestens zwei Isotopen über die Zugabe des hochangereicherten Isotops in der Lösung nach Zerstäubung mit einem mikrokonzentrischen Zerstäuber in das Materialplasma, der direkt in Laserablationskammer eingebaut wurde. Man erhält zunächst ein konstantes Signal des zu messenden Isotopenverhältnisses de hochangereicherten Spikes. Anschließend wird die Probe ablatiert und die Isotopenmischung massenspektrometrisch analysiert. Aus der Änderung des Isotopenverhältnisses in der Mischung kann man über die Formel der Isotopenverdün nungsanalyse die Elementkonzentration bestimmen.
The quantification of the analytical results of the on-line solution calibration LA-ICP-MS according to the invention can be carried out via various quantification strategies, as listed below.
  • 1. Solution calibration of LA-ICP-MS using standard solutions via external calibration or the standard addition method [9]
  • 2. Development of a novel method for isotope dilution analysis using the solution calibration: Here, the quantification of S, Cu, Zn, Fe, Si or other elements with at least two isotopes via the addition of highly enriched isotope in the solution after atomization with a micro-concentric atomizer in the material plasma that was incorporated directly into the laser ablation chamber. First, a constant signal of the isotope ratio of the highly enriched spike to be measured is obtained. The sample is then ablated and the isotope mixture analyzed by mass spectrometry. From the change in the isotope ratio in the mixture, the element concentration can be determined by the formula of the isotope dilution analysis.

Die erfindungsgemäße Analysenmethode eignet sich vorteilhaft insbesondere für folgende Anwendungsbeispiele:

  • • Quantitative Bestimmung von Spurenelementen in Festkörperproben (z. B. hochreinen Materialien) mittels on-line solution based LA-ICP-MS.
  • • Quantitativen Mikrolokalanalyse an Proteinspots in 2D Gelen.
  • • Quantitativen Verteilungsanalyse an Festkörperoberflächen (z. B. S-Layer, Nanocluster, Mikroarrays) an Interfaces oder an dünnen Schichten (Mikroelektronik, Materialforschung).
  • • Quantitativen Verteilungsanalyse an biologischen (z. B. Baumringen), medizinischen Proben (Zähnen, Knochen, Haare u. ä.) oder an geologischen Proben (Einschlüsse, Inhomogenitäten).
The analytical method according to the invention is advantageously suitable in particular for the following application examples:
  • • Quantitative determination of trace elements in solid samples (eg high-purity materials) using on-line solution based LA-ICP-MS.
  • Quantitative microlocal analysis on protein spots in 2D gels.
  • • Quantitative distribution analysis on solid surfaces (eg S-layers, nanoclusters, microarrays) on interfaces or on thin layers (microelectronics, materials research).
  • • Quantitative distribution analysis on biological (eg tree rings), medical samples (teeth, bones, hair, etc.) or on geological samples (inclusions, inhomogeneities).

In dieser Annmeldung zitierte Literatur:In cited literature:

  • [1] J.S. Becker, "Application of ICP-MS and LA-ICP-MS in material science", Spectrochim. Acta B, 57 (2002) 1805);[1] J.S. Becker, "Application of ICP-MS and LA-ICP-MS in materials science ", Spectrochim, Acta B, 57 (2002) 1805);
  • [2] "Ultrasonic nebulizer":Pickhardt, C., Becker J.S., Dietze, H.-J., "New calibration strategy of solution calibration in LA-ICP-MS for multielement trace analysis on geological samples", Fresenius J. Anal. Chem. 368 (2000) 173 – 181;[2] "Ultrasonic nebulizer ": Pickhardt, C., Becker J.S., Dietze, H.-J., New calibration strategy of solution calibration in LA-ICP-MS for multielement trace analysis on geological samples ", Fresenius J. Anal. Chem. 368 (2000) 173-181;
  • [3] Becker J.S., Pickhardt, C., Dietze H.-J., "Determination of trace elements in high-purity platinum by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry using solution calibration", Journal Analytical Atomic Spectroscopy 16 (2001) 603 – 606;[3] Becker J.S., Pickhardt, C., Dietze H.-J., "Determination of trace elements in high purity platinum by laser ablation inductively plasma mass spectrometry using solution calibration ", Journal Analytical Atomic Spectroscopy 16 (2001) 603-606;
  • [4] Becker, J.S., Boulyga, S.F., Pickhardt, C., Becker, J. Su. Damoc, N.-E., Przybylski, M., "Structural identification and quantification of protein phosphorylations after gel electrophoretic separation using Fourier transform ion cyclotron resonance inductively coupled plasma mass spectrometry", Int. J. Mass Spectrom. 228 (2003) 985 – 997;[4] Becker, J.S., Boulyga, S.F., Pickhardt, C., Becker, J. Su. Damoc, N.-E., Przybylski, M., "Structural Identification and quantification of protein phosphorylations after gel electrophoretic separation using Fourier transform ion cyclotron inductively coupled plasma mass spectrometry ", Int. J. Mass Spectrom. 228 (2003) 985-997;
  • [5] Aridus, Boulyga, S.F., Pickhardt, C., Becker, J.S., "New approach of solution-based calibration laser ablationen ICP-MS of trace elements in metals and reduction of fractionation effects", Atomic Spectroscopy 25 (2004) 53 – 63);[5] Aridus, Boulyga, S. F., Pickhardt, C., Becker, J.S., "New approach to solution-based calibration laser ablation ICP-MS of trace elements in metals and reduction of fractionation effects ", Atomic Spectroscopy 25 (2004) 53-63);
  • [6] J.J. Leach, L.A. Allen, D.B. Aschliman, R.S. Houk, "Calibration in laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry using standard addition with dried solution aerosols", Anal. Chem. 71 (1999) 440 – 445);[6] J.J. Leach, L.A. Allen, D.B. Aschliman, R.S. Houk, "Calibration in laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry using standard addition with dried solution aerosol ", Anal. Chem. 71 (1999) 440-445);
  • [7] "Materialplasma der ablatierten Festkörperprobe", J.S. Becker, D. Tenzler, Fresenius J. Anal. Chem. 370 (2001) 637);[7] "Material plasma the ablated solid sample ", J.S. Becker, D. Tenzler, Fresenius J. Anal. Chem. 370 (2001) 637);
  • [8] J.S. Becker, C. Pickhardt, W. Pompe, Int. J. Mass Spectrom. 237 (2004) 13);[8] J.S. Becker, C. Pickhardt, W. Pompe, Int. J. Mass Spectrom. 237 (2004) 13);
  • [9] J.S. Becker, Spectrochim. Acta B57 (2002) 1805);[9] J.S. Becker, Spectrochim. Acta B57 (2002) 1805);

Claims (7)

Verfahren zur Analyse von Elementkonzentrationen einer Probe mit Hilfe der Laserablation – induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometrie (LA-ICP-MS), dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlte Laserleistungsdichte wenigstens 109 W/cm2 beträgt und der Laser einen Spotdurchmesser auf der Oberfläche der Probe von weniger als 100 μm aufweist.Method for the analysis of elemental concentrations of a sample by means of laser ablation - inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS), characterized in that the irradiated laser power density is at least 10 9 W / cm 2 and the laser has a spot diameter on the surface of the sample of less than 100 microns. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem definierte Standardlösungen mit einem Mikrozerstäuber in das durch die Laserablation erzeugte Plasma zerstäubt werden.The method of claim 1, wherein the defined standard solutions with a micro-atomizer be atomized into the plasma generated by the laser ablation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Standardlösungen über Spritzpumpen im unteren μL/min dosiert werden.Method according to one of the preceding claims 1 to 2, where the standard solutions about spray pumps in the lower μL / min be dosed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Laserleistungsdichte wenigstens 109 W/cm2 eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 3, wherein a laser power density is set at least 10 9 W / cm 2 . Vorrichtung zur Analyse von Elementkonzentrationen einer Probe mit Hilfe der Laserablation – induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometrie (LA-ICP-MS), umfassend einen Laser mit einer Leistungsdichte von wenigstens 109 W/cm2 auf der Oberfläche einer zu analysierenden Probe, einer Laserablationskammer sowie ein nachgeschaltetes Detektorsystem, dadurch gekennzeichnet, dass in der Laserablationskammer ein Mikrozerstäuber abgeordnet ist.Apparatus for analyzing elemental concentrations of a sample by laser ablation - inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) comprising a laser having a power density of at least 10 9 W / cm 2 on the surface of a sample to be analyzed, a laser ablation chamber and a downstream one Detector system, characterized in that in the laser ablation chamber a micro atomizer is seconded. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch 5, bei dem der Mikrozerstäuber in der Wandung der Laserablationskammer angeordnet ist.Apparatus according to the preceding claim 5, wherein the micro atomizer is arranged in the wall of the laser ablation chamber. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 6, mit einem Massenspektrometer als Detektorsystem.Device according to one of the preceding claims 5 to 6, with a mass spectrometer as a detector system.
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