DE102008049833A1

DE102008049833A1 - Method for analysis of element concentrations in e.g. brain tissue part and for topographic characterization of sample, involves detecting topography of sample surface before and/or after laser ablation using cone as part of microscope

Info

Publication number: DE102008049833A1
Application number: DE102008049833A
Authority: DE
Inventors: Sabine Dr. habil. Becker; Anne-Dorothea Dr. Müller; Myroslav Dr. Zoriy
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2010-04-22

Abstract

The method involves intensifying a laser beam in proximity of a surface of a sample at a metallic cone (2) in a near field, where the surface of the sample is irradiated by a neodymium-doped yttrium aluminium garnet laser. The cone is positioned in proximity of spot of the laser beam, where the laser beam is focussed on the surface of the sample. Topography of the sample surface is detected before and/or after laser ablation using the cone as a part of an atomic force microscope, where the laser beam on diameter of the spot is less than 1 micrometer, and the cone is made of silver or gold. An independent claim is also included for a device for analysis of element concentrations and for topographic characterization of a sample.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur quantitativen Lokalanalyse und Verteilungsanalyse zur Bestimmung von Elementkonzentrationen und der in-situ Charakterisierung von Probenoberflächen (Topographie) vor und nach der chemischen Analyse. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung der vorgenannten Verfahren geeignete Vorrichtung.The On the one hand, the invention relates to a method for quantitative local analysis and distributional analysis to determine element concentrations and the in-situ characterization of sample surfaces (topography) before and after the chemical analysis. Furthermore, the invention relates one suitable for carrying out the aforementioned method Contraption.

Stand der TechnikState of the art

Als Analysenmethode zur Messung von lateralen Elementverteilungen im μm Bereich und zur Bestimmung von Spurenelementen bis in den ng/g und sub-ng/g-Konzentrationsbereich 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, Elementverteilungen und -konzentrationen im nanoskaligen Maßstab, insbesondere unterhalb von 1000 nm zu bestimmen, wie sie beispielsweise bei der Analyse an einzelnen Zellen oder auch Zellorganellen gefordert wird.When Analysis method for the measurement of lateral element distributions in μm Range and for the determination of trace elements down to the ng / g and sub-ng / g concentration 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 capable of elemental distributions and concentrations in nanoscale To determine the scale, in particular below 1000 nm, as for example in the analysis of individual cells or Also cell organelles is required.

In zunehmendem 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. Zurzeit sind Nd-YAG-Lasersysteme mit einem Laserspotdurchmesser von einigen μm bis zu einigen hundert μm zur Mikrolokalanalyse kommerziell verfügbar (z. B. LSX 213, 500 CETAC Technologies, Ohama, USA oder UP 213, 266 New WAVE Research, Fremont, USA). Nachteilig reicht die Leistungsdichte solcher Lasersysteme in der Regel nicht aus, um bei einem lateralen Auflösungsvermögen der LA-ICP-MS im unteren μm-Bereich biologische Matrizes direkt mit hoher Effizienz zu ablatieren. Der begrenzende Faktor ist dabei die Beugungsgrenze, die ein Laser regelmäßig nicht unterschreiten kann. Dies bedeutet, dass die mögliche minimale Auflösungsgrenze im Bereich einer Wellenlänge des Lasers liegt. Ortsaufgelöste Analysen unterhalb von 1 μm sind daher regelmäßig gar nicht möglich.In Increasingly, in the analytics laser, such as the Nd-YAG laser with a wavelength in the UV range (λ-266 nm or 213 nm). These lasers are commonly used for Sample entry into high-detection ICP mass spectrometers (LA-ICP-MS: laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry). At present, Nd-YAG laser systems with a laser spot diameter from a few μm to a few hundred μm for microlocal analysis commercially available (eg LSX 213, 500 CETAC Technologies, Ohama, USA or UP 213, 266 New WAVE Research, Fremont, USA). adversely the power density of such laser systems usually does not suffice off, at a lateral resolution LA-ICP-MS in the lower micron range biological matrices ablate directly with high efficiency. The limiting factor is the diffraction limit that a laser regularly can not fall below. This means that the possible minimum resolution limit in the range of one wavelength the laser is located. Spatially resolved analyzes below 1 μm are therefore not regularly possible.

Für viele medizinisch-molekularbiologische Fragestellungen wird jedoch ein laterales Auflösungsvermögen des zu verwendenden Analysenverfahrens von einigen hundert nm bis in den unteren nm-Bereich gefordert. Eine solche Ortsauflösung könnte dazu führen, dass eine direkte Nanolokalanalytik an einzelnen Zellorganellen durchführbar wäre, und gleichzeitig eine ortsaufgelöste Verteilungsanalytik (1D-Linescan, 2D- oder 3D-Imaging oder Mapping) im Nanometerbereich der interessierenden Elemente, wie beispielsweise Cu, Zn, S, Fe und P ermöglicht würde.For however, many medical-molecular-biological questions will arise a lateral resolution of the one to be used Analytical method from a few hundred nm down to the lower nm range required. Such a spatial resolution could do so lead that a direct Nanolokalanalytik at individual Cell organelle would be feasible, and at the same time a spatially resolved distribution analysis (1D line scan, 2D or 3D imaging or mapping) in the nanometer range of the interest Elements such as Cu, Zn, S, Fe and P allows would.

In [1] wird ein Verfahren beschrieben, das die Nahfeld-Laserablation zur Erzeugung neutraler Moleküle aus einer Antracen-Kristalloberfläche nutzt. Diese wurden über ein Interface (suction tube: 20 μm Stahlkapillare) in eine Elektronenstoßionenquelle eines Quadrupol-Massenspektrometers extrahiert. Die Laserablation des organischen Materials wurde mit Hilfe eines, die Frequenz verdreifachenden, Nd-YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 355 nm und mit 250 μJ Energie pro Puls durchgeführt, dessen Laserstrahl in eine speziell präparierte optische Faser mit ausgezogener Spitze für die Nahfeldoptik eingekoppelt wurde. Diese Spitze hatte eine 170 nm Apertur. Die mit Hilfe der Laserablation erzeugten Krater auf der Antracen-Kristalloberfläche wiesen dabei etwa denselben Durchmesser auf.In [1] describes a method involving near-field laser ablation for generating neutral molecules from an antracene crystal surface uses. These were provided via an interface (suction tube: 20 μm steel capillary) into an electron impact ion source of a quadrupole mass spectrometer extracted. The laser ablation of the organic material was using a frequency-tripled Nd-YAG laser with one wavelength of 355 nm and with 250 μJ energy per pulse, its laser beam into a specially prepared optical fiber coupled with extended tip for the near field optics has been. This peak had a 170 nm aperture. The with the help of Laser ablation produced craters on the antracene crystal surface showed about the same diameter.

Die Grundlagen und Prinzipien der Nahfeld-LA-ICP-MS sind bereits in DE 103 54 787 B4 beschrieben. Der experimentelle Aufbau zur NF-LA-ICP-MS ist aus [2] bekannt. Theoretische Überlegungen und die Grundlagen des Nahfeldeffektes bei Laserablation wurden bereits in [3] zusammengefasst und diskutiert.The basics and principles of near-field LA-ICP-MS are already in DE 103 54 787 B4 described. The experimental setup for NF-LA-ICP-MS is known from [2]. Theoretical considerations and the basics of the near field effect in laser ablation have already been summarized and discussed in [3].

Genaue Berechungen auf der Basis der Maxwell-Gleichungen in der so genannten Nahfeldzone ergeben, dass es je nach der Form und den optischen Eigenschaften des Objektes eine optimale Objektgröße und eine Strahlungswellenlänge gibt, bei der der Feldverstärkungsfaktor am größten ist. Beispielsweise weist ein sphärisches Teilchen aus Silber einen maximalen Feldverstärkungsfaktor von ca. 40 an seiner Oberfläche auf, wenn es mit Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm bestrahlt wird. Streckt man dieses Teilchen bis auf ein Achsenverhältnis von 1:4, so erhöht sich der Feldverstärkungsfaktor auf 500, wobei sich die Resonanzwellenlänge auf 575 nm verschiebt. Dabei wird vorausgesetzt, dass der elektrische Vektor der einfallenden Lichtwelle entlang der großen Hauptachse des Teilchens liegt. Einen ähnlichen Feldverstärkungseffekt kann man nicht nur bei isolierten Teilchen beobachten, sondern auch an der nm-scharfen Spitze einer Metallnadel, die mit Licht aus rotem oder infrarotem Spektralbereich bestrahlt wird, und bei der der elektrische Vektor der einfallenden Lichtwelle entlang der Spitzachse angeordnet ist.exact Calculations based on the Maxwell equations in the so-called Near field zone revealed that it depends on the shape and the optical Properties of the object an optimal object size and a radiation wavelength at which the field gain factor is greatest. For example, a spherical Particles of silver have a maximum field enhancement factor of about 40 on its surface when it comes to light is irradiated with a wavelength of 400 nm. One stretches this particle up to an axis ratio of 1: 4, so the field gain increases to 500, wherein the resonance wavelength shifts to 575 nm. It is assumed that the electric vector of the incident Light wave along the major axis of the particle lies. A similar field enhancement effect One can observe not only with isolated particles, but also At the nm-sharp tip of a metal needle, the light of red or infrared spectral region is irradiated, and in which the electric vector of the incident light wave along the salient axis is arranged.

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 laserbestrahlten Festkörpers ist. Dies ermöglicht vorteilhaft eine einfache semiquantitative Analyse des Probenmaterials, wobei die Elementkonzentrationen in beliebigen Probenmaterialien mit einem Fehlerfaktor von 2 bis 3 bestimmbar sind. Bei dieser eingestrahlten Laserleistungsdichte wird die Quantifizierung der massenspektrometrischen Analysendaten wesentlich vereinfacht, da Fraktionierungseffekte in der Regel minimiert werden.If the irradiated laser power density is more than 10 ⁹ W / cm ² , the sample material is ablated almost stoichiometrically. Under a stoichi For the purposes of this invention, εetric ablation 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, wherein the element concentrations in any sample materials with an error factor of 2 to 3 can be determined. With this irradiated laser power density, the quantification of the mass spectrometric analysis data is substantially simplified since fractionation effects are generally minimized.

Zur Charakterisierung der Oberflächentopographie und -morphologie im Nanometerbereich werden beispielsweise in der optischen Nahfeldmikroskopie elektroakustische Sensoren eingesetzt. Ferner sind Raster-Tunnelmikroskope (STM = Scanning Tunneling Microscope) in der Lage, zerstörungsfrei und hoch auflösend die Topographie von Proben zu erfassen. Mit der Entwicklung des Atomkraftmikroskopes (AFM = Atomic Force Microscope) ist es auch möglich geworden, diese Untersuchungen auf nicht-leitfähige Proben auszuweiten. Die AFM ist heutzutage eine oft verwendete Oberflächenanalysentechnik, die es demzufolge erlaubt, mit hoher Ortsauflösung beliebige Materialien (elektrisch leitende, halbleitende oder isolierende Proben, wie z. B. auch biologische Proben) zu analysieren. Hierbei tastet eine scharfe, idealerweise in einem einzigen Atom endende Spitze die Probenoberfläche in geringem Abstand, dem so genannten Nahfeldbereich, ab. Zwischen der meist auf einem Hebelarm (Cantilever) angeordneten Spitze und dem jeweils nächstgelegenen Atom der Probenoberfläche wirken zwischenmolekulare schwache van-der-Waals-Kräfte. Die Auslenkung des Cantile vers kann dabei direkt, z. B. mittels eines Lasers, oder auch interferometrisch oder kapazitiv bestimmt werden. Heute erfolgt die Erfassung der Auslenkung oft durch direkt am Cantilever bzw. – im Nicht-Kontaktmodus – am Schwinger angeordnete, auf Verbiegung derselben ansprechende piezoelektrische Elemente.to Characterization of surface topography and morphology in the nanometer range, for example, in the optical near field microscopy used electro-acoustic sensors. There are also raster tunneling microscopes (STM = Scanning Tunneling Microscope) capable of non-destructive and High resolution to record the topography of samples. With the development of the atomic force microscope (AFM = Atomic Force Microscope), it has become possible to do these investigations expand to non-conductive samples. The AFM is today an often used surface analysis technique that does it Consequently, with high spatial resolution arbitrary materials (electrically conductive, semiconducting or insulating samples, such as z. B. also biological samples) to analyze. Here one feels sharp, ideally in a single atom ending tip the Sample surface at a small distance, the so-called Near field area, from. Between the most on a lever arm (Cantilever) arranged tip and the nearest atom The surface of the sample acts as an intermolecular weak one van-der-Waals forces. The deflection of the cantilever can vers directly, z. B. by means of a laser, or interferometric or be determined capacitively. Today, the detection of the deflection takes place often by directly on the cantilever or - in non-contact mode - am Oscillator arranged on bending thereof responsive piezoelectric Elements.

Im völlig zerstörungsfreien so genannten Nicht-Kontaktmodus wird die Spitze eines AFM der Probenoberfläche lediglich stark angenähert, was z. B. die Möglichkeit eröffnet, auch weiche Materialien, z. B. sehr kleine biologische Proben, Zellproteine oder auch lebende einzelne Zellen mit höchster Ortsauflösung zu untersuchen. Hierbei oszilliert die Mikroskopspitze – angeregt durch einen piezoelektrischen Wandler – nahe ihrer Resonanzfrequenz. Bei Annäherung der vibrierenden Spitze an die Probenoberfläche wirken schwache Anziehungskräfte mit sehr geringer Reichweite zwischen Spitze und Probe, sogenannte van-der-Waals-Kräfte. Deren Wirkung wird gegebenenfalls durch die Oberflächenspannung von Gas- und Flüssigkeitsadsorbaten (z. B. Kohlenwasserstoffmoleküle, Wasserdampf oder kondensiertes Wasser aus der Umgebungsluft) auf der Probenoberfläche verstärkt. Die schwachen van-der-Waals-Anziehungskräfte äußern sich in einer Verringerung der Resonanzfrequenz und mit ihr in der Vergrößerung der Amplitude der Schwingung der AFM-Spitze, die beispielsweise laserinterferometrisch werden kann. Wird die Schwingungsamplitude über eine Rückkopplungselektronik während der Untersuchung von ausgewählten Oberflächenbereichen (Imaging – durch Scanning der x- und y-Koordinaten) konstant gehalten, was einer Abstands- und Kraftkonstanz entspricht, kann analog zu den vorgenannten AFM-Mikroskop-Varianten ein Oberflächenprofil der Probe aufgenommen werden. Die Ortsauflösung im Nicht-Kontaktmodus ist jedoch vor allem beim Einsatz unter Atmosphärenbedingungen durch den die Topographie-Information verfälschenden Einfluss der Adsorbatschichten auf die Schwingungsdämpfung der Mikroskopspitze meist sehr begrenzt.in the completely non-destructive so-called non-contact mode becomes the tip of an AFM of the sample surface only strongly approximated what z. B. the possibility opened, also soft materials, eg. B. very small biological samples, cell proteins or also living single cells with highest spatial resolution to investigate. Here, the microscope tip oscillates - excited through a piezoelectric transducer - near its resonant frequency. When approaching the vibrating tip to the sample surface act weak attractions with very short range between tip and sample, so-called van der Waals forces. Their effect is possibly due to the surface tension of gas and liquid adsorbates (eg hydrocarbon molecules, Steam or condensed water from the ambient air) on the Reinforced sample surface. The weak van der Waals attractions express in a reduction of the resonance frequency and with it in the Magnification of the amplitude of the oscillation of the AFM tip, which can become laser interferometric, for example. Is the oscillation amplitude via a feedback electronics during the examination of selected surface areas (imaging Scanning the x and y coordinates) kept constant, which is a Distance and force constancy corresponds, can analogous to the aforementioned AFM microscope variants a surface profile of the sample be recorded. The spatial resolution in non-contact mode is however especially when used under atmospheric conditions through the influence of the topography information the Adsorbatschichten on the vibration damping of the microscope tip usually very limited.

Praktische Bedeutung hat vor allem der intermittierende Betriebsmodus des AFM erlangt, bei dem die Mikroskopspitze mit einer größeren Amplitude als im Nicht-Kontaktmodus vibriert. In der Nähe der Probenoberfläche wird die Oszillation infolge der dort wirkenden Kräfte gedämpft, die Amplitude wird verkleinert und die Spitze berührt die Probenoberfläche pro Messpunkt vielmals leicht. Dieses Verfahren wird auch als so genannter Tapping Modus bezeichnet. Dies erfolgt mit einem gegenüber dem Kontaktmodus wesentlich verringerten Energieumsatz, so dass auch gegen Beschädigungen anfällige Proben, wie biologische Mate rialien oder Halbleiterwafer, untersucht werden können. Die dämpfungsbedingt erniedrigte Schwingungsamplitude wird durch eine Rückkopplungselektronik konstant gehalten, so dass die mittlere z-Koordinate der Spitze der Probentopographie folgt.practical Of importance is the intermittent operating mode of the AFM obtained in which the microscope tip with a larger Amplitude as vibrated in non-contact mode. Near the sample surface is the oscillation due to the there acting Forces dampened, the amplitude is reduced and the tip touches the sample surface per Measuring point very easy. This procedure is also called so-called Tapping mode called. This is done with one opposite the contact mode significantly reduced energy expenditure, so that too damage-prone samples, such as biological Mate rials or semiconductor wafers, can be examined. The attenuation-induced reduced vibration amplitude is held constant by a feedback electronics, so that the mean z-coordinate is the top of the sample topography follows.

Zur Charakterisierung von Probenoberflächen ist darüber hinaus auch das Nahfeld-Scanning-Mikroskop (NSOM = „Nearfeld Scanning Optical Microscope”) geeignet. Diese Methode kann in Kombination mit Atomkraftmikroskopen oder dessen Varianten verwendet werden, indem beispielsweise eine optische Faser als AFM-Spitze dient. Bei dieser Art von NSOM wird eine Probe punktweise gerastert und von Laserlicht be- bzw. durchstrahlt. Das hierzu benutzte Licht wird meist mittels eines Lichtwellenleiters an die Probe herangeführt, der an seinem Ende eine opake Schicht trägt, die eine Apertur im Subnanometerbereich aufweist. Ein Detektor registriert ortsabhängig das mit der Probe wechselwirkende Licht – z. B. im Transmissions-, Reflexions- oder Fluoreszenz-Modus – so dass die Aufnahme eines Rasterbildes der unmittelbar vor der Apertur angeordneten Probe ohne Begrenzung der Auflösung durch Beugung möglich ist.to Characterization of sample surfaces is above In addition, the near-field scanning microscope (NSOM = "near field Scanning Optical Microscope "). This method can used in combination with atomic force microscopes or its variants For example, by using an optical fiber as the AFM tip serves. In this type of NSOM, a sample is scanned point by point and irradiated or irradiated by laser light. The light used for this purpose is usually brought to the sample by means of an optical waveguide, which carries at its end an opaque layer which has an aperture in the subnanometer area. A detector registers location-dependent the light interacting with the sample - e.g. In the transmission, Reflection or fluorescence mode - allowing the recording a raster image of the arranged directly in front of the aperture sample without limitation of the resolution by diffraction possible is.

Aufgabe und LösungTask and solution

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu Verfügung zu stellen, welches einerseits eine qualitative Lokal- und Verteilungsanalyse im Nanometerbereich sowie gleichzeitig die quantitative Bestimmung von Elementkonzentrationen in verschiedenen Probenmaterialien ermöglicht, als auch in der Lage ist, auf einfache Weise zeitnah die untersuchte Probenoberfläche vor und nach der Analyse darzustellen und zu charakterisieren. 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 on the one hand, a qualitative local and distribution analysis in the nanometer range and at the same time the quantitative determination of elemental concentrations in different sample materials, as well as is able to quickly in a timely manner, the examined sample surface to present and characterize before and after the analysis. A Another object of the invention is to carry out one 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 totality of features according to the main claim and by a device with the totality of features according to the independent claim. Advantageous embodiments of the method and the device can be found in the respectively related claims.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Ziel der erfindungsgemäßen neuen experimentellen Anordnung und des Verfahrens zur ortsaufgelösten Lokal- und Verteilungsanalyse chemischer Elemente und der in-situ Charakterisierung von Oberflächen ist es, die Vorteile der Nahfeld-LA-ICP-MS zur Nanolokal- und Verteilungsanalyse chemischer Element mit einer mikroskopischen Anordnung, basierend auf dem Prinizip der Rasterkraftmikroskopie (AFM – atomic force microscopy), zu verbinden, um beispielsweise die zu untersuchende Probenoberfläche auf einfache Weise vor und nach der Ablation mit NF-LA-ICP-MS mikroskopisch darzustellen und zu charakterisieren.aim the new experimental arrangement according to the invention and the method for spatially resolved local and distributional analysis chemical elements and the in-situ characterization of surfaces It is the advantages of the near-field LA-ICP-MS for nano-scale and distribution analysis chemical element with a microscopic arrangement, based on the prinizip of Atomic Force Microscopy (AFM - atomic Force microscopy), to connect, for example, the examined Sample surface in a simple manner before and after ablation Microscopically visualize and characterize with NF-LA-ICP-MS.

Die Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren, bei dem ein laserinduziertes Nanoplasma zur stöchiometrischen Laserablation des untersuchten Materials eingesetzt wird. Dabei können neben beliebigen Festkörperproben auch vorteilhaft biologische Materialien untersucht werden. Unter biologischen Materialien sind dabei insbesondere Materialien in Zellorganellen (z. B. Mitochondrien), biologische Gewebeschnitte oder biologische Nanostrukturen 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 weniger als 1 μm, insbesondere unterhalb von 0,5 μm, und vorteilhaft sogar unterhalb von 0,1 μm, realisierbar ist. Besonders vorteilhaft wird eine Ortsauflösung sogar bis in den Bereich von 20 bis 30 nm erreicht.The The invention thus also relates to a method in which a laser-induced Nanoplasm for stoichiometric laser ablation of the material studied is used. Besides arbitrary solid samples also advantageous to study biological materials. Under biological materials are in particular materials in cell organelles (eg mitochondria), biological tissue sections or biological To understand nanostructures. The laser ablation of the biological Material usually takes place in a laser ablation chamber a cooled target holder. The laser ablation chamber is advantageous with an ICP-MS or less sensitive ICP-OES (OES - optical emission spectrometry) coupled. The bombardment of the sample surface is done with photons a laser, wherein a spatial resolution (laser spot diameter) on the surface of the sample of less than 1 micron, in particular below 0.5 microns, and advantageously even below 0.1 microns, is feasible. Particularly advantageous is a Spatial resolution even in the range of 20 to 30 nm reached.

Zusätzlich können aber mit diesem laserinduzierten Analysenverfahren ebenso Bulkanalysen, das bedeutet Multielementanalysen am Probenmaterial mit einem Laserspotdurchmesser im unteren μm bis zu 300 μm Bereich und Verteilungsanalysen (Imaging) der Isotope und Elemente, durchgeführt werden.additionally but can with this laser-induced analysis method Bulk analysis also means multielement analyzes on the sample material with a laser spot diameter in the lower μm up to 300 μm Scope and distribution analysis (imaging) of isotopes and elements, be performed.

Während der analytischen 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 20–30 μm, bis andererseits unterhalb von 100 nm, fokussiert. Die Ortsauflösung bis in den Nanometerbereich wird erfindungsgemäß durch die Anwendung des Nahfeldeffektes bei der Laserablation ermöglicht.During the analytical measurement, a pulsed laser beam on the sample surface 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, on the one hand 20-30 microns, on the other hand below 100 nm, focused. The spatial resolution down to the nanometer range is made possible according to the invention by the application of the near-field effect during laser ablation.

Dabei wird der defokussierte Laserstrahl in der Nähe der vom Laser bestrahlten Oberfläche an einer Metall aufweisenden Spitze im Nahfeld verstärkt, die in der Nähe des auf die Oberfläche der Probe strahlenden Lasers angeordnet werden kann. Dazu ist beispielsweise eine ultrafeine ganzmetallische Spitze geeignet, die aus Gold oder Silber besteht. Durch eine solche metallische Spitze können regelmäßig Zerstörungen aufgrund der sehr hohen Laserleistung verhindert werden.there the defocused laser beam is located near to the Laser irradiated surface on a metal having Peak in the near field reinforced near the arranged on the surface of the sample radiating laser can be. This is, for example, an ultrafine all-metallic Tip suitable, which consists of gold or silver. By such metallic tip can be regular Destruction due to the very high laser power prevented become.

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 Masse-zu-Ladungsverhältnis im Trennsystem des Massenspektrometers 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 Analysengerät 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 in the separation system of the mass spectrometer 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 analyzer, for example, the ICP-OES comes into consideration.

Weitere Details dieser Messung für die ortsaufgelöste Lokal- und Verteilungsanalyse chemischer Elemente sind aus DE 103 54 787 A1 bekannt, deren Inhalt explizit in dieser Anmeldung als mit offenbart angesehen wird.Further details of this measurement for the spatially resolved local and distributional analysis of chemical elements are out DE 103 54 787 A1 The content of which is expressly regarded as being disclosed in this application.

Zusätzlich zu dieser Messung für die ortsaufgelöste Lokal- und Verteilungsanalyse chemischer Elemente weist das erfindungsgemäße Verfahren nur die Schritte auf, dass die untersuchte Probenoberfläche vor und/oder auch nach der erfolgten Ablation dargestellt und charakterisiert werden kann. Dazu erfolgt vor und/oder auch nach einer Ablation von Probenmaterial eine Messung der Probenoberfläche im Nanometerbereich mit einer mikroskopischen Anordnung basierend auf dem Prinzip der Rasterkraftmikroskopie (AFM – atomic force microscopy). Erfindungsgemäß muss dazu die Probe aber weder verändert oder transportiert werden, sondern kann vorteilhaft in ihrer Position auf dem Probentisch verbleiben.In addition to this measurement for the spatially resolved local and distributional analysis of chemical elements, the method according to the invention has only the steps that the examined sample surface before and / or after the Abla tion can be represented and characterized. For this purpose, a measurement of the sample surface in the nanometer range with a microscopic arrangement based on the principle of Atomic Force Microscopy (AFM) takes place before and / or after an ablation of sample material. According to the invention, however, the sample does not have to be changed or transported, but can advantageously remain in its position on the sample table.

Für die mikroskopische Untersuchung wird ein modifiziertes AFM mit einem elektroakustischen Wandler (atomic force sensor) im Nicht-Kontaktmodus eingesetzt, welches erfindungsgemäß dieselbe Metall aufweisende Spitze verwendet, wie sie für die Nahfeldverstärkung des Laserstrahls bei der analytischen Messung mit NF-LA-ICP-MS eingesetzt wird. Während der AFM-Messung wird zunächst die Metall aufweisende Spitze in direkte Nähe der Probenoberfläche, z. B. auf eine biologische Probe oder eine einzelne Tumorzelle, gebracht, so dass nur die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Atomen der metallischen Spitze und den Atomen oder Molekülen wirken, die sich in Nähe der metallischen Spitze befinden. Eine geeignete Spitze könnte beispielsweise aus Silber oder Gold bestehen oder mit Silber oder Gold beschichtet sein. Bei Annäherung der vibrierenden, bzw. nahe ihrer Resonanzfrequenz oszillierenden Spitze an die Probenoberfläche wirken schwache Anziehungskräfte mit sehr geringer Reichweite zwischen Spitze und Probe, sogenannte van-der-Waals-Kräfte. Die schwachen van-der-Waals-Anziehungskräfte äußern sich in einer Verringerung der Resonanzfrequenz und mit ihr in der Vergrößerung der Amplitude der Schwingung der AFM-Spitze, die durch Messung der Änderung der Frequenz im Schwingquarz bestimmt werden kann. Alternativ kann man die Spitze auch soweit angenähert betreiben, dass eine Abnahme der Amplitude zu verzeichnen ist.For the microscopic examination will be a modified AFM with a Electroacoustic transducer (atomic force sensor) in non-contact mode used, which according to the invention the same metal having used tip, as for the near field reinforcement of the laser beam used in the analytical measurement with NF-LA-ICP-MS becomes. During the AFM measurement, the Having metal tip in the immediate vicinity of the sample surface, z. On a biological sample or a single tumor cell, brought so that only the van der Waals forces between act on the atoms of the metallic tip and the atoms or molecules, which are near the metallic tip. A suitable tip could for example be made of silver or Gold or be coated with silver or gold. When approaching the vibrating, or near their resonant frequency oscillating Tip on the sample surface act weak attraction with very short range between tip and sample, so-called van der Waals forces. The weak van der Waals attractions express in a reduction of the resonance frequency and with it in the Magnification of the amplitude of the oscillation of the AFM peak, by measuring the change in frequency can be determined in the quartz crystal. Alternatively you can get the top operate as far as approximate that a decrease in the Amplitude is recorded.

Durch definiertes Scannen der Nadel über die Probenoberfläche als Funktion der xyz-Koordinaten und durch Messung der Änderung der Frequenz im Schwingquarz kann die Oberflächentopographie der Probe vorteilhaft an gerade der Stelle abgebildet werden, an der die Ablation erfolgen soll, bzw. schon erfolgt ist.By defined scanning of the needle over the sample surface as a function of the xyz coordinates and by measuring the change The frequency in the quartz crystal can be the surface topography of the Sample can be advantageously displayed at just the place where the ablation should take place, or has already taken place.

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 Nahfeldtechnik weist die Laserablationskammer eine Metall aufweisende Spitze auf, die in die Nähe des auf die Oberfläche der Probe strahlenden Lasers angeordnet werden kann. Dazu ist beispielsweise eine ultrafeine ganzmetallische Spitze geeignet. Diese besteht vorteilhaft aus Gold oder Silber. Die Spitze bewirkt vorteilhaft eine Verstärkung des elektrischen Feldes des Laserlichtes.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. For application of the near-field technique, the laser ablation chamber has a metal-containing tip which can be placed in the vicinity of the laser radiating onto the surface of the sample. For this example, an ultrafine all-metal tip is suitable. This is advantageously made of gold or silver. The tip advantageously causes a gain of the electric field of the laser light.

Die metallische Spitze ist erfindungsgemäß gleichzeitig Teil eines modifizierten Rasterkraftmikroskops, welches mit einem elektroakustischen Wandler für die Nahfeldmikroskopie ausgestattet ist. Es sind verschiedene Ausführungen von akustischen Wandlern bekannt, die jeweils Einfluss nehmen auf die Steifigkeit des Sensors, seine Resonanzfrequenz sowie auf die Ausrichtung seiner Schwingungsmoden, z. B. lateral oder vertikal.The metallic tip is according to the invention simultaneously Part of a modified atomic force microscope, which with a electroacoustic transducer equipped for near field microscopy is. There are different versions of acoustic transducers known, which in each case influence the rigidity of the sensor, its resonance frequency as well as the orientation of its vibration modes, z. B. lateral or vertical.

So wird die sogenannte Tuning forke, eine miniaturisierte Stimmgabel, die lateral oder vertikal montiert werden kann, vorteilhaft in der Nahfeldmikroskopie eingesetzt. Die auf einer senkrecht montierten Stimmgabel basierende Methode zur Abstandsdetektion einer rastersondenmikroskopischen Anordnung wird auch als Scherkraftdetektion bezeichnet. Bekannt als elektroakustischer Wandler sind auch Nadelsensoren aus Quarzglas, die geometrisch anders aufgebaut sind, und auf Grund ihrer hohen Güte vorteilhaft im Ultrahochvakuum eingesetzt werden. Als einen weiteren Vertreter der elektroakustischen Wandler ist der Q-plus Sensor für Lateralkräfte, ein Cantilever aus Quarz für höchstauflösende Rasterkraftmikroskopie, zu nennen, der eine besonders hohe Steifigkeit aufweist und deswegen zur Detektion von subatomaren Strukturen eingesetzt werden kann. Ein Fachmann kann vorteilhaft je nach Fragestellung, Anwendungsgebiet und Auswerteverfahren einen dafür geeigneten elektroakustischen Wandler auswählen.So becomes the so-called Tuning forke, a miniaturized tuning fork, which can be mounted laterally or vertically, advantageous in the Near field microscopy used. The on a vertically mounted Tuning fork-based method for distance detection of a scanning probe microscopic arrangement is also called shear force detection. Known as electroacoustic Transducers are also needle sensors made of quartz glass, which are geometrically different are constructed, and advantageous because of their high quality be used in ultra-high vacuum. As another representative the electro-acoustic transducer is the Q-plus sensor for Lateral forces, a cantilever made of quartz for ultrahigh-resolution atomic force microscopy, to name, which has a particularly high rigidity and therefore can be used for the detection of subatomic structures. A person skilled in the art can advantageously depending on the problem, the field of application and evaluation a suitable electro-acoustic transducer choose.

Die metallische Spitze des Rasterkraftmikroskops (AFM) mit gleichzeitiger Funktion der Nahfeldverstärkung für die Laserablation ist auf einer Vorrichtung zur Positionierung der Spitze in der Nähe der Probe angeordnet. Diese Positionierungsvorrichtung lässt sich vorteilhaft in allen drei Raumrichtungen verschieben. Die Schrittweitenauflösung sollte insbesondere bei wenigstens 2 μm liegen.The Atomic Force Microscope (AFM) metallic tip with simultaneous Function of near-field amplification for laser ablation is on a device for positioning the tip in the vicinity arranged the sample. This positioning device leaves to shift favorably in all three spatial directions. The step size resolution should be in particular at least 2 microns.

Auch der gesamte Probentisch mit der Laserablationskammer und der Positioniervorrichtung für die Spitze ist vorteilhaft auf einer 3-dimensionalen Verschiebeeinheit angeordnet, die ebenfalls eine Verschiebeauflösung von wenigstens 2 μm aufweisen sollte.Also the entire sample table with the laser ablation chamber and the positioning device for the top is beneficial on a 3-dimensional displacement unit arranged, which is also a shift resolution of should have at least 2 microns.

Erfindungsgemäß wird die Anordnung zur Nahfeld-Laserablation um ein spezielles hochauflösendes Mikroskop (Rasterkraftmikroskop – atomic force microscope – AFM) mit elektroakustischem Wandler (atomic force sensor) erweitert und mit diesem vorteilhaft gekoppelt, so dass vor und nach einem Probenabtrag durch die Laserablation unter Anwendung des Nah feldeffektes auch eine mikroskopische Untersuchung im Nanometerbereich an der Probenoberfläche vorgenommen werden kann. Somit können die mittels NF-LA-ICP-MS zu analysierenden Bereiche im nm-Bereich (z. B. Membranproteine in Einzelzellen) gezielt ausgewählt und auf Phosphor- oder Metallbindungen (Phosphoproteine bzw. Metalloproteine) definiert untersucht werden.According to the invention, the arrangement for near-field laser ablation is expanded by a special high-resolution microscope (Atomic Force Microscope - AFM) with an electroacoustic transducer (atomic force sensor) and advantageously coupled thereto, so that before and after ei In the case of sample ablation by laser ablation using the near field effect, a microscopic examination in the nanometer range on the sample surface can also be carried out. Thus, the areas to be analyzed by NF-LA-ICP-MS in the nm range (eg membrane proteins in single cells) can be selected specifically and examined for phosphorus or metal bonds (phosphoproteins or metalloproteins).

Während mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) allein lediglich die Topographie einer Probenoberfläche räumlich aufgelöst dargestellt werden kann, können mit der Nahfeld-Laserablations-ICP-Massenspektrometrie (NF-LA-ICP-MS) essentielle und toxische Metalle (z. B. Cu, Zn, Fe, Mn, Ni, Ca, K, Mg, Ti, Co, Pb, U. Cd, Hg u. a.) oder auch Nichtmetalle (C, S, P, Cl u. a.) detektiert und quantifiziert werden. Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination der NF-LA-ICP-MS mit AFM ist die Möglichkeit der zerstörungsfreien Analyse der Probenoberflache in-situ vor und nach der zerstörenden Laserablation. Damit lassen sich insbesondere auch neue Erkenntnisse zum Laserablationsprozess im Nahfeldbereich erzielen.While using atomic force microscopy (AFM) alone only the Topography of a sample surface spatially resolved can be represented by near-field laser ablation ICP mass spectrometry (NF-LA-ICP-MS) essential and toxic metals (eg Cu, Zn, Fe, Mn, Ni, Ca, K, Mg, Ti, Co, Pb, U. Cd, Hg u. a.) or non-metals (C, S, P, Cl and others) can be detected and quantified. advantage the combination of NF-LA-ICP-MS according to the invention with AFM is the possibility of non-destructive Analysis of the sample surface in situ before and after the destructive Laser ablation. In particular, new insights are possible achieve the laser ablation process in the near field.

Das erfindungsgemäße Laserablationssystem unter Anwendung der nanoskaligen Nahfeldoptik in Kombination mit einem modifizierten Rasterkraftmikroskop, das mit einem hochempfindlichen ICP-Massenspektrometer (z. B. doppelfokussierendem Sektorfeld-ICP-MS oder Quadrupol-ICP-Massenspektrometer) gekoppelt ist, ist insbesondere dazu geeignet, molekularbiologische Untersuchungen mit einem Auflösungsvermögen von einigen hundert nm und darunter durchzuführen, um beispielsweise Akkumulationen oder Defizite von Metallen (Cu, Fe, Zn, Mn, Ca u. a.) in-situ in einzelnen Zellen und Zellorganellen zu erfassen, die Ursachen schwerer Erkrankungen des Menschen sein können.The Laser ablation system according to the invention using the nanoscale near field optics in combination with a modified Atomic force microscope equipped with a highly sensitive ICP mass spectrometer (eg double-focusing sector field ICP-MS or quadrupole ICP mass spectrometer) coupled, is particularly suitable molecular biological Investigations with a resolution of a few hundred nm and below, for example Accumulations or deficiencies of metals (Cu, Fe, Zn, Mn, Ca u. a.) in situ in individual cells and cell organelles, the causes of severe human diseases.

Mittels der erfindungsgemäßen Nahfeld-Laserablations-ICP-Massenspektrometrie in Kombination mit der Rasterkraftmikroskopie-AFM (NF-LA-ICP-MS/AFM) kann beispielsweise über ein schnelles Scanningverfahren zur quasi-simultanen und direkten Elementanalyse eine einfache Diagnose von mitochondrialen Speichererkrankungen beim Menschen ermöglicht werden.through the near field laser ablation ICP mass spectrometry according to the invention in combination with Atomic Force Microscopy AFM (NF-LA-ICP-MS / AFM) can, for example, a fast scanning method for quasi-simultaneous and direct elemental analysis a simple diagnosis of mitochondrial storage diseases in humans become.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch eingeschränkt werden soll. Dabei zeigt die 1: Detaillierte Anordnung der Laserablationskammer mit Nahfeldverstärkung durch eine verstellbare metallische Spitze, die über einen elektroakustischen Wandler aus Quarzglas an ein AFM gekoppelt ist: in Aufsicht (a) und Vorderansicht (b).The subject matter of the invention will be explained in more detail below with reference to two figures, without the subject of the invention thereby being restricted. It shows the 1 Detailed arrangement of the laser ablation chamber with near-field enhancement through an adjustable metallic tip coupled to an AFM via a fused silica electroacoustic transducer: in plan view (a) and front view (b).

Dabei bedeuten in der 1:This mean in the 1 :

11: Laserablationskammerlaser ablation
22: dünne metallische Spitze aus Silber oder Gold zur Erzielung der Nahfeldverstärkungthin metallic tip of silver or gold to achieve near-field enhancement
33: Elektroakustischer Wandler (Quarzglas)electroacoustic Converter (quartz glass)
44: Positioniervorrichtung der Spitze und Vorrichtung zur Signalaufbereitungpositioning the tip and device for signal processing
55: x-y-z-Scanner der mit dem Probentisch verbunden istx-y-z scanner which is connected to the sample table
66: vibrationsgedämpfter Tischvibration damped table
77: Probentisch zur Aufnahme der zu analysierenden Probesample table for receiving the sample to be analyzed
88th: defokussierter Laserstrahl für Nahfeld-Laserablationdefocused Laser beam for near-field laser ablation
99: Deckglas der Laserablationskammercover glass the laser ablation chamber
1010: TrägergasstromCarrier gas stream
1111: Trägergasstrom mit gegebenenfalls ablatiertem Probenmaterial zur Einleitung ins ICP-MSCarrier gas stream with optionally ablated sample material for introduction into ICP-MS

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Ablationskammer ist für die direkte Analyse von Gewebeschnitten oder einzelnen Zellen mittels NF-LA-ICP-MS in Kombination mit einer speziellen Rastersondenkraftmikroskopie (AFM) im Nahfeldbereich (Nahfeldmikroskopie) geeignet. Dabei wird die dünne Spitze, insbesondere eine Ag-Draht-Spitze, mit einem elektroakustischen Wandler (atomic force sensor) gekoppelt (siehe 1). Man ist damit in der Wahl der Steifigkeit des Sensors, seiner Resonanzfrequenz sowie der Ausrichtung seiner Schwingungsmoden (lateral und vertikal) frei und kann sich den Anforderungen der NF-LA-ICP-MS anpassen. Die Positionierung der Spitze in x-y Richtung für die Laserablation im Nahfeld und die AFM Messungen und die Signalaufbereitung der AFM Daten erfolgt über eine speziell entwickelte Steuerelektronik.The device according to the invention with an ablation chamber is suitable for the direct analysis of tissue sections or individual cells by means of NF-LA-ICP-MS in combination with a special scanning probe force microscopy (AFM) in the near-field region (near field microscopy). In this case, the thin tip, in particular an Ag wire tip, coupled with an electroacoustic transducer (atomic force sensor) (see 1 ). It is thus free in the choice of the stiffness of the sensor, its resonance frequency and the orientation of its vibration modes (lateral and vertical) and can adapt to the requirements of NF-LA-ICP-MS. The positioning of the tip in xy direction for the laser ablation in the near field and the AFM measurements and the signal processing of the AFM data is done by a specially developed control electronics.

Um biologische Proben, wie Gewebeschnitte, einzelne Zellen oder Zellorganellen, direkt zu analysieren, kann der Probenhalter optional in der Laserablationskammer, beispielsweise mit einem Peltierelement gekühlt werden.Around biological samples, such as tissue sections, single cells or cell organelles, can be directly analyzed, the sample holder can optionally be used in the laser ablation chamber, be cooled for example with a Peltier element.

Das erfindungsgemäße Analysensystem ist insbesondere gekennzeichnet durch ein Laserablationssystem zur quantitativen ortsaufgelösten Lokal- und Verteilungsanalyse chemischer Elemente und in-situ Charakterisierung von Oberflächenstrukturen mit folgenden Eigenschaften:

– Ag-Nadel (metallische Spitze) und Mikromanipulator
– Blitzlampengepumpter Nd-YAG Festkörperlaser mit Pulsbreite < 5 ns, Wellenlänge (z. B. für Ag-Spitzen von 532 nm), Wiederholraten von bis zu 20 Hz und gausförmigem transversalen Strahlenprofil. Die minimal benötigte Laserleistungsdichte des defokussierten Laserstrahls beträgt 10⁵–10⁶ W/cm². Durch Anwendung des Nahfeldeffektes erhöht sich die Laserleistungsdichte auf 10⁹–10¹⁰ W/cm².
– 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 (< 500 ×) außerhalb der Strahlachse zur Feinpositionierung der Nanospitze.
– Ablationskammer mit Eintrittsfenster für Laserstrahlung, Beobachtung und Mikromanipulatorversteller. Die dünne Silbernadel ist an einen elektroakustischen Wandler (Quarzglas) montiert, der mit einer Steuerelektronik zur Positionierung der Spitze in x-y-Richtung für die Laserablation und Mikroskopie der Probenoberfläche im Nahfeld und zur Signalaufbereitung verbunden ist.

The analysis system according to the invention is characterized in particular by a laser ablation system for the quantitative spatially resolved local and distributional analysis of chemical elements and in-situ characterization of surface structures having the following properties:

- Ag needle (metallic tip) and micromanipulator
- Flash-lamp-pumped Nd-YAG solid-state laser with pulse width <5 ns, wavelength (eg for Ag tips of 532 nm), repetition rates of up to 20 Hz and gaussian transverse beam lenprofil. The minimum required laser power density of the defocused laser beam is 10 ⁵ -10 ⁶ W / cm ² . By applying the near-field effect, the laser power density increases to 10 ⁹ -10 ¹⁰ W / cm ² .
- 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, strongly magnifying optical microscope (<500 ×) outside the beam axis for fine positioning of the nanotip.
- Ablation chamber with entrance window for laser radiation, observation and micromanipulator adjuster. The thin silver needle is mounted to an electroacoustic transducer (quartz glass), which is connected to control electronics for tip positioning in the xy direction for laser ablation and microscopy of the sample surface in the near field and signal conditioning.

Alle Eintrittsfenster der Laserablationskammer sind abgedichtet.All Entry windows of the laser ablation chamber are sealed.

Die Quantifizierung der Analysenresultate der erfindungsgemäßen NF-LA-ICP-MS kann über bekannte Quantifizierungsstrategien, beispielsweise unter Verwendung von zertifizierten Standardreferenzmaterialien oder Matrix-angepasster Laborstandards oder mit Hilfe der Isotopenverdünnungsanalyse erfolgen.The Quantification of the analytical results of the invention NF-LA-ICP-MS can be detected by known quantification strategies, for example using certified standard reference materials or matrix-adapted laboratory standards or by isotope dilution analysis respectively.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die quantitative intra- und extrazelluläre Elementverteilung in gesunden und pathologischen Zellen und Geweben mit gleichzeitiger rastersondenmikroskopischen Untersuchung im Nahfeldbereich der Probenoberfläche vor und nach der Laserablation. Zudem sind aber auch Nanolokalanalyse an beliebigen Festkörperproben mit hoher Ortsauflösung, wie beispielsweise in der Mikroelektronik, der Werkstoffforschung, der Geologie oder auch der Umweltanalytik, möglich.One significant advantage of the invention is the quantitative intra- and extracellular element distribution in healthy and pathological Cells and tissues with simultaneous scanning probe microscopy Examination in the near field area of the sample surface and after laser ablation. In addition, however, are also Nanolokalanalyse on arbitrary solid samples with high spatial resolution, such as in microelectronics, materials research, geology or environmental analysis.

Die erfindungsgemäße Analysenmethode eignet sich vorteilhaft insbesondere für folgende Anwendungsbeispiele:

• Nanolokal- und ortsaufgelöste Verteilungsanalyse an Gewebeschnitten (z. B. von Hirnproben zum Studium neurodegenerativer Erkrankungen) und Zellorganellen (z. B. Mitochondrien) mittels NF-LA-ICP-MS.
• Nanolokal- oder Verteilungsanalyse an Festkörperoberflächen (z. B. S-Layer, Nanocluster, Nanodrähte, Mikro- und Nanoarrays) an Interfaces oder an dünnen Schichten (Mikro- und Nanoelektronik, Materialforschung).
• Nanolokal- oder Verteilungsanalyse an biologischen Proben (z. B. an sehr kleinen Ausschnitten pflanzlichen und tierischen Gewebes), medizinischen Proben (Zähnen, Knochen, Haare u. ä.) oder auch an geologischen Proben (Einschlüsse, Inhomogenitäten).

The analytical method according to the invention is advantageously suitable in particular for the following application examples:

• Nanolocal and spatially resolved distributional analysis on tissue sections (eg of brain samples to study neurodegenerative diseases) and cell organelles (eg mitochondria) using NF-LA-ICP-MS.
• Nanolocal or distributional analysis of solid surfaces (eg S-layers, nanoclusters, nanowires, micro- and nano-arrays) on interfaces or on thin layers (micro- and nanoelectronics, materials research).
• Nanolocal or distributional analysis on biological samples (eg on very small sections of plant and animal tissue), medical samples (teeth, bones, hair, etc.) or on geological samples (inclusions, inhomogeneities).

In der Anmeldung zitierte Literatur:

[1] R. Stöckle et al., ”Nanoscale Atmospheric Pressure Laser Ablation Mass Spectrometry”, Anal. Chem. 73, 2001, 1399–1402 .
[2] M. V. Zoriy, M. Kayser, J. S. Becker, „Possibility of nano-local element analysis by near-field laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS): New experimental arrangement and first application”, International Journal of Mass Spectrometry 273 (2008) 151–155 .
[3] J. S. Becker, A. Gorbunoff, M. Zoriy, A. Izmer, M. Kayser, ”Evidence of near-field laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (NF-LA-ICP-MS) at nanometer scale for elemental and isotopic analysis an gels and biological samples”, J. Anal. At. Spectrom., 2006, 21, 19–25 .

Literature quoted in the application:

[1] R. Stöckle et al., "Nanoscale Atmospheric Pressure Laser Ablation Mass Spectrometry", Anal. Chem. 73, 2001, 1399-1402 ,
[2] MV Zoriy, M. Kayser, JS Becker, "Possibility of nano-local element analysis by near-field laser ablation inductively coupled to plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS): New Experimental Arrangement and First Application", International Journal of Mass Spectrometry 273 (2008) 151-155 ,
[3] JS Becker, A. Gorbunoff, M. Zoriy, A. Izmer, M. Kayser, "Evidence of near-field laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (NF-LA-ICP-MS) at nanometer scale for elemental and isotopic analysis gels and biological samples ", J. Anal. At. Spectrom., 2006, 21, 19-25 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 10354787 B4 [0006]
- DE 10354787 A1 [0021]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

R. Stöckle et al., "Nanoscale Atmospheric Pressure Laser Ablation Mass Spectrometry", Anal. Chem. 73, 2001, 1399-1402 [0043]
MV Zoriy, M. Kayser, JS Becker, "Possibility of nano-local element analysis by near-field laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS): International Experimental and First Application", International Journal of Mass Spectrometry 273 (2008) 151-155 [0043]
- JS Becker, A. Gorbunoff, M. Zoriy, A. Izmer, M. Kayser, "Evidence of near-field laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (NF-LA-ICP-MS) at nanometer scale for elemental and isotopic analysis on gels and biological samples ", J. Anal. At. Spectrom., 2006, 21, 19-25 [0043]

Claims

Method for the analysis of elemental concentrations and for the topographic characterization of a sample by means of laser ablation - inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and atomic force microscopy (AFM), characterized in that - the irradiated laser power density of the laser on the sample surface is at least 10 ⁹ W / cm ² , - the laser beam near the laser-irradiated surface of the sample is strengthened at a metal-containing tip in the near field, for which the metal-containing tip is positioned near the spot of the laser beam focused on the surface of the sample, and - that the topography of the sample surface is detected before and / or after laser ablation using the same metal tip as part of the AFM.

Method according to the preceding claim 1, wherein the laser beam to a spot diameter of less than 10 μm, in particular of less than 1 μm, and advantageously of less than 100 nm, is focused.

Method according to one of claims 1 to 2, in which a metal-containing tip made of silver or gold used becomes.

Method according to one of claims 1 to 3, in which the topography of the sample surface in non-destructive Non-contact mode is detected.

Method according to one of claims 1 to 4, wherein the metal-containing tip to an electro-acoustic Transducer is mounted, and a positioning device above a sample with a displacement resolution of less than 2 μm positioned in all three spatial directions can be.

Method according to one of claims 1 to 5, where the signal processing of the AFM over the metal having peak.

Method according to one of claims 1 to 6, in which with an electronic control system both the positioning the tip in x-y direction for laser ablation in the near field as well as for the microscopic examination of the sample surface done in the near field.

Device for the analysis of element concentrations and for topographical characterization of a sample - one pulsed Nd-YAG laser, A laser ablation chamber with a sample table, An ICP-MS analyzer, - one Scanning probe microscope with a metal tip, - one Positioning device for positioning this tip, wherein this tip is disposed in the laser ablation chamber and so on connected to the positioning device, that during the analytical operation of the device for near-field amplification of the laser beam near the spot of the surface the sample focused laser beam can be positioned and during microscopic operation in x-y-z direction over the Surface of the sample can be moved.

Apparatus according to claim 8, with a gold or Silver tip as a metal tip.

Device according to one of claims 8 to 9, in which the AFM has an electroacoustic transducer.

Device according to one of claims 8 to 10, in which the metal-containing tip on a positioning device is arranged, which in all three spatial directions a shift resolution of less than 2 microns.

Device according to one of claims 8 to 11, in which the positioning device for the Peak is connected to the signal conditioning of the AFM.

Device according to one of claims 8 to 12, at which the laser ablation chamber with the sample table as well the positioning device for the tip on one 3-dimensional displacement unit are arranged, which is a displacement resolution of at least 2 microns.

Apparatus according to any of claims 8 to 13, wherein the laser in the near field of the tip has a power density of at least 10 ⁹ W / cm ² .