Plasma- und Laser-Spektrochemie (ISAS)
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Item Microwave induced plasma sources at atmospheric pressure and atomic spectroscopy(2000) Bilgic, Attila Michael; Voges, Edgar; Weber, WernerItem Coupling diode laser desorption with plasma ionization in mass spectrometry for analytical and biomedical applications(2021) Knodel, Alexander; Franzke, Joachim; Bayer, ManfredThis thesis focuses on the coupling of laser desorption with plasma ionization in mass spectrometry for analytical and biomedical applications. A diode laser is used to trigger thermal desorption of substances from a surface. For this reason, a metal-isolator sandwich structure is developed and conceptually tuned to analytical demands on the basis of a microscope slide, lithography and sputtering. The neutral desorbate is then ionized by a flexible, atmospheric pressure micro plasma and is finally detected by a mass spectrometer. Different analyte classes are investigated to evaluate the method, ranging from analytical standards to complex samples. These insights are extended to an automated imaging of biological tissue, which requires an adaption of the substrate design. The inherent laser-based and thermal surface effects are intensively studied and optimized to the imaging. As a result, the imaging of biological samples is simplified, faster and can be carried out in ambient air without the need of a chemical matrix, which can be applied to routine analysis in life sciences. The limits of the method are finally evaluated.Item Emissionsspektroskopische Diagnostik an Mikroplasmen zur Analyse von gasförmigen und flüssigen Proben(2018) Krähling, Tobias; Franzke, Joachim; Bayer, ManfredFür miniaturisierte Analysesysteme stellen Mikroplasmen eine effiziente Anregungs- oder Ionisierungsmethode dar. Eine Charakterisierung der Plasmaeigenschaften sowie eine Aufklärung der plasmachemischen Prozesse und Mechanismen sind hierfür unerlässlich. In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften von Mikrohohlkathodenentladungen (MHCD) für die Analyse von gasförmigen und ein Mikroplasma mit flüssiger Elektrode (LE-DBD) für die Analyse von flüssigen Proben mittels emissionsspektroskopischer Methoden untersucht. Bei den MHCDs sind die OH- und N2+-Rotationstemperaturen für verschiedene Typen von MHCDs unter Variation der Betriebsspannung und Helium-Gasfluss bestimmt worden, die einen Rückschluss auf die Gastemperatur ermöglichen. Die über Starkverbreiterung abgeschätzten Elektronendichten liegen im Bereich von (0,6 - 3,5) × 1015 cm−3. Über eine Betrachtung von Linienverhältnissen des Singulett- und Triplettsystems von Helium sowie der Gastemperatur und Elektronendichte werden die Auswirkungen auf den Einsatz als Analysesystem diskutiert und Empfehlungen für die Wahl des MHCD-Typs bei spezifischen Fragestellungen gegeben. Für das LE-DBD wird über die Bestimmung des Detektionslimits von 23 Elementen gezeigt, dass sich dieses System für eine große Anzahl an Elementen als Nachweissystem einsetzten lässt. Die erreichbaren Detektionslimits liegen im Bereich von 16 µg L−1 für Li und 41 mg L−1 für Bi. Zeitaufgelöste Messungen der Anregungstemperatur von Wasserstoff zeigen, dass das LE DBD ein inhärent dynamisches System darstellt, dass innerhalb einer Brennphase keinen statischen Zustand erreicht. Durch Emissionsspektroskopie einer Lanthanlösung kann der Mechanismus zum Transfer der flüssigen Elektrode ins Plasma aufgeklärt werden. Dieser setzt sich aus thermischer Verdampfung sowie einem elektrosprayartigen Prozess zusammen. Eine Abschätzung der Elektronendichte und -temperatur erfolgt über Starkverbreiterung von Sr Linien und ergibt einen Bereich von (0,8 − 1,6) × 1016 cm−3 für die Elektronendichte und eine untere Grenze für die Elektronentemperatur von 1,1 eV. Die Untersuchung der OH Rotationsdistribution zeigt, dass sich diese durch zwei Boltzmann-Verteilungen mit unterschiedlichen Temperaturen beschreiben lässt. Während die »normale« Rotationsverteilung durch dissoziative Prozesse von neutralem Wasser beim Stoß mit Elektronen bestimmt wird, beeinflusst die elektrosprayartige Komponente wesentlich die durch dissoziative Rekombination von H3O+ und H2O+ hervorgerufene »abnormale« Rotationsverteilung.Item Optimierung, Charakterisierung und Anwendung der Dielectric Barrier Discharge Ionisation Source(2014-02-06) Müller, Saskia; Franzke, Joachim; Suter, DieterItem Absolute Elementbestimmung von Nanopartikeln durch ICP-Spektrometrie und Untersuchung der Plasma-Partikel-Wechselwirkung(2012-07-12) Groh, Sebastian; Niemax, Kay; Weis, ThomasEs konnte gezeigt werden, dass eine Elementmassenbestimmung von Partikeln durch ICP-spektrometrische Methoden grundsätzlich möglich ist. Neben der Anwendbarkeit der ICP-Massenspektrometrie konnte in optischspektrometrischen Messungen die Kalibration mit Hilfe von monodispersen Lösungstropfen im Mikrometerbereich demonstriert werden. Dabei war es auch möglich, bei hinreichend großem Signal-Rausch-Verhältnis, die Breite der Massenverteilungen von Partikelproben zu messen. Als Grundlage für die Optimierung der Methode, d.h. insbesondere zur Verbesserung der Detektionseffizienz der Massenspektrometrie, mit dem Ziel der Analyse von Nanopartikeln bis zu einer Größe von 10 nm, wurden Untersuchungen der Atomisierung, der Ionisation und der Diffusion im ICP durchgeführt. Dabei wurden überraschend große Abhängigkeiten vom Transportgasfluss und den Eigenschaften der Probe, d.h. der Tropfengröße und der Analytmasse, festgestellt. Aus der Kombination von Injektordurchmesser und Volumengasfluss resultieren bestimmte Bedingungen im Plasma bezüglich der Verteilung von Strömungsgeschwindigkeiten und -richtungen, und gleichzeitig der Temperatur. Änderungen dieser Parameter haben zum einen eine Veränderung der Temperatur im Zentralkanal des ICP zur Folge. Zum anderen verändert sich durch Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit auch die Wechselwirkungszeit der Probe mit dem heißen Bereich des Plasmas. Darüber hinaus führt die energieaufwendige Verdampfung des Wassers aus dem Tropfen ebenso wie die Atomisierung der Analytmasse zu einer starken lokalen Kühlung des Plasmas. Eine Erhöhung des Transportgasflusses, der Tropfengröße und der Analytmasse führt durch die Verringerung der Temperatur jeweils dazu, dass die Analytatomisierung verzögert einsetzt und ihr Einsatzpunkt damit tiefer ins ICP verschoben wird. Ein späterer Beginn der Atomisierung hat zur Folge, dass die expandierende Analytwolke an einer vorgegebenen Position im ICP einen vergleichsweise kleineren Durchmesser hat. Die Sammlungseffizienz mit einem fest positionierten Sampler eines Massenspektrometers erhöht sich somit deutlich durch die verzögert einsetzende Atomisierung der Probe. Unterschiede in der Diffusionsrate verschiedener Elemente haben einen ähnlichen Effekt. An einer bestimmten Position erreicht die Wolke eines schwereren Elements infolge der geringeren Diffusionsrate einen kleineren Durchmesser als die Wolken leichterer Elemente. Ohne Berücksichtigung, bzw. Kenntnis dieser Effekte führen sie zu systematischen Fehlern in analytischen Messungen. Zudem muss die Atomisation des Analyten vor dem Erreichen des Samplers abgeschlossen sein, und Ionisation und Rekombination müssen einen Gleichgewichtszustand erreicht haben. Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ist als Verfahren zur Elementmassenbestimmung von Partikeln prinzipiell anwendbar. Die Methode ist jedoch gegenüber der ICP-Spektrometrie, insbesondere der nachweisstarken ICP-MS, in ihrer Genauigkeit und Richtigkeit eingeschränkt. Die erreichbaren Nachweisgrenzen liegen erwartungsgemäß deutlich über den ICPspektrometrisch bestimmten. LIBS bietet jedoch den Vorteil einer vergleichsweise einfachen Versuchsanordnung und der Möglichkeit Fernanalysen („Tele-LIBS“) durchzuführen [61,62]. So eignet sich die Methode beispielsweise dazu schnelle, semi-quantitative Analysen in der Industrie bei laufendem Betrieb durchzuführen. AlsMonitoring- Anwendung lässt sich der Laserstrahl etwa in den Aerosolstrom einer Abgasanlage fokussieren und die spektrale Emission aus der Ferne messen. Aufwendige Verfahren zur Probennahme vor der Zuführung zu einem ICP-OESoder ICP-MS-System entfallen damit. Die analytischen Aussagen, die sich mit Hilfe der ICP-Spektrometrie und LIBS über Nanopartikel machen lassen, sind auf die Elementzusammensetzung und die Masse der Partikel limitiert. Zur vollständigen Charakterisierung von Partikeln müssen die Methoden mit weiteren Techniken, etwa zur Erfassung der Form und Oberflächenbeschaffenheit, kombiniert werden.Item Nanoscale Tip-enhanced Raman Scattering (TERS) for biomolecular analyses(2009-07-07T10:25:16Z) Bailo, Elena; Deckert, Volker; Rehage, HeinzItem Entwicklung markerfreier Oberflächen-Analysemethoden(2008-09-08T10:54:36Z) Budich, Christian; Deckert, Volker; Niemeyer, C.Alle Arten von Lebewesen werden von einer Schicht umgeben, die sie vor Umwelteinflüssen schützt. Ähnlich der Epidermis von Pflanzen und Tieren besitzen auch Mikroorganismen eine Hülle, die Zellwand. Diese Hülle dient jedoch nicht nur dem Schutz des Organismus, sondern stellt auch eine Möglichkeit zur Kommunikation mit der Umwelt dar. So können Stoffe ausgetauscht und Umweltfaktoren analysiert werden. Eine wichtige Rolle hierbei spielen Proteine, da sie als Schaltstelle zwischen der Zelle und der Umwelt wirken. In den Lebenswissenschaften und der klinischen Diagnostik sind die Mechanismen solcher Wechselwirkungen auf molekularer Ebene von großem Interesse. Die Analyse dieser membrangebundenen Proteine gestaltet sich jedoch schwierig, da sie nur sehr schwer aus der Membran herausgetrennt werden könne. Es bedarf also Methoden, die eine chemische Analyse innerhalb der Membran mit hoher Ortsauflösung erlaubt. In dieser Arbeit werden zwei solcher Methoden vorgestellt werden. Mit einer Kombination aus Kraftspektroskopie und chemometrischen Analyseverfahren (Hauptkomponentenanalyse, Clusteranalyse) konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass es möglich ist, unterschiedliche Materialien nur aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften voneinander zu unterscheiden. Dies gelang sowohl an einem Modellsystem aus zwei Komponenten, als auch an einem komplexen System aus drei unterschiedlichen Komponenten. Die zweite Methode kombiniert die hohe Ortsauflösung eines Rasterkraftmikroskops (AFM) mit der chemischen Information aus der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie anhand von Messungen auf dem Bakterium Staphylococcus epidermidis. Es konnte mit einer Auflösung von unter 20 nm Spektren aufgenommen werden, die unterschiedliche Bestandteile der bakteriellen Zellwand wie Lipide, Proteine und Kohlenhydrate repräsentieren.Item Totalreflexions-Röntgenfluoreszenz an partikelförmigen Feststoffen(2007-12-14T09:53:48Z) Bohlen, Alex von; Niemax, K.; Tolan, M.Item Solid sample analysis by ICP-spectrometry with femtosecond laser ablation and online flow digestion(2005-07-28T11:34:24Z) Bian, Qunzhou; Niemax, K.; Suter, D.