Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.The objective of this work was the development of an alternative mechanism for the introduction of liquid samples in mass spectrometry. Although many efforts to enhance pneumatic nebulization were described in the past, it is still considered the Achilles' heel in liquid sample introduction for inorganic mass spectrometry. To match the requirements of the inductively coupled plasma (ICP), the typical broad dropletsize distribution of pneumatically generated aerosols has to be optimized. Especially the requirement for the combination of low-flow separation techiques like capillary electrophoresis with elemental mass spectrometry comes close to what is technically feasible. Here, the ability to produce an aerosol with a very narrow droplet size distribution or even monodisperse droplets could help to overcome the bottle neck of liquid sample introduction. One goal of this work is to introduce droplets, which are thermally produced by the same principles used in a thermal inkjet printhead, into ionization sources utilized in mass spectrometry. So far, the thermal inkjet principle has been used in analytical chemistry for both the coating of surfaces and for sample deposition onto solid surfaces for x-ray fluorescence analysis and laserablation in combination with mass spectrometry. An electronic microcontroller has been developed for the stand-alone continuous operation of a dosing device based on a modified thermal inkjet. No hardware or software is needed to access and independently control the important parameters for droplet ejection. This dosing device, the “drop on demand” aerosolgenerator (DOD), was mounted on top of an aerosol transport chamber to guide the droplets into an ionization source. The aerosol generator was coupled to an autosampler and sensitivity for the combination with ICP-MS was determined for up to 53 single elements as well as analytical figures of merit for 15 elements. However, the comparison of the two systems with regard to other analytical figures of merit, e.g. limit of detection (LOD) and backgroundequvialent concentration (BEC), shows no clear trend to favor one system. The potential of the DOD as a liquid sample introduction system is clearly demonstrated by the superior sensitivity compared to most commercial nebulizer-spray chamber combinations. Also, a few µL of sample are sufficient for replicate measurements. The convenient use of the new DOD system was established by the combination with a miniaturized flow injection technique as well as with miniaturized separation techniques like µHPLC. The flow injection analysis was validated by analyzing a certified reference material and a good agreement within the certified values was achieved. The constructed interface was suitable to observe transient signals, when a µHPLC was combined via the DOD with an ICP-MS but signals are affected by a still existing dead volume within the interface . To summarize, the interface should be optimized with regard to the dead volume, preferably an independent and self-constructed design of a dosing device should be developed. The versatility of the DOD sample introduction system was demonstrated by combining it with another ionization source, the flowing atmospheric-pressure afterglow (FAPA), a relatively new atmospheric-pressure desroption/ionization source for organic mass spectrometry. Up to date, liquid samples could be analyzed through FAPA-MS, with limited precision due to irreproducible sample positioning, in the form of dried residues and thus through or desorbing analytes directly from the surface. Utilizing the DOD aerosolgenerator, liquids can be introduced directly into the desorption/ionization zone of the source and linear calibration plots for different organic molecules could be constructed. LODs in pure solvent solutions containing illicit drugs and their metabolites, as well as drugs of abuse and a mimic for an explosive were determined. Real samples (raw urine) spiked with drugs and their metabolites could be analyzed without any sample pretreatment. Compared to LODs of the established liquid sample analysis procedure the use of the new sample introduction system improved the LODs. This is noteworthy, since no internal or isotopically labeled standards and no complicated mass spectrometric methods such as MS/MS have been used. So far, the pin-to-plate FAPA has been used in the experiments. To increase the vaporization efficiency of the liquid and the desorption of the analytes within the afterglow zone of the ionization source, a new discharge geometry was constructed. The new geometry consists of two concentric electrodes, resulting in a ring-shaped discharge. Consequently, the new discharge has been named ”halo-FAPA” (h-FAPA) and a basic physical and spectroscopic characterization revealed that it is indeed a FAPA desorption/ionization source. The central channel can be used, analogue to an ICP, to introduce samples into the afterglow zone