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Implementierung einer Bismut-Cluster-Primärionenquelle für analytische Anwendungen in der Laser-Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie

Im Rahmen dieser Arbeit wurde für analytische Anwendungen der Laser-Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie (Laser-SNMS) eine Bismutcluster-Primärionenquelle in eine Laser-SNMS Apparatur implementiert und auf Silber als atomares Probensystem sowie auf verschiedene molekulare Probensysteme (Pyren, Aminosäuren, Gramicidin) angewendet. Hierbei stand die Untersuchung des Einflusses von monoatomarem Bismut sowie polyatomaren Bismutclustern auf das Laser-SNMS-Signal im Vordergrund. Weiterhin wurden der Einfluss der Primärionenpulslänge sowie der zeitlichen Abstimmung zwischen Primärionenpuls und Laserpuls auf das Laser-SNMS-Signal untersucht. Es zeigte sich, dass die Verwendung von polyatomaren Primärionen die Nachweiswahrscheinlichkeit sowohl für das Element Silber als auch die betrachteten Moleküle stark erhöhte. Des Weiteren konnte die hohe Sensitivität der Bismut-Laser-SNMS für den Nachweis von Silbernanopartikeln innerhalb von Makrophagen in Form einer 3D-Analyse ausgenutzt werden.

Titel: Implementierung einer Bismut-Cluster-Primärionenquelle für analytische Anwendungen in der Laser-Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie
Verfasser: Galla, Sebastian GND
Gutachter: Arlinghaus, Heinrich Franz GND
Organisation: FB 11: Physik
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 2014
Publikation in MIAMI: 27.05.2015
Datum der letzten Änderung: 27.07.2015
Schlagwörter: Laser-SNMS; polyatomar; Bismut; Photofragmentierung; Lasernachionisierung; Primärionenquelle
Fachgebiete: Physik
Sprache: Deutsch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-19259632626
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-19259632626
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Inhalt:
1 Einleitung 1
2 Theoretische Grundlagen 4
2.1 Ioneninduzierte Zerstäubung und Ionisierung . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Single-Knock-On Mechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Lineare Stoßkaskade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Thermal-Spike Mechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4 Energie- und Winkelverteilung desorbierter Sekundärteilchen . 13
2.1.5 Fragmentierung molekularer Substanzen durch den Zerstäubungsprozess
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.6 Intrinsische Ionisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Photoionisierungsprozesse zerstäubter Neutralteilchen . . . . . . . . . 17
2.2.1 Nichtresonante Photoionisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1.1 Einphotonenionisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1.2 Nichtresonante Multiphotonenionisierung . . . . . . . 20
2.2.2 Resonante Multiphotonenionisierung . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3 Feldionisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3.1 Tunnelionisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3.2 Over-The-Barrier-Ionisierung . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Photoionisierung organischer Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Photoabsorption organischer Moleküle . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 Photoinduzierte intramolekulare Prozesse . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Multiphotonenionisierung und Fragmentierung . . . . . . . . . 30
2.4 Grundlagen der Flugzeitmassenspektrometrie . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1 Das Flugzeitprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.2 Quantitative Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5 Raum-Zeit-Verteilung zerstäubter Neutralteilchen . . . . . . . . . . . . 39
2.5.1 Atomare Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.2 Molekulare Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6 Anwendung der Laser-SNMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.1 Primärionenpulslänge und Extraktionsdelay . . . . . . . . . . . 48
2.6.2 Bestrahlungsstärke und Wellenlänge . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.3 Primärionenspezies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Experimenteller Aufbau 51
3.1 Aufbau der Analyseapparatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 Primärionenquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.1 Gallium–Flüssigmetallionenquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.2 Bismut–Flüssigmetallionenquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Lasersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.1 UV-Excimer Lasersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.2 VUV-Excimer Lasersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Flugzeitanalysator und Registrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5 Analysezyklus in der Laser-SNMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4 Probensystem und Präparation 64
4.1 Silber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2 Pyren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3 Aminosäuren und Peptide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.1 Aminosäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.2 Peptide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3.3 Gramicidin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4 Nanopartikel und Zellsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5 Präparationsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.5.1 Präparation Siliziumwafer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5.2 Sprayverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5.3 Tropfenmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.4 Hochvakuumgefrierbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Ansteuerung und Anwendung der Bismutquelle bei der Laser-SNMS 79
5.1 Aufbau und Funktion der Bismutquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 Implementierung und Ansteuerung der Bismutquelle . . . . . . . . . . 85
5.3 Bestimmung des Auftreffzeitpunktes der Primärionen auf der Oberfläche 88
5.4 Einstellung des Massenfilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5 Einstellungen bei Verlängerung der Primärionenpulse . . . . . . . . . . 92
5.5.1 Bestimmung der Pulszusammensetzung . . . . . . . . . . . . . 94
5.5.2 Stromanteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5.3 Beschreibung der Anteile am Gesamtpuls . . . . . . . . . . . . 98
5.6 Abhängigkeit des Stromes von der Pulslänge . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.7 Überprüfung und Einstellung der Bismutquelle anhand von Flugzeitverteilungen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6 Ergebnisse und Diskussion 104
6.1 Anwendung der Bismut-Laser-SNMS auf das monoelementare Probensystem
Silber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.1.1 Einfluss polyatomarer Primärionen . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.1.2 Einfluss der Wellenlänge und Bestrahlungsstärke . . . . . . . . 108
6.1.3 Einfluss der Primärionenpulslänge . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2 Anwendung der Bismut-Laser-SNMS auf das molekulare ProbensystemPyren
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.1 Charakterisierung des Probensystems . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2.1.1 Charakteristische Signale des Pyrens . . . . . . . . . . 117
6.2.1.2 Experimentelle Randbedingungen . . . . . . . . . . . 121
6.2.2 Einfluss der Primärionenspezies bei kurzen Primärionenpulsen 124
6.2.2.1 Flugzeitverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.2.2.2 Yieldvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.2.3 Optimierung des Laser-SNMS-Signals des Pyrens . . . . . . . . 128
6.2.3.1 Einfluss der Primärionenpulslänge und der Pulszusammensetzung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.3.2 Yieldvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.3.3 Einfluss der Bestrahlungsstärke . . . . . . . . . . . . . 136
6.2.3.4 Einfluss der Wellenlänge . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3 Gleichzeitiger Nachweis von Elementen und Molekülen . . . . . . . . 141
6.4 Nanopartikel und Zellsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.4.1 Voruntersuchungen an Aminosäuren . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.4.2 Voruntersuchungen an Gramicidin . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4.2.1 Gramicidin in Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke . 152
6.4.2.2 Gramicidin in Abhängigkeit des Extraktionsdelays . . 153
6.4.2.3 Fragmentyields des Gramicidins in Abhängigkeit der
Primärionenspezies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.4.3 Untersuchungen an Silbernanopartikeln in Lösung . . . . . . . 157
6.4.4 Untersuchungen an mit Silbernanopartikeln behandelten Makrophagen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.4.4.1 Experimentelle Randbedingungen für die Analyse von
hydratisiert gefrorenen Makrophagen . . . . . . . . . 159
6.4.4.2 Charakteristische Signale biologischer Zellen . . . . . 160
6.4.4.3 3D-Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7 Zusammenfassung und Ausblick 166
8 Summary and Outlook 171
Literaturverzeichnis 174
Abbildungsverzeichnis 185
Tabellenverzeichnis 196