Advanced applications of time-of-flight secondary ion mass spectrometry for high resolution elemental imaging analysis

Abstract

Imaging Massenspektrometrie (IMS) ist ein sich ständig entwickelndes Feld der analytischen Chemie und hat vielseitige Anwendungsmöglichkeiten. Unter vielen anderen Imaging- techniken, stellt die Flugzeit Sekundärionen Massenspektrometrie (ToF-SIMS) eine sehr vielversprechende Methode dar, welche hochspezifische Element- und Molekülanalytik mit einer lateralen Auflösung im Nanometerbereich ermöglicht. Neue Entwicklungen von Massenanalysatoren, die über einen erweiterten dynamischen Bereich verfügen und dadurch ermöglichen, dass sowohl sehr schwache als auch sehr starke Signalintensitäten detektiert werden können,. Mit diesen modernen Analysatoren sind Massenauflösungen von m/Δm = 10000 erreichbar. Ein State-of-the-Art Instrument ist üblicherweise mit einer 30 keV Bismut Primärionenquelle und einer Argon Clusterquelle für ein sanftes Sputtern ausgestattet. Clusterionen haben eine niedrigere Energie pro Atom und eine geringere Geschwindigkeit als die monoatomare Spezies mit vergleichbarer Gesamtenergie. Dadurch bleiben labile Moleküle besser erhalten und lassen sich effizienter mit geringerer Fragmentierung desorbieren [1, 2]. Mit solchen Massenspektrometern ist es möglich in hochaufgelöster Art und Weise Molekülverteilungen mit Massen bis tausend Dalton in Kombination mit einer lateralen Auflösung von weniger als 100 nm aufzunehmen [3, 4]. ToF-SIMS ist in dieser Hinsicht eine leistungsfähige Technik, jedoch ist sie von starker Matrixabhängigkeit geprägt, wodurch die Robustheit beeinflusst wird. Bei Spurenelementen mit einer Konzentration von bis zu 1 %, ist das Signal-Konzentration-Verhältnis üblicherweise linear, jedoch ist eine solche Linearität für Hauptkomponenten nicht gegeben und erschwert dadurch eine erfolgreiche Quantifizierung. Durch einen relativ hohen Energieeintrag spricht man nicht mehr von einer weichen Ionisationstechnik, was die Charakterisierung von organischen und biologischen Molekülen in vielen Fällen nur über die korrekte Interpretation der gebildeten Fragmentionen ermöglicht. Neben SIMS ist Matrix-Assisted Laser Desoprtion/Ionisation (MALDI) eine zweite, fest etablierte Methode, die es ermöglicht große, intakte Biomoleküle (z.B. Peptide, Proteine) mittels Massenspektrometrie zu analysieren [5]. Jedoch ist MALDI Imaging üblicherweise auf 10 - 15 μm laterale Auflösung limitiert. Durch das Kombinieren unterschiedlicher Techniken wie MALDI, LA-ICP-MS oder XRF können alle Vorteile geschickt kombiniert werden, worunter multimodales Imaging verstanden wird. Die Anwendungen reichen von anorganischer Oberflächenanalytik, Materialwissenschaft über Geochemie und Umweltanalytik bis hin zu organischen und bioanalytischen Fragestellungen [6-8]. Im Rahmen dieser Doktorarbeit konnte die laterale Verteilung des Antiangiogenese-Inhibitors Sunitinib, in Tumorgewebeschnitten mit einer Auflösung von 200 nm dargestellt werden. Für die Detektion des Krebsmedikaments war der Fokus auf das Target-Ion Fluorid gerichtet. Für die Untersuchung von Hypoxie wurde die Verteilung von Sauerstoff herangezogen. Die ToF- SIMS Bilder wurden mit histologischen Färbungen verglichen und konnten der Subdomänen der Gewebestrukturen der Gewebeschnitte zugeordnet werden. Der zweiter Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit dem Korrosionsverhalten von Kupfer/Metall Systemen, wenn Korrosionsinhibitoren verwendet werden. Es wurde gezeigt, dass verstärkt Kupfersulfid am Interface gebildet wird, wenn der schwefelhaltige Korrosionsinhibitor höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Neben ToF-SIMS Analysen wurde auch eine TEM Lamelle präpariert und XRD Messungen an Pulvern durchgeführt um den Mechanismus genauer zu verstehen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass es zu einer katalytisch getriebenen Zersetzung des Inhibitors kommt (Reaktion an Palladium zu Pd3S und Pd4S). Das führt zu einer schlechten Ausbildung der Korrosionsschutzschicht und zu einer vermehrten CuS Bildung am Interface. Die verstärkte Zersetzungsreaktion des Inhibitors am Cu/Pd Interface führt zum Freisetzen von elementarem und molekularem Schwefel und dadurch zu vermehrter Bildung von Kupfersulfid. Zusätzlich wurden Datensätze für einen Multisensor Imaging Ansatz bereitgestellt, mit dem Ziel die Chemometrie von Raman, SEM (EDX) und SIMS Bildern zu kombinieren. Nachdem die Methode erfolgreich an einer Beispielprobe gezeigt wurde, konnte die Technik auf komplexe Datensätze von Tumorzellen, Hochleistungskeramik und Aerosolproben angewendet werden.

Imaging mass spectrometry (IMS) is a constantly evolving area in analytical chemistry and has applications in various fields of research. Among others, Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) is a very promising technique with highly specific elemental and molecular imaging capacities at a nanometre spatial resolution. New developments of mass analysers even expanded the dynamic range, by inhibiting the detector from saturation with a typical mass resolution of m/Δm = 10000. A state-of-the-art experimental setup consists of a 30 keV bismuth Liquid Metal Ion Gun (LMIG) as well as an argon cluster gun for soft sputtering. Clusters have a lower energy per atom as well as a lower velocity than monoatomic species with the same total energy. Thus, labile molecules can be more efficiently desorbed and less fragmentation is observed compared to single atomic ion beams [1, 2]. It is possible to obtain highly resolved images of molecular species with molecular weights up to a thousand dalton and a lateral resolution of less than 100 nm [3, 4]. Even though ToF-SIMS is a very powerful method, the analysis is determined by a strong matrix dependency, which has an influence on the robustness of the technique. For trace elements, up to mass fraction of one percent, a linear signal-to-concentration aratio can be assumed, but for major components a nonlinear sensitivity exists, which makes quantification complicated. Additionally, since ToF- SIMS does not belong to the soft ionisation techniques, the identification of organic and biological molecules is in the most cases only possible by the correct interpretation and assignment of small fragments. Besides SIMS, matrix-assisted laser desorption/ionisation (MALDI) is a second, well- established method, which enables the analysis of intact, large biomolecules (e.g., peptides, proteins) [5]. However, in MALDI imaging, the spatial resolution is usually limited to ~ 10 - 15 μm. The combination of different techniques (modalities), such as MALDI, LA- ICP-MS and XRF, paves the way for new multimodal imaging techniques, where all capabilities will be perceived. Therefore, it was intended to assess all possibilities of multimodal imaging (optical, molecular and elemental) in several fields of applications, ranging from inorganic surface analysis and material science via geochemistry and environmental applications through to organic and biochemical studies [6-8]. In this thesis we succeeded to show the distribution of the antiangiogenic anti-cancer drug sunitinib in tumour tissues with a spatial resolution of 200 nm by ToF-SIMS. The analysis awith the focus on fluoride, as a suitable target ion for the localisation of sunitinib, and on oxygen, for the investigation of hypoxia, allows concluding that their distributions are linked to the histological sub-domains of the tumour tissue.Furthermore, the corrosion inhibition of copper, while in contact with other metals was studied. It was shown that especially in combination with palladium, copper leads to an increased formation of copper sulphide stemming from the used sulphur containing corrosion inhibitors. We used ToF-SIMS as well as the EDS analysis of a TEM lamella prepared from the interface region. Pd catalyses the decomposition of the corrosion inhibitor by reacting to Pd3S and Pd4S, which was shown by XRD. The breakup of the molecule inhibits the formation of a functional protection layer of copper on the interface samples. The increased decomposition of the corrosion inhibitor at the Cu/Pd interface leads to the release of elemental and molecular sulphur and causes a subsequent CuS formation. Additionally, we provided ToF-SIMS data for a multi-sensor imaging approach to combine Raman, SEM (EDX) and SIMS images of treated tumour cells, technical ceramics and aerosol samples by chemometrics techniques for a comprehensive analysis.