New strategies for quantifying trace elements in challenging liquid samples by means of inductively coupled plasma-mass spectrometry and -optical emission spectrometry

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurden neue Methoden entwickelt, die die Messung von Spurenelementen in herausfordernden flüssigen Proben wie beispielsweise Vollblut oder Fermentationsmedien mittels induktiv gekoppeltem Plasma mit optischer Emissionsspektrometrie (ICP-OES) und Massenspektrometrie (ICP-MS) erlauben. Herausfordernde flüssige Proben können zu den folgenden Problemen bei herkömmlicher ICP-OES oder ICP-MS Messung führen: 1. Unspezifische Matrix-Effekte können auftreten, wenn flüssige Proben beispielsweise hohe Konzentrationen an gelösten organischen oder anorganischen Bestandteilen enthalten, oder wenn sie sich deutlich von gewöhnlichem Wasser hinsichtlich Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung, oder Säuregehalt unterscheiden. 2. Die Proben können Bestandteile enthalten, die zu spektralen Interferenzen führen. Das ist insbesondere von großer Bedeutung in der Spurenanalytik mittels ICP-MS. 3. Die Konzentrationen der Analyten können zu niedrig für eine vernünftige Quantifizierung sein. Als alternative Probeneintrags-Methode wurde daher die Methode der -dried droplet Laser Ablation- optimiert und angewendet. Dabei wird ein Tropfen der flüssigen Probe eingetrocknet und mittels Laser Ablation ins ICP gebracht. Dabei werden die oben erwähnten unspezifischen Matrix-Effekte deutlich verringert. -Dispersed particle extraction- wurde entwickelt, um Analyten aus flüssigen Proben selektiv zu extrahieren und anzureichern. Diese Methode beruht auf herkömmlicher Festphasenextraktion, vermeidet aber einige Nachteile dieser etablierten Methode (beispielsweise das Eluieren der Analyten, Memory-Effekte, Alterung des Sorbensmaterials). Mit -dispersed particle extraction- lassen sich Probenbestandteile entfernen, die zu spektralen Interferenzen führen können. Schlussendlich wurden beide Methoden (dried droplet Laser Ablation und dispersed particle extraction) kombiniert, um zusätzliche Vorteile wie bessere Sensitivität und höhere Toleranz gegenüber gelösten Feststoffen während der Messung auszunutzen.

Inductively coupled plasmas (ICPs) are widely and routinely used in the quantification of element concentrations in liquid samples and solutions. The combination of ICP with optical emission spectrometry (ICP-OES) is the older and more rugged technique, however, its sensitivity is often not sufficient in case of (ultra-)trace element quantification. Compared to ICP-OES, ICP-mass spectrometry (ICP-MS) offers superior sensitivity, but is inherently more prone to matrix effects. Although ICP-OES and ICP-MS are well-established in routine-laboratories, the accuracy of analysis using a conventional instrumental set-up can be hampered due to the following reasons: matrix effects due to sample properties, and insufficient selectivity and/or sensitivity. In the doctoral thesis new strategies are presented which were developed to tackle those challenges.