3 Ergebnisse u. Diskussion

3.1 Methodenentwicklung

3.1.1 Einführung

Bei der Entwicklung einer Methode für die LA-ICP-MS kann eine Vielzahl von gerätetechnischen Einstellungen variiert werden. Die Leistungsfähigkeit der Laserablation hinsichtlich des Materialabtrags von Feststoffen wird im wesentlichen durch die Wellenlänge des verwendeten Lasers, die Frequenz der Laserpulse, die Laserleistung sowie den Betriebsmodus (Q-switched oder free-running) charakterisiert. Weiterhin spielen die Anzahl der Schüsse je Krater und die Datenaufnahme des Massenspektrometers (transient oder kontinuierlich) eine Rolle. Die Optimierung einer analytischen Laserablation-Methode erfolgt letztlich durch die Variation der Laserparameter Wellenlänge, Pulsenergie und Pulslänge [57]. Bei den durchgeführten Untersuchungen wurden zwei Wellenlängen gewählt, die sowohl die energiereiche, "heiße" Ablation (λ = 1064 nm) wie auch die energiereiche, "kalte" Ablation (λ = 266 nm) repräsentieren. Die Pulslänge von t = 10 ns wurde über alle Meßzyklen hinweg unverändert beibehalten. Zur Optimierung der Methode wurde lediglich die Pulsenergie variiert mit dem Ziel, stabile Signalverläufe zu erhalten.

3.1.2 Validierungsumfang

Allgemein kann Validierung als dokumentierter Nachweis der Eignung für eine bestimmte Aufgabenstellung angesehen werden [84]. Eine Reihe von Publikationen hat sich mit Begrifflichkeiten und praktischen Konzepten der Validierung beschäftigt. Die Konzepte befassen sich mit den verschiedensten analytischen Fragestellungen bis hin zur [Seite 40↓]Validierung computergestützter Systeme [85, 86, 87, 88, 89, 90, 91]. Im folgenden wird Validierung ausschließlich für das vorgestellte analytische Prüfverfahren diskutiert. Hierbei ergibt sich die Eignung des geprüften Verfahrens für die Aufgabenstellung aus dem Ziel der Prüfungen, Glassorten voneinander zu unterscheiden und deren Qualität zu beurteilen. Bei der Bewertung des Verfahrens hilft der Vergleich der Ergebnisse mit denen eines etablierten Verfahrens und den zertifizierten Referenzwerten.

Wird Validierung auf ein Analyseninstrument, z.B. ein Massenspektrometer, bezogen, sollte besser der Begriff der Qualifizierung verwendet werden. Qualifizierte Geräte sind essentielle Voraussetzungen für die Durchführung einer Validierung. Eine gute Methode kann nur mit einem "guten" Gerät "gute" Ergebnisse liefern. Die Meßpräzision muß bekannt sein. Die Überprüfung des Meßgeräts gehört somit zur Methodenvalidierung [92].

Validierung analytischer Prüfverfahren sollte als Teil eines umfassenden Konzepts zur Sicherung der Qualität, Wirksamkeit und Sicherheit von Arzneimitteln betrachtet werden. Über die formalen Anforderungen der Zulassung hinaus ist die Qualität und Zuverlässigkeit eines Prüfverfahrens für Arzneistoff, Hilfsstoff oder Packmittel gleichermaßen von entscheidender Bedeutung bei der Freigabe von Arzneimitteln.

Die ICH-Guidelines [82] definieren die Anforderungen an die Validierung analytischer Prüfverfahren als Teil der Zulassungsunterlagen. Im Einzelfall obliegt es der Verantwortung des Analytikers, für das konkrete Prüfverfahren ein sinnvolles Validierungsdesign und insbesondere Bewertungskriterien der zu bestimmenden Validierungsparameter festzulegen.

Im Fall der Prüfung von Packmaterial wurde das gesamte Prüfverfahren inklusive Probenvorbereitung betrachtet. Im einzelnen wurden folgende Validierungselemente geprüft:


[Seite 41↓]

3.1.3  Laserbetriebsart: Q-switched

Im Q-switched-Betrieb entwickelt der Laser eine extrem hohe Leistung bei nur sehr kurzer Pulsdauer. Infolge der enorm hohen Energiedichte dieser Laserpulse wird das Argongas direkt über der Probe ionisiert. Es bildet sich ein kleines Plasma direkt auf der Probenoberfläche. Sobald sich dieses Miniplasma entwickelt hat, schirmt es die Probenoberfläche gegen den direkten Laserbeschuß ab. Somit wird verhältnismäßig wenig Probenmaterial verdampft. Proben, die mit dieser Betriebsart analysiert werden, weisen in der Regel sehr flache, aber ausgedehnte und gleichmäßig runde Krater auf [93].

3.1.4 Laserbetriebsart: Free-running

Alternativ kann der Laser freilaufend (free-running) betrieben werden. Die Pulse sind weniger energiereich als Q-switched-Pulse und können daher kein Plasma an der Probenoberfläche induzieren. Die Probenoberfläche wird während der gesamten Beschußdauer direkt dem Laserstrahl ausgesetzt. Hierdurch wird die Probe lokal und auch in tiefere Schichten hinein wesentlich stärker erhitzt. Es resultieren tiefe Krater mit geringem Durchmesser, wobei wesentlich mehr Probenmaterial als im Q-switched-Betrieb verdampft wird. Glasproben sind bei Temperaturen von T > 1100 °C Schmelz- und Erweichungsvorgängen unterworfen [46], die zu einer Veränderung der Probenmatrix und deren Zusammensetzung führen können. Deshalb wurde im Hinblick auf die Präzision der Messungen der Q-switched-Betrieb gewählt.

3.1.5 Gerätequalifizierung

Unter Qualifizierung wird der Nachweis verstanden, daß Anlagen, Geräte oder Ausrüstungen für eine bestimmte Aufgabe geeignet sind [11, 94].

Die Qualifizierung läßt sich in 4 Phasen unterteilt:

  1. Designqualifizierung (design qualification, DQ)
  2. Installationsqualifizierung (installation qualification, IQ)
  3. Funktionsqualifizierung (operation qualification, OQ)
  4. Verfahrensqualifizierung (performance qualification, PQ)

Während sich die ersten drei Phasen auf die Planung, Lieferung und Erstinbetriebnahme von Anlagen oder Geräten beziehen, erfolgt die Verfahrensqualifizierung vor bzw. bei jedem Analysenablauf. Die Qualifizierung in dieser Phase stellt sicher, daß das Analysensystem weiterhin die gewünschten Anforderungen erfüllt. Von der Qualifizierung abzugrenzen sind Kalibrierung und Validierung. Die Kalibrierung stellt einen Vergleich der Meßdaten mit Standards dar, die Validierung ist der Nachweis, daß u.a. Verfahren, [Seite 42↓]Arbeitsgänge oder Systeme tatsächlich zu den erwarteten Ergebnissen führen [95]. Im Rahmen dieser Arbeit war demzufolge vor jedem Meßzyklus eine Verfahrensqualifizierung erforderlich.

3.1.6 Gerätequalifizierung des ICP-MS

Das Massenspektrometer wird mit gerätetypischen Parametern betrieben, die größtenteils vom Hersteller empfohlen werden oder als Erfahrungswerte aus praktischer Arbeit vorliegen, wie z.B. Gasfluß des Argons, RF-Power der Fackel, Detektor-Empfindlichkeit, Quadrupol-Einstellungen und einer Zahl weiterer Betriebsbedingungen. Unter anderem werden zur Sicherstellung der erforderlichen Geräteleistung der Untergrund bei m/z = 220, die Empfindlichkeit für 103Rh, 24Mg, 208Pb sowie das Verhältnis CeO+/Ce+ (≤ 0,03) und Ba++/Ba+ geprüft (≤ 0,03). Bei Bedarf wird eine Massenkalibration durchgeführt bzw. die Massenauflösung geprüft. Über Software werden die Ionenoptik, der Zerstäubergasfluß und der Detektor mit Analog- und Pulse-Counting-Teil optimiert. Diese im wesentlichen konstanten Bedingungen wurden vor jedem Meßzyklus überprüft und gegebenenfalls korrigiert (siehe auch: Kapitel 4, Meßgeräte, technische Daten).

3.1.7 Wahl der Laserparameter

Die bisher zur Laserablation von Glas angewandten Verfahren setzten vor allem Nd:YAG-Laser mit Wellenlängen von λ = 1064 nm und λ = 266 nm ein. Der Laser wurde bei der Basiswellenlänge von λ = 1064 nm überwiegend im Q-switched-Modus mit einer Wiederholrate zwischen F = 6 - 15 Hz betrieben. Die Pulsdauer lag zwischen P = 5 - 10 ns. Die resultierenden Krater hatten einen Durchmesser von 40 μm bis 1 mm, die Anzahl der Laserschüsse je Krater variierte von 40 - 800 [18, 27, 39, 96, 97, 98]. Weitaus seltener kamen Excimer-Laser zum Einsatz. Hier dominierten ArF-Laser mit einer Wellenlänge von λ = 193 nm und KrF-Laser (λ = 248 nm). Die Pulsdauer betrug P = 10 - 30 ns, die Wiederholrate F = 2 - 10 Hz [29, 99, 100].

Erst in den letzten Jahren wurde Glasmaterial zunehmend durch Nd:YAG-Laser mit der 4. Harmonischen (λ = 266 nm) ablatiert. Daneben kamen Excimer-Laser (λ = 193 nm) und Femtosekunden-Laser (Ti:Saphir-Laser, λ = 800 nm, P = 130 fs und Laser λ = 620 nm, P = 300 fs) und zum Einsatz. Gegenüber dem analytischen Ansatz, die jeweilige Glaszusammensetzung zu bestimmen, wurde verstärkt das Verhalten von Glas als Werkstoff bei der Materialbearbeitung untersucht [32, 33, 34, 37, 101, 102]. Darüber hinaus wurden Laser zur Herstellung von Nanometer-Glaspartikeln benutzt [103].

Die für die Arbeit entscheidenden variablen Parameter waren die Laserenergie, die Anzahl der Laserschüsse je Krater bzw. Meßzyklus und die Wellenlänge des Lasers. [Seite 43↓]Verschiedene Meßbedingungen wurden an verschiedenen Glassorten erprobt und zu einer Methode zusammengefaßt. Unter den gewählten Bedingungen der LA-ICP-MS wurden die Kalibrationen mit zertifizierten Glasstandards erstellt, die chemische Probenzusammensetzung bestimmt und die Ergebnisse beurteilt.

3.1.8 Vorbereitung von Laserablation-Messungen

Vor der Durchführung einer Serie von Ablations-Messungen wurde das Glasmaterial bei offener Probenkammer (Atmospärendruck) mit einigen Laserpulsen beschossen, um eine optimale Fokussierung zu ermitteln. Wie später gezeigt wird, läßt sich der Signalverlauf erheblich durch die gewählte Fokussierung beeinflussen. Auf dem Probentisch fixierte Glasproben ließen sich in μm-Schritten in x-, y- oder z-Richtung bewegen (ALAS-Software-Steuerung) und exakt positionieren [104]. Bei diesen Vorarbeiten wurde festgestellt, daß Ablation einer Glasoberfläche in einem engen Fokussierungsbereich stattfindet (siehe Kapitel 3.2.5.5). In der Regel wurde der Fokus auf ca. 1,5 mm über der Probenoberfläche eingestellt. Diese "Justierung" mußte grundsätzlich nach jedem Austausch des Probenmaterials wiederholt werden. Der unterschiedliche Materialdurchmesser der Proben verhinderte kontinuierliches Arbeiten ohne Nach-Fokussierung. Die Spanne des geprüften Glasmaterials reichte von dünnen 5-ml-Ampullen mit einer Wandstärke von max. 1,0 mm bis hin zu würfelförmig geschnittenen Referenzstandards mit einer Kantenlänge von 10,0 mm (Bleiglas, BCR).

3.1.9 Wahl der Aufschlußbedingungen

Die Meßbedingungen der Druck- und Säureaufschlüsse richteten sich nach Erfahrungswerten der Literatur [18, 105]. Der Verlust von Silizium als flüchtiges SiF4 durch Flußsäurebehandlung wurde dabei in Kauf genommen [6]. Eine alternative Aufschlußvariante bei Erhalt von Silizium bietet der Soda-Pottasche-Aufschluß [105, 106]. Dieses Verfahren wurde nicht angewendet, weil hierbei in nicht geschlossenen Systemen gearbeitet wird. Die Bedenken möglicher Kontaminationen durch Luft, Geräte, etc., die das Ergebnis der Prüfungen beeinflussen könnten, wogen schwerer als der Verzicht auf quantitative Silizium-Werte.

Für den Aufschluß von Gläsern, die Anteile von BaO oder PbO enthalten, wird der Zusatz von Perchlorsäure (HClO4) empfohlen [105]. Aus arbeitstechnischen Gründen im Umgang mit Gefahrstoffen (besondere Anforderungen u.a. an Laborabzüge) wurde auf die Verwendung von Perchlorsäure verzichtet.


[Seite 44↓]

3.2  Untersuchung von Gläsern mit LA-ICP-MS

3.2.1 Einführung

Laserablation zur Untersuchung von Glas wird seit Anfang der 90er Jahre mit verschiedenen Kopplungen eingesetzt [20]. Problematisch sind dabei vor allem die Ablation transparenten Materials mit Laserplasmen und die Kalibrierung der Verfahren. Die am häufigsten zur Prüfung eingesetzte Glasart ist Kalk-Natron-Glas, das z.B. als NIST-Standardglas 610 - 618 zur Kalibration benutzt werden kann. Dieses läßt sich sowohl bei mit langwelligen Laserpulsen von λ = 1064 nm als auch mit kürzeren Wellenlängen (λ < 300 nm) gut ablatieren [18, 36, 96, 98, 107, 108]. Zur Laserablation kamen in den letzten Jahren verstärkt Nanosekunden-Laser zum Einsatz. Die jüngsten Publikationen zeigen, daß Femtosekunden-Laser mit kurzen Wellenlängen ebenfalls zur Ablation von Glas eingesetzt werden können. So wurden z.B. verschiedene Borosilikatgläser mit derartigen Meßsystemen untersucht [34].

Die Zielsetzung der Arbeit war die Entwicklung eines Laserablation-Verfahrens, das nach externer Kalibration mit Glasstandards in kurzer Zeit möglichst präzise und richtige quantitative Ergebnisse der chemischen Zusammensetzung von Gläsern liefert. Mit dem Verfahren sollten verschiedene Glasarten vom Bleiglas mit einem Siliziumdioxidgehalt von ca. 56 % bis hin zum Borosilikatglas mit ca. 80 % Gehalt an Siliziumdioxid ablatiert und untersucht werden können. Neben Mengenelementen wie Silizium, Natrium oder Bor (abhängig von der Glaszusammensetzung) sollten auch Minorelemente wie Titan, Eisen oder Antimon bestimmt werden.

Dabei mußte berücksichtigt werden, daß die Leistungsfähigkeit eines Quadrupol-Massenspektrometers vornehmlich bei großen Massen (m/z > 80) liegt, wohingegen die niederen Massen oftmals durch spektrale oder isobare Interferenzen gestört werden [109]. Gerade im Massenbereich m/z < 80 mußten die für die Glaszusammensetzung wichtigsten Isotope bestimmt werden. Zudem zeigten die Proben konkave Oberflächen, so daß zusätzlich höhere Anforderungen an die Positionierung der Proben bzw. der Probenteilstücke gestellt wurden, als es bei planen Proben erforderlich ist. Grundsätzlich war bei den Messungen zu beachten, daß nicht nur Wellenlänge, Frequenz und Energie des Lasers, sondern auch die Beschaffenheit und Position der Probe im Lasersampler den Ablationsvorgang signifikant beeinflussen können.


[Seite 45↓]

3.2.2  Datengewinnung

3.2.2.1 Aufnahme von Massenspektren (statische Signale)

Bei massenspektrometrischen Untersuchungen werden die am Detektor ankommenden Ionen gemessen und als Signalintensität für jede Masse aufgezeichnet. Durch eine Veränderung der angelegten Ladungsverhältnisse am Quadrupol erfolgt eine selektive Trennung der einzelnen Ionen entsprechend ihrem Verhältnis Masse zu Ladung (m/z). Die geforderte Selektivität einer Methode ist damit grundsätzlich gegeben [110]. Durch den Massenfilter werden nicht diskrete Ionenmassen ausgefiltert, vielmehr kann ein bestimmter Massenbereich den Detektor erreichen. Dieser Massenbereich verteilt sich beiderseitig über das gewünschte m/z-Verhältnis [109].

Abbildung 1: Datenaufnahme mit peak hopping, ein Meßzyklus (sweep)

Die Breite dieses Bereichs wird durch die Einstellung der Auflösung festgelegt. Alle Messungen wurden mit einer Massenauflösung von 0.7 atomaren Masseneinheiten (amu) durchgeführt. Niedrigere Auflösungen mit dem Ziel, Interferenzen zu minimieren, wurden im Hinblick auf die dadurch reduzierte Ionentransmission nicht angestrebt. Das aus den Messungen resultierende Massenspektrum stellt im wesentlichen eine Verteilung von Ionenintensitäten dar. Zur Datenaufnahme wurde das 'peak hopping' eingesetzt. Peak hopping ist die am häufigsten eingesetzte Methode zur Datenaufnahme von massenspektrometrischen Daten. Dabei mißt das Gerät nur mit einem Punkt pro Masse am Peak-Maximum eines für ein Element gewählten Massenbereichs. Für ein bestimmtes Zeitintervall werden die Einstellungen am Quadrupol konstant gehalten (dwell time). Nach Aufnahme der Signalintensität einer Masse springt der Detektor zum nächsten Massenbereich, bis die Elementliste in einem Meßzyklus abgearbeitet wurde (sweep). Jede individuelle Messung erzeugt demnach einen Meßwert, der pro Wiederholmessung [Seite 46↓](replicate) als 'reading' ausgelesen wird. Durch eine Vielzahl von 'sweeps' kann die Präzision verbessert werden. Der endgültige Meßwert jedes analysierten Isotops resultiert aus der Berechnung des Mittelwerts der einzelnen 'sweeps'. Zur Datenaufnahme wurden 1 sweep, 1 replicate und 30 readings gewählt (siehe auch: Methode 1, Kapitel 4.5.1). Um die Meßzeit beizubehalten bei gleichzeitiger Aufnahme weiterer Massenpunkte, wurde für die Bestimmung des Isotopenverhältnisses die Zahl der readings auf n=20 gesenkt (siehe auch: Methode 2, Kapitel 4.5.1). Hier wurden statt der normal 13 Isotope 25 Isotope bestimmt.

Nachfolgend wird ein einfaches, statisches Signal schematisch dargestellt:

Abbildung 2:Statisches MS-Signal, 3 replicates, 3 readings, 1 sweep

3.2.2.2 Erfassung transienter Signale

Bei der Aufnahme transienter Signale nimmt die Signalintensität kontinuierlich bis zu einem Maximum zu und fällt danach wieder ab. Es entsteht somit ein sich mit der Zeit verändernder Intensitätsverlauf. Die genaue Erfassung des Signalverlaufs erfordert eine ausreichende Zahl von Meßpunkten (readings). Dwell time, sweeps und Anzahl der readings mußten so abgestimmt werden, daß die Datenaufnahme in der zur Verfügung stehenden Zeit abgeschlossen werden konnte [109].

Die erzeugten Rohdaten können mit Hilfe von drei verschieden Methoden ausgewertet werden:


[Seite 47↓]

Die folgende Abbildung zeigt die Unterschiede der verschiedenen Auswertemethoden transienter Signale:

Abbildung 3:Auswertung transienter Signale; average-, sum- und max-Option

Zur Datenaufnahme transienter Signale nach 2 bzw. 4 Laserschüssen wurden die Einstellungen 1 sweep, 80 readings, 1 replicate gewählt.

Zur Auswertung der Signale wurden die Funktionen 'sum' und 'max' angewandt. Die Option 'sum' ist besonders dann empfehlenswert, wenn eine geringe Zahl von readings gewählt wurde, 'max' erkennt hingegen bei idealem Signalverlauf die maximale Intensität eines transienten Signals und verwendet diese zur Auswertung [109].


[Seite 48↓]

3.2.2.3  Rohdatenaufnahme

Die als Rohdaten bezeichneten Werte sind die vom massenspektrometrischen Detektor erfaßten Intensitäten mit der Einheit "counts per second" (cps, Teilchen pro Sekunde). Dabei erzeugt jedes einzelne auf dem Detektor auftreffende Teilchen ein Signal, das je Zeiteinheit gemessen wird. Die jeweiligen Intensitäten einer Messung stellen damit Summensignale dar und werden als ASCII-File gespeichert. Sie können über die Gerätesoftware in z.B. Tabellenkalkulationsprogramme exportiert werden. Die ASCII-Files wurden in MS-Excel importiert und als Excel-Format gespeichert. Die so erhaltenen Datenreihen konnten anschließend mit statistischen Tests ausgewertet werden. Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft einen Ausschnitt der Rohdaten-Files einer Meßreihe eines Natron-Kalk-Glases (TSG) bei einer Laserwellenlänge von λ=1064 nm.

Tabelle 10: Rohdaten, reading 1 von 30 für TSG vom 27.09.99 mit 1064 nm

Detector Mode

Mass

Dual Counts

Pulse Only

7,016

3

Pulse Only

11,009

1

Analog Only

22,99

40662

Dual

23,985

6954

Dual

26,983

2237

Dual

28,977

1931

Dual

29,973

4310

Dual

38,964

3190

Pulse Only

41,958

325

Pulse Only

54,936

17

Pulse Only

56,936

15

Pulse Only

65,925

10

Pulse Only

84,911

35

Pulse Only

85,910

9

Analog Only

120,906

1487

Pulse Only

136,904

10

Dual

205,975

656

Die Meßdatenaufnahme der erstellten Methode dauerte ca. 30 Sekunden. Neben der gezeigten Datenauslese (geordnet nach readings) war es zudem möglich, die Daten zeitaufgelöst und summiert auszulesen. Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft die Intensitäten für 7Li, 11B und 23Na derselben Meßreihe (s.o.).


[Seite 49↓]

Tabelle 11: Rohdaten replicate 1 (30 readings) für TSG vom 27.09.99 mit 1064 nm

time step [sec]

7 Li [counts]

11 B [counts]

23 Na [counts]

0,000

1060

60

9265748

0,901

640

20

11578833

1,802

700

80

12723606

2,703

700

0

14652318

3,604

1360

40

15112671

4,505

1000

40

17498757

5,406

760

20

17356330

6,307

1080

420

18450748

7,208

1280

40

19640215

8,109

920

100

22084106

9,010

1080

80

23862049

9,911

1100

40

27479317

10,812

1520

40

27879779

11,713

1240

20

29405348

12,614

1080

60

30358829

13,515

1080

120

30454177

14,416

1480

80

31636493

15,317

1460

0

33562525

16,218

1360

80

36136923

17,119

1780

100

36041575

18,020

1840

60

36499246

18,921

1700

180

37719701

19,822

1880

120

38711321

20,723

1720

60

40542004

21,624

1840

160

38978296

22,525

1460

60

40294099

23,426

2160

60

39474106

24,327

1580

60

38844808

25,228

2000

120

40141542

26,129

1840

120

38787600


[Seite 50↓]

Anhand beider Datensätze der bezeichneten Meßreihe wurde exemplarisch geprüft, ob die Software die Daten fehlerfrei summiert, überträgt und exportiert. Am gezeigten Beispiel konnten keine fehlerbehafteten Operationen beobachtet werden. Aufgrund dieser Prüfung wurde angenommen, daß die erhaltenen Meßdaten grundsätzlich fehlerfrei verarbeitet werden.

3.2.3 Interferenzen bei Messungen mit LA-ICP-MS

3.2.3.1 Einführung

Als Interferenz bezeichnet man allgemein alle Einflüsse, die bei gleicher Konzentration die Signalintensität eines Elements in einer Probenmatrix relativ zur Intensität einer Bezugslösung verändern. Auch die ICP-MS ist von Interferenzen betroffen.

Im einzelnen können Störungen auftreten, die dem Probenzuführungssystem (Zerstäuber) bzw. Interface zugeordnet werden. Sie werden als Matrix-Interferenzen bezeichnet.

Zusätzlich können Störungen auftreten, die durch die Anwesenheit anderer Elemente hervorgerufen werden, die ein Isotop mit der gleichen Masse wie der zu bestimmende Analyt besitzen. Diese spektrale Interferenz wird als isobare Störung bezeichnet. Ein Beispiel hierfür sind die Isobare 114Sn und 114Cd. Unter einer Molekülionenstörung wird die Kombination einzelner Matrixbestandteile (Gas-Matrixelemente-Lösungsmittel) verstanden, wie z.B. eine 35Cl16O1H-Störung auf 52Cr.

3.2.3.2 Matrix-Interferenzen

Matrixeffekte in der ICP-MS werden durch veränderten Probeneintrag (Oberflächenspannung, Viskosität) oder durch Veränderung des Ionisationsgrades für einzelne Elemente im Plasma hervorgerufen. Komplexer zusammengesetzte Proben können die Ionentransmission im Bereich Sampler/Skimmer/Konus stören und die Fokussierung des Ionenstrahls negativ beeinflussen.

Die häufigste Art der Matrix-Interferenz ist die Signalunterdrückung des Analyten. Sie ist abhängig von der Zusammensetzung der Probenmatrix. Angesichts des Probeneintrags als trockenes Feststoff-Aerosol ist bei LA-Verfahren keine Matrix-Interferenz zu erwarten. Die Kalibrations-Standards bei der Untersuchung der Aufschlußlösungen wurden hinsichtlich ihrer Säurezusammensetzung den aufgeschlossenen Proben angeglichen. Auch hier sind keine Interferenzen seitens der Probenmatrix zu erwarten. Zudem sind nach Aufschluß ca. 75 % der Glasmatrix als flüchtiges SiF4 entwichen, so daß die Matrix der untersuchten Proben keinen bedeutenden Einfluß auf das Meßergebnis haben dürfte.


[Seite 51↓]

3.2.3.3  Spektrale Interferenzen

3.2.3.3.1 Interferenzen durch isobare Störungen

Die meisten Elemente des Periodensystems haben mehrere Isotope. In einem Massenspektrum ist es daher möglich, daß sich die Iosotope zweier unterschiedlicher Elemente überlagern. Außer Indium, das bei der Analytik von Gläsern keine Rolle spielt, haben alle interessierenden Elemente mindestens ein störungsfreies Isotop, das für eine Bestimmung ausgewählt werden kann. Isobare Störungen bei der massenspektrometrischen Untersuchung der ausgewählten Isotope sind demzufolge nicht zu erwarten.

3.2.3.3.2 Interferenzen durch Molekülionen aus dem Plasmagas

Die im Plasmagas (Argon) und der Luft vorhandenen Atome können mit anderen, in den Meßlösungen anwesenden Atomen (Analyt, Matrix, Lösungsmittel) ein polyatomisches Molekülion bilden. Nachfolgend werden einige der häufigsten Interferenzen zitiert [109]:

Tabelle 12: Interferenzen durch Molekülionen aus dem Plasmagas

Analyt

Isotopenhäufigkeit
Analyt [%]

Molekülion

S 32+

95,0

(O 16)(O16)+

K 39+

93,1

(Ar 38)(H)+

Ca 40+

96,9

Ar 40+

Fe 56+

91,7

(Ar 40)(O 16)+

Se 80+

49,8

(Ar 40)(Ar 40)+

Das häufigste Isotop des Argon überlagert das häufigste Isotop von Calcium, was eine Bestimmung von Calcium auf Masse m/z = 40 unmöglich macht. Calcium muß daher über seine Isotope der Masse m/z = 42 oder 44 bestimmt werden, die eine sehr sehr viel niedrigere Häufigkeit aufweisen. Die Empfindlichkeit der Bestimmung ist hier erheblich geringer, gleichfalls verschlechtert sich die Nachweisgrenze.

Schwefel- und Selenbestimmungen spielen im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen keine Rolle. Die Störung der Kaliumbestimmung durch das Molekülion (Ar 38)(H)+wurde toleriert. Nach Abzug des hohen Blindwerts konnten noch auswertbare Signalintensitäten beobachtet werden. Die Calciumbestimmung erfolgte auf Masse 42, die Eisenbestimmung auf Masse 57.


[Seite 52↓]

3.2.3.3.3 Interferenzen durch Molekülionen des Lösungsmittels

Die zum Aufschluß der Glasproben eingesetzten Säuren Salpetersäure, Flußsäure und Salzsäure können ebenfalls Störungen durch Molekülionen hervorrufen. Im wesentlichen werden durch die Säuren zusätzlich Chlorid und Fluorid in die Probe eingetragen. Als Verdünnungsmedium diente bidestilliertes Wasser. Ein Einfluß auf das Meßergebnis ist unter den gewählten Bedingungen nicht zu erwarten.

Organische Lösungsmittel bilden mit Kohlenstoff und Sauerstoff bestimmte Spezies, die vor allem Silizium-Isotop-Bestimmungen überlagern. Die Untersuchungen an Gläsern wurden jedoch unter Ausschluß organischer Lösungsmittel vorgenommen, so daß auch hier keine Störungen zu erwarten sind. Die folgende Tabelle faßt die theoretisch möglichen Störungen im Hinblick auf die getroffene Isotopauswahl zusammen.

Tabelle 13: Interferenzen durch Molekülionen der Lösungsmittel u. Säuren

Analyt

Isotopenhäufigkeit
Analyt [%]

Molekülion

Li 6+ / 7+

7,4 / 92,6

keine Störung

B 10+ / 11+

19,8 / 80,2

Ne++

Si 28+ / 29+ / 30+

92,2

(C 12)(O 16)+

Ca 44+

2,1

(C 12)(O 16)(O16)+

Ti 48+

73,9

(S 32)(O 16)+

Zn 64+

48,9

(S 32)(O 16)(O 16)+
(S 32)(S 32)+

3.2.3.3.4 Interferenzen durch Molekülionen der Matrix

Störungen durch Molekülionen können auch durch Bestandteile der Probenmatrix, meist in Verbindung mit Sauerstoff, hervorgerufen werden. Oxidionen bilden sich durch Rekombination im Plasma-Interface-Bereich. Die Oxidrate ist im allgemeinen sehr gering, so daß im Extremfall nur wenige Prozent der Ionen als Oxid vorliegen. Eventuell muß die Interferenz rechnerisch korrigiert werden. Tabelle 14 zeigt einen Überblick der möglichen Störungen.


[Seiten 53 - 54↓]

Tabelle 14: Interferenzen durch Molekülionen der Matrix

Analyt

Isotopenhäufigkeit
Analyt [%]

Molekülion und
weitere Ionen

Na 23

100,0

LiO, Ti++, Ca++

Mg 24

78,7

LiO, Ti++, Ca++

Al 27

100,0

(B 11)(O 16)+, Fe++

Si 28+ / 29+

92,21 / 4,7

(B 11)(O 16)+, AlH, Fe++

Si 30+

3,1

(N 14)(O 16)+, Ni++

K 39+

93,1

(Na 23)(O 16)+, Se++

Ca 42+

0,6

ArH+, MgO, Sr+,
(B 10)(O 16)(O16)+

Ca 44+

2,1

SiO, AlOH +, Sr,++

Ti 47+

7,3

ArLi, PO

Ti 48+

73,9

SO, POH, Mo++, Zr++

Ti 49+

5,5

(Cl 35)(N 14)+, SOH+, Mo++

Fe 54+

5,8

ArN+, ArO+, Cr+, ClOH+, Pd++

Fe 56+

91,7

ArO+, CaO+, HClO+, Cd++

Fe 57+

2,2

K2O+, CaO+, ArOH+, Cd++

Fe 58+

0,3

Ni+, CaO+, ArO+, NaCl+, Cd++, Sn++

Zn 64+

48,9

Ni+, TiO+, Te++

Zn 66+

27,8

TiO+, Ba++, VO+, Xe++,
(S 34)(O 16)(O 16)+,

Zn 67+

4,1

(Cl 35)(O 16)(O 16) +, ArAl+, Ba++ VO+

Zn 68+

18,6

ArSi+, (Cl 35)(O 17)(O 16) +, ArS+, Ba++ VO+

Zn 70+

0,6

Ge+, (Cl 37)(O 16)(O 16) +,
Ce++, ArSi+, FeO+

Sr 84+

0,6

Kr+, Er++, ZnO+, ArCa+

Sr 86+

9,9

Kr+, Yb++,GeO+, ArTi+

Sr 87+

7,0

Rb+, Yb++, GaO+, ArTi+

Sr 88+

82,6

Yb++, GeO+, ArTi+

Sb 121+

57,3

ArBr+, PdO+

Sb 123+

42,7

Te+, AgO+

Ba 130+

0,1

CdO+

Ba 132+ / 134+ / 135+ /136+

0,1 / 2,4 / 6,6 / 7,8

SnO+

Ba 137+

11,3

SbO+, BaH+

Ba 138+

71,7

SnO+, TeO+, La+, Ce+

Pb 204+

1,5

Hg+, OsO+

Pb 206+

23,6

OsO+

Pb 207+

22,6

IrO+

Pb 208+

52,3

OsO+

3.2.3.4 Zusammenfassende Bewertung von Interferenzen

Denkbare physikalische Einflüsse durch die Matrix auf das Meßergebnis sind nicht zu erwarten. Innerhalb der spektralen Interferenzen konnten isobare Störungen durch die Auswahl der Isotope weitgehend ausgeschlossen werden. Lediglich die 39K-Bestimmung wird durch Molekülionen aus dem Plasmagas gestört, da hier nicht auf eine andere Masse ausgewichen werden kann wie bei den Isotopen 40Ca und 56Fe. Eine Molekülionenstörung durch die eingetragenen Aufschluß- oder Lösungsmittel ist nicht zu erwarten.

Die mit Abstand größte Bedeutung wird den Interferenzen durch Molekülionen der Matrixbestandteile beigemessen. Insbesondere die Bestimmung von 27Al, 39K, 42Ca/44Ca und 57Fe wird von zahlreichen Molekülionen beeinflußt. Letztlich hängt das Maß der Beeinflussung an der Empfindlichkeit der Bestimmung sowie an der Konzentration des störenden Isotops in der Matrix respektive des zu bestimmenden Analyten. Je empfindlicher eine Bestimmung, desto größer ist die Möglichkeit, nach Abzug von Blindwerten noch auswertbare Signale zu erhalten.

3.2.4 Isotopenverhältnis

Die Beurteilung des Ausmaßes von Störungen durch Untergrund oder spektrale Interferenzen läßt sich anhand von Isotopenverhältnissen feststellen. Dazu wird das Verhältnis der Intensitäten mehrerer Isotope eines Elements mit den theoretischen Werten verglichen. Die Prüfungen wurden an Natron-Kalk-Glas (TSG) durchgeführt. Zur Aufnahme der Daten wurden 12 verschiedene Krater mit 420 Laserpulsen bei einer Laserleistung von P = 150 mJ, einer Frequenz von 10 Hz und einer Wellenlänge von λ = 1064 nm erzeugt. Die Intensitäten wurden gemittelt, in Verhältnisse zueinander gesetzt und den theoretischen Werten gegenübergestellt. Von einer Normierung wurde abgesehen, weil vor allem die repräsentative Ablation des Probenmaterials überprüft werden sollte. Verändert sich die absolute Menge an ablatiertem Material von Krater zu [Seite 55↓]Krater, sollten die jeweiligen Isotopenverhältnisse trotzdem konstant bleiben. Anderenfalls liegen Störungen der Messungen vor, die zum einen durch den Ablationsprozeß oder durch Interferenzen hervorgerufen werden können. Fraktionierte Ablation wurde für Quecksilber bei der Untersuchung von Zahnmaterial gezeigt [111].

Die folgende Tabelle zeigt die ermittelten Verhältniszahlen sowie die relative Standardabweichung in Prozent (RSD %) der Intensitätsmessungen. Für die Elemente Natrium und Aluminium konnten keine Verhältnisse gebildet werden, da sie in der Natur mono-isotopisch vorkommen. Kalium kann aufgrund der Interferenz durch Molekülionen (40Ar+ und 41ArH+) nur auf seiner Masse m/z = 39 gemessen werden.

Tabelle 15: Isotopenverhältnisse und RSD [%] für TSG, λ = 1064 nm

Isotope

A:B

theoretisches
Isotopen-verhältnis

gemessenes Isotopen-verhältnis

RSD [%] Isotop A

RSD [%] Isotop B

7Li

:

6Li

15.2

12.5

8.4

37.3

11B

:

10B

3.9

4.1

75.8

46.3

23Na

  

-

-

2.4

 

24Mg

:

26Mg

6.0

7.0

2.4

2.6

27Al

  

-

-

26.8

 

28Si

:

29Si

20.0

19.6

2.9

3.1

29Si

:

30Si

1.7

1.5

3.1

5.5

39K

  

-

-

2.7

 

42Ca

:

43Ca

5.1

4.4

4.6

5.8

47Ti

:

49Ti

0.8

1.3

10.9

7.8

57Fe

:

58Fe

6.7

6.6

6.6

28.3

90Zr

:

91Zr

4.5

4.6

4.8

5.8

137Ba

:

135Ba

1.5

1.7

25.1

15.5

Die meisten der gemessenen Isotopenverhältnisse stimmen mit den theoretischen Werte innerhalb eines Bereichs von ± 18 % überein. Das Verhältnis von 47Ti:49Ti weicht erheblich vom theoretischen Wert ab, was möglicherweise mit den sehr geringen Gehalten an Titandioxid der Probe zu begründen ist. Denkbar ist gleichzeitig eine spektrale Interferenz m/z = 47 (47ArLi+). Dagegen liegt das Isotopenverhältnis von Zirkon dicht am Sollwert. Das gute Ergebnis trotz niedriger Elementgehalte könnte durch die hohe Empfindlichkeit des Verfahrens begründet sein (siehe auch: Kapitel 3.2.6.3.4). Messungen nahe der Nachweisgrenze führen, wie am Beispiel des Elements Bor gezeigt, [Seite 56↓]zu hohen relativen Standardabweichungen von bis zu 75,8 % (11B). Die RSD der Elemente Natrium, Kalium, Calcium und Magnesium erreichen maximal 5,8 %.

Für die Mehrzahl der Elemente wurden mit dem LA-ICP-MS-Verfahren konstante Isotopenverhältnisse an TSG bestimmt, die weitestgehend mit den theoretischen Daten übereinstimmen. Messungen nahe an der Nachweisgrenze führen zu Signalschwankungen, die hohe relative Standardabweichungen zur Folge haben. Insbesondere bei niedriger Signalhöhe wirkt sich der Einfluß des Untergrunds deutlich stärker aus. Die Bestimmung des Isotopenverhältnisses für Titan führte nicht zu dem erwarteten theoretischen Wert.

3.2.5 Statische LA-Messungen an Gläsern (λ = 1064 u. 266 nm)

3.2.5.1 Zielsetzung

Bei der Aufnahme statischer Signale mit einem Massenspektrometer werden jene Daten zur Auswertung herangezogen, die aus möglichst gleichmäßigen Signalverläufen stammen. Hierfür wird durch den Laser über längere Zeit kontinuierlich Material ablatiert, das über den Argonstrom dem Massenspektrometer zugeführt wird. Nach einer gewissen Zeit stabilisieren sich die Signale auf einem der jeweiligen Konzentration der in der Probe enthaltenen Elemente proportionalem Niveau. Die Daten liegen zunächst zeitaufgelöst vor und werden zur Auswertung über einen frei festgelegten Zeitraum gemittelt.

Die während der Datenaufnahme festgestellte Standardabweichung beschreibt die Präzision einer Einzelmessung. Die Präzision einer Meßserie wird durch Vergleich der gemittelten Intensitäten mehrerer Messungen, das heißt verschiedener Ablationspunkte = Krater bestimmt. Desweiteren läßt sich die Wiederholpräzision über die gemittelten Meßwerte von Untersuchungen an verschiedenen Tagen unter gleichen Bedingungen feststellen.

In der Regel wurde unter vergleichbaren Meßbedingungen gearbeitet. Die einzelnen Methoden sind in Kapitel 4.5.1 ausführlich dargestellt. Die Diskussion der Ergebnisse wird erleichtert, wenn zu jeder Messung die gewählten Laserbedingungen angeführt werden. Aufgrund der Häufung der zitierten Messungen werden folgende Parameter genannt:

  • Laserleistung

P = 150 mJ (power)

  • Anzahl Laserpulse

S = 420 (shots)

  • Frequenz der Laserpulse

F = 10 Hz

  • Wellenlänge Laser

λ = 1064 nm


[Seite 57↓]

Im Textfluß erscheint: P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm

3.2.5.2 Ungestörte Signale

Zur Bestimmung der Elementzusammensetzung eines Feststoffes wird bei Laserablation-Verfahren kontinuierlich mit Laserpulsen auf die Probe geschossen, um nach einer gewissen Totzeit stabile Signale zu erhalten. Darunter versteht man gleichmäßige Signalhöhe (counts per second) zeitaufgelöst für die Dauer des Beschusses. Unter der Voraussetzung, daß die Probe homogen zusammengesetzt ist, der Transport der ablatierten Feststoff-Teilchen konstant und ohne Verlust durch Verwirbelungen, Adsorptionen oder Ablagerungen auf dem Weg in die ICP-Fackel erfolgt und der Annahme, daß alle in der ICP-Fackel angeregten Teilchen als einfach geladene, positive Ionen den Quadrupol des Massenspektrometers passieren, sollten die mit dem Detektor gemessenen "counts" eines Isotops proportional der Zusammensetzung der Probe sein.

In der folgenden Grafik ist der Signalverlauf einer ideal verlaufenen Datenaufnahme gezeigt. Es handelt sich um die Bestimmung von TSG (Natron-Kalk-Glas), P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm.

Abbildung 4: Intensität versus Zeit, TSG, λ = 1064 nm, repräsentative Elemente

Zur Verdeutlichung ist auf der Ordinate die Gesamtzeit der Bestimmung aufgetragen. Deutlich erkennt man die Totzeit, in der noch kein Signal anliegt. Die gemessenen Intensitäten bis zu einer Zeit von t1 = 5 s entsprechen den Leerwerten der jeweiligen [Seite 58↓]Isotope. Danach steigen die Intensitäten innerhalb von ca. 5 s auf ein Niveau, das der jeweiligen Isotopkonzentration in der Probe entsprechen sollte. Ab t2 = 15 sec sind die Signale relativ stabil und können zur Auswertung herangezogen werden. Als Meßwert gibt die Auswertesoftware des Massenspektrometers den gemittelten Intensitätswert einer frei wählbaren Zeitspanne an. Für die Bestimmungen wurde eine Totzeit von t0 = 15 s eingegeben, so daß bei einer Gesamtmeßdauer von ca. tges= 32 s eine effektive Meßzeit von teff = 17 s resultiert. Die Grafik gibt deutlich zum Ausdruck, daß alle Isotope etwa zur selben Zeit auf dem Detektor eintreffen. Das bedeutet, daß die Ablation nicht zeitlich gestaffelt verläuft, sondern mit Beginn der Plasmazündung repräsentative Teile der Probe verdampft. Über die Bestimmung der Isotopenverhältnisse wurde die Repräsentativität des Ablationsvorgangs schon gezeigt.

Im Vergleich zu den Ergebnissen, die mit einer Laserwellenlänge von λ = 1064 nm erhalten wurden, unterscheidet sich der Signalverlauf von Messungen mit λ = 266 nm nicht wesentlich.

Abbildung 5:Intensität versus Zeit, TSG, λ = 266 nm, repräsentative Elemente

Es ist zu beobachten, daß die Rohintensitäten unter λ = 266 nm etwa um den Faktor 10 höher liegen als vergleichbare Ergebnisse unter λ = 1064 nm. Höhere Intensitäten beruhen auf der Zufuhr eines erhöhten Anteils an Feststoff-Aerosol. Demzufolge muß mehr Material je Zeiteinheit ablatiert worden sein. Der Grund liegt in den veränderten Verfahrensbedingungen: Ablatiert wurde TSG (Natron-Kalk-Glas), P = 270 mJ, S = 550, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm. Durch Frequenzvervielfachung wird nicht die volle Laserleistung [Seite 59↓]auf die Probe gelenkt, so daß durch die Wahl der 4. Harmonischen (λ=266 nm) die zur Ablation verfügbare Laserleistung deutlich reduziert wird. Die Erhöhung der Laserleistung war aus diesem Grund notwendig, um überhaupt ein Plasma auf Borosilikatgläsern zu zünden. Die so erzeugten Krater waren vergleichsweise in Durchmesser und Tiefe größer. Vermutlich wurde eine Fokussierung gewählt, die zu höherem Abtrag führte. Ein weiterer Grund dürfte in der Empfindlichkeit des Detektors zu finden sein. Auf diese Vorgänge wird an späterer Stelle ausführlich eingegangen.

3.2.5.3  Störung durch hohe Aluminiumsignale

Bei einigen Meßzyklen wurden ungewöhnlich hohe Aluminiumsignale auf der Masse m/z = 27 beobachtet, während die Intensitäten aller anderen Isotope keine Auffälligkeiten zeigten. Untersucht wurde TSG (Natron-Kalk-Glas), P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064. Die festgestellten Ereignisse waren über eine Meßserie zufällig verteilt und ließen keine Rückschlüsse auf systematische Fehler (z.B. Probenpositionierung) zu. Die folgende Grafik zeigt drei Peaks im Signal/Zeit-Diagramm von Aluminium im Vergleich zu den Intensitäten der Isotope 23Na und 30Si. Es ist verständlich, daß diese Peaks zu einer deutlichen Erhöhung der Signalintensität des Aluminiums und damit zu offensichtlich falschen Ergebnissen führen. Die Klärung der Ursache war deshalb für die Untersuchung von Aluminiumgehalten in Gläsern von großer Bedeutung.

Abbildung 6: Intensität versus Zeit: TSG, λ = 1064 nm, Aluminium-Peaks

Eine der möglichen Ursachen für die beobachteten Peaks könnte fraktionierte Ablation des Glases sein, wodurch die Aluminiumkonzentration im Feststoffpartikelstrom [Seite 60↓]gegenüber den anderen Isotopen zeitweise erhöht würde. Eine weitere Erklärung wäre eine lokale Inhomogenität des Probenmaterials. Da die Meßwerte eines Kraters nur einen kleinen Ausschnitt der Probenoberfläche repräsentieren, würde eine Verschiebung der Konzentrationsverhältnisse der Probe an der Ablationsstelle unmittelbar zu erhöhten Signalen der betroffenen Isotope führen. Es wurde schon früh gezeigt, daß Inhomogenität der untersuchten Probe direkten Einfluß auf die Präzision der Messungen hat [112].

Theoretische Überlegungen zur Glasinhomogenität: Veränderungen der Zusammensetzung eines Glases sind durch Entmischungsvorgänge der Schmelze bei der Glasherstellung denkbar, die nach Erkalten zu veränderten Konzentrationen in der Glasmatrix führen können. Nach der Netzwerkhypothese zum Aufbau eines Glases sind die Netzwerkwandler (u.a. Alkalien und Erdalkalien) in einem Glas statistisch verteilt. Allerdings wird inzwischen eine Modifikation der Verteilung der Kationen diskutiert. So wird z.B. über schwarmartige Anhäufung der Na+-Ionen bei geringen Alkaligehalten berichtet. Dadurch hätten die näher positionierten Natriumionen in einem relativ starren SiO2-Netzwerks bessere Koordinationsmöglichkeiten [bei: 48]. Diese angenommenen Schwärme gehen in Richtung einer latenten Entmischungsneigung, die in der Schmelze zu einer flüssig-flüssig-Entmischung, auch Phasentrennung oder Mischungslücke genannt, führen kann. Diese Erscheinungen sind intensiv untersucht worden, da sie eine wichtige praktische Bedeutung haben. Primär soll die Entmischung durch elektrostatische Wechselwirkungen bedingt sein, indem jedes Kation versucht, seine günstigste Koordination aufzubauen. Wenn die sich dabei bildenden Polyeder strukturmäßig nicht verträglich sind, dann erfolge als sekundärer Vorgang die Entmischung. Die These wird gestützt durch die Beobachtung, daß die Mischungslücke im System Al2O3-SiO2 deutlich kleiner als erwartet ist. Hierfür werden strukturelle Ähnlichkeiten zwischen [SiO4]- und [AlO4]-Tetraedern verantwortlich gemacht, wodurch das Ausmaß der Entmischung verringert würde. Anderer Erklärungen stützen sich auf Beobachtungen aus dem Bereich der Thermodynamik [48]. Hierauf soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden. Grundsätzlich ist festzuhalten, daß Glas als Matrix homogen zusammengesetzt sein sollte, aber durchaus lokal Inhomogenitäten aufweisen kann. Diese Arbeit ist unter der Annahme durchgeführt worden, daß die zur Verfügung gestellten Referenzgläser und Glasproben keine signifikanten Inhomogenitäten zeigen.

Eine weitere Möglichkeit der Einflußnahme ist die Störung durch Molekülionen aus der Matrix. Für Störungen der Masse m/z = 27 wird v.a. das Molekülion (11B)(16O)+ verantwortlich gemacht [109]. Da TSG-Glas keine zertifizierten Anteile an Bor enthält, ist es fraglich, ob hier der Grund für die Störung des Meßsignals liegt.


[Seite 61↓]

Um die Ursache der Aluminium-Peaks festzustellen, wurden zahlreiche Stellen des Glases ablatiert, um eine größere Zahl an Meßwerten zu erhalten (Meßbedingungen: P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm). Es wurden insgesamt n = 21 Ablationen verteilt auf ca. 1 cm² Oberfläche durchgeführt. Davon zeigten die Messungen Nr. 7, 14, 15, 20 und 21 ein bis drei auffallende Peaks im Signalverlauf des Isotops 27Al. Die Begutachtung des Probenmaterials führte zum Ergebnis, daß bei den aufgeführten Messungen die Kratertiefe den Boden der Glasprobe erreichte. Bei einer Schichtdicke von ca. 5 mm hat das Laserplasma demzufolge Material bis zum Probenhalter ablatiert. Der Boden des Glasmaterials zeigte unter dem Mikroskop deutliche Beschädigungen. Damit ist bei einem Durchschuß nicht auszuschließen, daß der aus einer Metallegierung bestehende Probenhalter teilweise mit ablatiert worden ist. In solch einem Fall summieren sich die Intensitäten des Aluminium-Meßsignals durch den Abtrag der Probe und durch die Ablation des Probenhalters. Die Meßdaten von Kratern, die der Laser nicht durchschießt, zeigten keine derartigen Peaks bei der Aluminiumbestimmung. Grundsätzlich ist jedoch nicht auszuschließen, daß neben einer unbeabsichtigten Ablation der Probenhalteroberfläche eine denkbare Inhomogenität der Probe die Meßergebnisse zusätzlich beeinflußt. Bei zukünftigen Bestimmungen wurde darauf geachtet, das Probenmaterial nicht zu durchschießen, sondern Krater mit einer Tiefe von ca. 100 - 200 μm zu produzieren. Festzuhalten ist, daß die nicht beabsichtigte Ablation des Probenhalters die Meßwerte auf der Masse m/z = 27 verfälscht.

Bei weiteren Untersuchungen im Rahmen der Methodenentwicklung wurde beobachtet, daß es bei bestimmten, nicht optimalen Einstellungen des Laserfokus zu gehäuftem Auftreten von Peaks auf der Masse m/z = 27 kam. Andere Massen waren nicht betroffen. Insgesamt zeigte der Signalverlauf von Aluminium während der Fokussierphase im Vergleich zu anderen Isotopen sehr unruhige Signale. Als Beispiel sei hier die Untersuchung von DRN (Borosilikatglas) genannt; P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm.


[Seite 62↓]

Abbildung 7:Al-Peaks bei veränderter Fokussierung, DRN, λ = 1064 nm

Nach Erreichen einer optimalen Einstellung (ca. 1,5 mm über der Probenoberfläche) verliefen die Signale während der Datenaufnahme deutlich gleichmäßiger. Dieses Verhalten deutet darauf hin, daß die Ablationsvorgänge speziell für Aluminium nur bei optimaler Fokussierung des Lasers reproduzierbar verlaufen. Schlußfolgernd wurde bei weiteren Messungen sehr genau auf die optimierte Einstellung des Laserfokus geachtet. Ausführlicher wird die Problematik in Kapitel 3.2.5.5 behandelt.

3.2.5.4 Trendbehaftete Signale

Die Datenaufnahme jeder durchgeführten Messung erfolgte unter reproduzierbaren Bedingungen hinsichtlich der gewählten Geräteparameter und sollte zu vergleichbaren Signalverläufen führen. Bei einigen Serien wurden jedoch im Signalverlauf eindeutige Trends beobachtet. In der Mehrzahl der Fälle lagen aufsteigende Trends vor. Da der Signalverlauf direkt die Vorgänge bei der Ablation wiedergibt, liegen dann vermutlich Bedingungen vor, bei denen die Ablation des Probenmaterials nicht gleichmäßig verläuft. Im folgenden Beispiel ist ein ansteigender Trend ausgewählter Isotope gezeigt. Es handelt sich um die Ablation von BCR (Bleiglas), P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm. Neben dem deutlich zu erkennenden Trend sind gleichzeitig die o.a. Aluminium-Peaks zu erkennen, die auf eine nicht optimal gewählte Laserfokussierung hinweisen. Das Probenmaterial wurde nicht durchschossen.


[Seite 63↓]

Abbildung 8:Trendbehaftete Signale, steigend, BCR, λ = 1064 nm

Trendbehaftete Signale traten bei allen geprüften Glasarten (Borosilikatglas, Bleiglas, Natron-Kalk-Glas) mit zufälliger Verteilung auf. Keine der Glasarten zeigte eine ausgeprägte Tendenz, derartige Signalverläufe zu provozieren. Ob strukturelle Unterschiede oder bestimmte physikalische Eigenschaften einzelner Gläser für das Auftreten von Trends verantwortlich gemacht werden können, ist diskussionswürdig. Neben steigenden Signalen kam es in seltenen Fällen zum Absinken eines Signals von einem zeitweise stabilen Niveau, wie die nachfolgende Grafik zeigt. Hier wurde FLX (Borosilikatglas) mit P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm untersucht.

Abbildung 9:Trendbehafteter Signalverlauf, fallend, FLX, λ =1064 nm


[Seite 64↓]

Im vorgestellten Beispiel ist nur eine kleine Zahl der untersuchten Isotope vom Signalabfall betroffen. So zeigten die Isotope 23Na, 28Si, 29Si, 30Si und 39K nach der Totzeit bei t = 5 s einen zunächst starken Anstieg der Intensitäten. Im weiteren Verlauf der Datenaufnahme fiel die Signalhöhe deutlich zurück, ohne sich zu stabilisieren. Das Aluminiumsignal der Masse m/z = 27 zeigte nach der Totzeit wie bei "normalen" Ablationen einen Anstieg mit anschließender Stabilisierung auf einer Signalhöhe von etwas über cps = 2 Mio. Unter dem Signal für 7Li sind die Daten aller anderen, zu geringeren Teilen im Glas vertretenen Isotope zusammengefaßt. Aus Gründen der Verdeutlichung wurde auf eine logarithmische Skalierung der Ordinate verzichtet, so daß Signale von cps < 500.000 in der Grafik nicht mehr sichtbar sind.

Eine Erklärung hierfür könnte die zuvor diskutierte Inhomogenität der Probe sein. Weiterhin ist auch hier das Auftreten von fraktionierten Ablationsvorgängen denkbar. Für die Praxis bedeutet dieses Ergebnis, daß einzelne Messungen keinesfalls allein betrachtet und bewertet werden dürfen.

Vor jeder Bewertung muß entschieden werden, ob die Probe lokal, d.h. ortsaufgelöst untersucht werden oder ob ein Durchschnittswert ermittelt werden soll. Bei Einzelergebnissen muß grundsätzlich geklärt werden, ob das Resultat die wahre Konzentration der Probe an der geprüften Stelle wiedergibt. Beispiele für ortsaufgelöste Analytik sind die Bestimmung von Schwermetallgehalten in Walroßzähnen und die Untersuchung der Elementverteilung in Blattspreiten von Eichen [45, 113, 114]. Der Nachweis veränderter Oberflächeneigenschaften z.B. aufgrund verschobener Konzentrationsverhältnisse wäre bei Gläsern interessant. Genau diese Punkte einer Glasoberfläche sind als Reaktionsorte von Adsorptionen oder Wechselwirkungen mit Wirkstoffen denkbar. Unter diesem Blickwinkel eröffnen sich hier für den Analytiker eine Reihe interessanter Fragestellungen hinsichtlich des Wirksamkeitsverlustes von Arzneistoffen in Zusammenhang mit dem verwendeten Primärpackmittel.

Soll die Elementkonzentration einer Probe in ihrer Gesamtheit ermittelt werden, ist es erforderlich, möglichst viele Meßpunkte der Oberfläche zu untersuchen und größere Materialmengen zu ablatieren. Je mehr Krater geschossen werden, je mehr Material also insgesamt abgetragen wurde, desto näher sollten die Ergebnisse an den wahren Wert heranreichen. Große Probenzahlen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, den wahren Wert der durchschnittlichen Elementkonzentration zu finden.


[Seite 65↓]

3.2.5.5  Einflüsse der Laserfokussierung

Um die für die Substanzverdampfung notwendige Energie auf einer kleinen Fläche zu bündeln, muß der Laserstrahl mit einer Linse auf der Probenoberfläche fokussiert werden [57]. Die Frage nach der optimalen Laserfokussierung wird von der Literatur nicht eindeutig beantwortet. Hinweise ergeben sich aus einzelnen Quellen, in denen die exakte Position des Laserfokus angegeben wird. Imbert et al. beschossen Natron-Kalk-Gläser mit einem Nd:YAG-Laser (λ = 1064 nm) und empfahlen dafür die Fokussierung des Lasers 1,5 mm über der Oberfläche. Die Fokussierung auf die Oberfläche erzeugte Ablation des Probenträgers aufgrund der Transparenz des Glases [18].

Wird ein Laserstrahl auf eine Probenoberfläche fokussiert, kann festgestellt werden, daß Ablation erst eintritt, wenn ein bestimmter Wert überschritten wird [57]. Hieraus folgt, daß die pro Zeiteinheit und Fläche einfallende und vom Material absorbierte Energie größer als ein bestimmter Schwellenwert sein muß. Als Bedingung für die Laserablation kann daher formuliert werden:

Gleichung 1: Definition des Schwellenwerts für Laserablation

Index:

dP a

absorbierte Pulsenergie [mJs-1]

dV

Volumen des Materials [cm3]

Q

Schwellenwert [mJcm-3s-1]

Der Anteil der Pulsenergie, der von einer Probe absorbiert wird, hängt davon ab, wieviel Strahlung in das Material eindringt und wie groß der Absorptionskoeffizient α ist. Ein Teil der Strahlung wird von der Oberfläche reflektiert. Bei einem Reflektionskoeffizienten R wird die eindringende Strahlung um den Faktor (1-R) verringert.

Gleichung 2: Pulsenergie auf der Probenoberfläche abzüglich Reflektion

Index:

dP a

absorbierte Pulsenergie [mJs-1]

dV

Volumen des Materials [cm3]

R

Reflektionskoeffizient

α

Absorptionskoeffizient [cm-1]

t

Pulsdauer [s]

P

Pulsenergie [mJ]

F

Fläche des Materials [cm2]

Die Laserenergie kann bereits verringert sein, bevor sie auf die Probenoberfläche trifft. Das ist regelmäßig der Fall, wenn ein Plasma gezündet wird. Dies gilt besonders für infrarote Wellenlängen, wenn die Ionendichte im Plasma so groß ist, daß die inverse Bremsstrahlung "Elektron-Ion" überwiegt [57].

Bei der Entwicklung der Laserablation-Methode wurde grundsätzlich festgestellt, daß eine Fokussierung des Lasers für jede Meßserie zwingend notwendig ist. Die untersuchten Proben zeigten nur in einem schmalen Fokussierungsbereich eine Ablation. Die Zündung des Plasmas erfolgte demnach erst bei einer bestimmten Fokussierung, obwohl die eingestrahlte Laserenergie den Schwellenwert Q überschritten hatte. Der günstigste Arbeitsbereich lag vor, wenn der Fokus auf etwa 1,5 mm über der Probenoberfläche eingestellt wurde. Die Fokussierung des Lasers auf die Oberfläche führte zu glatten Durchschüssen, wobei der Probenträger teilweise mitablatiert wurde. Mit einer Fokussierung in die transparente Probe hinein ließen sich keine Plasmen über oder auf der Glasoberfläche zünden. Die nachfolgende Grafik zeigt am Beispiel der Isotopensignale für die Massen m/z = 23; 27; 28 das Ergebnis einer optimierten Fokussierung. Die einzelnen Meßserien wurden mit einem jeweils um 200 μm erhöhten Fokus aufgenommen (ausgehend von der Probenoberfläche). Untersucht wurde hier FLX (Borosilikatglas), P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm, Messungen 1, 2, 3, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12.

Abbildung 10: Fokus versus relative Standardabweichung, FLX, λ = 1064 nm


[Seite 67↓]

Aus der Grafik läßt sich am Beispiel der Leitelemente Natrium, Aluminium und Silizium ein Bereich um 1,4 cm (Fokus über der Probenoberfläche) erkennen, in dem die relative Standardabweichung der Rohintensitäten ein Minimum erreicht. Der etwas abweichende Kurvenverlauf für Aluminium konnte mit dem Auftreten zahlreicher Peaks erklärt werden. Dadurch stieg die Standardabweichung der Intensitäten überproportional an. Hiermit konnte gezeigt werden, daß das Aluminiumsignal bei unzureichender Fokussierung sehr stark beeinflußt wird. Die genaue Ursache der beobachteten Vorgänge ist noch abzuklären.

Zusammenfassend zeigte sich, daß der Toleranzbereich für den Laserfokus bei Borosilikatgläsern deutlich geringer war, als bei Natron-Kalk-Glas und Bleiglas. Auf Borosilikatgläsern ließ sich unter den gewählten Bedingungen ein Plasma nur dann zünden, wenn der Fokus 1,5 cm ± 1,0 mm über der Oberfläche eingestellt wurde. BCR und TSG konnten mit einem Fokus von bis zu 1,5 cm ± 4,0 mm ablatiert werden.

Mit der beschriebenen Vorgehensweise kann für jedes Probenmaterial bei λ = 1064 nm und λ = 266 nm der optimale Fokus bestimmt werden. Für die weiteren Arbeiten war dieses Vorgehen jedoch zu aufwendig. Zunächst wären vor jedem Analysenzyklus mehrere Messungen bei unterschiedlicher Fokussierung durchzuführen; anschließend hätte man die Rohdaten auslesen, in einem Tabellenkalkulationsprogramm auswerten und grafisch darstellen müssen. Aus praktischen Gründen wurden die Proben unter kontinuierlichem Laserbeschuß bei offener Probenkammer ablatiert, um den günstigsten Fokusbereich grob zu erfassen. Anschließend wurde mittels Probentischmotor (durch ALAS-Software gesteuert) eine Feinjustage im μm-Maßstab vorgenommen, währenddessen die erhaltenen Signale online auf dem Monitor beurteilt werden konnten. Gleichmäßige Signale der Massen m/z = 23; 27; 28; 29; 30; 39 deuteten auf eine brauchbare Fokussierung hin. Mit dem Fortschritt der Arbeiten konnten geeignete Fokussierungen teilweise am optischen Eindruck und am "Sound" des Plasmas erkannt werden.

3.2.5.6  Datenkorrektur

An anderer Stelle wurde bereits die Beeinflussung des Meßsignals durch Ablationsprozesse, Materialeigenschaften der Probe sowie der Datenaufnahme durch den Detektor bzw. der Software diskutiert. Insgesamt lassen sich diese äußeren Einflüsse nur wenig vom Analytiker korrigieren. Am Ende einer Messung liegen Datenreihen in Form eines ASCII-Files vor, die schließlich der Interpretation bedürfen. Dabei liegt es in der Hand des Analytikers, die Güte jeder Messung zu beurteilen.


[Seite 68↓]

Grundsätzlich sollten alle erhaltenen Daten in eine Auswertung einfließen. Über statistisch abgesicherte, dem jeweiligen Meßproblem angepaßte Stichprobenzahlen sollte am Ende ein Ergebnis stehen, das mit akzeptabler Präzision richtige Werte liefert. Liegen offensichtlich "falsche" Daten vor, müssen diese vor jeder Auswertung aus dem Datensatz herausgenommen werden. Ein Beispiel ist das Auftreten der Störpeaks auf der Masse m/z = 27. Unabhängig von den verantwortlichen Ursachen liegen in diesem Fall Daten vor, die falsch positive Ergebnisse liefern. Durch die ungefilterte Auswertung dieser Daten erhält man zu hohe Elementgehalte. Aus diesem Grund wurden diese Daten eliminiert. Mit dem verbleibenden Datensatz wurde weitergearbeitet. Nachfolgende Tabelle verdeutlicht die Auswirkungen.

Abbildung 11:Einfluß peakbehafteter Signale auf Al2O3-Gehalte in DRN, λ = 1064 nm
(große Meßpunkte: Signale mit Peaks, kleine Meßpunkte: Signale ohne Peaks)

Die waagerechte Linie gibt den zertifizierten Gehalt an Al2O3 des untersuchten Glases wieder (c = 2,18 ± 0,014 g/100 g), die darüber liegenden Meßpunkte sind Ergebnisse aus Einzelmessungen an DRN (P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm). Die fett markierten Meßpunkte Nr. 1, 2, 3, 8, 11 und 13 zeigten in ihrem Signalverlauf 1 - 7 Peaks, die bei arithmetischer Mittelung der Daten zu einer durchschnittlichen Signalerhöhung um 14,8 % und damit zu höheren Gehalten führten. Die Auswertung der nicht durch Peaks beeinflußten, arithmetisch gemittelten Signale ergeben einen Aluminiumgehalt von c = 2,42 ± 0,187 g/100 g gegenüber einem Gehalt von c = 2,82 ± 0,191 g/100 g aus den peakbehafteten Signalen. Anhand dieses Beispiels konnte die Bedeutung und Wirksamkeit der durchgeführten Datenkorrektur sichtbar gemacht werden.


[Seite 69↓]

Für weitere Arbeiten mit LA-ICP-MS-Daten wäre es wünschenswert, wenn die Software über eine Funktionalität verfügte, die es dem Benutzer ermöglichte, Ober- oder Untergrenzen für die Datenauslese von Rohintensitäten festzulegen. Peaks, die vom durchschnittlichen Meßsignal nach oben oder unten auffällig abweichen, könnten so schon vor der Auswertung eliminiert werden. Der Einsatz dieser Funktion ist jedoch aus dem Blickwinkel der Qualitätssicherung kritisch zu bewerten, weil hierdurch die Rohdaten direkt beeinflußbar wären.

3.2.5.7 Optimierung der Laserleistung

Zur Steuerung von Optimierungen kann, wie schon gezeigt, der Signalverlauf herangezogen werden. Dabei werden die Stabilität, Standardabweichung oder Höhe des Signals betrachtet. Eine Möglichkeit, optimale Einstellungen experimenteller Parameter zu erkennen, ist die Bestimmung der relativen Empfindlichkeitskoeffizienten (RSC) ausgewählter Elemente. Grundlage hierfür sind anwendbare Kalibrierfunktionen. Der RSC ist eine dimensionslose Größe und setzt sich aus dem Verhältnis der gemessenen zur zertifizierten Konzentration zusammen [115]:

Gleichung 3: Berechnung des relativen Empfindlichkeitskoeffizienten (RSC)

Der RSC kann u.a. zur Bewertung der Richtigkeit herangezogen werden. Das günstigste Verhältnis liegt bei RSC = 1 vor. In diesem Fall stimmt die gemessene Konzentration eines Elements mit dem zertifizierten Gehalt überein. Zur Bewertung der RSCs unter variablen Laserparametern wurden die Isotope 23Na, 27Al, 29Si, 39K und 42Ca ausgewählt. Unter der Annahme, daß nicht jede Glasart unter denselben Meßbedingungen optimal untersucht werden kann, dürften die Ergebnisse des Optimierungsexperiments einen Kompromiß darstellen. Ziel war es, Laserparameter auszuwählen, die es ermöglichen, die vorliegenden Glasarten mit LA-ICP-MS qualitativ und quantitativ zu bestimmen und sie auf dieser Grundlage unterscheiden zu können. Die Optimierungen wurden an BCR (Bleiglas) und TSG (Natron-Kalk-Glas) durchgeführt. Die folgende Grafik zeigt die Ergebnisse unter λ = 1064 nm.


[Seite 70↓]

Abbildung 12:Abhängigkeit des RSC von der Laserleistung, TSG mit λ = 1064 nm

Die Grafik zeigt, daß Ablation bei TSG erst ab einer Laserleistung von 35 mJ / Puls auftritt. Hier werden die besten Ergebnisse erzielt, d.h. der RSC der gezeigten Elemente tendiert gegen den Wert 1. Der auffällig abweichende Verlauf des Aluminium-RSC wird durch unruhigen Signalverlauf mit bis zu 5 hohen Peaks einer Serie begründet. Eine Datenkorrektur wurde an dieser Stelle nicht vorgenommen. Silizium, Natrium und Calicum konnten bei allen geprüften Laserleistungen mit einem RSC ≅ 1,4 bestimmt werden. Die optimale Laserleistung für TSG liegt bei P = 35 mJ / Puls. Den Grund für nicht repräsentative Ablation der Matrix sehen einige Autoren in der Materialfraktionierung, die insbesondere unter λ = 1064 nm verstärkt auftreten soll [116, 117, 118]. Vorgänge dieser Art sind bei jeder Bewertung von Laserablation-Ergebnissen grundsätzlich zu bedenken. Die Entstehung von Clustern (= Ansammlungen von einigen hundert bis vielen tausend gleichartigen Atomen) ist bei Arbeiten mit Lasern nicht auszuschließen. In den vergangenen Jahren ist es gelungen, Cluster von nahezu jedem chemischen Element in beliebiger Größe zu erzeugen [119].


[Seite 71↓]

Abbildung 13:Abhängigkeit des RSC von der Laserleistung, BCR mit λ = 1064 nm

Die Optimierung der Laserleistung für BCR zeigte eine Ablationsschwelle von 20 mJ / Puls. BCR ließ gegenüber TSG bei niedrigerer Leistung ablatieren. Bei weiterem Absenken der Laserleistung konnte auf der Probenoberfläche kein Plasma gezündet werden. Die RSC der ausgewählten Elementen stiegen ab P = 40 mJ / Puls an, so daß auch für Bleiglas eine optimale Laserleistung von P = 35 mJ / Puls ermittelt wurde. Die ebenso geprüften Borosilikatgläser konnten unter denselben Bedingungen ablatiert werden.

Abbildung 14:Abhängigkeit des RSC von der Laserleistung, TSG mit λ = 266 nm

Bei einer Wellenlänge von λ = 266 nm wurde eine Laserleistung von P = 45 mJ / Puls benötigt, um auf der Oberfläche von TSG ein Plasma zu zünden. Das Experiment wurde [Seite 72↓]bis zu einer Leistung von P = 60 mJ / Puls fortgeführt, bei der sich mit Ausnahme von Aluminium die gezeigten Elemente mit einem RSC von maximal 1,3 tendenziell richtig bestimmen lassen. Für Aluminium wurde eine optimale Laserleistung von P = 50 mJ / Puls ermittelt. Die Erhöhung bzw. Erniedrigung der Leistung führte zu sehr unregelmäßigen, peakbehafteten Signalen. Damit wurde für λ = 266 nm eine optimale Laserleistung von P = 50 mJ / Puls festgestellt.

Abbildung 15:Abhängigkeit des RSC von der Laserleistung, BCR mit λ = 266 nm

Die Ergebnisse für BCR unter λ = 266 nm zeigten, daß sich ab einer Ablationsschwelle von P = 40 mJ / Puls tendenziell richtige Ergebnisse bestimmen ließen. Aluminium ließ sich nur bei einer Laserleistung von P = 50 mJ / Puls mit gleichmäßigem Signalverlauf bestimmen. Die sonst störenden Peaks blieben unter diesen Bedingungen aus. Um alle Elemente in der Matrix Bleiglas richtig zu bestimmen, wurde eine Laserenergie von P = 50 mJ / Puls gewählt.

Es zeigte sich, daß Borosilikatgläser unter den eingestellten Parametern nicht immer ablatierbar waren. Ihr Ablationsverhalten war insofern anders, als unter λ = 266 nm die Energie der Laserpulse erhöht werden mußte, um ein Laserplasma auf ihrer glatten, transparenten Oberfläche zu zünden. Wurden die Proben angeschliffen, so daß eine matte, opake Fläche zur Verfügung stand, konnten Laserplasmen auch bei P = 50 mJ / Puls gezündet werden.

Zusammenfassend wurde für Messungen mit der Wellenlänge λ = 266 nm eine optimale Laserleistung von P = 50 mJ / Puls, für λ = 1064 nm hingegen von P = 35 mJ / Puls ermittelt.


[Seite 73↓]

3.2.5.8 Einfluß der Probenoberfläche

Im vorigen Kapitel wurde darauf hingewiesen, daß insbesondere bei weniger energiereicher Laserstrahlung im UV-Bereich höhere Pulsenergien nötig sind, um Ablation auf zu ermöglichen. Bei den Messungen mit einer Wellenlänge von λ = 266 nm ließ sich die Mehrzahl der untersuchten Borosilikatgläser (Referenzstandards und Proben) nicht ohne Vorbehandlung ablatieren. Der Erhöhung der Laserenergie war gerätebedingt bei P = 60 mJ / Puls ein Ende gesetzt, die Variation weiterer Laserparameter wie z.B. Pulslänge oder Frequenz versprach keine Verbesserung. Demzufolge mußten die Proben in einer Weise behandelt werden, die Ablation möglich machte, ohne das Meßergebnis zu beeinflussen. Da es sich bei den Untersuchungen in erster Linie um die Bestimmung durchschnittlicher Elementgehalte im gesamten Probenmaterial handelte, dürfte das Schneiden oder Schleifen des Glasmaterials die Probe in ihrer Zusammensetzung nicht verändern (Homogenität des Glases vorausgesetzt). Ziel der Behandlung war die Mattierung der glatten und transparenten Oberflächen. Damit wird ein höherer Anteil der Laserenergie in das Material eingekoppelt, der Schwellenwert der Energie zur Laserablation sinkt. Flache Ampullengläser wurden mit einer feinen Trennscheibe schwach angeschliffen. Die Flachglasplatten bzw. Würfel (Kalibrierproben) wurden mit einer Diamantsäge zerschnitten und an der matten Schnittfläche ablatiert. Die Untersuchungen wurden sowohl mit λ = 266 nm als mit λ = 1064 nm durchgeführt.

Durch die Untersuchung gleicher Glasproben mit LA-ICP-MS vor und nach mechanischer Behandlung wurde der Einfluß auf die Meßergebnisse geprüft. Zur Bewertung wurden die RSC aller geprüften Elemente unbehandelter und mattierter Proben bei Wellenlängen von λ = 1064 nm und λ = 266 nm berechnet.

Die Bestimmung von Elementgehalten in Glas mit Laserablation bei einer Wellenlänge von λ = 1064 nm führte bei Natron-Kalk-Gläsern und Borosilikatgläsern zu identischen Ergebnissen. Die ermittelten RSC waren sowohl bei angeschliffenen als auch bei glatten Oberflächen gleich. Eine Probenvorbehandlung war zu keinem Zeitpunkt notwendig, weil die zur Verfügung stehende Laserenergie jederzeit ausreichte, um Ablation stattfinden zu lassen. Auch die Laserablation von konkaven Oberflächen, wie sie bei Glasampullen, Infusionsflaschen und zahlreichen Laborgläsern zu finden sind, war jederzeit möglich.

Das ebenfalls eingesetzte Bleiglas zeigte ähnlich gutes Ablationsverhalten. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Resultaten wichen die Ergebnisse der behandelten und unbehandelten Probe von einander ab.


[Seite 74↓]

Abbildung 16:RSC ausgewählter Elemente, glattes/mattiertes BCR, λ = 1064 nm

Die Abbildung zeigt die berechneten RSC aller gemessenen Elemente für glattes und mattiertes Bleiglas (BCR) bei einer Laserwellenlänge von λ = 1064 nm. Die RSC-Linien verlaufen weitestgehend parallel, d.h. zu niedrige Gehalte an Barium oder Strontium werden sowohl mit der unbehandelten als auch mit der geschliffenen Probe ermittelt. Die Ergebnisse der Messungen der glatten Probe liegen jedoch deutlich näher an den zertifizierten Werten (RSC ≈ 1) als die Resultate der geschnittenen bzw. geschliffenen Probe. Die niedrigen RSC-Werte der Isotope 47Ti sowie 57Fe sind mit dem Unterschreiten der Bestimmungsgrenze zu erklären. LA-Untersuchungen von BCR im IR-Bereich sollten folglich nicht an geschliffenen oder geschnittenen Proben erfolgen.

Abbildung 17:RSC ausgewählter Elemente, glattes/mattiertes BCR, λ = 266 nm


[Seite 75↓]

Im direkten Vergleich der RSC-Werte des BCR-Glases liegen die gemessenen Elementkonzentrationen der mattierten Probe unter λ = 266 nm näher an den Referenzwerten. Die Resultate der unbehandelten Probe weichen dagegen stärker von den Sollwerten ab. Bleiglas sollte für die LA-Untersuchungen im UV-Bereich grundsätzlich angeschliffen oder geschnitten werden. Die Plasmazündung wird so erleichtert und die Richtigkeit der Messungen verbessert.

Abbildung 18: RSC ausgewählter Elemente, glattes/mattiertes TSG, λ = 266 nm

Die LA-Messungen von Natron-Kalk-Glas (TSG) bei λ = 266 nm führten für beide Proben (unbehandelt/angeschliffen) zu identischen RSC-Daten. Die niedrigen Werte für 11B, 57Fe und 137Ba werden durch Unterschreiten der Bestimmungsgrenze verursacht. Das eingesetzte Glas konnte sowohl mit seiner ursprünglichen glatten, als auch mit einer mattierten Oberfläche untersucht werden, ohne daß die Richtigkeit durch die Oberflächenbehandlung beeinflußt wurde.

Abbildung 19:RSC ausgewählter Elemente, glattes/mattiertes DRN, λ = 266 nm


[Seite 76↓]

Auch das geprüfte Borosilikatglas (DRN) ließ sich sowohl unbehandelt als auch geschnitten ohne signifikante Beeinflussung der Richtigkeit mit Laserablation bei λ = 266 nm quantitativ bestimmen. Die Bestimmung von 42Ca unterschritt die Bestimmungsgrenze. Die Grafik zeigt für beide untersuchten Proben (glatt/geschnitten) einen fast identischen Kurvenverlauf. Borosilikatglas ließ sich mit LA-ICP-MS sowohl oberflächenbehandelt als auch im ursprünglichen Zustand ohne gravierende Beeinflussung der Richtigkeit quantifizieren, sofern die gewählte Laserenergie für die Zündung eines Plasmas ausreichend war.

Zusammenfassend wurde festgestellt, daß sich Borosilikat- und Natron-Kalk-Gläser ohne signifikante Beeinflussung der Richtigkeit sowohl im ursprünglichen Zustand als auch nach mechanischer Oberflächenbehandlung richtig quantifizieren lassen. Unbehandeltes und geschnittenes Bleiglas zeigte bei den eingesetzten Wellenlängen unterschiedliches Verhalten. So lagen die Meßergebnisse der mattierten Probe im UV-Bereich näher an den Referenzwerten, während die Ablation der unbehandelten Probe im IR-Bereich zu besseren Ergebnissen führte. Nach diesen Ergebnissen wurden künftig alle Gläser im IR-Bereich ohne Vorbehandlung ablatiert. Die Laserablation im UV-Bereich wurde dagegen grundsätzlich an mattierten Oberflächen durchgeführt, um Ablation und Plasmazündung zu erleichtern.

3.2.5.9 Einfluß von Probenpositionierung und Ablationsstrategie

In den letzten Kapiteln wurde verdeutlicht, welche Bedeutung die Wahl der optimalen Laserparameter und die Fokussierung des Laserstrahls für die Qualität der Messungen hat. Selbst unter idealen Meßbedingungen läßt sich der direkte Einfluß des Analytikers auf das Meßergebnis nicht völlig unterdrücken, da jede Probe vor einem Meßzyklus neu positioniert werden muß. Neben der Fokussierung spielen die Fixierung der Probe und die Ausrichtung der Probenoberfläche gegenüber dem Laserstrahl eine Rolle.

Die Fixierung von würfelförmigen oder plättchenartigen Proben auf dem Probentisch wirft keine Probleme auf. In der Regel verhindert das Eigengewicht des Materials ein Verrutschen während einer Ablationsserie. Wird eine Vielzahl von Kratern geschossen, vorzugsweise im Randbereich leichter Proben, kann das Material in einer Art Schraubzwinge mit Hilfe von drei Rändelschrauben stabilisiert werden. Die Fixierung von dünnen Proben oder schmalwandigen Glasbruchstücken bereitete anfangs Schwierigkeiten, da die Proben unter dem Druck der Schrauben oder durch Laserbeschuß während der Messungen zersprangen. Ein praktischer Ansatz war die Verwendung von handelsüblichem Tesafilm®, der jeweils an den Probenenden zur [Seite 77↓]Fixierung eingesetzt wurde oder doppelt gelegt den Probenboden auf dem Probenhalter befestigte. Der Beschuß von schrägen Schnittflächen, Wandwölbungen (z.B. bei konkaven Ampullen) oder unregelmäßig Oberflächen (z.B. Bruchkanten) führte in der Regel zu stark streuenden Meßwerten. Kraterform und -tiefe waren unregelmäßig, zeitweise war keine Plasmazündung möglich. Aus diesen Gründen wurden die Proben grundsätzlich waagerecht ausgerichtet, so daß der Laserstrahl senkrecht auf die Probenoberfläche auftreffen konnte.

3.2.6  Kalibrationen mit LA-ICP-MS

3.2.6.1 Glasstandards zur Kalibration mit LA-ICP-MS

Die Kalibration des LA-ICP-MS-Verfahrens für Glasproben wurde mit zertifizierten Glasstandards durchgeführt. Im einzelnen wurden folgende Standards eingesetzt:

Tabelle 16: Glasstandards zur Kalibration mit LA-ICP-MS

Glasstandard Bezeichnung

Glasart

Bezug

Zusammensetzung [g/100 g]*


DURAN®
(DRN)

Borosilikatglas

SCHOTT-Rohrglas, Bayreuth

SiO 2 (80.39); B 2 O 3 (12.94); Na 2 O (3.25); Al 2 O 3 (2.18); K2O (1.01); BaO (<0.05); Fe2O3 (<0.02); TiO2 (<0.02); ZrO2(<0.02)


FIOLAX®
(FLX)

Borosilikatglas

SCHOTT-Rohrglas, Bayreuth

SiO 2 (75.37); B 2 O 3 (9.45); Na 2 O (6.15); Al 2 O 3 (5.2); BaO (1.0); CaO (0.35); MgO (0.06); K2O (0.35); Sb2O3 (0.02)

Torgauer Spezial Glas (TSG)

Natron-Kalk-Glas

VEB Spezialglas-werk, Weißwasser

SiO 2 (71.91); Na 2 O (14.68); CaO (6.56); MgO (4.45); Al 2 O 3 (1.16); K2O (0.66); Fe2O3 (0.11); TiO2 (0.04)

BCR 126 A

(BCR)

Bleiglas

Commission of the EC, Community Bureau of Reference

SiO 2 (57.80); PbO (23.98); K 2 O (10.0); Na 2 O (3.58); CaO (1.04); BaO (1.04); ZnO (1.02);MgO (0.51); Li2O (0.50); Sb2O3 (0.29); Al2O3 (0.13); Fe2O3 (0.006);

* Angaben in absteigender Reihenfolge, Bestandteile > 1.1 g/100g fett hervorgehoben

3.2.6.2 Vorbehandlung des Referenzmaterials

Die Glasstandards lagen in Plattenform mit einer Kantenlänge von 10 x 10 cm und einer Dicke von 10 mm vor. Die Probenkammer des Laserablation-Systems hatte einen [Seite 78↓]Innendurchmesser von ca. 6 cm, der Probenhalter konnte Proben der Dimension 3 x 3 cm aufnehmen. Zur besseren Handhabung wurden die Glasplatten mit einer Diamantsäge in Würfel gleicher Kantenlänge geschnitten (ca. 10 mm). Die ideale Positionierung in der Probenkammer war damit jederzeit möglich.

Vor jeder Bestimmung wurden die Glaswürfel ca. 10 sec mit Methanol gespült und mit einem flusenfreien Papiertuch getrocknet. Bei der Positionierung der Proben wurde darauf geachtet, daß eventuelle Beschädigungen des Materials (Sprünge, Risse, Verwerfungen, Bläschen) nicht mit dem Laser beschossen wurden, um Einflüsse der Oberfläche weitestgehend auszuschließen.

3.2.6.3  Kalibrationen mit λ=1064 nm und λ=266 nm

Für jedes zu bestimmende Element wurde eine externe Kalibration durchgeführt. Nach Auswahl der für die massenspektrometrische Bestimmung günstigsten Isotope (Abwägung Interferenz gegen Häufigkeit) wurden Kalibrationen unter den Laserwellenlängen λ = 1064 nm und λ = 266 nm für folgende Isotope aufgestellt:

7Li, 11B, 23Na, 24Mg, 27Al, 28Si, 29Si, 30Si, 39K, 42Ca, 47Ti, 57Fe, 90Zr, 123Sb, 137Ba

Beispielhaft werden hier die Kalibrationen für 23Na aus der Gruppe der Mengenelemente, 30Si als Matrixbaustein und 137Barium als Vertreter von Minorkomponenten aufgeführt. Die Ergebnisse der Kalibrationen der restlichen Isotope sind zusammenfassend tabellarisch gezeigt.

3.2.6.3.1 LA-ICP-MS: 23Na - Kalibration

Tabelle 17: Kalibrationskennzahlen für 23Na mit LA-ICP-MS, λ=1064 und 266 nm

Parameter

Kürzel

λ = 1064 nm

λ = 266 nm

gemessenes Isotop

30Si

  

Anzahl Meßpunkte

n

4

4

Steigung ± sdv

a1

5230,4 ± 256,31

6142,6 ± 347,7

Ordinatenschnittpunkt ± sdv

y [x=0]

2835,4

-1526,3 ± 8445,2

Rest-Standardabweichung

sdv (yc)

2369,1

3214,2

Verfahrens-Standardabweichung

sdv (x0)

0,453

0,523

Korrelationskoeffizient

r

0,998

0,997


[Seite 79↓]

Abbildung 20: 23Na-Kalibration, LA-ICP-MS, λ = 1064 nm

Abbildung 21: 23Na-Kalibration, LA-ICP-MS, λ = 266 nm

3.2.6.3.2 LA-ICP-MS: 30Si-Kalibration

Tabelle 18: Kalibrationskennzahlen für 30Si mit LA-ICP-MS, λ=1064 und 266 nm

Parameter

Kürzel

λ = 1064 nm

λ = 266 nm

gemessenes Isotop

30Si

  

Anzahl Meßpunkte

n

5

5

Steigung ± sdv

a1

29,7 ± 0,25

27,2 ± 0,39

Ordinatenschnittpunkt ± sdv

y [x=0]

-6,03 ± 38,29

8,87 ± 59,4

Rest-Standardabweichung

sdv (yc)

16,7

25,9

Verfahrens-Standardabweichung

sdv (x0)

0,562

0,954

Korrelationskoeffizient

r

0,999

0,999


[Seite 80↓]

Abbildung 22: 30Si-Kalibration, LA-ICP-MS, λ = 1064 nm

Abbildung 23: 30Si-Kalibration, LA-ICP-MS, λ = 266 nm

3.2.6.3.3 LA-ICP-MS: 137Ba-Kalibration

Tabelle 19: Kalibrationskennzahlen für 137Ba mit LA-ICP-MS, λ=1064 und 266 nm

Parameter

Kürzel

λ = 1064 nm

λ = 266 nm

gemessenes Isotop

30Si

  

Anzahl Meßpunkte

n

4

4

Steigung ± sdv

a1

8085,5 ± 116,6

6443,9 ± 123,8

Ordinatenschnittpunkt ± sdv

y [x=0]

169,9 ± 1568,4

-205,2 ± 1665,8

Rest-Standardabweichung

sdv (yc)

299,5

317,9

Verfahrens-Standardabweichung

sdv (x0)

0,037

0,049

Korrelationskoeffizient

r

0,999

0,999


[Seite 81↓]

Abbildung 24: 137Ba-Kalibration, LA-ICP-MS, λ = 1064 nm

Abbildung 25: 137Ba-Kalibration, LA-ICP-MS, λ = 266 nm

3.2.6.3.4  Kalibrationskennzahlen weiterer Isotope mit λ=1064 nm

Tabelle 20: Kalibrationskennzahlen weiterer Isotope mit λ=1064 nm

Kürzel

7 Li

11 B

24 Mg

27 Al

39 K

42 Ca

47 Ti

57 Fe

90 Zr

123 Sb

n

3

4

4

4

4

4

3

4

3

3

a1

1066,2
± 7,2

60,8
± 0,65

2724,9
± 34,63

2856,9
± 144,8

11220
± 55,3

69,9
± 1,46

775,7
± 209,2

447,3
± 70,4

91410,9
± 32726

10991
± 134,2

y [x=0]

-2,0
± 12,9

-0,9
± 15,9

125,7
± 226,5

342,0
±1217

-812,8
± 814,4

13,7
± 14,19

-1,8
± 46,5

0,1
± 8,8

-265,4
± 3101,9

17,6
± 142,2

sdv (yc)

2,9

7,7

128,4

548,9

447,8

7,7

7,6

1,223

557,7

30,6

sdv (x0)

0,003

0,127

0,047

0,192

0,040

0,111

0,010

0,003

0,006

0,003

r

1,000

0,999

0,999

0,997

1,000

0,999

0,966

0,9879

0,942

0,999


[Seite 82↓]

3.2.6.3.5  Kalibrationskennzahlen weiterer Isotope mit λ=266 nm

Tabelle 21: Kalibrationskennzahlen weiterer Isotope mit λ=266 nm

Kürzel

7 Li

11 B

24 Mg

27 Al

39 K

42 Ca

47 Ti

57 Fe

90 Zr

123 Sb

n

3

4

4

4

4

4

3

4

3

3

a1

1020,6
± 8,3

60,8
± 0,20

2708,2
± 32,9

3205,2
± 60,6

10534
± 149,1

69,4
± 1,6

612,8
± 41,7

389,5
± 3,2

13465,9
± 2570,2

7064,3
± 266,3

y [x=0]

-2,3
± 15,0

-1,9
± 4,6

107,3
± 214,9

-185,6
± 509,7

-1574,8
± 2194

0,15
± 15,1

-0,7
± 4,2

-1,3
± 0,5

20,6
± 243,6

-45,6
± 282,1

sdv (yc)

3,3

2,2

121,8

229,8

1206,6

8,2

1,5

0,3

43,8

60,7

sdv (x0)

0,003

0,037

0,045

0,072

0,115

0,119

0,002

0,001

0,003

0,009

r

1,000

1,000

0,999

0,999

0,999

0,999

0,995

0,999

0,982

0,999

3.2.7  Meßergebnisse mit LA-ICP-MS, statische Signale

Mit den in Kapitel 1.2.15 für das LA-ICP-MS-Verfahren erstellten Kalibrationen bei λ = 1064 nm und λ = 266 nm wurden Glasproben verschiedenen Typs und Verwendungszwecks untersucht. Folgende Tabelle gibt einen Überblick über die untersuchten Materialien:

Tabelle 22: Eingesetzte Glasproben zur Untersuchung mit LA-ICP-MS

Art

Typ

Einsatz

Vorbehandlung

Ampulle

Weißglas

Abfüllung von Glucosteril® 40 %

Erhalt von Glasscherben zur Untersuchung durch Ausfrieren

Ampulle

Braunglas

Abfüllung von Diazepam® 5 ml

Erhalt von Glasscherben zur Untersuchung durch Ausfrieren

Infusionsflasche

Weißglas

Isotonische NaCl-Lösung 0,9 %

Erhalt von Glasscherben zur Untersuchung durch Ausfrieren

Schütteltrichter

Braunglas

Laborglas

Glasbruch

Meßzylinder

Weißglas

Laborglas

Glasbruch

Referenzmaterial

Borosilikatglas

Qualitätssicherung

Zuschnitt zu Würfeln,

(Diamantsäge)

Referenzmaterial

Natron-Kalk-Glas

Qualitätssicherung

Zuschnitt zu Würfeln,

(Diamantsäge)

Referenzmaterial

Bleiglas

Qualitätssicherung

Zuschnitt zu Würfeln,

(Diamantsäge)


[Seite 83↓]

Die durch LA-ICP-MS ermittelten Elementgehalte der Proben wurden zur Beurteilung mit den Ergebnissen nach Säureaufschluß verglichen. Die Ergebnisse der LA-Untersuchungen an Referenzstandards konnten sowohl mit den zertifizierten Werten, als auch mit den Resultaten nach Säureaufschluß verglichen werden.

Der SiO2-Gehalt nach Säureaufschluß wurde durch Differenzbildung nach folgender Gleichung errechnet (Verlust des Siliziums als SiO4):

g/100 g

Gleichung 4: Berechnung des SiO2-Gehalts für Aufschlußproben

Tabelle 23: Aufschluß- und LA-ICP-MS-Werte, Braunglas-Ampulle (λ = 1064 u.266 nm)

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 1064 nm

LA - ICP - MS
λ = 266 nm

ICP - MS nach Aufschluß

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

69,98

±3,454

65,54

±0,455

70,20

±2,355

K2O

0,81

±0,139

1,20

±0,231

1,47

±0,81

Na2O

6,46

±1,278

7,22

±0,788

6,537

±1,278

Al2O3

6,32

±2,818

5,82

±0,232

1,10

±0,042

CaO

0,97

±0,250

0,43

±0,250

< 0,157

 

BaO

2,02

±0,084

1,22

±0,101

2,95

±0,026

MgO

0,03

±0,056

0,04

±0,095

0,007

±0,007

B2O3

10,58

±0,194

9,20

±0,179

11,09

±0,059

Li2O

< 0,00053

 

< 0,0010

 

< 0,00016

 

TiO2

2,12

±2,875

3,90

±0,013

0,103

±0,005

Fe2O3

0,45

±0,603

0,55

±0,011

0,775

±0,104

Sb2O3

< 0,00009

 

< 0,00007

 

< 0,0011

 

ZrO2

0,04

±0,002

0,05

±0,020

0,07

±0,024


[Seite 84↓]

Die Auswertung der in Tabelle 23 gezeigten Werte der Untersuchung mit Laserablation (λ = 1064 nm; λ = 266 nm) sowie nach Aufschluß führt zu einer Zuordnung in die Gruppe der Borosilikatgläser. Der Gehalt an Siliziumdioxid wird mit etwa 70 g/100 g ermittelt. Die Braunfärbung des Glases wird in der Regel erreicht durch Zusatz von Eisen- und Titanoxiden [46].

Auffällig sind deutliche Unterschiede der Ergebnisse für Aluminium und Titan. Grundsätzlich ist in Borosilikatgläsern ein Anteil an Aluminiumoxid von etwa 2 - 7 % zu erwarten [46]. Der niedrige Gehalt nach Aufschluß von c = 1,1 g/100 g an Aluminiumoxid gegenüber annähernd 6 g/100g aus den Laserablation-Bestimmungen sowie 0,1 g/100 g nach Aufschluß an Titandioxid gegenüber < 2 g/100 g nach Laserablation läßt Zweifel an der Richtigkeit des Aufschlußergebnisses zu. In der Tat wurde nach dem Aufschluß eine opake, schlierenartige Trübung der sonst klaren Säurelösungen beobachtet, die zunächst nicht gedeutet werden konnten. Daneben wurde ein plättchenförmiger (ca. 1 mm²), mattweißer Niederschlag in sehr geringer Menge festgestellt. Nach > 24stündigem Stehenlassen bei Raumtemperatur (T = 20 °C) lösten sich diese Schlieren teilweise, jedoch nicht vollständig auf. Es wird vermutet, daß der Aufschluß des Braunglases nicht vollständig war. Insbesondere für Aluminiumoxid unter Flußsäure-Einwirkung wird angenommen, daß ein Aufschluß nicht vollständig sein könnte und es zu einer Bildung schwerlöslicher Aluminium-Trifluoride kommt [141]. Diese Reaktion würde unweigerlich zu einem geringeren Anteil solvatisierter, freier Aluminiumionen und damit zu fehlerhaften Meßergebnissen führen. Eine denkbare Reaktion könnte wie folgt ablaufen:

Gleichung 5: Reaktion von Aluminiumoxid unter Flußsäure

Titan dürfte nach Aufschluß in seiner beständigsten Oxidationsstufe +4 vorliegen. Nach Jander, Blasius [105] treten in wäßriger Lösung stets Hydroxokationen auf (z.B. [Ti(OH)3(H2O)3]+ oder [Ti(OH)2(H2O)4]2+ ), deren Zusammensetzung stark pH-abhängig ist. Titanoxidhydrat ist im gealterten Zustand in Säuren schwer löslich. Dieses Verhalten könnte auch hier die relativ niedrigen Werte nach Aufschluß erklären.


[Seite 85↓]

Tabelle 24: Aufschluß- und LA-ICP-MS-Werte, Weißglas-Ampulle (λ = 1064 u.266 nm)

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 1064 nm

LA - ICP - MS
λ = 266 nm

ICP - MS nach Aufschluß

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

74,69

±1,501

76,18

±0,645

74,84

±0,607

K2O

0,09

±0,087

0,11

±0,248

0,09

±0,023

Na2O

6,84

±0,388

5,81

±0,864

6,80

±0,185

Al2O3

7,48

±0,528

5,29

±0,314

0,55

±0,091

CaO

1,77

±0,136

1,23

±0,237

1,25

±0,234

BaO

0,50

±0,083

0,50

±0,117

0,44

±0,017

MgO

0,02

±0,100

0,03

±0,095

< 0,0006

 

B2O3

11,38

±0,224

11,15

±0,386

10,76

±0,015

Li2O

< 0,00053

 

< 0,0010

 

< 0,00016

 

TiO2

0,03

±0,001

0,05

±0,018

0,041

±0,005

Fe2O3

0,01

±0,005

0,03

±0,002

0,038

±0,008

Sb2O3

< 0,00009

 

< 0,00007

 

< 0,0011

 

ZrO2

0,03

±0,002

0,01

±0,007

0,04

± 0,029

Die ermittelten Werte der Untersuchung mit Laserablation (λ = 1064 nm; λ = 266 nm) sowie nach Aufschluß führen zu einer Einteilung des Ampullenglases in die Gruppe der erdalkalihaltigen Borosilikatgläser. Anhand der Leitelemente Silizium, Natrium, Bor, Aluminium sowie Calcium ähnelt es in seiner Charakteristik dem Fiolax®-Glas.

Die Ergebnisse der Laserablation-Messungen unter zwei verschiedenen Wellenlängen zeigen außer für Aluminium keine großen Abweichungen von den Ergebnissen nach Aufschluß. Leicht erhöhte Gehalte werden unter λ = 266 nm für die Elemente Silizium und Titan ermittelt, während der Gehalt an Natrium etwas zu gering ausfällt. Unter λ = 1064 nm fallen die Aluminium- und Calciumgehalte geringfügig höher aus. Magnesium ist nach Aufschluß nicht nachweisbar, während die Laserablation auf beiden Massen (m/z = 24 und 26) ein quantitatives Ergebnis für Magnesium liefert.

Auffällig ist auch hier der signifikante Unterschied zwischen Aufschluß- und Laserablation-Ergebnis für Aluminium. Wie zuvor schon erläutert, wird auch für das Ampullenglas ein nicht vollständiger Aufschluß bzw. die Bildung schwerlöslicher Aluminiumverbindungen für möglich gehalten. Parallel zu den oben beschriebenen Beobachtungen waren die Aufschlußlösungen gleichfalls nicht ganz frei von weißlichen Niederschlägen in geringer [Seite 86↓]Menge. Da alle weiteren geprüften Isotope keine sichtbaren Unterschiede hinsichtlich ihres festgestellten Gehalts im Glas zeigen, liegt die Vermutung nahe, daß der aufgetretene Niederschlag hauptsächlich auf Aluminium zurückzuführen ist.

Tabelle 25: Aufschluß- und LA-ICP-MS-Werte, Infusionsflasche (λ = 1064 u.266 nm)

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 1064 nm

LA - ICP - MS
λ = 266 nm

ICP - MS nach Aufschluß

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

68,14

±1,171

68,43

±0,741

68,098

±0,380

K2O

2,51

±0,086

2,33

±0,222

2,16

±0,175

Na2O

8,76

±0,240

6,97

±0,797

4,375

±0,010

Al2O3

6,46

±0,319

6,60

±0,418

0,85

±0,063

CaO

0,54

±0,068

0,46

±0,248

< 0,157

 

BaO

1,89

±0,103

1,68

±0,119

1,611

±0,026

MgO

0,01

±0,100

0,01

±0,096

0,003

±0,005

B2O3

13,86

±0,335

13,50

±0,407

15,88

±0,024

Li2O

< 0,00053

 

< 0,0010

 

0,007

±0,003

TiO2

0,04

±0,001

0,04

±0,018

0,21

±0,018

Fe2O3

0,02

±0,004

0,02

±0,002

0,14

±0,010

Sb2O3

< 0,00009

 

< 0,00007

 

0,08

±0,023

ZrO2

0,02

±0,001

0,02

±0,007

0,148

±0,023

Die untersuchte Infusionsflasche wird nach den in Tabelle 25 gezeigten Werten der Laserablation (λ = 1064 nm; λ = 266 nm) und nach Aufschluß ebenfalls in die Gruppe der Borosilikatgläser eingeordnet. Ein recht hoher Borsäureanteil von ca. 14 % sowie die typischen Gehalte von etwa 70 - 80 % Siliziumdioxid und Anteilen an Aluminium-, Natrium- und Calciumoxiden charakterisieren dieses Glas.

Die durch Laserablation und Aufschluß erhaltenen Werte stimmen größtenteils gut überein, Abweichungen werden nur bei Calcium- und Aluminiumgehalten festgestellt. Die Problematik beim Aufschluß von Aluminium wurde a.a.O. bereits diskutiert, wobei auch in diesem Fall geringe Niederschläge festgestellt werden konnten. Die durch Laserablation erhaltenen Calciumgehalte liegen bei ca. 0,5 %, während Calcium nach Aufschluß nicht nachgewiesen werden konnte. Als Erklärung könnten schlechte Empfindlichkeit des Detektors (hohes Grundrauschen durch z.B. verschmutzte Ionenquelle) oder Interferenzen durch Molekülionen der Matrix auf den Massen m/z = 42 und 44 dienen. [Seite 87↓]Darauf deutet auch die recht hohe Nachweisgrenze bei Calcium hin.

Tabelle 26: Aufschluß- und LA-ICP-MS-Werte, Schütteltrichter (l = 1064 u.266 nm)

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 1064 nm

LA - ICP - MS
λ = 266 nm

ICP - MS nach Aufschluß

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

78,27

±1,598

78,87

±0,761

78,56

±0,298

K2O

0,63

±0,085

0,65

±0,239

0,78

±0,073

Na2O

3,71

±0,283

3,73

±1,039

3,79

±0,005

Al2O3

2,95

±0,489

2,25

±0,140

0,12

±0,132

CaO

1,31

±0,944

0,06

±0,260

< 0,157

 

BaO

0,01

±0,097

< 0,00009

 

0,005

±0,010

MgO

0,03

±0,103

0,01

±0,096

< 0,00006

 

B2O3

14,94

±0,729

15,10

±0,428

13,85

±0,02

Li2O

0,004

±0,006

< 0,0010

 

< 0,00002

 

TiO2

0,03

±0,002

0,03

±0,018

0,03

±0,011

Fe2O3

0,02

±0,004

0,02

±0,002

0,01

±0,010

Sb2O3

< 0,00009

 

< 0,00007

 

< 0,0011

 

ZrO2

0,03

±0,003

0,03

±0,012

0,03

±0,037

Die in Tabelle 26 gezeigten Werte der Untersuchungen an einem Braunglas-Schütteltrichter mit Laserablation (λ = 1064 nm; λ = 266 nm) und durch Aufschluß zeigen bei allen Isotopen gute Übereinstimmung. Allein die Aluminiumbestimmung nach Aufschluß stimmt nicht mit den Werten der Laserablation überein. Wie in den vorgenannten Beispielen läßt sich das Glas anhand seiner Mengenelemente der Gruppe der Borosilikatgläser zuordnen. Aufgrund des Fehlens von bedeutenden Anteilen an Bariumoxid ähnelt das Glas in seiner Zusammensetzung dem Duran®-Glas. Dieses Ergebnis deckt sich mit dem Einsatzgebiet des Materials als Laborglas.

Auch in diesem Fall wurden geringe Niederschläge wie oben beschrieben nach Auffüllen der aufgeschlossenen Säurelösungen beobachtet. Demzufolge könnte ebenso wie bei der Braunglas-Ampulle und der Infusionsflasche ein nur teilweiser Aufschluß von Aluminiumoxid bzw. die Bildung von schwerlöslichen Aluminium-Trifluoriden die Bestimmung der richtigen Aluminiumkonzentration des Glases über die Aufschlußlösungen unmöglich machen.


[Seite 88↓]

Tabelle 27: Aufschluß- und LA-ICP-MS-Werte, Meßzylinder (λ = 1064 u.266 nm)

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 1064 nm

LA - ICP - MS
λ = 266 nm

ICP - MS nach Aufschluß

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

80,78

±1,442

79,25

±0,623

79,85

±0,257

K2O

0,57

±0,085

0,56

±0,241

0,67

±0,067

Na2O

3,63

±0,251

3,27

±1,089

3,78

±0,004

Al2O3

2,42

±0,146

1,97

±0,148

0,108

±0,103

CaO

0,18

±0,082

< 0,049

 

< 0,157

 

BaO

0,01

±0,103

< 0,00009

 

< 0,00006

 

MgO

0,01

±0,100

0,01

±0,096

< 0,00006

 

B2O3

14,40

±0,556

15,76

±0,271

13,15

±0,032

Li2O

< 0,00053

 

< 0,0010

 

< 0,00002

 

TiO2

0,03

±0,001

0,02

±0,018

0,02

±0,017

Fe2O3

0,02

±0,006

0,01

±0,002

0,02

±0,004

Sb2O3

< 0,00009

 

< 0,00007

 

< 0,0011

 

ZrO2

0,02

±0,001

0,02

±0,007

0,02

±0,03

Das geprüfte Glas läßt sich aufgrund der gezeigten Daten aus der Untersuchung mit Laserablation (λ = 1064 nm; λ = 266 nm) und Aufschluß als erdalkalifreies Borosilikatglas kennzeichnen. Es zeigt seiner Zusammensetzung nach große Ähnlichkeit mit einem Duran®-Glas.

Die geprüften Isotope der Laserablation-Messungen der zwei eingesetzten Wellenlängen zeigten miteinander als auch im Vergleich mit den Ergebnissen der Aufschlußlösungen gute Übereinstimmung. Wie in den vorgenannten Beispielen scheint auch hier der vollständige Aufschluß bzw. die völlige Erfassung aller Aluminiumionen nicht gelungen zu sein. Leichte Niederschläge der Aufschlußlösungen deuteten Unregelmäßigkeiten des Aufschlusses an. Da außer der Aluminiumbestimmung alle geprüften Elemente im Rahmen der Meßungenauigkeit gute Übereinstimmung zeigten, wird nur die Richtigkeit des Aufschlußergebnisses für Aluminiumoxid in Frage gestellt.


[Seite 89↓]

Tabelle 28: Vergleich Aufschluß-, LA-ICP-MS-, zertifizierte Werte, DRN, λ =1064 nm

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 1064 nm

ICP - MS nach Aufschluß

Zertifizierte Werte

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

81,36

±1,449

81,08

±0,257

80,39

±0,058

K2O

0,99

±0,080

0,96

±0,023

1,01

±0,033

Na2O

3,43

±0,216

3,31

±0,023

3,25

±0,049

Al2O3

2,43

±0,188

0,39

±0,038

2,18

±0,014

CaO

0,11

±0,071

0,24

±0,035

  

BaO

< 0,00012

 

< 0,00006

 

< 0,05

 

MgO

< 0,00014

 

< 0,00006

   

B2O3

13,43

±0,548

13,84

±0,058

12,94

±0,028

Li2O

< 0,00053

 

< 0,00002

   

TiO2

0,03

±0,002

0,04

±0,001

< 0,02

 

Fe2O3

< 0,0046

 

< 0,0033

 

< 0,02

 

Sb2O3

< 0,00009

 

< 0,0011

   

ZrO2

< 0,00004

 

< 0,00001

   

Die gezeigten Ergebnisse für Laserablation (λ = 1064 nm) zeigen sehr gute Übereinstimmung mit den Aufschluß- und den zertifizierten Werten. Die Bestimmung der Glasart ist durch die Beurteilung der Konzentration an Silizium, Bor, Natrium und Aluminium eindeutig (Borosilikatglas).

Die bei den o.a. Proben diskutierten Unterschiede in der Bestimmung von Aluminium zeigten sich an diesem Referenzmaterial deutlich. Obwohl es ca. 2 % Aluminiumoxid enthält, konnte nach Aufschluß lediglich 20 % des eigentlichen Gehaltes (0,39 ± 0,038 g/100g) wiedergefunden werden. Die möglichen Gründe sind schon ausführlich erläutert worden. Die Verwendung von Referenzmaterial führt indes zum Ergebnis, daß dieses Verfahren für die richtige, quantitative Bestimmung von Aluminium nicht geeignet ist. Es ist jedoch möglich, Aluminiumoxidgehalte im Prozentbereich qualitativ zu bestimmen.

Calcium wurde durch Laserablation im Vergleich mit dem Aufschlußverfahren nicht in demselben Maße detektiert. Obwohl hier keine zertifizierten Werte vorlagen, darf nicht ausgeschlossen werden, daß Calcium im Glas enthalten ist. Wie a.a.O. schon diskutiert, könnten für fehlerbehaftete Calciumbestimmungen in Säurelösungen Interferenzen durch Molekülionen der Matrix oder insgesamt eine geringe Empfindlichkeit des Detektors in [Seite 90↓]Frage kommen. Trotz der unterschiedlichen Meßergebnisse für Calciumoxid bleibt die Zuordnung des Glases eindeutig.

Tabelle 29: Vergleich Aufschluß-, LA-ICP-MS-, zertifizierte Werte, DRN, λ =266 nm

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 266 nm

ICP - MS nach Aufschluß

Zertifizierte Werte

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

82,79

±0,566

81,08

±0,257

80,39

±0,058

K2O

0,72

±0,238

0,96

±0,023

1,01

±0,033

Na2O

2,36

±1,178

3,31

±0,023

3,25

±0,049

Al2O3

2,42

±0,201

0,39

±0,038

2,18

±0,014

CaO

< 0,027

 

0,24

±0,035

  

BaO

< 0,00012

 

< 0,00006

 

< 0,05

 

MgO

0,02

±0,095

< 0,00006

   

B2O3

12,97

±0,218

13,84

±0,058

12,94

±0,028

Li2O

< 0,00053

 

< 0,00002

   

TiO2

0,02

±0,018

0,04

±0,001

< 0,02

 

Fe2O3

0,01

±0,002

< 0,0033

 

< 0,02

 

Sb2O3

< 0,00009

 

< 0,0011

   

ZrO2

0,02

±0,007

< 0,00001

   

Die Ergebnisse der Laserablation-Bestimmung mit einer Wellenlänge von λ = 266 nm führten zu vergleichbaren Ergebnissen. Die Zuordnung des Glases ist aufgrund der bestimmten Elementgehalte zweifelsfrei möglich. Bei diesem Probenmaterial wurde festgestellt, daß die Präzision bei der Bestimmung der Alkali-Elemente Natrium und Kalium schlechter wird, hingegen die restlichen Isotope mit einer gegenüber λ = 1064 nm verbesserten Präzision ermittelt werden konnten.


[Seite 91↓]

Tabelle 30: Vergleich Aufschluß-, LA-ICP-MS-, zertifizierte Werte, FLX, λ =1064 nm

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 1064 nm

ICP - MS nach Aufschluß

Zertifizierte Werte

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

74,44

±1,392

77,79

±0,459

75,37

±0,311

K2O

0,31

±0,087

0,18

±0,023

0,35

±0,018

Na2O

6,89

±0,339

7,11

±0,264

6,15

±0,039

Al2O3

5,00

±0,307

0,81

±0,038

5,20

±0,043

CaO

0,56

±0,140

< 0,157

 

0,35

±0,027

BaO

3,51

±0,187

3,12

±0,007

3,54

±0,192

MgO

0,08

±0,099

0,03

±0,005

0,063

±0,005

B2O3

11,15

±0,300

10,40

±0,076

9,45

±0,205

Li2O

0,01

±0,006

< 0,0002

  

±

TiO2

0,05

±0,002

0,066

±0,001

  

Fe2O3

0,03

±0,004

< 0,0033

   

Sb2O3

0,01

±0,001

0,023

±0,016

0,019

±0,002

ZrO2

0,01

±0,001

0,02

±0,029

 

±

Die Ergebnisse für Barium, Aluminium, Silizium und Kalium wurden unter λ = 1064 nm richtig und mit akzeptabler Präzision bestimmt. Etwas höhere Gehalte gegenüber den zertifizierten Werten wurden für Natrium, Calcium und Bor gemessen. Eine eindeutige Zuordnung zur Gruppe der Borosilikatgläser ist auch hier gegeben. Gleichfalls tritt das Problem zu geringer Aluminiumkonzentrationen in den Aufschlußlösungen auf, die Wiederfindung liegt bei ca. 15 %. Da es sich um dieselbe Glasart wie bei Duran® handelt, liegen hier vermutlich vergleichbare Gründe vor.


[Seite 92↓]

Tabelle 31: Vergleich Aufschluß-, LA-ICP-MS-, zertifizierte Werte, FLX, λ =266 nm

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 266 nm

ICP - MS nach Aufschluß

Zertifizierte Werte

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

74,67

±0,890

77,79

±0,459

75,37

±0,311

K2O

0,33

±0,244

0,18

±0,023

0,35

±0,018

Na2O

6,50

±0,852

7,11

±0,264

6,15

±0,039

Al2O3

5,26

±0,240

0,81

±0,038

5,20

±0,043

CaO

0,27

±0,254

< 0,157

 

0,35

±0,027

BaO

3,56

±0,159

3,12

±0,007

3,54

±0,192

MgO

0,07

±0,095

0,03

±0,005

0,063

±0,005

B2O3

9,43

±0,168

10,40

±0,076

9,45

±0,205

Li2O

0,01

±0,007

< 0,0002

  

±

TiO2

0,05

±0,018

0,066

±0,001

  

Fe2O3

0,03

±0,002

< 0,0033

   

Sb2O3

0,01

±0,020

0,023

±0,016

0,019

±0,002

ZrO2

0,01

±0,006

0,02

±0,029

 

±

Die Ergebnisse der Untersuchungen unter λ = 266 nm waren im Gegensatz zu denen unter λ = 1064 nm präziser und lagen näher am zertifizierten Wert. Lediglich bei den Messungen von Natrium, Kalium und Calcium war die Präzision schlechter. Mit dem angewendeten Verfahren kann die chemische Zusammensetzung von Fiolax®-Glas weitestgehend richtig und mit akzeptabler Präzision untersucht werden.

Tabelle 32: Vergleich Aufschluß-, LA-ICP-MS-, zertifizierte Werte, TSG, λ = 1064 nm

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 1064 nm

ICP - MS nach Aufschluß

Zertifizierte Werte

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

71,54

±1,510

71,97

±1,036

71,91

±0,18

K2O

0,57

±0,088

0,57

±0,045

0,66

±0,12

Na2O

14,70

±0,534

14,74

±0,371

14,68

±0,26

Al2O3

1,04

±0,152

1,63

±0,112

1,16

±0,11

CaO

6,66

±0,222

6,29

±0,035

6,56

±0,12

BaO

< 0,00012

 

< 0,062

   

MgO

4,53

±0,199

4,34

±0,119

4,45

±0,15

B2O3

< 0,055

 

0,13

±0,014

  

Li2O

< 0,00053

 

< 0,00016

   

TiO2

0,03

±0,001

0,035

±0,002

0,035

±0,009

Fe2O3

0,06

±0,006

0,135

±0,009

0,11

±0,010

Sb2O3

< 0,00009

 

< 0,0011

   

ZrO2

< 0,00004

 

< 0,00001

   


[Seite 93↓]

Wie die o.a. Tabelle zeigt, ließ sich die Zusammensetzung des Torgauer Spezialglases als typischer Vertreter der Natron-Kalk-Gläser richtig und mit für eine Laserablation-Methode vergleichsweise hoher Präzision bestimmen. Alle zertifizierten Isotope konnten qualitativ nachgewiesen und auf dem 95%-Niveau quantifiziert werden. Außer dem Eisengehalt, der im Vergleich mit dem zertifizierten Wert zu niedrig ermittelt wurde, ließen sich alle weiteren geprüften Elemente im Rahmen der Meßungenauigkeit richtig bestimmen.

Eine Erklärung für den zu geringen Eisengehalt könnte die noch nicht optimale Kalibrierung mit nur drei Kalibrierpunkten sein. Zur Verbesserung der Ergebnisse wäre der Einsatz zusätzlicher Kalibrationsstandards mit höheren Eisengehalten nötig. Damit könnte in einem Arbeitsbereich gemessen werden, der mehrere Prozent Eisen(III)oxidgehalt des Probenmaterials einschließt. So hatte beispielsweise der Referenzstandard mit der geringsten Konzentration nur einen Gehalt von c = 0,006 g/100 g, der mit der höchsten Konzentration einen Gehalt von c = 0,11 g/100 g an Eisen(III)oxid. Verständlicherweise lassen sich Festproben, die mit Laserablation untersucht werden, nicht derart verdünnen, bis ihre Konzentration eines Isotops in einen festgelegten Arbeitsbereich des Kalibrierexperiments 'hineinpaßt'. Bei höheren oder niedrigeren Konzentrationen der untersuchten Proben muß demzufolge der Arbeitsbereich auf andere Weise erweitert werden. Diese Forderung kann nur durch den Einsatz zusätzlicher, 'passend' zusammengesetzter Standards erfüllt werden. Der zeitweise Mangel an geeigneten Kalibrierproben ist einer der grundsätzlichen Nachteile der Laserablation [17].

Die Bestimmung von Aluminium nach Aufschluß führte diesmal zu erhöhten Werten, wohingegen die Ergebnisse der Laserablation nahe an den zertifizierten Wert herankommen. Offensichtlich ließ sich das Natron-Kalk-Glas mit den gewählten Bedingungen problemlos aufschließen. Niederschläge, Schlieren oder sonstige Beeinträchtigung der Aufschlußlösungen wurden weder direkt nach Auffüllen noch nach Lagerung bei Kühlschrank- oder Raumtemperatur (T < 6 °C; T = 20 °C) beobachtet. Höhere Werte können durch Interferenzen verursacht werden. Denkbar sind Interferenzen durch Molekülionen aus der Matrix auf der Masse m/z = 27, so z.B. (11B)(16O)+ oder zweifach positiv geladene Eisenionen (Fe++). In der Tat enthält das Glas den höchsten Anteil an Eisen(III)oxid unter allen geprüften Proben. Hierdurch könnte das gemessene Signal teilweise auf Fe++-Ionen zurückzuführen sein. Dem Bor-Sauerstoff-Molekülion wird aufgrund des sehr niedrigen Gehaltes an Bor eine eher untergeordnete Rolle hinsichtlich seines Beitrags zu Interferenzen beigemessen, sofern es sich überhaupt in störenden Konzentrationen bildet.


[Seite 94↓]

Tabelle 33: Vergleich Aufschluß-, LA-ICP-MS-, zertifizierte Werte, TSG, λ = 266 nm

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 266 nm

ICP - MS nach Aufschluß

Zertifizierte Werte

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

72,38

±0,860

71,97

±1,036

71,91

±0,18

K2O

0,50

±0,241

0,57

±0,045

0,66

±0,12

Na2O

11,50

±0,980

14,74

±0,371

14,68

±0,26

Al2O3

1,01

±0,127

1,63

±0,112

1,16

±0,11

CaO

6,63

±0,377

6,29

±0,035

6,56

±0,12

BaO

< 0,00012

 

< 0,062

   

MgO

4,50

±0,160

4,34

±0,119

4,45

±0,15

B2O3

0,01

±0,089

0,13

±0,014

  

Li2O

< 0,00053

 

< 0,00016

   

TiO2

0,03

±0,010

0,035

±0,002

0,035

±0,009

Fe2O3

0,05

±0,002

0,135

±0,009

0,11

±0,010

Sb2O3

< 0,00009

 

< 0,0011

   

ZrO2

0,01

±0,007

< 0,00001

   

Die Ergebnisse unter λ = 266 nm sind den unter λ = 1064 nm ermittelten Gehalten vergleichbar. Die Präzision ist leicht erhöht bei der Bestimmung von Kalium, Natrium und Calcium. Zudem wurden zusätzlich Zirkon und Bor in geringen Mengen detektiert und bestimmt.

Grundsätzlich läßt sich feststellen, daß die quantitative Bestimmung von Natron-Kalk-Gläsern mit LA-ICP-MS unter beiden eingesetzten Laserwellenlängen zu vergleichbaren, richtigen Ergebnissen führt.


[Seite 95↓]

Tabelle 34: Vergleich Aufschluß-, LA-ICP-MS-, zertifizierte Werte, BCR, λ = 1064 nm

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 1064 nm

ICP - MS nach Aufschluß

Zertifizierte Werte

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

59,96

±1,055

56,49

±0,697

57,80

±0,09

K2O

11,58

±0,173

9,57

±0,326

10,00

±0,05

Na2O

5,05

±0,208

3,53

±0,077

3,58

±0,05

Al2O3

0,14

±0,179

0,12

±0,038

0,13

±0,006

CaO

1,01

±0,070

1,190

±0,054

1,03

±0,023

BaO

0,57

±0,086

1,18

±0,058

1,04

±0,026

MgO

0,57

±0,091

0,51

±0,037

0,51

±0,010

B2O3

< 0,055

 

< 0,027

   

Li2O

0,46

±0,021

0,49

±0,019

0,49

±0,02

TiO2

< 0,005

 

0,007

±0,001

0,007

±0,001

Fe2O3

< 0,0046

 

< 0,0033

 

0,006

±0,0009

Sb2O3

0,22

±0,010

0,35

±0,054

0,29

±0,01

ZrO2

0,03

±0,013

0,01

±0,016

  

PbO

  

24,14

± 0,017

23,98

±0,05

Die Untersuchung von Bleiglas mit Laserablation sollte zeigen, daß auch Gläser mit dem LA-ICP-MS-Verfahren identifiziert und quantifiziert werden können, die nicht pharmazeutisch eingesetzt werden. Die von den bisher geprüften Glasproben deutlich abweichende Zusammensetzung konnte durch Laserablation unter λ = 1064 nm qualitativ und quantitativ bestimmt werden. Der Gehalt für Natrium wurde höher als zertifiziert ermittelt, während der Gehalt an Barium deutlich niedriger ausfällt. Die weiteren Isotope konnten im Rahmen der Meßungenauigkeit richtig bestimmt werden. Für Blei wurden nach Laserablation zwar Intensitäten gemessen, doch konnte aufgrund der Zusammensetzung der zur Verfügung stehenden Kalibrierproben keine Kalibration aufgestellt werden, da nur der Bleigehalt im BCR-Glas zertifiziert war. Der Vergleich der Aufschlußergebnisse zeigte eine gute Übereinstimmung aller geprüften Isotope mit den zertifizierten Werten.


[Seite 96↓]

Tabelle 35: Vergleich Aufschluß-, LA-ICP-MS-, zertifizierte Werte, BCR, λ = 266 nm

Oxid

LA - ICP - MS
λ = 266 nm

ICP-MS nach Aufschluß

Zertifizierte Werte

 

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

Gehalt [g/100g]

SiO2

62,10

±0,477

56,49

±0,697

57,80

±0,09

K2O

8,63

±0,405

9,57

±0,326

10,00

±0,05

Na2O

3,27

±1,064

3,53

±0,077

3,58

±0,05

Al2O3

0,13

±0,142

0,12

±0,038

0,13

±0,006

CaO

0,98

±0,235

1,19

±0,054

1,03

±0,023

BaO

0,76

±0,108

1,18

±0,058

1,04

±0,026

MgO

0,52

±0,089

0,51

±0,037

0,51

±0,010

B2O3

0,08

±0,096

< 0,027

   

Li2O

0,51

±0,018

0,49

±0,019

0,49

±0,02

TiO2

< 0,005

 

0,007

±0,001

0,007

±0,001

Fe2O3

< 0,0046

 

< 0,0033

 

0,006

±0,0009

Sb2O3

0,25

±0,021

0,35

±0,054

0,29

±0,01

ZrO2

< 0,00003

 

0,01

±0,016

  

PbO

  

24,14

± 0,017

23,98

±0,05

Beim Vergleich der Ergebnisse unter λ = 266 nm mit den Werten unter λ = 1064 nm fällt auf, daß der zunächst zu hohe Natriumgehalt jetzt richtig ermittelt werden kann. Gleichzeitig verschlechtert sich jedoch die Präzision. Bariumoxid wird unter λ = 266 nm zwar zu größeren Anteilen quantifiziert, erreicht aber nicht den zertifizierten Wert, während für den Siliziumgehalt ein zu hoher Wert ermittelt wird. Es fällt wiederum auf, daß die Präzision für die Alkali-Elemente Natrium und Kalium sowie für das Erdalkalielement Calcium unter λ = 266 nm abnimmt. Die übrigen geprüften Isotope konnten jedoch mit vergleichsweise gleichbleibender Präzision bestimmt werden.


[Seite 97↓]

3.2.8 Statistische Prüfungen

3.2.8.1 Test auf Normalverteilung nach DAVID

Die Prüfung der Daten auf Normalverteilung wurde mit einem Verfahren nach DAVID durchgeführt. Dabei wird das Verhältnis der Spannweite R (maximaler – minimaler Wert; ymax - ymin) zur Standardabweichung mit tabellierten kritischen Schranken verglichen [120, 121]. Der Test wurde auf dem 10 % - Niveau durchgeführt (α = 0,1). Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse.

Tabelle 36: Test auf Normalverteilung nach DAVID, Ergebnisse (α=0,1)

λ [nm]

7 Li

11 B

23 Na

24 Mg

27 Al

30 Si

39 K

42 Ca

47 Ti

57 Fe

90 Zr

123 Sb

137 Ba

1064

-

-

+

+

( + )*

+

+

+

+

( +)*

+

-

+

266

-

-

+

+

( + )*

+

+

+

( -)*

+

+

-

+

Index:

+

Normalverteilung n. DAVID liegt vor

-

Normalverteilung liegt nicht vor

( )*

Prüfung ergab zusätzlich einen Trend

Obwohl für einige Kalibrationen (7Li , 11B, 123Sb) nach DAVID keine Normalverteilung festgestellt werden konnte, wurde mit den Daten weiter gearbeitet. Geringe Abweichungen von der Normalverteilung können vernachlässigt werden [120]. Desweiteren stellt der Test nur eine begrenzte, näherungsweise Prüfung auf Normalverteilung dar, da er lediglich die Spannweite als Kriterium verwendet. Letztlich handelt es sich um einen Test auf übermäßig große Wölbung der experimentellen Verteilung im Vergleich zur Normalverteilung [122].

3.2.8.2  Homogenität der Varianzen

Lineare Regression setzt zwingend voraus, daß innerhalb des gesamten Meßbereichs von ymin bis ymax statistisch nicht unterscheidbare Varianzen vorliegen (Varianzenhomogenität, Homoskedaszitität). Der Vergleich der Varianzen zweier Datenvektoren wird üblicherweise mit Hilfe des F-Tests durchgeführt [120, 121]. Als Testgröße TF dient das Verhältnis der beiden geschätzten Varianzen. Die errechnete [Seite 98↓]Prüfgröße wird mit der Schranke der F-Verteilung VF verglichen. Zur Durchführung des F-Tests wurden jeweils am ersten (niedrigsten) und letzten (höchsten) Kalibrierpunkt 10 Einzelmessungen an Natron-Kalk-Glas (TSG) durchgeführt und deren Standardabweichung ermittelt. Anschließend wurde die Prüfgröße TF berechnet und mit der tabellierten Vergleichsgröße VF (9;9;α) = 5,35 verglichen.

Gleichung 6: Berechnung der Prüfgröße TF (F-Test)

Bei TF < VF kann die Nullhypothese H0 [Varianzenhomogenität] nicht zurückgewiesen werden, die Varianzen sind homogen verteilt. Eine lineare Kalibrierung unter Berücksichtigung der Homoskedaszitität ist somit zulässig. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse der Prüfungen durch F-Test der aufgestellten Kalibrationen.

Tabelle 37: F-Test (n=10), erster und letzter Kalibrierpunkt

λ [nm]

7 Li

11 B

23 Na

24 Mg

27 Al

30 Si

39 K

42 Ca

47 Ti

57 Fe

90 Zr

123 Sb

137 Ba

1064

+

+

+

+

( + )*

+

+

+

-

+

+

+

+

266

+

+

+

+

( + )*

+

+

+

-

+

+

+

+

Index:

+

TF < VF Varianzenhomogenität liegt vor

-

TF≥ VF keine Varianzenhomogenität

( + )*

Varianzenhomogenität erst im 3. Meßzyklus bewiesen

Für die Kalibration von 47Ti konntebei beiden geprüften Wellenlängen keine Varianzenhomogenitätfestgestellt werden. Vermutlich unterschritt der erste Kalibrierpunkt die Nachweisgrenze von 0,3 ppm, was zu hoher Standardabweichung und damit zu einem hohen Wert der Prüfgröße führte. Die Zurückweisung der Nullhypothese für die Aluminium-Kalibration unter λ = 266 nm nach zwei Meßzyklen ist mit dem Auftreten starker Störpeaks zu begründen. Nach dem dritten Versuch konnte auch hier Varianzenhomogenität gezeigt werden. Zu diesem Zweck wurde der Laserstrahl neu fokussiert und eine für Aluminium erforderliche Datenkorrektur durchgeführt (siehe auch: Datenkorrektur, Kapitel 3.2.5.6).


[Seite 99↓]

3.2.8.3 Prüfung auf Linearität nach MANDEL

Die Linearität eines analytischen Verfahrens ist seine Fähigkeit (innerhalb eines gewissen Arbeitsbereichs) Testergebnisse zu erzielen, die der Konzentration bzw. der Menge des Analyten in der Probe direkt proportional sind [82]. Man kann zwischen der Linearität des Detektors bzw. des Analysengeräts (Verdünnungsreihe des Analyten) und der Linearität des analytischen Verfahrens (unabhängige Einwaagen, Probenvorbereitung) unterscheiden.

Die notwendigen Anforderungen an die Linearität ergeben sich aus der Quantifizierungs-Methode des Prüfverfahrens. Bei der hier angewendeten Mehrpunktkalibrierung wurde eine lineare Funktion ermittelt und die Varianzenhomogenität geprüft. Neben einer visuellen Beurteilung des Analysensignals als Funktion der Konzentration wurde der Linearitätstest nach MANDEL durchgeführt. Der Linearitätstest nach Mandel dient zur Überprüfung, ob eine lineare oder quadratische Regression zu geringeren Abweichungen führt.

Der erforderliche Bereich der Linearität wird durch den notwendigen Arbeitsbereich des Prüfverfahrens vorgegeben. Der Arbeitsbereich eines analytischen Verfahrens ist das Intervall zwischen unterer und oberer Konzentration bzw. Menge des Analyten in der Probe, über das ein geeignetes bzw. akzeptables Maß an Präzision, Richtigkeit und Linearität gezeigt wurde. Die Grenzen des Arbeitsbereiches werden durch die Anforderungen des Prüfverfahrens bestimmt und in der Regel aus der Linearität abgeleitet [82, 83]. Mindestens 5 Analytkonzentrationen über den gesamten Arbeitsbereich des analytischen Verfahrens sollten geprüft werden. Die Beschränkung auf die zur Verfügung stehenden Referenzstandards ließen maximal vier Kalibrationspunkte zu. Eine Erweiterung des Arbeitsbereichs ist bei Laserablation-Verfahren nur durch Zukauf geeigneter Referenzproben bzw. durch die Eigenherstellung von Standards möglich.

Die folgende Tabelle zeigt, daß für alle Kalibrationen das Modell der linearen Regression verwendet werden kann. Ergebnisse in Klammern bedeuten, daß hier wegen einer Fließkommadivision durch Null keine Prüfgröße berechnet werden konnte, jedoch Linearität aufgrund optischer Beurteilung angenommen wurde. Der Test gilt als erfolgreich, wenn die Prüfgröße kleiner als der kritische Wert ist (P < KW).


[Seite 100↓]

Tabelle 38: Linearitätstest nach MANDEL, Prüfgrößen und kritischer Wert

Isotop

Test n. MANDEL

λ = 1064 nm

Test n. MANDEL

λ = 266 nm

 

P

KW

P

KW

7 Li

( + )

11,8

4052

( + )

-

-

11 B

+

-

-

+

0,1

4052

23 Na

+

21,0

4052

+

1,4

4052

24 Mg

+

93,7

4052

+

22,1

4052

27 Al

+

2,1

4052

+

5,0

4052

30 Si

+

10,3

98,5

+

3,9

98,5

39 K

+

0,4

4052

+

35,8

4052

42 Ca

+

8,1

4052

+

5,3

4052

47 Ti

( + )

-

-

+

89,4

4052

57 Fe

+

0,7

4052

+

3,1

4052

90 Zr

( + )

-

-

( + )

-

-

123 Sb

( + )

-

-

( + )

-

-

137 Ba

+

548,9

4052

+

599,7

4052

Index:

+

Test n. MANDEL positiv

( + )

kein Test möglich, Linearität wird angenommen

P

Prüfgroße

KW

kritischer Wert

3.2.8.4 Nachweis- /Bestimmungsgrenze, LA-ICP-MS, λ = 1064 u. 266 nm

Die Nachweisgrenze eines Analyseverfahrens ist die geringste Analytmenge in einer Meßprobe, die detektiert, aber nicht als quantitativer Wert bestimmt werden kann [82].

Nachweis- und Bestimmungsgrenze können ermittelt werden durch:

Neben der DIN-Norm 32645 werden verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Nachweisgrenze in der Literatur diskutiert [123, 124, 125, 126, 127, 128]. Letztlich bleibt es [Seite 101↓]dem Analytiker überlassen, für welches Konzept er sich entscheidet.

Die Nachweisgrenze wurde aus dem Quotient des 3,3fachen Wertes der Standardabweichung der Leerwert-Messungen und der in der Kalibration ermittelten Empfindlichkeit berechnet. Desweiteren gehen die Anzahl der Messungen nach folgender Beziehung mit ein:

Gleichung 7: Bestimmung der Nachweisgrenze

Index:

LOD

=

limit of detection, Nachweisgrenze

δ

=

Standardabweichung des Leerwertes

m

=

Empfindlichkeit, normalisiert

n b

=

Anzahl Leerwert-Messungen, nb = 20

n a

=

Anzahl Proben-Messungen, na = 12

Die Bestimmungsgrenze eines Analyseverfahrens ist die geringste Analytmenge in einer Meßprobe, die mit der notwendigen Präzision und Richtigkeit quantifiziert werden kann [82]. Daneben wird durch eine DIN-Norm die Erfassungsgrenze definiert [129].

Die Bestimmungsgrenze wurde aus dem Quotient des 10fachen Wertes der Standardabweichung der Leerwert-Messungen und der in der Kalibration ermittelten Empfindlichkeit nach folgender Formel berechnet:

Gleichung 8: Berechnung der Bestimmungsgrenze

Index:

LOQ

=

limit of quantitation, Bestimmungsgrenze

δ

=

Standardabweichung des Leerwertes

m

=

Empfindlichkeit, normalisiert

n b

=

Anzahl Leerwert-Messungen, nb = 20

n a

=

Anzahl Proben-Messungen, na = 12


[Seite 102↓]

Tabelle 39: Nachweis- und Bestimmungsgrenzen LA-ICP-MS bei λ =1064 und 266 nm

Isotop

LOD

λ =1064 nm

LOQ

λ =1064 nm

LOD

λ =266 nm

LOQ

λ =266 nm

7Li

5,3 ppb

15,9 ppb

10,0 ppb

30,1 ppb

11B

0,6 ppm

1,7 ppm

0,4 ppm

1,3 ppm

23Na

8,1 ppb

24,2 ppb

4,3 ppb

12,8 ppb

24Mg

1,4 ppb

4,1 ppb

3,2 ppb

9,5 ppb

27Al

0,7 ppm

2,2 ppm

0,7 ppm

2,0 ppm

28Si

4,3 ppm

13,0 ppm

5,9 ppm

17,8 ppm

30Si

57,6 ppm

172,8 ppm

22,1 ppm

66,3 ppm

39K

0,2 ppm

0,7 ppm

0,5 ppm

1,5 ppm

42Ca

2,7 ppm

8,2 ppm

5,9 ppm

17,8 ppm

47Ti

0,3 ppm

0,8 ppm

0,2 ppm

0,5 ppm

57Fe

0,05 ppm

0,1 ppm

0,03 ppm

0,1 ppm

90Zr

0,4 ppb

1,1 ppb

0,3 ppb

0,8 ppb

123Sb

0,9 ppb

2,6 ppb

0,7 ppb

2,2 ppb

137Ba

1,2 ppb

3,7 ppb

0,8 ppb

2,3 ppb

3.2.8.5 Gesamtvertrauensbereich

Von kompetenten Prüflaboratorien wird erwartet, daß diese eine Aussage zur Unsicherheit der von ihnen ermittelten Prüfergebnisse machen können [130]. Der Vertrauensbereich eines analytischen Ergebnisses gibt an, innerhalb welcher Grenzen zu einem gefundenen Mittelwert x oder y der wahre Wert μx oder μy liegt [120]. Vorausgesetzt wird dabei, daß keine systematischen Fehler das Ergebnis verfälschen. Werden zwei Stichproben, z.B. ein Kalibrierexperiment und eine Analysenmessung, miteinander verrechnet, so muß ein angegebener Vertrauensbereich die Unsicherheit der Kalibrierung und der Analysenmessung berücksichtigen [122].

Die Berechnung des Gesamtfehlers des Verfahrens setzt sich demzufolge aus dem ermittelten Vertrauensbereich der Analysenmessung und des Kalibrierexperiments zusammen. Demnach gilt für den Vertrauensbereich eines kalibrierungsbedürftigen Verfahrens folgender Zusammenhang [131]:


[Seite 103↓]

Gleichung 9: Berechnung des Gesamtfehlers

Index:

cnf

=

Vertrauensbereich

x a

=

Mittelwert Analysenergebnis

a 1

=

Empfindlichkeit (normalisiert)

t a

=

t-Faktor der Student-Verteilung (Analyse)

t c

=

t-Faktor der Student-Verteilung (Kalibration)

var

=

quadrierte Standardabweichung (Varianz)

n a

=

Anzahl der Krater

n c

=

Anzahl Kalibrationsstandards

y a

=

Mittelwert der Intensität (Analyse)

y c

=

Mittelwert der Intensität (Kalibration)

x a

=

Mittelwert Ergebnis (Analyse)

x c

=

Mittelwert Ergebnis (Kalibration)

s xx

=

Fehlerquadratsumme

Kennzahlen:

Kalibration Aufschlüsse:

Anzahl Kalibrierpunkte = 9; Wiederholmessungen = 3; P = 95 %

Messung Aufschlüsse:

Anzahl Aufschlüsse = 2; Wiederholmessungen = 3; P = 95 %

Kalibration Laserablation:

Anzahl Kalibrierpunkte = 4; Wiederholmessungen = 12; P = 95 %

Messung Laserablation:

Anzahl Krater = 12; Wiederholmessungen = 12; P = 95 %

Die festgestellten Vertrauensbereiche sind im Kapitel 3.2.7 zusammen mit den Meßergebnissen tabellarisch aufgeführt.

3.2.8.6 Genauigkeit (accuracy) von LA-ICP-MS-Ergebnissen

Unter Genauigkeit wird die Zusammenfassung der Validierungselemente Richtigkeit und Präzision verstanden. Die Genauigkeit beschreibt, wie nahe ein Ergebnis dem wahren Wert kommt [82].

3.2.8.7 Richtigkeit (trueness)

Die Richtigkeit eines analytischen Verfahrens drückt die Übereinstimmung zwischen dem gefundenen Wert und einem entweder konventionell als wahr akzeptierten Wert oder [Seite 104↓]einem akzeptierten Referenzwert aus [82]. Mangelnde Übereinstimmung ist ein Hinweis auf systematische Fehler [83].

Die Richtigkeit kann aus den Validierungselementen Spezifität, Linearität und Präzision abgeleitet werden. Als quantitative Richtigkeitsbelege gelten:

  1. Vergleich der Ergebnisse mit einem etablierten, unabhängigen Verfahren
  2. Anwendung des Prüfverfahrens auf ein Referenzmaterial

Zur Prüfung der Richtigkeit wurden alle Laserablation-Ergebnisse gemäß Nr. 1 mit den Werten der massenspektrometrischen Bestimmung nach naßchemischem Aufschluß verglichen (etabliertes, unabhängiges Verfahren). Weiterhin wurde gemäß Nr. 2 die Richtigkeit des Verfahrens durch die Verwendung von Referenzmaterial geprüft. Der Einsatz von Referenzmaterial stellt die Rückführbarkeit der Ergebnisse zu anerkannten Meßnormalen sicher [132].

Der Vergleich beider Prüfverfahren wurde über einen Mittelwert-t-Test durchgeführt. Hierbei wird statistisch geprüft, ob sich die Mittelwerte der beiden Verfahren unter Berücksichtigung ihrer Streuung auf dem vorgegebenen Signifikanzniveau (P = 95%) voneinander unterscheiden. Ist der berechnete t-Wert größer als die tabellierte Prüfgröße, liegt ein signifikanter Unterschied der Mittelwerte vor. Zuvor wurde sichergestellt, daß die Varianzen der Meßwerte in beiden Prüfverfahren gleich verteilt sind (Homoskedaszitität, F-Test, P = 99%, siehe auch: Kapitel 3.2.8.2).

Der t-Wert für den Mittelwert-t-Test wurde nach folgender Gleichung berechnet:

Gleichung 10: Berechnung des t-Wertes, Mittelwert-t-Test

Index:

x 1 ; x 2

=

Mittelwerte des zu validierenden Verfahrens und des Vergleichsverfahrens

f

=

Freiheitsgrade, f = n 1 + n 2 - 2

P

=

Signifikanzniveau, hier: 95%

n

=

Anzahl der Meßwerte je Serie

s d

=

Variable

s 1 ; s 2

=

Standardabweichung der Meßwerte jeder Serie


[Seite 105↓]

Die Variable sd errechnet sich nach:

Gleichung 11: Berechnung der Variablen sd, Mittelwert-t-Test

Die Anwendung des Prüfverfahrens auf Referenzmaterial wurde mittels Sollwert-t-Test geprüft. Hierbei wird der Mittelwert des zu validierenden Verfahrens mit dem vorgegebenen Gehaltswert der Referenz verglichen.

Der t-Wert für den Sollwert-t-Test wurde nach folgendem Zusammenhang berechnet:

Gleichung 12: Berechnung des t-Wertes, Sollwert-t-Test

Index:

x

=

Mittelwert der Meßwerte

w

=

Sollwert, wahrer Wert, zertifizierter Wert

s

=

Standardabweichung Meßwert

P

=

Signifikanzniveau, hier: 95%

n

=

Anzahl der Meßwerte der Serie

f

=

Freiheitsgrade, f = n - 1

Die Ergebnisse der Prüfungen am Beispiel des TSG-Referenzglases zeigt Tabelle 40:


[Seite 106↓]

Tabelle 40: Prüfung der Richtigkeit an TSG, Mittelwert- und Sollwert-t-Test, F-Test

 

Na

Mg

Al

Si

K

Ca

Ti

Fe

Mittelwert
(LA-ICP-MS)

14,70

4,53

1,04

71,54

0,57

6,66

0,03

0,06

Mittelwert
(Aufschluß)

14,74

4,34

1,63

n.n.*

0,57

6,29

0,04

0,14

Sollwert
(Referenz)

14,68

4,45

1,16

71,91

0,66

6,56

0,04

0,11

Variationskoeffizient [%] (LA-ICP-MS)

5,98

3,50

15,71

2,11

7,89

5,40

3,47

13,55

F-Test (5;13;99%)

Prüfgröße

berechneter F-Wert

 

4,860

1,879

 

4,860

3,202

 

4,860

5,260

 

4,860

2,053

 

4,860

2,448

 

4,860

4,597

 

4,860

1,641

 

4,860

1,764

F-Test

+

+

-

+

+

+

+

+

Mittelwert-t-Test(18;95%)

Prüfgröße

berechneter t-Wert

 

2,101

0,110

 

2,101

0,029

 

2,101

0,557

 

 

 

 

2,101

0,112

 

2,101

0,112

 

2,101

1,497

 

2,101

11,88

t-Test, Mittelwert

+

+

+

 

+

+

+

+

Sollwert-t-Test(13;95%)

Prüfgröße

berechneter t-Wert

 

2,160

0,080

 

2,160

1,928

 

2,160

1,015

 

2,160

0,134

 

2,160

7,472

 

2,160

1,007

 

2,160

5,467

 

2,160

23,99

t-Test, Sollwert

+

+

+

+

-

+

-

-

Index:+ Prüfkriterium erfüllt- Prüfkriterium nicht erfülltn.n.* keine Si-Werte

Die Richtigkeit des Verfahrens konnte am Beispiel des TSG-Glases für die Isotope Natrium, Magnesium, Aluminium, Kalium, Calcium, Titan und Eisen mit dem Mittelwert-t-Test gezeigt werden. Der Mittelwert-t-Test war für Silizium aufgrund fehlender Daten nach Säureaufschluß (s.o.) nicht durchführbar. Der Sollwert-t-Test wurde von den Isotopen Kalium, Titan und Eisen nicht bestanden. Bei Kalium ist mit einem anderen Meßverfahren als ICP-MS zu prüfen, ob hier nicht systematische Fehler (z.B. Interferenzen) das Ergebnis beeinflussen. Für Titan liegen die Meßwerte nahe der Bestimmungsgrenze, der Zielwert wird nur knapp verfehlt. Eisen wird nur zu etwa 50 % detektiert. Hier ist die Empfindlichkeit der Kalibration zu überprüfen. Auffällig ist, daß eine Verdopplung der Steigung zu richtigen Werten führen würde. In allen Fällen sollte die Kalibrierfunktion unter Zuhilfenahme zusätzlicher Standards überprüft werden. Es scheint angezeigt, den Arbeitsbereich insbesondere für Eisen und Titan zu erweitern.

3.2.8.8 Präzision (precision)

Die Präzision eines analytischen Verfahrens ist ein Maß für die Übereinstimmung (Streuung) der Meßergebnisse bei wiederholter Durchführung des Analyseverfahrens mit einer homogenen Probe [82]. In die Präzision gehen die zufälligen Fehler ein. Es sollten nach Möglichkeit homogene, authentische Proben verwendet und Standardabweichung, Variationskoeffizient und Vertrauensbereich berichtet werden [83].


[Seite 107↓]

3.2.8.8.1  Wiederholpräzision (repeatability)

Bei der Wiederholpräzision erfolgt die Analyse gemäß gesamtem Prüfverfahren unter denselben Operationsbedingungen innerhalb eines kurzen Zeitraums, d.h. einer Meßserie. Die gezeigten Daten wurden innerhalb von etwa 30 Minuten aufgenommen. Während dieser Zeit wurden Laser und ICP-MS ununterbrochen betrieben. Lediglich die Probenkammer mußte zum Tausch der Proben oder zur Nachjustage des Laserfokus geöffnet und der Gasstrom kurzzeitig unterbrochen werden (diskontinuierliche Arbeitsweise). Auf der unbehandelten Probenoberfläche wurden 20 Krater mit einem Abstand von jeweils 1 mm geschossen (P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 und 266 nm). Die folgenden Untersuchungen wurden an DRN (Borosilikatglas) durchgeführt.

Tabelle 41: Präzisionsdaten normiert/unnormiert bei λ=1064 u. 266 nm, DRN


DRN/
Oxid

RSD [%] λ = 1064 nm

RSD [%] λ = 266 nm

n = 20
Rohdaten

n = 20
normiert

n = 20
Rohdaten

n = 20
normiert

Li2O

16,3

12,7

17,5

15,1

B2O3

15,1

5,5

6,1

4,4

Na2O

12,0

4,1

3,7

3,0

MgO

30,9

10,5

15,3

14,5

Al2O3

13,2

7,5

14,4

8,6

SiO2

11,2

1,3

3,5

2,4

K2O

11,2

2,9

5,0

5,3

CaO

108,9

11,9

29,9

28,3

TiO2

15,0

14,3

3,3

3,9

Fe2O3

44,9

16,4

14,7

10,6

Sb2O3

180,3

39,6

82,0

132,3

BaO

9,3

5,7

4,1

5,7

Es fällt auf, daß die Normierung des Rohdatensatzes unter der Basiswellenlänge von λ = 1064 nm zu einer deutlichen Verbesserung der Präzision führt. Der Effekt der Normierung ist demgegenüber bei λ = 266 nm marginal. Daraus kann geschlossen werden, daß die Ablation mit langwelligen, energiereichen Pulsen insgesamt weniger gleichmäßig erfolgt als mit kurzwelligen Pulsen. Stark streuende Werte werden v.a. für Elemente erhalten, die in geringen Konzentrationen (Eisen, Barium, Magnesium) oder nur in Spuren (Antimon, [Seite 108↓]Lithium) im Glas enthalten sind. Im Prozentbereich enthaltene Elemente können unter λ=1064 nm mit einer Präzision von < 7,5 % analysiert werden, bei λ = 266 nm liegt die Präzision bei < 8,6 %. Die Ergebnisse zeigen, daß mit beiden Wellenlängen LA-Messungen mit akzeptabler Präzision durchgeführt werden können.

Es war unklar, ob verschiedene Gläser mit unterschiedlicher Präzision ablatiert werden. Zum Vergleich wurden dieselben Untersuchungen an BCR (Bleiglas) vorgenommen, das sich hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung deutlich von DRN unterscheidet. Die unbehandelte Probenoberfläche wurde auch hier mit 20 Kratern ( Abstand jeweils 1 mm) beschossen (P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 und 266 nm).

Tabelle 42: Präzisionsdaten normiert/unnormiert bei λ=1064 u. 266 nm, BCR


BCR/
Oxid

RSD [%] λ = 1064 nm

RSD [%] λ = 266 nm

n = 20
Rohdaten

n = 20
normiert

n = 20
Rohdaten

n = 20
normiert

Li2O

17,6

7,4

15,5

5,3

B2O3

27,7

23,9

26,6

131,4

Na2O

15,0

4,3

16,6

5,2

MgO

15,2

3,5

15,3

3,3

Al2O3

12,9

8,5

13,7

2,6

SiO2

15,1

2,2

9,5

3,1

K2O

15,6

4,7

17,9

7,3

CaO

15,3

5,7

9,5

8,0

TiO2

26,4

31,5

22,7

23,7

Fe2O3

16,7

35,4

16,8

27,4

Sb2O3

12,8

6,2

18,0

8,0

BaO

14,0

5,8

18,3

8,0

PbO

13,0

7,2

21,9

11,9

Im direkten Vergleich mit den Ergebnissen von DRN zeigt das Bleiglas ähnliche relative Standardabweichungen. Unter Einsatz einer Laserwellenlänge von λ = 1064 nm können die im Prozentbereich enthaltenen Elemente mit einer Präzision von < 8,5 % bestimmt werden, bei λ = 266 nm liegt die Präzision der Mehrzahl der Elemente unter 8,0 %. Lediglich die Bleibestimmung verläuft mit höherer Streuung (11,9 %). Die Normierung verbessert die Präzision bei beiden Wellenlängen durchschnittlich um einen Faktor von 3 [Seite 109↓]- 5. Anhand dieser Daten ist auch die Untersuchung von Bleiglas mit beiden geprüften Wellenlängen bei annehmbarer Präzision möglich.

3.2.8.8.2 Vergleichspräzision (intermediate precision, reproducibility)

Die Vergleichspräzision umfaßt verschiedene Meßserien bei Variation der Parameter Zeit, Bearbeiter, Gerät, Reagentien, Labor, etc. Je nach Ausmaß der Variation unterscheidet man

Die reproducibility wurde nicht ermittelt. Hierfür sind Ergebnisse anderer Laboratorien erforderlich, wie sie beispielsweise in Ringversuchen bei der Methodenprüfung oder in Laborvergleichsuntersuchungen (LVU) anfallen. Die intermediate precision wurde an verschiedenen Tagen unter vergleichbaren Bedingungen (gleiche Lasereinstellungen, gleiche Raumtemperatur T =20 ± 1,5 °C, gleicher Bediener, gleiche Hard- und Software, gleiche Kalibrierfunktion, etc.) für DRN und BCR ermittelt. Das beobachtete Zeitintervall zwischen der ersten und letzten Meßserie betrug 5 Wochen. Die folgende Tabelle faßt die Ergebnisse für DRN und BCR beider Wellenlängen zusammen.

Tabelle 43: intermediate precision für DRN und BCR, λ = 1064 u. 266 nm



Oxid

RSD [%] λ = 1064 nm

RSD [%] λ = 266 nm

n = 7
(DRN)

n = 9
(BCR)

n = 7
(DRN)

n = 9
(BCR)

Li2O

15,3

17,9

22,1

38,4

B2O3

28,9

25,8

16,7

31,0

Na2O

7,7

17,0

13,0

35,4

MgO

12,9

10,7

16,8

36,1

Al2O3

1,7

24,0

11,2

37,3

SiO2

5,4

2,4

3,7

8,8

K2O

25,0

16,9

11,4

38,6

CaO

15,8

14,5

22,6

33,3

TiO2

14,6

26,3

11,5

45,2

Fe2O3

49,2

28,9

37,5

42,0

Sb2O3

15,1

17,2

17,4

33,8

BaO

13,5

19,0

9,3

36,4

PbO

-

13,8

-

19,7


[Seite 110↓]

Betrachtet man die Elemente beider Gläser, deren Gehalt über c = 0,5 g/100g liegt, verschlechtert sich deren relative Standardabweichung unter λ = 266 nm in größerem Ausmaß, als unter der Basiswellenlänge. Nach einem Gesamtzeitraum von 5 Wochen werden keine richtigen Ergebnisse mehr erzielt. Die Analyse der einzelnen Meßergebnisse legt den Schluß nahe, die Kalibrierfunktion wöchentlich neu aufzustellen. Zur Kontrolle der Meßpräzision können Qualitäts-Regelkarten eingesetzt werden. Dafür werden z.B. die Präzisionsdaten in Zeitreihen aufgezeichnet und durch Kontrollkarten oder CUSUM-Technik ausgewertet [133]. Dieses Verfahren läßt sich auf abgeschlossene Meßreihen übertragen wie auch für die Vorhersage künftiger Entwicklungen nutzen. So könnte der Zeitpunkt einer Neukalibrierung exakt bestimmt werden, um gleichbleibend richtige und präzise Werte zu bestimmen.

3.2.9 Transiente LA-Messungen an Gläsern (λ = 1064 u. 266 nm)

3.2.9.1 Einführung

Die Beständigkeit eines Glases hinsichtlich seiner Eignung als Primärpackmittel für Arzneistoffe und Zubereitungen hängt im wesentlichen an seinen Oberflächeneigenschaften. Diese werden u.a. von seiner chemischen Zusammensetzung bestimmt. Adsorptionen, chemische Reaktionen und Austauschvorgänge finden hauptsächlich an der Glasoberfläche statt. Aus diesem Grund war die Fragestellung interessant, ob Glasoberflächen homogen zusammengesetzt sind. Scholze erwähnt, daß empfindliche Meßmethoden wie die Röntgenkleinwinkelstreuung Zweifel an der Homogenität von Gläsern aufkommen lassen. Die Ursache für gewisse Inhomogenitäten seien geringe Dichtefluktuationen, bedingt durch eine geringe Beweglichkeit der Teilchen bei Raumtemperatur [48].

Die Struktur von Glasoberflächen und die des Glasinnern müssen getrennt betrachtet werden [134]. Es ist leicht nachvollziehbar, daß die direkt in der Oberfläche befindlichen Atome nach einer Seite keinen unmittelbaren Partner haben und dort ein anderer Bindungszustand herrschen muß als im Innern. Das wirkt sich vor allem auf die mechanische Festigkeit, die chemische Beständigkeit und die elektrische Leitfähigkeit aus [48 a.a.O.]. Bei der Glasherstellung aus der Schmelze bildet sich eine Oberfläche von selbst aus, wobei das Schmelzsystem versucht, in den Zustand geringster Energie zu kommen. Das wird einerseits dadurch erreicht, daß sich die geometrisch kleinste Fläche bildet und daß andererseits sich die geringste Oberflächenenergie einstellt, indem sich die [Seite 111↓]Komponenten in der Oberfläche anreichern, die die Oberflächenspannung erniedrigen. Bei üblichen Silikatgläsern sind dies vor allem die Elemente Bor, Kalium, Natrium und Blei [48 a.a.O.]. Solche Anreicherungen sind mehrfach experimentell bestätigt worden, z.B. von Rauschenbach und ergeben sich nach Garofalinie und Levine auch aus theoretischen Überlegungen [48 a.a.O.].

Zur Untersuchung der Zusammensetzung von Oberflächen und zur Aufnahme von Tiefenprofilen kann die Auswertung transienter Signale herangezogen werden. Bei diesem Vorgehen wird ein Laserplasma nur wenige Male über der Probe gezündet. Das abgetragene Material wird über einen Argongasstrom zum Detektor transportiert und der gesamte Signalverlauf zeitabhängig aufgezeichnet. Der Probenabtrag ist geringer als bei kontinuierlichem Beschuß. Im Idealfall werden nur dünne Schichten der Probe verdampft, so daß nach mehreren Meßdurchgängen eine Elementverteilung der jeweilig abgetragenen Schichten erhalten wird.

3.2.9.2 Zielsetzung

Zunächst sollte an Natron-Kalk-Glas die Eignung der Methode zur Untersuchung von Elementgehalten in Glasschichten geprüft werden. Dazu wurde das Referenzmaterial TSG (Natron-Kalk-Glas) eingesetzt, um Laserbedingungen und Versuchsdurchführung zu optimieren. Anhand der Meßwerte sollte über die quantitative Auswertung der Signale ein Tiefenprofil des Materials erstellt werden.

In einem zweiten Schritt sollte die Methode an Fiolax®-Braunglas-Ampullen (Borosilikatglas) eingesetzt werden. Ziel war es, Gläser mit abweichender Oberflächenstruktur zu unterscheiden. Zur Hydrophobisierung der pharmazeutisch verwendeten Gläser waren die Glasoberflächen silikonisiert und unterschiedlich nachbehandelt worden1. Es sollte geprüft werden, ob mit Hilfe der LA-ICP-MS eine Unterscheidung der verschiedenen Gläser möglich ist.

3.2.9.3 Methodenentwicklung

Um die zu prüfenden Proben mit wenigen Schüssen zu ablatieren, wurde die Methode grundlegend umgestellt. In Vorversuchen wurde festgestellt, daß zur Ablation mit der Basiswellenlänge von λ = 1064 nm zwei Schüsse ausreichten, um deutliche Signale zu produzieren. Die Laserenergie bewegte sich in einem Bereich von P = 150 - 210 mJ. Die Beobachtung der Signalverläufe zeigte bei der Masse m/z = 27 (Aluminium) zufällig auftretende Störpeaks, deren Ursache schon in Kapitel 3.2.5.3 untersucht wurde. Mit dem [Seite 112↓]Einsatz der 4. Harmonischen (λ = 266 nm) traten diese Erscheinungen in den Hintergrund. Aus diesem Grunde wurde die Laserablation transienter Signale im UV-Bereich durchgeführt.

Unter der Wellenlänge λ = 266 nm war eine Vorbehandlung (pre-ablation) erforderlich, um überhaupt Plasmen zu zünden. Die Laserleistung mußte auf P = 380 mJ erhöht werden. Die Dauer der pre-ablation war materialabhängig. Das transparente Natron-Kalk-Glas benötigte längere Vorbehandlungszeiten (etwa 2 x 20 Schüsse), die Braunglas-Ampullen ließen sich bei optimaler Fokussierung schon nach wenigen Schuß direkt ablatieren. Es wurde versucht, die Ampullen ohne pre-ablation zu untersuchen, da die Information zur chemischen Unterscheidung in den obersten Schichten der Proben zu finden sein dürfte [135].

Im Gegensatz zu statischen Signalen wurde nicht auf die Einstellung einer konstanten Signalhöhe hingearbeitet. Der aus der Messung transienter Signale erhaltene, zeitlich aufgelöste Signalverlauf konnte mit einer durch ISAS/Adlershof entwickelten Software ausgewertet werden. Die Auswertungen wurden sowohl über die Peakfläche als auch über das Peakmaximum vorgenommen. Nach Vorversuchen führten beide Auswertemethoden zu vergleichbaren Ergebnissen. Aus den Erfahrungen der statischen Messungen von Aluminium wurden die Auswertungen zukünftig nur über die Peakhöhe vorgenommen. Störpeaks führen bei der Flächenberechnung grundsätzlich zu größeren Fehlern, als bei der Auswertung über die Peakhöhe. Die Signalkurve mußte lediglich optisch dahingehend überprüft werden, daß ein eventueller Störpeak nicht als Peakmaximum erkannt wird. Die Auswertesoftware ließ die Festlegung frei wählbarer Peakgrenzen zu, so daß die Maxima nach Datenaufnahme exakt bestimmt werden konnten.

3.2.9.4 Untersuchungen an Natron-Kalk-Glas (TSG)

3.2.9.4.1 Idealer Signalverlauf

Zunächst wurde mit dem Referenzmaterial TSG (Natron-Kalk-Glas) die Datenaufnahme transienter Signale zu einem Routineverfahren entwickelt. Die Laserbedingungen wurden hinsichtlich der Auswertbarkeit des Signalverlaufs optimiert. Durch die geringe Zahl der Schüsse ergaben sich höhere Anforderungen an die Fokussierung und die Probenpositionierung als bei der Messung statischer Signale. TSG wurde in der Regel mit 2 x 20 Laserschüssen vorablatiert. Dadurch wurde die Probenoberfläche derart verändert, daß in der Folge eine Plasmazündung möglich war. Erst danach wurden die eigentlichen Messungen (20 x 20 Schuß) durchgeführt. Durch die gemessenen Daten ließen sich Unterschiede in der Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten erkennen. Die [Seite 113↓]folgende Grafik gibt einen typischen Signalverlauf für TSG wieder:

Abbildung 26: Signalverlauf, transientes Signal, LA-ICP-MS, TSG, λ = 1064 nm

Der gezeigte Signalverlauf wurde unter den Bedingungen P = 380 mJ, S = 20, F = 10 Hz bei λ = 266 nm für TSG erhalten. Die Elemente Bor, Antimon und Barium waren nach LA-ICP-MS und Aufschluß nicht nachweisbar. Der Signalverlauf gibt hier das Grundrauschen des Detektors wieder. Oberhalb ihrer Bestimmungsgrenze werden die Elemente Natrium, Aluminium, Silizium, Kalium und Natrium erfaßt. Die Signalkurve steigt bei allen erfaßbaren Elementen nach einer Totzeit von t0 = 5.03 Sekunden steil an. Zu diesem Zeitpunkt trifft der Teilchenstrom auf den Detektor, die Signalkurve durchläuft im Bereich von t = 6,94 - 7,74 Sekunden ein Maximum, um nach etwa t = 22,06 - 25,16 Sekunden asymptotisch auf ihren Ausgangswert zurückzufallen.

3.2.9.4.2 Quantitative Messungen an TSG

Zur Gehaltsbestimmung aus transienten Signalen wurde das Peakmaximum der Messungen bestimmt und mit Hilfe der aufgestellten Kalibrierfunktion ausgewertet (siehe auch: Kapitel 3.2.6.3). Das TSG-Glas läßt sich durch die Mengenelemente Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Silizium eindeutig charakterisieren. Neben den [Seite 114↓]zertifizierten Werten lagen Ergebnisse aus statischen Messungen mit LA-ICP-MS vor. Das Material wurde nach Fokussierung mit 20 Schuß pre-ablation (P = 380 mJ, S = 20, F = 10 Hz bei λ = 266 nm) vorbereitet. Anschließend wurden die transienten Signale in 20 sweeps á 20 Einzelschüsse (1 Krater) aufgenommen.

Es wurde erwartet, daß sich der durch die Auswertefunktion der Kalibration berechnete, mittlere Gehalt aller 20 Messungen den zertifizierten Werten nähern sollte, während jede Einzelmessung den Elementgehalt einer Schicht repräsentiert und damit die durchschnittliche Zusammensetzung einer bestimmten Tiefe wiedergibt. Sollten die Elementgehalte einzelner Schichten verschieden sein, müßten Abweichungen über die einzelnen Messungen erkennbar sein.

Geht man von der theoretischen Annahme aus, daß durch jede Schußserie dieselbe Schichtdicke des Glases abgetragen würde, ließe sich aus der Kratertiefe nach dem Experiment die Ablationstiefe für jeweils 20 Schuß ableiten. Die unter den gewählten Laserbedingungen erzeugten Krater hatten eine Tiefe von ca. 100 μm. Daraus errechnet sich ein theoretischer Abtrag von ca. 5 μm pro sweep. Die beobachteten Krater hatten jedoch in der Regel halbkugelförmiges Aussehen mit einem Durchmesser von etwa 150 μm, so daß unter dem Postulat gleicher Schichtdickenabträge anfangs mehr Material ablatiert werden müßte, als zum Ende des Experiments. Hoffmann erwähnt, daß die Kratertiefe mit jedem Puls um einen bestimmten Betrag zunimmt, solange die Ablationsbedingungen sich nicht ändern. Allerdings zeige sich, daß bei größeren Pulszahlen die Ablation des Materials immer geringer wird und schließlich ganz aufhört (gezeigt für Ablation an Mangankrusten). Als Gründe dafür kommen Kondensation des verdampften Materials am Boden des Kraters (Material wird nicht von der Trägergasströmung erreicht) und Defokussierung des Laserlichts mit zunehmender Kratertiefe in Frage [136].

Mit den durchgeführten Versuchen konnte gezeigt werden, daß die Bestimmung der Elementverteilung verschiedener Schichten über LA-ICP-MS grundsätzlich möglich ist. Die genaue Bestimmung der tatsächlich erreichten Ablationstiefe bedarf weiterer Untersuchungen. Die folgende Tabelle zeigt die errechneten Mittelwerte ausgewählter Isotope (berechnet als Oxid) aller Meßdurchgänge (sweeps 1-20), der ersten 4 Schichten (sweeps 1-4) sowie der letzten 10 Messungen (sweeps 11-20) im Vergleich zu den Referenzwerten:


[Seite 115↓]

Tabelle 44: Elementgehalte von TSG-Schichten, transiente Signale, λ=266 nm


Isotop

sweeps 1-4
[g/100 g
Oxid]

sweeps 11-20
[g/100 g
Oxid]

sweeps 1-20
[g/100 g
Oxid]

LA-ICP-MS 266 nm
[g/100 g Oxid]

zertifizierter Wert
[g/100 g Oxid]


23Na

9,45

13,94

12,44


11,50 ± 0,980


14,68 ± 0,26


24Mg

5,05

5,29

4,73


4,50 ± 0,160


4,45 ± 0,15


27Al

0,67

1,09

0,96


1,01 ± 0,127


1,16 ± 0,11


30Si

76,12

71,84

72,91


72,38 ± 0,860


71,91 ± 0,18


39K

0,44

0,65

0,59


0,50 ± 0,241


0,66 ± 0,12


42Ca

4,54

6,58

5,98


6,63 ± 0,377


6,56 ± 0,12

Zwischen den arithmetischen Mittelwerten der sweeps 1-4 und der sweeps 1- 20 sind deutliche Unterschiede bei fast allen gemessenen Isotopen erkennbar. Der Durchschnitt der sweeps 11-20 kommt den zertifizierten Werten am nächsten. Daraus kann gefolgert werden, daß die chemische Zusammensetzung der Oberfläche vom durchschnittlichen Elementgehalt abweicht. Diese Aussage bezieht sich zunächst nur auf den im Vergleich zur gesamten Probenoberfläche kleinen Kraterbereich. Die Richtigkeit der Messungen kann an dieser Stelle nicht beurteilt werden. Da Laserablation punktgenaue Informationen der Elementgehalte unter "Verbrauch" des Probenmaterials liefert, kann diese Stelle nach Beschuß nicht mehr mit einem weiteren Verfahren untersucht werden. An anderer Position der Probe könnte die Probe eine abweichende Zusammensetzung zeigen, so daß die Ergebnisse zunächst isoliert betrachtet werden müssen. Eine denkbare Alternative wären Oberflächenverfahren (z.B. TXRF, Totalröntgenfluoreszenz-Spektrometrie), die den Elementgehalt von Proben zerstörungsfrei messen können. Die entscheidende Erkenntnis des Experiments ist die grundsätzliche Eignung von Laserablation zur Unterscheidung von Elementgehalten verschiedener Schichten in Gläsern.


[Seite 116↓]

3.2.9.4.3 Tiefenprofil von TSG

Die grafische Darstellung der in Tabelle 44 zusammengefaßten Elementgehalte zeigt die Veränderung der Elementzusammensetzung über die einzelnen Schußserien. Diese Darstellung wird als Tiefenprofil bezeichnet.

Abbildung 27: Tiefenprofil für TSG, LA-ICP-MS, transiente Signale, λ = 266 nm

Nach den ersten 4 Meßzyklen (Σ = 80 Laserschüsse) werden für die Gehalte der Alkali- und Erdalkalielemente die niedrigsten Werte gemessen, der Siliziumgehalt erreicht ein Maximum. In tieferen Schichten sinkt der Siliziumgehalt, während die restlichen Elementgehalte auf Werte ansteigen, die nahe an den zertifizierten Wert heranreichen. Zum Ende der Meßserie (= 400 Laserschüsse) sind die Elementgehalte mit den Ergebnissen der statischen LA-Messungen vergleichbar und liegen in der Regel nahe bei den Referenzwerten. Damit konnte gezeigt werden, daß die in Glasstrukturen enthaltenen Elemente nicht zwingend statistisch gleich verteilt sein müssen. Die Auswertung der Peakmaxima führt zudem zu annähernd richtigen Ergebnissen, sofern Schichten untersucht werden, die dem durchschnittlichen Elementgehalt des Glases entsprechen.


[Seite 117↓]

3.2.9.5  Untersuchungen an Fiolax®-Braunglas-Ampullen

3.2.9.5.1 Eingesetzte Proben

Die an TSG entwickelte Methode zur Messung transienter Signale wurde an oberflächen-behandelten Fiolax®-Braunglas-Ampullen (Borosilikatglas) durchgeführt. Nachfolgend werden die untersuchten Proben beschrieben.

Tabelle 45: Glasmaterial zur Datenaufnahme transienter Signale

lfd. Nr.

Glasart

Typ

Oberflächen-behandlung

erwarteter Effekt

1


Fiolax®

Braunglas

nicht

silikonisiert

Oberfläche unbehandelt

2


Fiolax®

Braunglas

silikonisiert,

2 h Rückfluß Toluol, 2 h 600 °C Muffel

Oberfläche mit Silizium-

angereicherter Einbrennschicht

3


Fiolax®

Braunglas

silikonisiert,

2 h Rückfluß Toluol

Oberfläche mit organischer Dünnschicht von Silikonen,

Dicke: wenige Monolagen

4


Fiolax®

Braunglas

silikonisiert

Oberfläche mit organischer Dünnschicht + Bulkschicht von PDMS

Aufgrund der unterschiedlich durchgeführten Oberflächenbehandlung sollten sich die eingesetzten Glasproben vor allem an ihrem Verhältnis des Siliziumsignals zu anderen Isotopen unterscheiden lassen. Durch Braunfärbung der Ampullen und der damit verbundenen besseren Absorption der Laserstrahlung war eine Ablation unter λ = 266 nm mit geringer Anzahl von Laserpulsen ohne pre-ablation möglich.

3.2.9.5.2 Theoretische Erwartungen

Glas Nr. 1 ist hinsichtlich seiner Zusammensetzung mit dem als Referenzstandard eingesetzten Fiolax®-Ampullenglas (Borosilikatglas) identisch. Die Silikonisierung mit Polydimethylsiloxan ohne Nachbehandlung (Glas Nr. 4) soll zu einer organischen Dünnschicht auf der Glasoberfläche führen, die direkt aufliegt und eine Dicke von einer bis wenigen Monolagen aufweist. Zusätzlich soll darüber eine Bulkschicht von PDMS zu finden sein, die in organischen Lösungsmitteln wie Toluol löslich ist. Demzufolge müßte Glas Nr. 3 lediglich mit einer organischen Dünnschicht versehen sein, während das Nachbehandeln in einem Muffelofen bei T = 600 °C über 2 Stunden die Silikone [Seite 118↓]verdampfen bzw. einbrennen läßt, wodurch möglicherweise die Oberfläche an Silizium angereichert wird [135].

3.2.9.5.3 Signalverlauf der Messungen

Aufgrund der Vorgabe, die Laserablation-Messungen ohne pre-ablation, um über den maximalen Informationsgehalt zu verfügen, war die Datenaufnahme im Vergleich zu den vorhergegangenen TSG-Messungen vielfach schwieriger. Teilweise begann die Ablation erst nach der 3. oder 4. Schußserie. In anderen Fällen zündete gleich zu Anfang ein Plasma, das bei weiteren Serien nicht oder nur unregelmäßig zündete. Vermutlich wurde hinsichtlich der Energie nahe des Schwellenwertes gearbeitet, ab dem Laserablation überhaupt stattfindet. Eine weitere Erhöhung der Energie war geräteseits ausgeschlossen. So blieb nur die Möglichkeit, den Laserfokus optimal einzustellen und nur die Meßserien auszuwerten, die erwartungsgemäß verliefen. Ein Beispiel für einen nicht idealen Meßverlauf zeigt die folgende Grafik.

Abbildung 28: Verzögerte Plasmazündung, Fiolax® Probe 2, λ = 266 nm transient

Hier zündete zu Anfang ein Plasma (Schuß 1-4), setzte die nächsten 4 Serien aus und zündete erneut in der 5. Serie (Schuß 21-24). Die Intensitätswerte der Serien sind danach relativ stabil, weiterer Beschuß würde zu einem Tiefenprofil führen. Die Kratertiefe betrug schätzungsweise zwischen 20 - 40 μm. Aufgrund der konkaven Oberfläche waren die [Seite 119↓]Arbeiten gegenüber glatten Oberflächen erschwert. Zur Beurteilung des transienten Meßsignals wurde die 5. Meßserie (Schuß 21-24) ausgewählt. Die folgende Grafik gibt den Signalverlauf wieder:

Abbildung 29: Fiolax®-Ampullen Probe 2; Schuß 21-24, λ = 266 nm transient

Die dargestellten Intensitätswerte wurden um den Beitrag des Grundrauschens bereinigt. Man erkennt am Beispiel des 30Si-Signals, daß eine Auswertung derartiger Signalverläufe über die Peakhöhe gegenüber dem Flächenverfahren weniger fehlerbehaftet sein dürfte. Das Signal für 123Sb stellt den Bereich unterhalb der Bestimmungsgrenze dar.

3.2.9.5.4 Ergebnisse der Untersuchungen

Zur Auswertung wurden zunächst die Intensitätsverhältnisse von Silizium zu den Elementen Bor, Natrium, Aluminium, Kalium, Calcium und Barium der unbehandelten Probe Nr. 1 bestimmt. Anschließend wurden die Verhältniswerte der Proben 2-4 dieser Zielgröße gegenübergestellt.

Ausgehend von der unbehandelten Glasprobe Nr. 1 sollten sich die Gläser Nr. 2 u. 3 durch einen Anstieg des Siliziumgehaltes charakterisieren lassen, hingegen sollte Glas Nr. 4 hinsichtlich seiner Elementgehalte der Probe Nr. 1 ähnlicher sein. Da sich durch Silikonisierung vor allem der Gehalt von Silizium auf der Oberfläche ändert, erschien der Vergleich von Intensitätsverhältnissen geeignet, um die Proben anhand ihrer veränderten [Seite 120↓]Oberflächenstruktur unterscheiden zu können. Die Messungen erfolgten ohne pre-ablation, die Datenaufnahme wurde mit 10 Schußserien á 4 Laserschüssen (1 Krater) bei P = 380 mJ, S = 20, F = 10 Hz unter λ = 266 nm durchgeführt.

Abbildung 30: Intensitätsverhältnisse von Fiolax®-Ampullen, transient λ = 266 nm

Aus der Grafik wird deutlich, daß Unterschiede der Elementverteilung verschiedener Proben über die Intensitätsverhältnisse bei λ = 266 nm erkannt werden können. Die Ergebnisse sind jedoch nicht ganz schlüssig. Probe 2 zeigt gegenüber Probe 1 und 4 für die Elemente Bor, Aluminium, Kalium, Calcium und Barium höhere Silizium-Elementverhältnisse. Diese Elemente sind folglich an der gemessenen Stelle niedriger konzentriert und der Siliziumgehalt ist damit im Vergleich zur unbehandelten Probe höher. Der Gehalt an Natrium bleibt dagegen etwa gleich. Demzufolge scheint der Einbrennprozeß im Muffelofen nach Silikonisierung bei Fiolax®-Ampullen einen mit LA-ICP-MS detektierbaren Einfluß auf die Elementzusammensetzung zu haben.

Probe 3 zeigt nur bei den Elementen Bor und Calcium niedrigere Gehalte, während die übrigen Elementkonzentration etwa den Ausgangskonzentrationen von Probe 1 entsprechen. Die ermittelten Intensitätsverhältnisse der Probe 3 sind nicht ausreichend, um eine Silikonisierung der Glasoberfläche nach Toluol-Behandlung nachzuweisen.

Probe 4 wurde ohne Nachbehandlung silikonisiert und ähnelt in ihrer Elementzusammensetzung weitestgehend dem nicht behandelten Ampullenglas. Die [Seite 121↓]erhaltenen Intensitätsverhältnisse sind denen der Probe 1 sehr ähnlich. Der Kaliumgehalt wird vergleichsweise höher ermittelt, der Bariumgehalt liegt demgegenüber etwas niedriger. Die dünne Silikonschicht auf der Glasoberfläche der Ampulle läßt sich mit dem eingesetzten Laserablations-Verfahren nicht eindeutig identifizieren.

3.2.9.5.5 Zusammenfassung und Ausblick

Ein signifikanter Unterschied der oberflächenbehandelten Ampullengläser im Vergleich zum unbehandelten Glas ist nur bei Probe 2 erkennbar. Die Intensitätsverhältnisse der meisten gemessenen Isotope weichen hier von denen der unbehandelten Probe ab. Die durch den Einbrennprozeß nach Silikonisierung veränderte Elementzusammensetzung ist demnach bei Fiolax®-Ampullen mit LA-ICP-MS detektierbar. Eine Silikonisierung mit und ohne Toloul-Nachbehandlung (Proben 3 und 4) ist mit diesem Verfahren nicht eindeutig nachweisbar. Gegenüber der unbehandelten Probe werden jedoch Abweichungen der Intensitätsverhältnisse für die Elemente Bor, Kalium, Calcium und Barium registriert. Bessere Ergebnisse sind vorstellbar, wenn in den Proben durch Röntgenstrahlung Farbzentren (= Elektronenfehlstellen) erzeugt werden. Durch die hervorgerufene Farbigkeit des vormals transparenten Materials ließe sich möglicherweise mit niedrigeren Laserenergien eine schichtweise Elementzusammensetzung präziser als mit dem eingesetzten Verfahren bestimmen [143].

3.2.10 Robustheit des LA-ICP-MS-Verfahrens

Die Robustheit eines analytischen Verfahrens ist ein Maß seiner Kapazität, gegenüber geringen, aber überlegten Änderungen der Methodenparameter stabil zu bleiben. Sie ist ein Hinweis auf die Zuverlässigkeit im Routinebetrieb [82]. Die Robustheit sollte während der Methodenentwicklung betrachtet werden. Kritische Parameter müssen identifiziert und durch geeignete Maßnahmen im Einsatz des Prüfverfahrens kontrolliert werden, z.B. in einem Systemeignungstest. Zu den kritischen Parametern gehören im Fall der LA-ICP-MS u.a. Material- und Oberflächeneigenschaften der Probe, Probenvorbereitung, Laserbetriebsbedingungen, Temperatur, Empfindlichkeit des Massenspektrometers sowie Laserstrahlfokussierung.

Aus den mit LA-ICP-MS erhaltenen Ergebnissen lassen sich hinsichtlich der Robustheit des Verfahrens zur Untersuchung von Gläsern folgende Forderungen ableiten:

  1. Der eingesetzte Laser muß regelmäßig hinsichtlich seiner Leistung, Optik und Strahleigenschaften geprüft werden.
  2. Die Fokussierung des Laserstrahls hängt von der Art der untersuchten Proben ab. Sie hat maßgeblichen Einfluß auf das Meßergebnis und sollte mit erhöhter Sorgfalt vorgenommen werden.
  3. Die untersuchten Glasproben sollten eine ebene, unbehandelte Oberfläche zeigen.
  4. Die Proben sollten frei von äußeren Verunreinigungen sein; gegebenenfalls muß mit einem geeigneten Lösungsmittel, z.B. Methanol, gereinigt werden.
  5. Im Bedarfsfall können Glasproben, deren Ablationsverhalten die Zündung von Laserplasmen erschwert oder verhindert, mattiert bzw. angeschliffen werden. In jedem Fall muß geprüft werden, ob die mechanische Behandlung die Richtigkeit der Ergebnisse beeinflußt.
  6. Die Messungen mit einem Massenspektrometer sollten nur in dem vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereich durchgeführt werden. Optimale Meßbedingungen erhält man durch Klimatisierung des Meßplatzes.
  7. Die Empfindlichkeit des Massenspektrometers hängt im wesentlichen von einer regelmäßigen Gerätequalifizierung ab. Dazu gehören neben der Prüfung der Detektorleistung mittels Standardlösungen auch das 'Tuning' über die Software sowie die periodische Reinigung der Quelle und des Einlaßsystems (Skimmer, Konen, Dichtungen, etc.).

3.2.11 Kraterbeschaffenheit in Gläsern

3.2.11.1 Allgemeine Beobachtungen

Die durch Laserablation in den Probegläsern erzeugten Krater waren in der Regel kreisförmig. In seltenen Fällen wurde halbmondförmiges oder ellipsoides Aussehen beobachtet. Unterschiede zwischen der Form der Krater und deren Tiefe waren eindeutig materialabhängig, d.h. bei gleichen Laserbedingungen (Wellenlänge, Leistung, Frequenz, Anzahl Pulse, Fokus) ließen sich in Gläsern verschiedener Klassen unterschiedliche Krater erzeugen. Versuchsreihen mit veränderten Laserbedingungen zeigten, daß insbesondere durch die Fokussierung der Kraterdurchmesser, aber auch die Kraterform beeinflußbar waren. Desweiteren hatten die gewählte Wellenlänge und die Laserleistung Auswirkungen auf die Kraterbeschaffenheit. Die Erhöhung der Zahl an Laserpulsen (> 450) führte grundsätzlich zu tieferen Kratern, bis die Ablation bei Größenordnungen zwischen 700 - 1200 Pulsen zum Stillstand kam. Nach diesem Zeitpunkt sank die Höhe der detektierten Intensitäten aufgrund geringeren Materialabtrags ab. Anschließend konnte über dem entstandenen Krater kein neues Plasma gezündet werden - die Ablation des Probenmaterials an dieser Stelle war damit endgültig beendet. Die große Spanne von 700 - 1200 Laserpulsen deutete an, daß sich der Endpunkt der Laserablation nicht exakt reproduzieren ließ.


[Seite 123↓]

3.2.11.2  Einfluß der Fokussierung

Die Fokussierung des Laserstrahls hatte unter beiden eingesetzten Wellenlängen erheblichen Einfluß auf Durchmesser und Tiefe der erzeugten Krater. Der damit verbundene, unterschiedliche Materialabtrag (Gesamtmenge, Repräsentativität) erklärt unregelmäßige Signalverläufe bis hin zu quantitativen Ergebnissen mit mangelhafter Präzision und Richtigkeit. Die Grafik zeigt Ablationskrater von BCR (Bleiglas) bei λ = 1064 nm, P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz. Der eingeblendete Maßstab zeigt gesamt 100 μm, ein Teilstrich steht für 10 μm.

Abbildung 31: BCR (Vorderseite), LA-ICP-MS, statische Signale, λ = 1064 nm

In der oberen Reihe ist die Fokussierung ausgehend von der Probenoberfläche in 250-μm-Schritten erhöht worden (von rechts nach links: 1. Krater, Fokus auf Oberfläche; 9. Krater, Fokus 2000 μm über Oberfläche). Es ist deutlich zu erkennen, daß der Kraterdurchmesser von etwa 100 μm (1. Krater) auf etwa 40 μm (7. Krater) zurückgeht. Weiterhin erscheint bei Fokussierung nahe der Oberfläche der Randbereich unregelmäßiger. Der 7. Krater zeigt die gleichmäßigste Beschaffenheit der 9 Krater. Der Laserfokus wurde an dieser Stelle auf 1500 μm über der Probenoberfläche eingestellt.

Die zweite bis vierte Kraterreihe von oben wurde mit oberflächennaher Fokussierung erzeugt. Teilweise werden hier größere Stücke des Probenmaterials abgetragen, wodurch der Kraterrand ausfranst bzw. seine Kontur verliert (von rechts nach links: 2. Reihe, Krater 1-5; 3. Reihe, Krater 1; 4. Reihe, Krater 4 + 9).


[Seite 124↓]

Die 5. und 6. Reihe wurde mit der hinsichtlich Kraterbeschaffenheit als optimal erkannten Fokussierung von 1,5 cm über der Glasoberfläche geschossen. Die Krater sind nicht ideal kreisförmig, zeigen jedoch reproduzierbaren Durchmesser.

Die Untersuchungen wurden auch mit Borosilikatglas (DRN) und Natron-Kalk-Glas (TSG) durchgeführt. Diese Glasarten lagen würfelförmig mit transparenten Seitenflächen vor, so daß gegenüber den durch den Anschnitt mattierten Seiten des BCR die Tiefe der Krater besser erkennbar war. Die gemessene Tiefe von 12 verschiedenen Kratern bei oberflächennaher Fokussierung schwankte zwischen 0,1 - 2,0 mm, die relative Standardabweichung betrug RSD = 52 % (DRN). Die Änderung des Laserfokus auf 1500 μm über der Probenoberfläche führte zu einer Verbesserung der Streuung um den Faktor 5 (RSD < 10 %, DRN).

Die Fokussierung des Laserstrahls in die Probe führte zu Durchschüssen des Materials. Teilweise wurde die Probenunterseite mit Plasmazündung ablatiert, in anderen Fällen durchdrang nur der Laserstrahl in einem dünnen Kanal die Probe. Je nach Material zeigte der Kanal seitliche Ausfransungen. Die Durchschußkanäle waren hauptsächlich bei Bleiglas sehr unregelmäßig (P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz, λ = 1064 nm).

Abbildung 32: BCR (Rückseite), Durchschuß, LA-ICP-MS, statisch, λ = 1064 nm


[Seite 125↓]

3.2.11.3  Einfluß der Laserwellenlänge

Durch die Wahl der Laserlänge war die Kraterbeschaffenheit in allen Glasarten beeinflußbar. Dies zeigte sich insbesondere bei Proben geringer Dicke. Am Beispiel eines konkaven Borosilikatglases (Meßzylinderbruchstück) sind die Unterschiede der Kraterform deutlich zu erkennen (P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz, λ = 1064 nm).

Abbildung 33: Meßzylinder, LA-ICP-MS, statische Signale, λ = 1064 nm

Beide Schußserien (1. und 2. Reihe) führten zu sehr unregelmäßigen Kratern, deren Ränder größtenteils zerfasert und ungleichmäßig waren. Die geringe Materialdicke (ca. 1,5 mm) hielt den Laserbeschuß nicht aus, was sich in den sichtbaren Rissen entlang der Kraterreihe als auch im gesamten Material zeigte. Zum Größenvergleich der Krater kann der Eichstrich des Meßzylinders herangezogen werden. Dessen Dicke beträgt etwa 30 μm. Die beobachteten Krater zeigten demzufolge einen Durchmesser von ca. 90 - 200 μm.

Der Wechsel der Wellenlänge auf λ = 266 nm verbesserte die Kraterqualität erheblich. Die Grafik zeigt dasselbe Probenmaterial. Es wurde zur verbesserten Ablation angeschliffen (P = 320 mJ, S = 550, F = 10 Hz, λ = 266 nm).


[Seite 126↓]

Abbildung 34: Meßzylinder, LA-ICP-MS, statische Signale, λ = 266 nm

Die Kraterform ist bei allen drei Schußserien gleichmäßig, der Kraterrand klar konturiert. Der Durchmesser beträgt ca. 30 - 40 μm und ist sehr gut reproduzierbar. In der Mitte jeden Kraters erkennt man einen schwarzen Punkt, der den eigentlichen, durch die auftreffende Laserstrahlung hervorgerufenen Krater kennzeichnet. Um diesen Bereich herum wurde als Folge des über dem Krater gezündeten Plasmas konzentrisch Material aus geringerer Tiefe verdampft. Diese Beobachtungen decken sich mit Literaturangaben über die Kraterstruktur nach Ablation von Quarzoberflächen [136].

3.2.11.4 Einfluß der Probenoberfläche

Die gewählten Laserbedingungen ließen auch eine Ablation von deutlich konkaven, sehr dünnwandigem Material zu. Als Beispiel wird hier die untersuchte Braunglas-Ampulle gezeigt (P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz, λ =1064 nm).

Abbildung 35: Braunglas-Ampulle, LA-ICP-MS, statische Signale, λ = 1064 nm


[Seite 127↓]

Die obere Reihe wurde entlang des tiefsten Punkts der Innenwandkrümmung geschossen, die untere Reihe auf der ansteigenden Flanke. Während in der ersten Reihe gleichmäßig gerundete Krater produziert wurden, änderte sich die Kraterform bei Beschuß der Probenflanke. Dennoch ließen sich die Krater der zweiten Reihe auswerten, die Ergebnisse zeigten jedoch im Vergleich zur ersten Serie erhöhte Streuung (P = 320 mJ, S = 520, F = 10 Hz, λ = 266 nm).

Abbildung 36: Braunglas-Ampulle, LA-ICP-MS, statische Signale, λ = 266 nm

Die unter λ = 266 nm erzeugten Krater sind im Vergleich zu den Einschüssen mit der Grundwellenlänge kleiner (ca. 30 μm). Die Form ist wie unter λ = 1064 nm nahezu kreisförmig, jedoch verbessert sich die Kraterqualität nicht signifikant.

3.2.12 Zusammenfassung: Laserablation von Gläsern

Das gezeigte Laserablation-Verfahren ist sowohl mit einer Laserwellenlänge von λ = 1064 nm, als auch mit einer Wellenlänge von λ = 266 nm zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Gläsern geeignet. Die chemische Zusammensetzung der vorwiegend im pharmazeutischen Bereich eingesetzten Borosilikat- und Natron-Kalk-Gläser läßt sich durch LA-ICP-MS mit guter Richtigkeit und akzeptabler Präzision bestimmen. Die besten Ergebnisse wurden bei der Untersuchung von Natron-Kalk-Glas erreicht (TSG). Aber auch Bleiglas ist im Rahmen der gezeigten Meßungenauigkeit richtig und präzise prüfbar. Mit dem eingesetzten Verfahren lassen sich Gläser zweifelsfrei einer bestimmten Glasart zuordnen. Zusätzlich erhält man verläßliche Informationen über die chemische Zusammensetzung der Gläser, wobei nicht nur Oxidgehalte im Prozentbereich, sondern auch im Spurenbereich erkannt werden. So wurde beispielsweise in Fiolax®-Glas das Vorhandensein von Titan (durchschnittlicher Gehalt etwa c = 0,05 ± 0,018 g/100 g; ber. als TiO2) nachgewiesen, das vermutlich aus Beimengungen von Titandioxid stammt, jedoch nicht zertifiziert war. Der Vergleich mit den nach Aufschluß erhaltenen Werten stützt dieses Ergebnis.


[Seite 128↓]

Ein großer Vorteil der LA-ICP-MS ist ihre Schnelligkeit. Ohne jede Probenvorbereitung können im günstigsten Fall schon nach wenigen Minuten Untersuchungszeit qualitative und quantitative Aussagen über die Zusammensetzung eines Probenmaterials gemacht werden. Voraussetzung hierfür sind vorausgegangene Gerätequalifizierung und Kalibrierung mit geeignetem Standardmaterial. Nachteilig wirkt sich die Begrenzung des Arbeitsbereichs der zu prüfenden Isotope durch die Elementkonzentration der Kalibrierproben aus. Festproben können nicht, wie in der Flüssiganalyse mit ICP-MS möglich, einsatzgerecht verdünnt werden. Für die Erweiterung des Arbeitsbereichs müssen jeweils neue Referenzstandards zugekauft werden, sofern die Herstellung von eigenem Material im Labormaßstab nicht möglich ist.

Die Ergebnisse der Laserablation-Messungen wurden mit den Resultaten der ICP-MS-Bestimmungen nach Säureaufschluß verglichen. Für alle Isotope außer Aluminium und in einem Fall Titan wurde eine gute Übereinstimmung festgestellt. Einzelne, zufällige Abweichungen wurden auf mögliche Interferenzen oder schwache Empfindlichkeit des Detektors zurückgeführt. Die Ergebnisse für Aluminium nach Aufschluß von Borosilikatglas lagen um bis zu 85 % unter den zertifizierten Werten. Als Gründe wurden die Bildung schwerlöslicher Aluminium-Trifluoride sowie ein nicht vollständiger Aufschluß angeführt. Es konnte gezeigt werden, daß von dieser Problematik nur Borosilikatgläser betroffen waren, während die Ergebnisse für Natron-Kalk- und Bleiglas keine Auffälligkeiten zeigten. Bei dieser Betrachtung muß berücksichtigt werden, daß Borosilikatgläser in der Regel größere Anteile an Aluminiumoxid enthalten (5 - 7 %), die untersuchten Natron-Kalk- und Bleigläser jedoch maximal bis 1 % Aluminiumoxid. Möglicherweise begünstigt ihre chemische Zusammensetzung und damit zusammenhängend eine von Borosilikatglas räumlich abweichende Struktur den Aufschluß von Aluminiumoxid unter den gewählten Bedingungen. Zur Verbesserung der Aufschlußergebnisse sollte der Einsatz von Perchlorsäure erwogen werden.

Die Ergebnisse beider Laserwellenlängen im direkten Vergleich zeigten keine deutlichen Unterschiede. Interessant war die Beobachtung, daß sich die Präzision der Bestimmungen von Alkali-Elementen (Na, K), sowie häufiger auch die von Calcium bei allen geprüften Proben unter Beschuß mit λ = 266 nm bei gleichbleibender Richtigkeit verschlechterte, während die Präzision der übrigen Isotope bei beiden Wellenlängen (λ = 266 und 1064 nm) in etwa auf gleichem Niveau blieb. Hierfür könnten unterschiedliche thermodynamische Vorgänge während der Laserablation verantwortlich sein, die zu insgesamt unruhigen Signalverläufen und damit zu schlechterer Präzision führen könnten.

Durch die Aufnahme transienter Signale bei Natron-Kalk-Glas (TSG) konnten Tiefenprofile erstellt werden. Dabei zeigten sich erkennbar unterschiedliche [Seite 129↓]Elementzusammensetzungen von der Oberfläche bis zu einer Kratertiefe von etwa 100 μm. Weiterhin ließen sich quantitative Auswertungen über die Peakmaxima der Signalkurve mit Hilfe der aufgestellten Kalibrierfunktion vornehmen. An silikonisierten und verschieden nachbehandelten Fiolax®-Braunglas-Ampullen wurden mit Hilfe transienter Signale bei einer Laserwellenlänge von λ = 266 nm Unterschiede über Intensitätsverhältnisse gefunden. Dabei ließen sich Proben, deren Silikonisierung durch Einbrennvorgänge fixiert war, an ihrem Verhältnis der Isotopintensitäten von Silizium zu Bor, Natrium, Aluminium, Kalium, Calcium und Barium von unbehandelten Proben deutlich unterscheiden.

Die Laserbedingungen wurden im Hinblick auf die Qualität der aufgezeichneten Signale, der Meßergebnisse und der beobachteten Kratertiefe optimiert. Es wurden Methoden erstellt, die mit Hilfe statischer und transienter Signalverläufe qualitative und quantitative Aussagen über die chemische Zusammensetzung von Gläsern möglich machen. Die statistische Prüfung zeigte weitestgehend Normalverteilung und Homoskedaszitität der aufgenommenen Daten. Die nach linearer Regression erhaltene Kalibrierfunktion sollte bei dauerhaftem Einsatz des Verfahrens mindestens wöchentlich neu erstellt werden, da anderenfalls die Genauigkeit der Ergebnisse signifikant schlechter wird. Die LA-ICP-MS-Messungen an Gläsern konnten mit beiden geprüften Laserwellenlängen (λ = 1064 und 266 nm) durchgeführt werden. Aufgrund der besseren Reproduzierbarkeit der erzeugten Krater sollten Prüfungen an pharmazeutisch verwendeten Gläsern mit einer Laserwellenlänge von λ = 266 nm vorgenommen werden. Desweiteren wird unter dieser Wellenlänge der Umgang mit mechanisch empfindlichen Proben, z.B. dünnwandigen Ampullen insofern erleichtert, als unter kurzwelligen, weniger energiereichen Laserpulsen seltener Materialbruch während der Messung auftritt.

3.3 Aufschlussverfahren für Gläser

3.3.1 Wahl des Aufschlußverfahrens

Glas ist in der Regel unlöslich in Wasser, Lösungsmitteln und Säuren. Einzig Flußsäure vermag Glas aufzulösen [105]. Zur Untersuchung von Glasproben mit ICP-MS müssen feste Glasproben in flüssige Form überführt werden. In der Literatur werden zum Aufschluß von Glas verschiedene Verfahren angeführt. Im allgemeinen werden Gemische aus konzentrierten Säuren wie Flußsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Salzsäure und Perchlorsäure genannt [18, 30, 105]. In jüngeren Laborvergleichsuntersuchungen der Glasindustrie wird ein Gemisch von Flußsäure, Perchlorsäure und Salpetersäure [Seite 130↓]eingesetzt. Mit diesem Gemisch ist ein offener Aufschluß bei T = 160 °C in PTFE- oder Platinschalen möglich [6].

3.3.2 Aufschlußverfahren

Aufgrund der Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit Perchlorsäure wurde entschieden, den Säureaufschluß nur mit Salpetersäure und Flußsäure in einer geschlossenen Druckaufschlußapparatur durchzuführen. Nachteilig ist dabei, daß durch Bildung von flüchtigem SiF4 die Bestimmung von Silizium in den aufgeschlossenen Proben nicht mehr möglich ist. Eine Alternative ist der Soda-Pottasche-Aufschluß, der unter Erhalt von Silizium verläuft. Diese Variante wird u.a. bei der Mikroanalyse von antiken Glasgefäßen eingesetzt [106]. Durch die Verwendung von Referenz-Glasstandards liegen für diese Proben allerdings zertifizierte Werte des jeweiligen Siliziumgehalts vor. In Anbetracht dessen wurde darauf verzichtet, Siliziumgehalte der Proben über Schmelzen und ICP-MS-Detektion zu ermitteln.

Um jedwede Kontamination zu vermeiden, wurde alle Arbeiten unter Laminar-Air-Flow durchgeführt. Zur Durchführung wurde der Gasphasenaufschluß gewählt. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß das aufzuschließende Probengut keinen direkten Kontakt mit der Aufschlußsäure hat. Erst bei höheren Temperaturen wirkt die dampfförmige Säure auf das Probengut ein. Der Effekt ist ein völlig kontaminationsfreier Aufschluß, da bis auf den Teflonzylinder kein Wandkontakt zu Aufschlußgefäß oder Säurelösung besteht. Memory-Effekte, die bei mehrmaliger Verwendung der Gefäße auftreten können, werden dadurch praktisch ausgeschlossen. Diese Technik wird seit mehreren Jahren erfolgreich zum Aufschluß schwerlöslicher Proben eingesetzt [137]. Die folgende Abbildung zeigt schematisch das Aufschluß-System:

Abbildung 37: Aufschlußsystem für Gasphasenaufschlüsse


[Seite 131↓]

3.3.3 Probenvorbereitung

Glasproben müssen vor dem naßchemischen Aufschluß zerkleinert werden [6]. Es wurde eine Korngröße von k < 100 μm angestrebt. Die untersuchten Gläser (Ampullen, Infusionsflaschen, Laborglas und Glasstandards) wurden zunächst mit wenigen Millilitern halbkonzentrierter Salpetersäure (Suprapur®) gereinigt und anschließend mit Aqua bidest. gespült. Gefüllte Ampullen wurden vor der Reinigung geöffnet und der Inhalt verworfen. Danach wurden sie mit Aqua bidest. gespült sowie anschließend bis zum Rand gefüllt und bei T < 18°C tiefgefroren. Durch die Ausdehnung des Eises zerbrachen die Ampullen derart, daß längliche Scherben und der runde Boden als ganze Stücke verfügbar waren. In einem sauberen Achatmörser wurden die derart vorzerkleinerten Proben zu Glasgrieß zerstoßen und gesiebt (Korngrößenverteilung k < 100 μm). Nach Trocknen im Trockenschrank bei T = 105 ± 2 °C zur Gewichtskonstanz erfolgte die Aufbewahrung des Glasgrießes in Kunststoff-Schnappdeckelgläschen.

Der Gasphasenaufschluß wurde in zwei Schritten durchgeführt: In einem ersten Schritt wurden die Gläser mit konzentrierter Flußsäure bei einer Temperatur von 190 °C und einem Druck von 140 bar aufgeschlossen, gefolgt von einem zweiten Aufschluß mit konzentrierter Salpetersäure unter den gleichen Bedingungen. Glasstandards (Referenzmaterial) und Glasproben wurden in der Regel zweifach aufgeschlossen. Der Verlauf der Aufschlüsse wurde mit zeitabhängig aufgezeichneten Druck- und Temperaturdiagrammen auf Einhaltung der gewählten Bedingungen kontrolliert. Der Rückstand der aufgeschlossenen Proben wurde mit konz. Salzsäure aufgenommen und mit Aqua bidest. auf ein Endvolumen von 10,0 ml aufgefüllt. Die Qualität der Aufschlüsse wurde durch optische Begutachtung auf Klarheit und Schlierenfreiheit geprüft. Eine Übersicht der Aufschlußbedingungen ist unter Kapitel 4.5.4 zu finden.

3.3.4 Messung von Aufschlüssen

Die massenspektrometrische Untersuchung von Säureaufschlüssen erfolgte möglichst im Anschluß an das Aufschlußverfahren. Aufgeschlossene Proben wurden bis zum Einsatz verschlossen im Kühlschrank bei T < 6 °C gelagert. Vor der Messung wurden sie auf T = 20 °C temperiert. Jeder Aufschluß wurde mit ICP-MS dreimal gemessen, so daß ein endgültiges Meßergebnis den arithmetischen Mittelwert aus 6 Einzelmessungen darstellt.

3.3.5 Kalibration für Aufschlußlösungen

Für jedes zu bestimmende Element wurde eine externe Kalibration durchgeführt. Mit Isotopen-Standardlösungen wurden Mischstandards der zu messenden Isotope mit einem [Seite 132↓]Arbeitsbereich von 1 - 1000 ppb hergestellt (Kalibrationspunkte mit 1, 5, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000 ppb). Sofern nötig, wurden die Arbeitsbereiche auf z.B. 100 - 1000 ppb, 25 - 250 ppb oder 50 - 500 ppb verkleinert, um eine lineare Regression durchführen zu können. Im einzelnen wurden folgende Isotope gemessen:

6Li, 7Li, 10B, 11B, 23Na, 24Mg, 26Mg, 27Al, 39K, 42Ca, 44Ca, 47Ti, 50Ti, 54Fe, 57Fe, 66Zn, 68Zn, 90Zr, 94Zr, 121Sb, 123Sb, 135Ba, 137Ba, 206Pb, 207Pb

Beispielhaft wird hier die Kalibration für 23Na und 50Ti gezeigt. Die Ergebnisse der Kalibrationen der weiteren Isotope sind nachfolgend tabellarisch zusammengefaßt.

Tabelle 46: Kalibrationskennzahlen für 23Na und 50Ti, ICP-MS, Säureaufschlüsse

Parameter

Kürzel

23 Na

50 Ti

Arbeitsbereich

ppb

1 - 1000

1 - 1000

Anzahl Meßpunkte

n

9

9

Steigung ± sdv

a1

7611,5 ± 283,08

1428,3 ± 2,78

Ordinatenschnittpunkt ± sdv

y [x=0]

-173771 ± 205887,5

555,1 ± 1090,04

Rest-Standardabweichung

sdv (yc)

269617,8

1289,3

Verfahrens-Standardabweichung

sdv (x0)

35,4

0,903

Korrelationskoeffizient

r

0,995

1,000

Abbildung 38: 23Na- Kalibration für Säureaufschlüsse, ICP-MS


[Seite 133↓]

Abbildung 39: 50Ti-Kalibration für Säureaufschlüsse, ICP-MS


[Seite 134↓]

Tabelle 47: Kalibrationskennzahlen weiterer Isotope, ICP-MS, Säureaufschlüsse

Kürzel

n

a 1

y [x=0]

sdv (yc)

sdv (x0)

r

6 Li

9

42,8
± 0,51

251,2
± 369,94

484,5

11,3

0,999

7 Li

9

806,3
± 11,78

5565,2
± 8570,09

11222,9

13,9

0,999

10 B

9

70,2
± 0,69

284,7
± 499,85

654,6

9,3

0,999

11 B

9

315,2
± 3,00

1085,4
± 2185,41

2861,9

9,1

0,999

24 Mg

9

4971,9
± 445,95

-181380,2
± 324340,17

424736,4

85,4

0,973

26 Mg

9

457,4
± 5,38

2304,7
± 3916,2

5128,4

11,2

0,999

27 Al

9

3873,9
± 21,65

4431,6
± 8487,18

10038,7

2,5

0,999

39 K

6

11834,8
± 901,12

-567858,5
± 903036,55

758239,5

64,1

0,988

42 Ca

3

50,34
± 4,16

-13786,7
± 17372,76

2246,6

44,6

0,997

44 Ca

4

177,1
± 1,98

-18,57,8
± 3321,3

1351,7

7,6

0,999

47 Ti

9

409,9
± 0,48

-736,3
± 346,36

453,6

1,1

1,000

54 Fe

6

328,8
± 1,78

-3949,4
± 1789,29

1502,4

4,6

0,999

57 Fe

6

135,7
± 0,67

-1799,7
± 677,43

568,8

4,2

1,000

66 Zn

9

746,7
± 6,5

1837,3
± 4712,3

6170,9

8,3

0,999

68 Zn

9

547,4
± 4,31

1680,0
± 3137,79

4109,1

7,5

0,999

90 Zr

7

5050,6
± 138,22

-29397,0
± 28972,93

30272,5

6,0

0,998

94 Zr

8

1933,3
± 30,29

-15639,7
± 11876,05

14047,1

7,3

0,999

121 Sb

7

2674,5
± 69,97

-14907,2
± 14666,11

15323,9

5,7

0,998

123 Sb

8

1974,4
± 23,44

-11459,4
± 9188,30

10868,0

5,5

0,999

135 Ba

9

806,6
± 5,83

2432,1
± 4242,68

556,0

6,9

0,999

137 Ba

8

1428,3
± 2,78

555,1
± 1090,04

1289,3

0,9

1,000

206 Pb

8

2283,2
± 12,05

2619,7
± 4725,72

5589,6

2,4

0,999

207 Pb

8

2101,7
± 10,63

1813,4
± 4168,7,98

4929,9

2,3

0,999

3.3.6 Statistische Prüfungen

Die Meßdaten wurden mit dem Test nach DAVID auf Normalverteilung geprüft, die Homogenität der Varianzen mittels F-Test überprüft. Alle Kalibrationen entsprachen den Prüfkriterien. Weiterhin wurde die Linearität nach MANDEL festgestellt. Für die Isotope Na, K, Ca, Ti, Fe und Zr wurde Linearität festgestellt. Bei den verbliebenen Kalibrationen wurde der Arbeitsbereich soweit verkleinert, bis das Testkriterium erfüllt war. Die Ausreißertests nach DIXON und GRUBBS verliefen in allen Fällen negativ.


[Seite 135↓]

3.3.7  Nachweis- und Bestimmungsgrenze

Die Nachweisgrenze des Verfahrens wurde aus dem Quotient des 3,3fachen Wertes der Standardabweichung der Leerwert-Messungen und der in der Kalibration ermittelten Empfindlichkeit nach Gleichung 7, die Bestimmungsgrenze aus dem 10fachen Wert nach Gleichung 8 (siehe dort) berechnet. Die folgende Tabelle gibt die berechneten LOD und LOQ für die einzelnen Kalibrationen wieder.

Tabelle 48: Nachweis- und Bestimmungsgrenzen für Säureaufschlüsse, ICP-MS

Isotop

LOD

LOQ

6Li

2,1 ppb

6,3 ppb

7Li

1,6 ppb

4,7 ppb

10B

0,3 ppm

0,8 ppm

11B

0,3 ppm

0,8 ppm

23Na

7,2 ppb

21,6 ppb

24Mg

5,8 ppb

17,4 ppb

26Mg

4,1 ppb

12,2 ppb

27Al

65,2 ppb

0,2 ppm

39K

28,8 ppb

86,4 ppb

42Ca

1,6 ppm

4,7 ppm

44Ca

0,2 ppm

0,6 ppm

47Ti

0,9 ppb

2,8 ppb

50Ti

1,2 ppb

3,7 ppb

54Fe

0,3 ppm

1,0 ppm

57Fe

33,5 ppb

0,1 ppm

66Zn

78,0 ppb

0,2 ppm

68Zn

71,4 ppb

0,2 ppm

90Zr

1,1 ppb

3,4 ppb

94Zr

0,9 ppb

2,8 ppb

121Sb

10,2 ppb

30,7 ppb

123Sb

11,1 ppb

33,2 ppb

135Ba

0,6 ppb

1,9 ppb

137Ba

6,2 ppb

18,5 ppb

206Pb

0,2 ppm

0,5 ppm

207Pb

0,2 ppm

0,5 ppm


[Seite 136↓]

3.3.8 Zusammenfassung: Glasaufschluß und ICP-MS-Messungen

Das eingesetzte Aufschlußverfahren ist zur Untersuchung von Gläsern geeignet. Der Aufschluß von Blei- und Titanoxiden scheint in Borosilikatgläsern nicht vollständig zu gelingen. Die Hinzunahme von z.B. Perchlorsäure könnte zu besseren Ergebnissen führen. In den Aufschlußlösungen lassen sich einige Isotope im unteren ppb-Bereich nachweisen (Ba 0,6 ppb; Zr, Ti 0,9 ppb), die relativ hohen Nachweisgrenzen einiger Isotope im unteren ppm-Bereich sind methodenbedingt (ICP-MS) und beruhen größtenteils auf der Störung der Detektion durch Interferenzen (z.B. Calcium, Eisen).

3.4 Chemometrische Datenanalyse

3.4.1 Einführung

Das Ziel der chemometrischen Datenanalyse ist die Untersuchung von Strukturen in analytischen Daten, insbesondere die Klassifizierung von Untersuchungsobjekten. Aus analytischen Daten sollen relevante Aussagen erhalten werden [138]. Es wurde versucht, die nach LA-ICP-MS-Messungen vorliegenden Kalibrations- und Probendatensätze mit Hilfe der multivariaten Statistik zu bearbeiten. Dabei lag das Primärziel auf der Klassifikation von Glas, um unbekannte Proben anhand ihrer Meßwerte mit statistischen Methoden einer Glasart zuordnen zu können.

Im Gegensatz zur Clusteranalyse, deren Klassen erst das Resultat der Analyse bilden, sind die Objektgruppen im vorliegenden Fall fixiert, d.h. die Glasart als Klasse ist fest definiert aufgrund ihrer Elementzusammensetzung. Neue Objekte = unbekannte Glasproben sollen anhand ihres Elementmusters derselben Variablen wie im ursprünglichen Datensatz einer der Gruppen mit möglichst großer Sicherheit zugeordnet werden können.

Diese Vorgehensweise wird als überwachte Klassifikation oder 'supervised learning' bezeichnet. Prinzipiell läßt sich jede Methode der überwachten Klassifikation in zwei Phasen unterteilen. Zunächst wird in der sogenannten Lernphase ausgehend von den Variablenmustern das Klassifikationsmodell aufgestellt [139]. Das Datenmaterial wird dabei zweckmäßig in einer Datenmatrix organisiert. Bei der Untersuchung von m Variablen an n Proben erhält man eine Matrix der Größe n x m [138]. In einem zweiten Schritt werden die Meßwerte unbekannter Proben mit statischen Funktionen verrechnet und den Klassen zugeordnet. Eine der einfachsten Klassifikationsregeln liefert die Methode der k nächsten Nachbarn nach Fix und Hodges, die man auch kurz als KNN-[Seite 137↓]Methode bezeichnet. Bei metrischer Skalierung der Variablen werden meist die euklidische Distanz oder die quadrierte euklidische Distanz verwendet [138]. Unter der Bedingung, daß die Objekte der Lerngruppen einer multivariaten Normalverteilung genügen, erweist sich die Bayessche Klassifikation als optimal [139].

Die lineare Diskriminanzanalyse als eine der klassischen Techniken der multivariaten Datenanalyse eignet sich für eine bestmögliche, lineare Separation der gegebenen Gruppen mit anschließender Klassifikation. Analog zur Hauptkomponentenanalyse werden optimale Linearkombinationen (Wichtungen) der gemessenen Variablen gesucht. Allerdings ist das Ziel nicht die Maximierung der Varianz, sondern die optimale Trennung der jeweiligen Objektgruppen. Dabei ist die Separation um so besser, je homogener die Gruppen sind. Je kleiner die Streuung der Objekte innerhalb der Gruppen verglichen mit der Streuung der Gruppenmittelpunkte (Streuung "zwischen den Gruppen") ist, desto leichter fällt eine Klassifikation von unbekannten Proben [139].

3.4.2 Lineare Diskriminanzanalyse

Zur Klassifikation von Glas wurde den oben angeführten Vorgaben entsprechend folgende Matrix aufgestellt:

Gleichung 13: Matrix zur Glasklassifikation; n=23 Messungen je Glasart; m=13 Isotope

Die Zeilen der Datenmatrix X entsprechen den Objekten, d.h. es sind für vier verschiedene Glasarten (DRN = Borosilikatglas, G 1; BCR = Bleiglas, G 2; TSG = Natron-Kalk-Glas, G 3; FLX = Borosilikatglas, G 4) 23 Messungen mit je 13 Isotopen eingesetzt worden. Die Spalten sind metrisch skaliert und entsprechen den gemessenen, auf 29Si normierten Intensitäten der untersuchten Isotope (7Li, 11B, ... 137Ba; m=13). Die Berechnungen wurden mit dem Statistikprogramm SAS, Version 6.12, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA durchgeführt. Alle Auswertungen wurden unter der Annahme einer multivariaten Normalverteilung der Daten vorgenommen. In der Datenmatrix wurden 92 Objekte mit 13 Variablen innerhalb von 4 Klassen als Lernobjekte zusammengefaßt. Die Messungen jeder Klasse waren gleich gewichtet (je 25 %). Als Abstandsmaß wurden die paarweise generalisierten, quadratischen Abstände zwischen den Gruppen unter Zuhilfenahme der Kovarianzmatrix nach folgendem Zusammenhang berechnet:


[Seite 138↓]

Gleichung 14: Lineare Diskriminanzanalyse, Funktion des Abstandsmaßes

Tabelle 49: Nach Gleichung 14 berechnete Abstandsmaße von Glasarten

Glasart Nr.

G 1

G 2

G 3

G 4

G 1

0

2417

1282

67

G 2

2417

0

2180

2510

G 3

1282

2180

0

1094

G 4

67

2510

1094

0

Durch die Berechnung sogenannter Wichtungsfaktoren entstehen neue, künstliche Variablen, die als Diskriminanzmerkmal beschrieben werden [139]. Die Gewichte sollen so optimiert sein, daß die Objektgruppen nach Transformation der Daten maximal getrennt scheinen. Damit lassen sich Messungen unbekannter Proben transformieren und unter Verwendung der Abstandsmaße den jeweiligen Gruppen zuordnen.

Tabelle 50: Gewichtung der Isotope zur Berechnung des Diskriminanzmerkmals

Isotop

Wichtung

G 1

Wichtung

G 2

Wichtung

G 3

Wichtung

G 4

7Li

-0,00773

-0,00808

-0,00346

-0,00373

11B

0,00754

-0,0000932

0,00182

0,00681

23Na

0,0000289

-0,0000155

0,00000727

0,0000380

24Mg

0,0000975

0,0002482

0,00127

0,0001401

27Al

0,0001778

0,0003601

0,0002780

0,0002131

28Si

0,0002925

0,0003074

0,0002762

0,0002923

39K

0,0000319

0,0002250

0,00000143

-0,0000168

42Ca

-0,00393

-0,00110

-0,02098

-0,00551

47Ti

0,00444

-0,03352

0,00166

0,00455

57Fe

0,00147

0,00130

-0,00158

-0,0002841

123Sb

0,0000637

0,00110

0,0005521

0,0000462

137Ba

-0,0000671

-0,0000808

-0,0000657

-0,0000756

207Pb

0,00000669

-0,0000147

0,00000762

0,0000112

 

Konstante K

Konstante K

Konstante K

Konstante K

 

-1535

-2194

-1451

-1482


[Seite 139↓]

Die Berechnung des Distanzmaßes aus Intensitätswerten unbekannter Proben erfolgte gemäß Gleichung 15:

Gleichung 15: Distanzfunktion zur Klassifizierung

Die Zugehörigkeit einer Probe zu einer Glassorte wurde durch das Statistikprogramm nach folgendem Zusammenhang (posterior probability of membership in each glass) bestimmt:

Gleichung 16: Klassifizierungsfunktion für Glasarten

Zur Erprobung des Erfolgs der Zuordnungsregel mußten zunächst die Objekte bekannter Herkunft, d.h. die Kalibrationsstandards herangezogen werden. Damit wurde die Klassifikationsfunktion auf alle Lernobjekte selbst angewandt, um die Arbeitsfähigkeit des Verfahrens zu überprüfen. Da es sich hierbei um bloßes Wiedereinsetzen handelt, spricht man auch von Resubstitution [139]. Die Auswertung der Datenmatrizen führte zu folgender Klassifzierungsmatrix:

Tabelle 51: Klassifzierungsmatrix der Lernobjekte

n = 92

zugeordnete Glasart

definierte

Glasart

G 1

G 2

G 3

G 4

Fehler

[%]

G 1

23

0

0

0

0

G 2

0

23

0

0

0

G 3

0

0

23

0

0

G 4

0

0

0

23

0


[Seite 140↓]

Es konnte gezeigt werden, daß alle 23 Messungen jeder Glassorte fehlerfrei den richtigen Glasklassen zugeordnet werden. Jetzt wurde mit den Datenmatrizen von sieben zuvor mit LA-ICP-MS charakterisierten Proben eine lineare Diskriminanzanalyse mit allen 13 Variablen (Isotopen) durchgeführt. Obwohl Zusammensetzung und Glasart bekannt sind, gelten diese Proben als 'unbekannt', weil deren Datenmatrix nicht zur Aufstellung der Diskriminanzfunktion verwendet wurde. Tabelle 52 zeigt das Ergebnis:

Tabelle 52: Klassifikation 'unbekannter' Glasproben, 13 Variablen

n = 24

zugeordnete Glasart

Probe

Nr.

G 1

G 2

G 3

G 4

Fehler

[%]

P 1

4

-

-

-

0

P 2

2

-

-

2

50

P 3

4

-

-

-

0

P 4

-

-

-

4

0

P 5

4

-

-

-

0

P 6

-

4

-

-

0

P 7

-

-

4

-

0

Index:

P1

Infusionsflasche weiß (Borosilikatglas, ähnlich Duran®)

P 2

Ampulle braun (Borosilikatglas, ähnlich Duran®)

P 3

Schütteltrichter braun (Borosilikatglas ähnlich Duran®)

P 4

Ampulle weiß (Borosilikatglas, ähnlich Fiolax®)

P 5

Meßzylinder weiß (Borosilikatglas Duran®)

P 6

Dekorglas weiß (Bleiglas)

P 7

Flaschenglas weiß (Natron-Kalk-Glas)

Index:

Die meisten der untersuchten Proben wurden den jeweiligen Glasarten richtig zugeordnet, Probe 2 wird nur zweimal der Glasart 1 richtig zugeordnet, aber als Borosilikatglas charakterisiert. Die Wahrscheinlichkeiten der Zugehörigkeit zur Glasart 4 betragen 56,0 % und 73,8 %. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß sich die Glasarten 1 und 4 (Duran® und Fiolax®) nur wenig voneinander unterscheiden.


[Seite 141↓]

3.4.3 Variablenreduktion

Die im vorhergehenden Kapitel durchgeführte Zuordnung der Glasarten erfolgte auf Grundlage des gesamten Datensatzes mit 13 Variablen (= Isotope). Darunter werden im allgemeinen zahlreiche Variablen in die Klassifikationsregel einbezogen, die eigentlich nichts zur Separation der Gruppe beitragen. Solche Variablen sind nicht nur überflüssig, sondern beeinflussen die zu erwartende Fehlerrate negativ. Folglich ist es wünschenswert, eine solche Variablenmenge herauszufiltern, die zu minimaler Fehlerrate führt [139].

Ein gangbarer Weg ist die sukzessive Elimination solcher Variablen, deren Abwesenheit zu einem minimalen Verlust an Separationsfähigkeit führt. Als Separationsmaß wird hier die Summe aller Eigenwerte des Problems aus der linearen Diskriminanzanalyse herangezogen [139]. Voraussetzung zur Berechnung durch die SAS-Software war die Bestimmung einer festen Variable, mit deren Hilfe alle Glasarten zu unterscheiden sind. Das Verfahren wurde mit den festen Variablen 'Silizium' und 'Titan' durchgeführt. Die Anwendung dieses Verfahrens auf die vier Glasgruppen führte zu unterschiedlichen Ergebnissen. So konnte Glasart 1 (DRN) mit den Isotopen 11B, 23Na und 47Ti (28Si = feste Variable) hinreichend charakterisiert werden, während die Separation der ähnlich zusammengesetzten Glasart 4 (FLX) mehr Information benötigte (7Li, 24Mg, 27Al, 39K, 47Ti und 207Pb; 28Si = feste Variable). Wurde Titan als feste Variable gewählt, waren die Isotope 7Li, 11B, 24Mg, 39K für die Zuordnung der Glasart 1 und 24Mg, 123Sb, 207Pb für Glasart 4 erforderlich. Die zusammengefaßten Ergebnisse der Variablenreduktion sind in Tabelle 53 wiedergegeben:


[Seite 142↓]

Tabelle 53: Ergebnisse der Variablenreduktion für 4 Glasarten

 

Glasart

28 Si feste Variable

47 Ti feste Variable

Variablen
entfernt
2

Variablen zur
Charakterisierung

Variablen
entfernt
2

Variablen zur
Charakterisierung


Glasart 1
(DRN)

57Fe, 7Li, 207Pb, 137Ba, 27Al, 39K, 42Ca, 23Na, 123Sb


11
B, 24Mg, 47Ti

207Pb, 42Ca, 23Na, 57Fe, 123Sb, 27Al, 137Ba, 28Si


7
Li, 11B, 24Mg, 39K

Glasart 2

(BCR)


137
Ba, 42Ca, 57Fe, 23Na, 123Sb, 11B


7
Li, 24Mg, 27Al,
39K, 47Ti, 207Pb

207Pb, 42Ca, 23Na, 11B, 57Fe, 7Li,
39
K, 123Sb


24
Mg, 27Al, 28Si,137Ba

Glasart 3

(TSG)

207Pb, 23Na, 11B, 27Al, 42Ca, 57Fe, 39K, 24Mg, 7Li, 123Sb,137Ba


47
Ti


27
Al, 24Mg, 11B,
28Si, 207Pb, 7Li


23
Na, 39K, 42Ca,
57
Fe, 123Sb, 137Ba

Glasart 4

(FLX)

137Ba, 27Al, 11B, 57Fe, 42Ca, 7Li, 39K, 47Ti


23
Na, 24Mg,
123Sb, 207Pb

11B, 137Ba, 39K, 27Al, 57Fe, 7Li, 23Na,
28
Si, 42Ca


24
Mg, 123Sb, 207Pb

Für jede Glasart wurden diejenigen Isotop-Gruppen statistisch isoliert, die eine optimale Separation ermöglichten. Für die optische Darstellung mußte demnach ein System weniger Variablen gesucht werden, das möglichst alle Glasarten voneinander trennen kann. Ein solches System ist beispielsweise die Gruppe 24Mg - 47Ti - 137Ba. Dieses System trennt über die Variable 'Titan' alle vier Glasarten voneinander, über die Variable 'Magnesium' die Glasarten 1, 2, 4 und über die Variable 'Barium' die Glasarten 2 und 3. Die grafische Darstellung dieses Systems zeigt die folgende Abbildung.

Abbildung 40:Glasklassifikation im System Mg - Ti - Ba nach Variablenreduktion


[Seite 143↓]

Es ist anzunehmen, daß bei konsequenter Durchführung der Variablenreduktion unter Benutzung der übrigen Isotope als feste Variable weitere Systeme gefunden werden, die eine gute Trennung von Glasklassen ermöglichen. Ein alternativer Weg zur Aufspürung geeigneter Trennsysteme ist die empirische Kombination verschiedener Datensätze und optische Beurteilung der Datenwolken. Beispielhaft sei hier das System Bor - Natrium - Barium genannt, das hinsichtlich seiner Trennschärfe neben dem System Magnesium - Titan - Barium ebenso zuverlässig eingesetzt werden konnte.

Abbildung 41: Glasklassifikation im System B - Na - Ba, empirisch ermittelt

Interessant war neben der Suche nach optischen Trennsystemen die Frage, ob die gefundene Diskriminanzfunktion zur Separation der untersuchten 'unbekannten' Probegläser fähig ist. Einschränkend muß erwähnt werden, daß der Lerndatensatz mit jeweils 23 Einzelmessungen je Lernobjekt und 4 Glasarten eine relativ kleine Matrix erzeugt. Wünschenswert wäre die Verwendung von mehreren hundert Einzelmessungen je Glasart. Die Durchführung der statistischen Prüfungen sollte zunächst die Leistungsfähigkeit des Verfahrens verdeutlichen.

In einem ersten Schritt wurde die Diskriminanzanalyse mit nur 3 Variablen (Isotope 11B, 47Ti und 137Ba) durchgeführt. Das Resultat zeigt Tabelle 54:


[Seite 144↓]

Tabelle 54: Klassifikation 'unbekannter' Glasproben, 3 Variablen (11B, 47Ti, 137Ba)

n = 24

zugeordnete Glasart

Probe
Nr.

G 1

G 2

G 3

G 4

Fehler
[%]

P 1

4

-

-

-

0

P 2

4

-

-

-

0

P 3

4

-

-

-

0

P 4

3

-

-

1

75

P 5

4

-

-

-

0

P 6

-

4

-

-

0

P 7

-

-

4

-

0

Die Proben 1-3 und 5-7 wurden den richtigen Glasklassen zugeordnet. Probe 4 wurde in drei von vier Fällen mit Wahrscheinlichkeiten zwischen 71,9 % und 93,7 % falsch als Duran®-Glas charakterisiert, aber als Borosilikatglas erkannt. Die Reduktion auf drei Variablen führte im Gegensatz zur Diskriminanzanalyse mit allen Variablen zu keiner verbesserten Zuordnung.

Mit dem Programmodul 'stepwise discriminant analysis' der SAS-Software wurden in einem zweiten Schritt unter den 13 Isotopen Variablen gesucht, die bei geringstmöglicher Zahl eine optimale, richtige Zuordnung zuließen. Die statistische Prüfung benutzte hierzu ein Prüfkriterium nach Wilks-Lambda. Als Ergebnis der Prüfung wurden acht Isotope isoliert: 7Li, 11B, 23Na, 24Mg, 27Al, 42Ca, 47Ti, 137Ba. Die Zuordnung der Kalibrierstandards verlief fehlerfrei.

Tabelle 55: Klassifikation 'unbekannter' Glasproben, 8 Variablen (stepwise)

n = 24

zugeordnete Glasart

Probe
Nr.

G 1

G 2

G 3

G 4

Fehler
[%]

P 1

4

-

-

-

0

P 2

4

-

-

-

0

P 3

4

-

-

-

0

P 4

-

-

-

4

0

P 5

4

-

-

-

0

P 6

-

4

-

-

0

P 7

-

-

4

-

0


[Seite 145↓]

Die Ergebnisse zeigten, daß eine fehlerfreie Glasarten-Klassifzierung mit nur 8 Isotopen möglich ist. Dabei betrugen die Wahrscheinlichkeiten der Zugehörigkeit zu einer Glasart in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle P > 99,9 %. Nur in einem Fall (4. Messung der Probe 1, Borosilikatglas Duran®) lag die Wahrscheinlichkeit bei P = 84,4 %. Keine der Proben wurde falsch charakterisiert, zusätzlich konnte zwischen innerhalb der Klasse der Borosilikatgläser zwischen Duran®- und Fiolax®-Glas unterschieden werden. Die fehlerfreie Zuordnung zeigte anschaulich, daß die Variablenreduktion vermutlich jene Variablenmenge herausgefiltert hat, die zu einer minimalen Fehlerrate der Separation führt. Die nicht berücksichtigten, eliminierten Isotope leisten demzufolge einerseits keinen Beitrag zur Klassenseparation, sondern beeinflussen zudem die Fehlerrate negativ.

Durch die Beschränkung auf acht Isotope verkürzt sich in der Praxis die Datenaufnahme (= Meßzeit) des LA-ICP-MS-Verfahrens um ein Drittel auf ca. 20 Sekunden. Damit ist eine eindeutige Klassifizierung von pharmazeutisch verwendeten Gläsern durch Diskriminanzanalyse auf Basis der normierten Intensitätsdaten aus LA-ICP-MS-Messungen der Isotope Lithium, Bor, Natrium, Magnesium, Aluminium, Calcium, Titan und Barium möglich.

3.4.4 Zusammenfassung: Lineare Diskriminanzanalyse

Es konnte gezeigt werden, daß durch lineare Diskriminanzanalyse von LA-ICP-MS-Meßwerten eine Klassifizierung von Glasproben möglich ist. Die Zuordnung der Gläser erfolgte unter Einsatz aller Variablen (n = 13 Isotope) sowohl für die Kalibrationsstandards (Resubstitution), als auch für 'unbekannte' Proben fehlerfrei. Damit war es möglich, Glasproben unabhängig von Kalibration und linearer Regression anhand ihrer Intensitätswerte aus LA-ICP-MS-Messungen einer Glasart zuzuordnen. Durch Variablenreduktion wurde ein grafisches System entwickelt, das durch die drei Variablen Magnesium, Titan und Barium eine optische Zuordnung von unbekannten Proben möglich macht. Empirisch wurde ein weiteres System identifiziert, das mit den Variablen Bor, Natrium und Barium vergleichbare Trennschärfe zeigte.

Die Variablenreduktion über das Verfahren 'stepwise discriminant analysis' führte ebenfalls zu einer fehlerfreien Zuordnung von Kalibrierstandards und Proben. Anstelle von 13 Isotopen waren hier nur 8 Isotope notwendig. Damit konnte gezeigt werden, daß die Klassifizierung von Glasarten durch Diskriminanzanalyse mit einem optimierten LA-ICP-MS-Verfahren auf der Grundlage von acht Isotopenmessungen möglich ist. Die Verkürzung der Meßzeit ist dabei ein begrüßenswerter Nebeneffekt.


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Fußnoten und Endnoten

1 Schering AG, Pharmalabor-BE, Berlin

2 die Isotope sind in der Reihenfolge ihrer Eliminierung aufgeführt (erstes Isotop als erste Variable entfernt, ...etc.)



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21.09.2004