Präsident:
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. J. Mlynek
Ich war schon immer der Ansicht, daß es etwas Wichtigeres gibt als Gold.
Glas zum Beispiel halte ich für nützlicher.
Theodor Fontane, 1819 – 1898, Apotheker und Schriftsteller
Für die Herstellung von Arzneimitteln durch die Pharmazeutische Industrie wurde in den letzten Jahren zunehmend Glas als Primärpackmittel eingesetzt. Weltweit werden heute zahlreiche Arzneimittel produziert, die mit Glas in Berührung stehen. Glas stellt somit neben Kunststoffen eines der wichtigsten Packmittel für Arzneistoffe und Zubereitungen dar [1]. Das Behältnis einschließlich des Verschlusses steht in direkter Berührung mit dem arzneilichen Inhalt. Sein Herstellungsmaterial muß so gewählt werden, daß keine schädlichen Wechselwirkungen zwischen beiden eintreten [2]. Pharmazeutisch verwendete Gläser sollten gegenüber abgefüllten Arzneistoffen oder Arzneizubereitungen inert sein.
In der Praxis werden Weithalsflaschen für zähe Flüssigkeiten, Enghalsflaschen für niedrigviskose Flüssigkeiten, Weithalsgläser für Salben und Röhrchen zur Aufnahme von Tabletten eingesetzt. Ampullen, Injektions- und Infusionsflaschen sind für sterilisierte Lösungen bestimmt und stellen Sonderformen der Enghalsflaschen dar [2].
Glas neigt in der Regel zur Abgabe von Alkali an Lösungen, was zur Erhöhung des pH-Wertes führt. Dies wurde in einer Studie mit Glasflaschen des Typs II und III bestätigt [3]. Unverträglichkeiten mit zahlreichen Wirkstoffen, z.B. Fällung von Alkaloidbasen, Abscheidung von Oxiden aus Salzlösungen sowie Ester- und Glycosidspaltungen können die Folge sein [4]. Weiterhin führen Adsorptionen an Glasoberflächen zu einem Verlust an Wirkstoff. Joosten et al. wiesen nach, daß die Bakterizide Nisin und Enterocin 4 über 50 % weniger Aktivität nach Absorption an Glas und Kunststoffen zeigten [5]. Weiterhin wird über die Abgabe von Schwermetallionen, insbesondere von Bleiionen aus Bleiglas, berichtet [6, 7, 8, 9].
Arzneimittel müssen gemäß § 1 des Arzneimittelgesetzes nach den Grundsätzen der Qualität, Wirksamkeit und Unbedenklichkeit hergestellt werden [10]. Die Qualitätssicherungs-Systeme der Pharmazeutischen Industrie sollen nachvollziehbare Produktionsprozesse garantieren. Dabei werden die verwendeten Packmittel ebenso in die Qualitätssicherung einbezogen wie Ausgangs- und Arzneistoffe [11]. Vor Verwendung eines Packmittels muß sichergestellt sein, daß nur die vorgeschriebenen Arzneistoffe bzw. deren Zubereitungen in Gläser bestimmter Qualität abgefüllt werden.
Glas wird nach der Menge der abgegebenen Alkali-Ionen in unterschiedliche Güteklassen eingeteilt. Die Pharmakopöen schreiben für die Abfüllung bestimmter Arzneiformen Gläser definierter Güteklassen vor. So dürfen beispielsweise Injectabilia nur in Behältnisse
Die hydrolytische Resistenz von Gläsern wird im wesentlichen durch ihre Zusammensetzung bestimmt. Während Natron-Kalk-Gläser aufgrund ihres relativ hohen Alkaligehaltes in der Regel der Glasart III zugerechnet werden, sind Borosilikatgläser mit höherem Silikatgehalt und deutlich geringerem Anteil an Alkali den Glasarten I u. II zuzuordnen [12]. Ist die Zusammensetzung eines Glases bekannt, kann eine Einordnung bezüglich seiner chemischen Resistenz getroffen werden. Die Kenntnis der Zusammensetzung eines Glases ließe so Rückschlüsse auf die vorliegende Güteklasse zu.
Nach deutschen bzw. europäischen Arzneibüchern [12, 13] wird die hydrolytische Resistenz eines Glases gegenüber frisch destilliertem Wasser durch Titration der Alkalität bestimmt. Durch das Herauslösen mineralischer Substanzen aus dem Glas erhöht sich der pH-Wert der Prüflösung. Der Verbrauch an 0,1N-HCl ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit des Glases gegen Abgabe von Alkali-Ionen. Je nach Resistenz wird das Glas in eine bestimmte Güteklasse eingeteilt. Die Prüfung umfaßt die teilweise Zerstörung des Glases sowie eine naßchemische Bestimmung (Glasgries-Methode, Säure-Base-Titration).
Pharmazeutisch verwendete Gläser müssen vor Ihrem Einsatz in der Produktion von Arzneimitteln hinsichtlich ihrer Eignung geprüft werden. Da in den letzten Jahren das Auslagern von Abläufen innerhalb industrieller Fertigungsprozesse zunehmend Bedeutung gewonnen hat, wird inzwischen auch die Prüfung von Packmitteln auf den Zulieferer übertragen (outsourcing). Durch Zertifikate des Zulieferers wird dokumentiert, daß definierte Qualitätsnormen eingehalten werden. Die Auditierung, d. h. die Überprüfung der Zulieferer durch den Pharmazeutischen Unternehmer mit Hilfe von Inspektionen, stellt sicher, daß logistische und produktionstechnische Abläufe vor Ort bestimmungsgemäß umgesetzt werden. Damit wird die Konformität der durchgeführten Arbeiten mit allgemeinen Vorgaben (z.B. Gesetzen) oder speziellen Anforderungen (z.B. internen Anweisungen, Produktionsstandards) festgestellt. Durch einen Auditierungsbericht wird das Ergebnis der Inspektion innerhalb eines QS-Systems
Die von den Arzneibüchern vorgeschlagenen Verfahren zur Identitätsprüfung pharmazeutisch verwendeter Gläser sind in der Regel zeitaufwendig, der Bedarf an Prüfmaterial ist erheblich. Die Prüfung derartiger Gläser hinsichtlich ihrer Zusammensetzung mit Hilfe der Laserablation-ICP-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) ist vergleichsweise schneller und einfacher durchführbar. Zur Untersuchung sind nur wenige Gramm an Probenmaterial erforderlich, wobei die Proben direkt ohne weitere Probenvorbereitung eingesetzt werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte eine Methode zur Untersuchung von pharmazeutisch verwendeten Gläsern hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung mit Laserablation-ICP-MS entwickelt werden. Die Bestimmung der Glaszusammensetzung sollte sowohl qualitativ als auch quantitativ möglich sein. Umfangreiche Messungen an verschiedenen Proben und Standards sollten die Möglichkeiten und Grenzen der Methode ausleuchten. Desweiteren sollte versucht werden, einzelne Schichten einer Glasprobe durch Aufnahme transienter Signale zu untersuchen. Nach den erhaltenen Ergebnissen sollte eine Zuordnung zu einer Glassorte getroffen werden. Mit Hilfe multivariater Datenanalyse sollte zum Abschluß geprüft werden, ob anhand der vorliegenden Daten eine statistisch abgesicherte Klassifikation verschiedener Gläser möglich ist.
Mit Hilfe der Laserablation ist es grundsätzlich möglich, Feststoffe durch Laserbeschuß spontan zu verdampfen. Dabei wird mit Lasern verschiedenster Charakteristik auf eine Probe geschossen und in der Regel knapp über der Probenoberfläche ein Plasma gezündet. Die hohe Temperatur des Plasmas verdampft das Probenmaterial schlagartig. Durch Kopplung mit gängigen Meßsystemen wie ICP-AES oder ICP-MS kann die Zusammensetzung der verdampften Probe bestimmt werden.
Laserablation wurde 1985 erstmals von Gray eingesetzt und mit einem ICP-AES-Verfahren gekoppelt [16]. Seitdem hat sich Laserablation als einfach einsetzbares Probenahmeverfahren für schwer zugängliche Feststoffe etabliert. Zunächst wurde dieses Verfahren als wenig brauchbar für quantitative Bestimmungen eingeschätzt. Gründe dafür waren mangelhafte Präzision und unzureichende Wiederholbarkeit der Ablations-Vorgänge [17, 18, 19]. Inzwischen werden durch Einsatz von Referenzmaterial, Normierung und internen Standards quantitative Meßergebnisse erzielt, die dem in der Massenspektrometrie von Lösungen erreichten Niveau entsprechen. Ein Übersichtsartikel von Durrant gibt den aktuellen Stand der Entwicklung wieder [20].
In den Anfangsjahren der Laserablation wurden vorwiegend metallische und anorganische Werkstoffe untersucht [16, 21, 22, 23, 24, 25]. In den letzten Jahren wurde
Glas ist ein Sammelbegriff für eine kaum überschaubare Zahl von Stoffen verschiedenster Zusammensetzung. Alle haben eine Eigenschaft gemeinsam: Sie befinden sich in glasigem Zustand. Auch in der Natur werden vereinzelt glasige Stoffe gefunden, so z.B. Obsidian, das als Mineral häufig in vulkanischen Gebieten vorkommt [46].
Wissenschaftlich betrachtet ist Glas ein anorganisches Schmelzprodukt, das ohne Kristallisation abkühlt und einen erstarrten Zustand einnimmt [47]. Anders ausgedrückt: Glas kann als eingefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet werden [48].
Präziser ist die Definition eines Glaslexikons: Als Glas bezeichnet man danach alle Stoffe, die strukturmäßig einer Flüssigkeit ähneln, bei Umgebungstemperaturen aber auf Krafteinwirkungen rein elastisch reagieren und daher als Festkörper anzusprechen sind. Im engeren Sinne wird der Begriff Glas für alle anorganischen Verbindungen angewendet, die diese Grundeigenschaften besitzen [ 46 ].
Im Quarzglas ist jedes Siliziumatom tetraedrisch von vier Sauerstoffatomen umgeben, die durch Elektronenpaare gebunden sind. Diese SiO 4 -Tetraeder haben gemeinsame Eckpunkte (O-Atome) und bilden so ein dichtes dreidimensionales Gerüst. Im Gegensatz zum kristallinen Quarz, bei dem die Tetraeder regelmäßig angeordnet sind, liegt im Quarzglas eine regellose Anordnung vor, so daß kein geordnetes Raumnetz entsteht. Bei der Glasschmelze werden Kationen in dieses unregelmäßige Netzwerk eingelagert, wobei Alkalikationen willkürlich zwischen den Tetraedern positioniert werden, während Calicum- und Bleikationen Brücken bilden [ 48 ].
Die Grundlage der Glasbildung ist also das Netzwerk, das durch die SiO 4 -Tetraeder gebildet wird. Die Kationen, die derartige Polyeder aufbauen, werden deshalb als Netzwerkbildner bezeichnet, während die Kationen, die das Netzwerk abbauen oder verändern Netzwerkwandler genannt werden. Netzwerkbildner sind u.a. Silizium, Bor, Arsen und Phosphor, Netzwerkwandler u.a. die Alkali- und Erdalkalielemente. In Ergänzung zum ungeordneten Netzwerk nehmen nach der Zachariasenschen Hypothese die Netzwerkwandler eine zufällige, d.h. statistische Verteilung in der Glasstruktur an [ 48 ]. Die Grenzen dieser Annahme werden später noch diskutiert werden.
Gebräuchlich ist die Einteilung nach der chemischen Zusammensetzung von Gläsern. Danach ergeben sich vier große Gruppen, die zusammen mehr als 95 % der gesamten Glasherstellung ausmachen [ 46 ]:
Borosilikatgläser
Borosilikatglas erdalkalifrei
Borosilikatglas erdalkalihaltig
Borosilikatglas hochborsäurehaltig
Alkali-Blei-Silikatgläser
Alkali-Erdalkali-Silikatgläser (Natron-Kalk-Gläser)
Erdalkali-Alumino-Silikatgläser
Kennzeichnend für Borosilikatgläser sind der hohe Anteil von Kieselsäure (SiO 2 ) und Borsäure als Glasbildner. In der Regel liegt der SiO 2 -Gehalt zwischen 70 - 80 %. Solche Gläser mit einem B 2 O 3 -Gehalt bis maximal 13 % besitzen eine hohe Beständigkeit gegen chemische Einwirkungen und Temperaturunterschiede. Sie finden deshalb vorwiegend Verwendung in der chemischen Industrie für Produktionsanlagen, in der Pharmaindustrie als Packmittel von Arzneimitteln sowie als belastbare Glühlampenträger.
Die Höhe des Borsäuregehaltes beeinflußt die Glaseigenschaften dahingehend, daß neben den als chemisch nahezu inert bekannten Arten auch solche Verwendung finden, die infolge andersartigen strukturellen Einbaus der Borsäure nur noch geringe chemische Resistenz zeigen. Hier sind B 2 O 3 -Gehalte von über 15 % charakteristisch. Die Borosilikatgläser werden demzufolge weiter in erdalkalifrei, erdalkalihaltig und hochborsäurehaltig unterteilt.
SiO 2 -Gehalt > 80 % und B 2 O 3 -Gehalt von 12 - 13 %. Hohe chemische Beständigkeit sowie geringste Wärmeausdehnung (3,3 ⋅ 10 -6 /K). Universalglas für chemisch-technische Anlagen, Rohrleitungen und Laborgeräte. Typischer Vertreter: Duran ® , Pyrex ®
SiO 2 -Gehalt ca. 75 % und B 2 O 3 -Gehalt von 8 - 12 % sowie bis 5 % Erdalkalien (MgO, CaO) und Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ). Hohe chemische Resistenz, gegenüber erdalkalifreien Borosilikatgläsern weichere Gläser mit Wärmeausdehnung von 4,0 - 5,0 ⋅ 10-6/K. Typischer Vertreter: Fiolax ®
SiO 2 -Gehalt 65 - 70 % und B 2 O 3 -Gehalt von 15 - 25 % sowie geringe Anteile an Alkalien (K 2 O, Na 2 O) und Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ). Verringerte chemische Resistenz, niedrigerweichend bei geringer Wärmedehnung: Verschmelzanpassung an Metalle (Wolfram-Molybdän) sowie hohe elektrische Isolation.
SiO 2 -Gehalt 54 - 58 %, PbO-Gehalt 20 - 30 % und ca. 14 % Alkalien. Hochisolierend, hohe Lichtbrechung. Verwendung als Fußgläser in Lampen, Bildröhren und im Haushalt. Typische Vertreter: Kristallglas (PbO > 10 %), Bleikristall (PbO > 18 %)
SiO 2 -Gehalt ca. 70 %, 15 % Alkalien (v.a. Na 2 O), 13 – 16 % Erdalkalien (CaO, MgO) sowie < 2 % Al 2 O 3 . Geringe Resistenz, hoher Wärmeausdehnungskoeffizient (9 ⋅ 10-6/K). Verwendung als Flachglas (Fenstergläser), Konservenglas und zur Abfüllung von Getränken (Flaschenglas).
Etwa seit Mitte des letzten Jahrhunderts wird Hohlglas maschinell hergestellt. Die daraus gefertigten Behältnisse wie Fläschchen, Ampullen oder Standgefäße fanden rasch Eingang in den pharmazeutischen Produktionsprozeß [46]. Heute ist Glas eine der wichtigsten Primärverpackungen von Pharmaprodukten.
Glas verdankt seine Bedeutung als Primärpackmittel für pharmazeutische Produkte einigen besonderen Eigenschaften [1]:
neutrales Geruchs- und Geschmacksverhalten
weitestgehend widerstandsfähig gegenüber Säuren, Laugen und Ölen
durch Transparenz verbesserte Arzneimittelsicherheit (Inhaltskontrolle)
porenfreie Struktur, undurchlässig für Flüssigkeiten, Gase und Mikroorganismen
bequemes Öffnen und Wiederverschließen (verschlußabhängig)
Glasbehältnisse stehen in direktem Kontakt mit den abgefüllten Arzneistoffen und Zubereitungen. Auch weitgehend beständige Borosilikatgläser zeigen gelegentlich chemische Wechselwirkungen über Austausch-, Abtrags- und/oder Adsorptionsprozesse. Die Adsorption von Nisin und Enterocin 4 an Kunststoffen und Glas wird eindrucksvoll in einer Studie von Joosten et al. beschrieben. Die Verluste an wirksamer Aktivität beider Bakterizide werden auf über 50 % beziffert [5].
Es ist leicht verständlich, daß deshalb an zusätzlichen Vergütungsverfahren der Glasoberfläche gearbeitet wird mit dem Ziel, Arzneistoffe in Glasbehältnissen ohne Wirksamkeitsverlust abzufüllen. Durch Beschichtung von Oberflächen mit reinem Quarz kann die hydrolytische Resistenz nachhaltig gesteigert werden. Auf der Interpack ' 99 (Messe für Pharma-Abfüll- und Verpackungsmaschinen) wurde erstmals ein mit SiO2 innenvergütetes Glasbehältnis vorgestellt (Fa. Schott: Typ I plus®). Mit Hilfe eines Beschichtungsverfahrens wird die Glasoberfläche mit einer 0,1 - 0,2 μm dünnen, reinen 100%igen SiO2-Schicht versehen. Bei Standardglas beträgt der SiO2-Gehalt zum Vergleich ca. 75 %. Die Möglichkeit von Produktdegradation und chemischen Interaktionen zwischen Präparat und Behälterglas soll dadurch vermindert werden. So soll die Abgabe von Natriumionen eines nachträglich mit einer Silikatschicht überzogenen Fiolax®-Glases (Schott Typ I plus®) um den Faktor 350 unterdrückt werden [50]. Desweiteren sollen Wechselwirkungen mit Metallionen, wie z.B. Aluminium und Calcium ausgeschlossen werden. Dadurch sei es möglich, Produkte mit hohem pH-Wert und vor allem Komplexbildner oder zur Adsorption neigende Proteinlösungen sicher zu lagern. Allerdings ist das SiO2-Beschichtungsverfahren sehr aufwendig und teuer. Es erhöht den Preis eines Vials um das 3- bis 5fache [51].
In den Bestrebungen, Glas beständiger zu machen, werden zum Teil ungewöhnliche Wege beschritten. So ließ sich die Laugen-Beständigkeit von Glasfasern mittels einer Gel-Beschichtung aus CaO-BaO-SiO2-TiO2 erhöhen. Die Glasfasern sollten zur Verstärkung von Beton eingesetzt werden [52].
Die europäischen Pharmakopöen [13] enthalten Aussagen zur Verwendung und Qualität von Gläsern im Rahmen der Arzneimittelverpackung. Demnach sind Glasbehältnisse zur pharmazeutischen Verwendung dazu bestimmt, in direkten Kontakt mit Zubereitungen zu kommen. Es werden folgende Glasbehältnisse genannt:
Ampullen
Flaschen, Spritzen und Spritzampullen
Behältnisse zur Aufnahme von Blut und Blutprodukten
Die verschiedenen Qualitäten des Glases werden durch ihre chemische Beständigkeit festgelegt. Durch Prüfung der hydrolytischen Resistenz der Behältnisinnenfläche sowie des gepulverten Glases gegenüber Wasser wird eine Einteilung in vier Klassen vorgenommen.
Glasbehältnisse mit einer größeren hydrolytischen Resistenz als derjenigen, die für die Zubereitung vorgeschrieben ist, können jederzeit benutzt werden. Entscheidend für die chemische Beständigkeit sind die chemische Zusammensetzung des Glases wie auch
Die amerikanische Arzneibuch-Kommission teilt Glasbehältnisse zur pharmazeutischen Verwendung entsprechend den europäischen Pharmakopöen in vier Klassen ein.
Die Regelungen der amerikanischen Pharmakopöe [14] für die Verwendung von Glasbehältnissen als Primärpackmittel lassen dem pharmazeutischen Unternehmer einen weiteren Handlungsspielraum hinsichtlich der verwendeten Glasarten als die europäischen Vorschriften. Während nach EuAB mit Glasart II lediglich wäßrige parenterale Zubereitungen mit pH-Werten pH < 7 bei gleichzeitiger Stabilitätsprüfung in Kontakt kommen dürfen [13], können nach USP gleichartige Produkte ohne diese Prüfung in Behältnisse der Glasart II verpackt werden. Für die Abfüllung alkalischer Parenteralia in Glasbehältnisse der Glasart II fordert USP Stablilitätsprüfungen, wohingegen nach EuAB ausschließlich die Glasart I zugelassen ist.
Nach EuAB/DAB werden drei Prüfungen zur Bestimmung der hydrolytischen Resistenz vorgeschlagen. Zwei Prüfungen (A und C) bestimmen die Widerstandsfähigkeit der Behältnisinnenfläche, eine Prüfung (B) die des pulverisierten Glases. Davon müssen eine oder mehrere Prüfungen durchgeführt werden, um die geforderte Qualität des Glasbehältnisses zu bestimmen.
Prüfung A: Hydrolytische Resistenz der Behältnisinnenfläche
Zur Prüfung werden unbenutzte Behältnisse eingesetzt. Die zu prüfenden Behältnisse werden mit Wasser definierter Qualität bis zu einem festgelegten Volumen befüllt, mit Aluminiumfolie oder Neutralglas-Schalen abgedeckt und 60 min bei 121 ± 1 °C autoklaviert. Die verschiedenen Volumina werden vereinigt und gegen Methylrot-Lösung R mit 0,01-N-Salzsäure titriert. Der Verbrauch an Salzsäure je 100 ml Prüflösung führt zu einer Unterscheidung der Glasarten I und II von Glasart III.
Prüfung B: Hydrolytische Resistenz von pulverisiertem Glas (Grießmethode)
Alle Behältnisse werden vor der Prüfung mit Wasser gespült und getrocknet. 100 g Glas werden zerbrochen und in einem Mörser fein zerstoßen. Eingesetzt werden 20,00 g des auf Sieb c zurückgebliebenen Glasgrießes, der zuvor mit Aceton gewaschen wurde. Nach Zugabe von 100,0 ml Wasser definierter Qualität wird 30 min bei 121 ± 1 °C autoklaviert. Die Prüflösung wird gleichfalls gegen Methylrot-Lösung R mit 0,01-N-Salzsäure titriert. Der Verbrauch an Salzsäure läßt eine Unterscheidung der Glasart I von Glasart II und III sowie von Glasart IV zu.
Prüfung C: Hydrolytische Resistenz der Behältnisinnenfläche nach Flußsäurebehandlung
Die Prüfung folgt nach Art und Umfang den Vorgaben der Prüfung A. Die zu prüfenden Behältnisse werden mit einer Mischung von Flußsäure und Salzsäure gefüllt, 10 min stehengelassen, geleert und sorgfältig mit Wasser nachgespült. Anschließend werden sie der Prüfung A unterzogen. Durch den Vergleich des Säureverbrauchs der Prüfungen A und C können die Glasarten I und II voneinander unterschieden werden. Der Verbrauch an Säure ist bei Behältnissen der Glasart II nach Prüfung C höher.
Die USP sieht zur Unterscheidung der Glasart von Behältnissen zwei Prüfungen vor: 1. Powdered Glass Test, 2. Water Attack at 121 °C. Der erste Test entspricht der europäischen Glasgrießmethode, der zweite entspricht der Prüfung der hydrolytischen Resistenz der Behältnisinnenfläche (Prüfung A). In beiden Prüfungen wird mit 0,02-N Schwefelsäure gegen Methylrot-Lösung titriert. Die verbrauchten Äquivalente an Säure führen zu gleicher Einteilung der geprüften Behältnisse. Im Unterschied zur Prüfung nach EuAB/DAB ist für die jeweilige Glasart eine Prüfart festgelegt. So werden die Glasarten I, III und NP mit dem „Powdered Glass Test“ geprüft. Für die Prüfung der Glasart II ist die Methode „Water Attack at 121 °C“ vorgeschrieben.
Die Glasindustrie greift zur Charakterisierung von Gläsern auf eine größere Zahl an Prüfungen zur Bestimmung der chemischen Beständigkeit zurück. Neben der hydrolytischen Resistenz werden zusätzlich die Säure- und Laugenbeständigkeit überprüft. Weiterhin werden mechanische und elektrische Eigenschaften geprüft, auf die an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird.
Am weitesten verbreitet, allgemein anwendbar und einfach durchführbar sind die genormten DIN-Prüfmethoden. Sie umfassen die Bestimmung der Wasserbeständigkeit (zwei Grieß-Titrations-Verfahren, ein Oberflächenverfahren), der Säurebeständigkeit gegenüber Salzsäure und der Laugenbeständigkeit gegenüber einer Mischlauge. Glas kann so im Anlieferungszustand (Oberflächenprüfung) oder als Werkstoff nach mechanischer Zerkleinerung (Grießverfahren) geprüft werden. Die Glasindustrie prüft ihre Produkte auf die Einhaltung eigener Spezifikationen. Diese entsprechen weitestgehend zitierten DIN-Methoden [53]. Die Deutsche Norm für Behältnisse und Zubehör für Arzneimittel (Teil 7, Gewindeflaschen aus Röhrenglas für flüssige Arzneimittel) verweist hinsichtlich der Prüfung auf die einschlägigen DIN-Normen zur Glasprüfung [54].
Glasgrieß (2 g) von definierter Korngröße wird mit 50 ml Wasser 60 min im siedenden Wasserbad erhitzt. Die Prüflösung wird mit Salzsäure, c = 0,01 mol/l gegen Methylrotnatrium als Indikator titriert. Aufgrund des Säureverbrauchs bzw. der Alkaliabgabe werden die Gläser in 5 hydrolytische Klassen eingeteilt.
Glasgrieß (10 g) von definierter Korngröße wird von 50 ml Wasser 30 min im Autoklaven bei 121 °C ausgelaugt. Das abgegebene Alkali wird mit Schwefelsäure, c = 0,01 mol/l gegen Methylrotnatrium als Indikator titriert. Der Säureverbrauch ergibt auch hier ein Maß für die Wasserbeständigkeit. Eine Klasseneinteilung ist bei dieser Norm z.Z. nicht angegeben.
Die Prüfung entspricht nach Art und Umfang der Prüfung A des EuAB/DAB zur Bestimmung der hydrolytischen Resistenz der Behältnisinnenfläche.
Die zu prüfende Glasoberfläche wird 6 h in Salzsäure, c ≈ 5,6 mol/l gekocht und der Gewichtsverlust in mg/100 cm² ermittelt. Die Gläser werden in 4 Säureklassen eingeteilt.
Zur Bestimmung der Laugenbeständigkeit werden Glasoberflächen 3 h einer siedenden wäßrigen Lösung ausgesetzt. Die Lösung setzt sich aus gleichen Teilen Natriumhydroxid (c = 1 mol/l) und Natriumcarbonat (c = 0,5 mol/l) zusammen. Die Gewichtsverluste werden ermittelt und die Gläser in 3 Laugenklassen eingeteilt.
Vor 40 Jahren wurde der erste Laser in Betrieb genommen. Es handelte sich um einen Festkörper-Rubin-Laser, der in den Hughes Aircraft Research Laboratories in Malibu (Kalifornien, USA) im Mai 1960 entwickelt wurde. Schon ein Jahr später nahmen Wissenschaftler im Bell-Forschungslabor den ersten Gaslaser (infrarot, später sichtbar) in Betrieb, der mit einem Gemisch aus Helium und Neon arbeitete. Es folgten 1964 Argonlaser (blaugrün), CO2-Laser (mittleres Infrarot) und der Neodym-YAG-Laser (nahes Infrarot). Im Jahr 1966 wurde der erste Farbstofflaser vorgestellt. In den siebziger Jahren konnten Halbleiterlaser bei Zimmertemperatur betrieben werden und die ersten Edelgashalogen-Excimerlaser (ultraviolett) erschienen auf dem Markt. Anfang der neunziger Jahre wurden Diodenlaser mit blauer Emission vorgestellt, 1998 gelang die Entwicklung eines Röntgenlasers (Soft X-Ray-Amplifier bei 15 nm) [55].
Heute finden sich Laser in CD-Spielern und Scannerkassen der Supermärkte, Informationen werden mit Laserstrahlung übermittelt und Metalle mit Lasern geschnitten. In der Medizin behandeln Ärzte mit Lasern Hornhaut, Netzhaut und das Augeninnere. Chirurgen führen Eingriffe mit Lasern durch. Die Holographie nutzt Laser zur Darstellung von 3D-Bildern, optische Speicher und Computer benötigen Laser wie auch die Materialprüfung und technische Optik. Nicht zuletzt in der Analytik werden Laser in zunehmenden Maße eingesetzt.
Laser dienen in der chemischen Analytik als Lichtquelle oder werden zur Verdampfung von Festkörpern benutzt. Dabei sind mit dieser Technik nahezu alle gängigen spektroskopischen Methoden für den Elementnachweis gekoppelt worden [56, 57]. Während der Laser als Lichtquelle vor allem aus Kostengründen noch nicht die herkömmlichen Strahlungsquellen abgelöst hat, ist seine Eignung zur direkten Analyse von Feststoffen schon früh untersucht worden [16, 21, 22, 49, 58]. Heute ist die Laserablation fester Bestandteil der Probenahmeverfahren von Feststoffen.
Zur Elementbestimmung fester Proben wurden bis in die 60er Jahre direkte Analysenverfahren eingesetzt. Die optische Funkenspektrometrie ist z.B. in der Metallanalytik ein gängiges Verfahren. Nichtleitende Materialien wurden in der Regel zerkleinert und im Gleichstrombogen analysiert [56]. Bei speziellen analytischen Fragestellungen ist der Einsatz von Glühentladungslampen noch immer gängig [59].
Die Laserablation vereint die Vorteile der frühen Feststoffanalytik mit denen der Lösungsanalytik. Sie ist für Direktanalysen kompakter Materialien geeignet. Die Kombination mit verschiedenen Arten der Spektrometrie schafft vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Gleichzeitig sind jedoch neue Schwierigkeiten bei quantitativen Bestimmungen zu bewältigen.
Die grundsätzliche Eignung der Laserverdampfung an festen Proben wurde bereits in den sechziger Jahren untersucht. Die analytischen Möglichkeiten waren jedoch durch die damals verfügbaren Feststoff-Laser begrenzt (Rubin- und Nd:YAG-Laser mit beschränkter Leistung, geringer Stabilität und Wiederholrate). Erst mit der Verbreitung stabil arbeitender Nd:YAG-Laser wurde die Laserablation auch in Kombination mit Methoden wie der ICP-MS intensiver untersucht.
Bei genügend hoher Energie (biologische Proben: ab 104 W/cm²; Gläser: ab 109 W/cm³) wird von der Festsubstanz Materie verdampft. Der Schwellenwert an Energie, ab dem Ablation stattfindet, ist von der Probenart, deren Oberflächenbeschaffenheit, der Laserwellenlänge und der Betriebsart des Lasers abhängig. Die Form und Größe der entstehenden Krater hängt wiederum stark von Leistung, Divergenz, Wellenlänge und der Fokussierung des Lasers ab.
Oberhalb des Laserkraters bildet sich eine leuchtende Laserdampfwolke, die optisch sehr dicht ist. Hier findet eine Ionisierung des verdampften Materials statt. Mit der OES an der Dampfwolke sind die analytischen Möglichkeiten beim Arbeiten unter Atmosphärendruck durch die hohe Selbstabsorption eingeschränkt. Wegen der hohen Konzentrationen an nichtverdampften Teilchen entsteht sehr viel Streustrahlung. Unter vermindertem Druck können dagegen LODs bis zu einigen 10 μg/g in festen Proben erreicht werden [60].
Die Kopplung von Laserablation mit ICP-MS stellt ein sehr leistungsfähiges Verfahren zur direkten Analytik von Feststoffen dar. Das induktiv gekoppelte Plasma mit seiner für die Anregung von Ionen günstigen Plasmatemperatur sowie die Robustheit gegenüber der Einführung des laserverdampften Materials erfüllen grundlegende Forderungen der Feststoffanalytik [56]. Gegenüber der AES sind mit der Massenspektrometrie empfindlichere Bestimmungen bei der Mehrzahl der Elemente möglich. Es können Absolutnachweisgrenzen im fg-Bereich erreicht werden. Bei verdampften Materialmengen im μg- bis mg-Bereich entspricht dies relativen LODs von ng/g bis μg/g [60]. Moderne Sektorfeldgeräte oder die Massenspektrometer der 4. Generation mit Gasentladung bieten nachweisstarke Analytik bis in den untersten Spurenelementbereich.
Als schwierig im Umgang mit Laserablation werden im wesentlichen die zum Teil erheblichen Signalschwankungen sowie die anspruchsvolle Kalibrierung angesehen. Stark schwankende Signale werden grundsätzlich auf den noch nicht vollständig verstandenen Prozeß der Materialverdampfung durch die fokussierte Laserstrahlung zurückgeführt. Nur durch interne Standardisierung können hierbei Fehler ausgeglichen werden. Schon früh wurde dieser Ansatz in die Praxis umgesetzt [70].
Die Problematik der Kalibration bei Feststoffanalytik läßt sich zum Teil durch Einsatz kommerziell erhältlicher Kalibrationsstandards lösen. Ein grundsätzlicher Ausweg ist die Eigenherstellung entsprechender Standards. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß viele Materialien wie Keramiken, bestimmte Metallegierungen oder biologisches Material im Labormaßstab nicht herstellbar sind. Demgegenüber sind Versuche zu beobachten, die
Beispielhaft werden an dieser Stelle Anwendungen der Laserablation der letzten Jahre aufgezählt. Gleichzeitig wird die verwendete spektroskopische Methode angegeben.
Seit mehr als einem Jahrzehnt wird versucht, Laserlicht als Anregungsmedium in der Spektrometrie einzuführen. Die bisher verwendeten Lichtquellen wie Quecksilberdampflampen, Kontinuumstrahler oder Hohlkathodenlampen bzw. EDL zeigen oftmals im Verlauf ihres Gebrauchs eine nachlassende Energieabgabe oder Streuung des Strahldurchmessers.
In der Spektrometrie werden hohe Anforderungen an Lichtquellen gestellt. Durchstimmbare Laser sind im Vergleich zu herkömmlichen Medien ideale Lichtquellen. Ihre Strahlung zeichnet sich durch hohe Monochromasie, große spektrale Energiedichte und ausgeprägte räumlich Anisotropie aus. Die Detektion der Analytatome kann durch drei verschiedene Meßprinzipien erfolgen: Absorption, Fluoreszenz oder die Messung von Ionisationsprodukten (Ionen oder Elektronen), die durch einen Ionisationsprozeß nach selektiver Anregung geschaffen werden [56, 60].
Laser-Atomabsorptions-Spektrometrie (LAAS)
Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie (LIF)
Laserverstärkte Ionisationsspektroskopie (LEI)
Feldionisations-Laserspektroskopie (FILS)
Resonanz-Ionisations-Spektroskopie (RIS)
LAAS
In Anlehnung an die Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) werden Absorptionsmessungen mit durchstimmbaren Lasern als Laser-Atomabsorptions-Spektrometrie bezeichnet. Statt der Hohlkathodenlampe werden Farbstofflaser oder Halbleiter-Diodenlaser als monochromatische Lichtquelle mit hoher Leistung eingesetzt [74]. Der Aufbau entspricht einem AAS-Meßplatz. Der Einsatz eines Monochromators kann entfallen, da eine Nachzerlegung der Strahlung aufgrund der hohen Monochromasie selbst bei intensiver Hintergrundstrahlung durch den Atomisator (Flamme oder Graphitofen) nicht notwendig ist.
LIF
In der Laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie wird zur Anregung der Elektronen ein Laserstrahl eingesetzt. Hierbei wird gegenüber gepulsten Lasern den Dauerstrichlasern der Vorzug gegeben, weil die Anregung erst dann beendet ist, wenn das Analytatom das Strahlungsfeld des Lasers verläßt. Dies ist von Vorteil bei zyklischen Anregungen, bei denen sich das Analytatom nach Anregung und spontaner Emission eines Photons erneut anregen läßt. Durch die nachfolgende Emission eines weiteren Photons kann die Nachweisgrenze erniedrigt werden. Bei gepulsten Lasern ist die Anregung auf die Länge des Laserpulses begrenzt. Frühe Untersuchungen zeigten die Leistungsfähigkeit des Verfahrens [75].
LEI
In der laserverstärkten Ionisationsspektroskopie werden die Analytatome in ein bis zwei resonanten Schritten in Zustände nahe der Ionisisationsgrenze (Rydbergzustände) angeregt, die sich durch lange Lebensdauer für spontane Übergänge auszeichnen. Die Ionisationsprodukte (Elektronen oder Ionen) werden dann mit einer geeigneten Anordnung gemessen. Vor allem in der Kombination mit analytischen Flammen (Schlitzrohrbrenner) wird die LEI benutzt. Hier werden die Elektronen mit einer Anode
FILS
Bei der Feldionisations-Laserspektroskopie wird der Analyt in einer Vakuumkammer atomisiert. Durch eine spezielle Anordnung von Blenden wird ein Atomstrahl erzeugt. Dieser Atomstrahl kreuzt dann das Strahlungsfeld eines oder mehrerer gepulster Laser, die den Analyten in einem Einstufen- oder Mehrstufenprozeß in einen hohen Rydbergzustand anregen. Wird ein mit dem Laserpuls synchronisierter Spannungspuls genügender Größe an zwei den Atomstrahl einschließende Elektroden gelegt, so kann das Rydbergatom durch ein ausreichend großes elektrisches Feld ionisiert werden. Der elektrische Feldpuls dient neben der Ionisation gleichzeitig zum Absaugen der Ionen. Die Ionen treten durch ein Gitter oder durch eine Blende in der Elektrode und werden von einem Ionendetektor registriert.
RIS
Laserfelder verschieden hoher Intensität werden in der Resonanz-Ionisations-Spektroskopie zur Anregung von Atomen eingesetzt. Die Anregung kann ein- bis mehrstufig erfolgen. So können bei Elementen mit kleiner Ionisationsenergie mit hoher Lasern hoher Intensität einstufig angeregt werden. Mehrstufige Anregung wird durch die Kombination eines kurzwelligen Laser mit einem wesentlich langwelligeren Laser erreicht. Das für die Photoionisation notwendige Photon wird vor allem vom langwelligen Laser geliefert, der mit hoher Intensität betrieben wird. Die RIS-Methode kann mit einem Massenspektrometer gekoppelt werden. Sie wird als Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) bezeichnet. Neben den einfachen Quadrupol-Massenfiltern und den Sektorfeldgeräten finden insbesondere Flugzeitmassenspektrometer Verwendung, wenn die Photoionisation mit gepulsten Lasern vorgenommen wird.
Nach § 1 des Arzneimittelgesetzes werden grundlegende Anforderungen an ein Arzneimittel gestellt [10]. Im einzelnen sind dies Qualität, Wirksamkeit und Unbedenklichkeit.
Die Qualität ist in § 4, Absatz 15 Arzneimittelgesetz definiert als die Beschaffenheit eines Arzneimittels, die nach Identität, Gehalt, Reinheit, sonstigen chemischen, physikalischen, biologischen Eigenschaften oder durch das Herstellungsverfahren bestimmt wird. Da der Arzneistoff in direktem Kontakt mit seiner Verpackung steht, ist der Einfluß des Verpackungsmaterials auf die Gesamtqualität offensichtlich.
In § 55, Absatz 8 Arzneimittelgesetz wird mit Hinweis auf das Arzneibuch grundsätzlich festgelegt, daß Arzneimittel nur dann in Verkehr gebracht werden dürfen, wenn ihre Behältnisse und Umhüllungen, soweit sie mit den Arzneimitteln in Berührung kommen, den anerkannten pharmazeutischen Regeln entsprechen müssen. Die Betriebsverordnung für pharmazeutische Unternehmer legt in § 10 fest, daß Arzneimittel nur in Behältnissen in den Verkehr gebracht werden dürfen, die gewährleisten, daß die Qualität nicht mehr als unvermeidbar beeinträchtigt wird [76].
Neben diesen allgemeinen Anforderungen existieren eine Reihe von Regelwerken in der Europäischen Gemeinschaft, die sich mit "good manufacturing practice" (GMP = Gute Herstellungspraxis) beschäftigen. Hier werden u.a. Fragen der Qualitätskontrolle sowie Anforderungen an die Produktion von Arzneimitteln ausführlicher behandelt. Im einzelnen handelt es sich um folgende Regelwerke:
EG-Leitfaden einer Guten Herstellungspraxis für Arzneimittel [11]
EG-Richtlinie 91/356/EWG [77] zur Festlegung der Grundsätze und Leitlinien der Guten Herstellungspraxis für zur Anwendung beim Menschen bestimmte Arzneimittel
EG-Richtlinie 91/412/EWG [78] zur Festlegung der Grundsätze und Leitlinien der Guten Herstellungspraxis für Veterinärarzneimittel.
In den Regelwerken werden Grundkonzepte zur Qualitätskontrolle beschrieben, die Teil der Guten Herstellungspraxis sind. Letztlich dienen diese Maßnahmen dazu, ein Qualitätsniveau der Produkte zu erzielen, das den Spezifikationen des Herstellers entspricht. Der Nachweis der Qualität wird über eine präzise und lückenlose Dokumentation geführt.
Fortschritte gibt es bei der gegenseitigen Anerkennung von Prüfungen und Validierung. Der ICH-Prozeß (International Conference on the Harmonization of Technical Requirements for the Registration of Pharmacuticals for Human Use) wurde etwa 1990 initiiert, um die Anforderungen für die Zulassung von Arzneimitteln in den Wirtschaftsräumen Europa, USA und Japan anzugleichen. Es sollte ein Forum für einen konstruktiven Dialog zwischen Zulassungsbehörden und Industrie geschaffen werden, in dem Modifikationen von Anforderungen effizientere Prozesse ohne Beeinträchtigung der Arzneimittelsicherheit ermöglichen. Ziel war die Vermeidung von Doppelarbeit, Ineffizienz und Verzögerung. Für die Gebiete Sicherheit, Wirksamkeit und Qualität wurden Arbeitsgruppen gebildet, die jeweils Harmonisierungsschwerpunkte festlegten. Die Schwerpunkt im Bereich Qualität waren Stabilität, Validierung, Nebenprodukte, Arzneibücher und biotechnologische Produkte. Seitdem haben die ICH-Konferenzen in Brüssel (1991 u. 1995), Washington (1993) und Yokohama (1995) deutliche Fortschritte gebracht [81]. Die Ergebnisse der Harmonisierungs-Konferenzen wurden in Guidelines der ICH veröffentlicht. Die Guidelines ICH Q2A [82] und ICH Q2B [83] setzen sich mit analytischer Validierung auseinander. Dies sind erste Schritte zur Vereinheitlichung von Prüfverfahren, die letztlich zur gegenseitigen Anerkennung von Arzneimittelzulassungen führen sollen.
Die Bedeutung des Verpackungsmaterials für die Qualität eines Arzneimittels wird durch grundlegende Forderungen an die Qualitätskontrolle unterstrichen. So wird nach dem EG-GMP-Leitfaden in Punkt I. die Probenahme, Kontrolle und Prüfung von Verpackungsmaterial in einem Atemzug mit der Prüfung von Ausgangsstoffen, Zwischenprodukten oder Bulkware genannt [11]. Es wird darin gefordert, daß geeignete Einrichtungen, geschultes Personal und genehmigte Verfahrensbeschreibungen für die Probenahme, Kontrolle und Prüfung von Ausgangsstoffen, Verpackungsmaterial [...] zur Verfügung stehen, soweit eine gute Herstellpraxis dies erfordert. Weiterhin wird in Punkt V. des Leitfadens gefordert: Das Fertigprodukt [...] weist die erforderliche Reinheit auf, befindet sich im richtigen Behältnis und ist ordnungsgemäß gekennzeichnet [11]. Damit wird deutlich, daß bei der Produktion von Arzneimitteln nicht nur eine bestimmte Qualität des Verpackungsmaterials gefordert, sondern auch das richtige Behältnis für den jeweiligen Wirkstoff gewählt wird.
Qualitätssicherungs-Systeme stellen grundsätzlich eine Organisationsstruktur zur Verfügung, die durch Kontrolle vor, während und nach der Produktion die Einhaltung von Spezifikationen der eingesetzten Materialien, Stoffe und Verfahren gewährleistet. Spezifikationen sind allgemein entweder gesetzlich geregelt oder werden zusätzlich durch den Hersteller festgelegt.
Die Spezifikationen für primäres Verpackungsmaterial sollen nach EG-GMP-Leitfaden, Punkt 4.11. beinhalten [11]:
Beschreibung des Materials mit festgesetzter Bezeichnung, Bezugnahme auf Arzneibuchmonographie sowie die Angabe des zugelassenen Lieferanten bzw. Originalhersteller des Produkts
Vorschriften über die Probenahme und Prüfung oder eine Verweisung auf entsprechende Verfahrensbeschreibungen (weiter ausgeführt in Punkt 8., ergänzende Leitlinien zum EG-GMP-Leitfaden)
qualitative und quantitative Anforderungen mit den zulässigen Grenzen
Lagerungsbedingungen und etwaige Vorsichtsmaßnahmen
maximale Lagerungsdauer bis zu einer Nachkontrolle (falls erforderlich)
Die Spezifikation von Glas als Primärpackmittel ist in den Arzneibüchern [12, 13, 14] beschrieben. Sie beschränkt sich auf die Glasart und die hydrolytische Beständigkeit. Demzufolge muß das Primärpackmittel Glas in seiner Zusammensetzung hinsichtlich der
Gesicherte Qualität des Glases hinsichtlich seiner Zusammensetzung
Zweifelsfreie Zugehörigkeit zu einer Glasart
Einhaltung der Prüfparameter (z.B. hydrolytische Resistenz) der jeweiligen Glasart
Bestimmungsgemäßer Einsatz der vorgeschriebenen Glasart
Die praktische Umsetzung der o.a. Forderungen im Rahmen der Qualitätssicherung umfaßt folgende Punkte:
ad 1: Qualität des Glases, Zusammensetzung
Auditierung des Lieferanten bzw. des Originalherstellers. Dadurch Überprüfung des Herstellprozesses, Einsatz von Qualitätssicherungsmaßnahmen im Produktionsprozeß und Kontrolle der durchgeführten Prüfungen. Dokumentation durch Auditierungsberichte, Qualitätsnachweis des gelieferten Produktes durch Zertifikate des Herstellers.
ad 2.: Zuordnung der Glasart
Bisher: Prüfung der Alkaliabgabe entsprechend DAB/EuAB/USP-Prüfungen
Möglich: Feststellung der Zusammensetzung durch LA-ICP-MS und Zuordnung
ad 3.: Einhaltung von Produktspezifikationen
Bisher: Prüfung der Säure-, Laugen- und Wasserbeständigkeit nach DAB oder DIN-ISO
Möglich: Rückschlüsse aus der Prüfung der chemischen Zusammensetzung mit LA-ICP-MS
ad 4.: Einsatz der richtigen Glasart
Umsetzung von Qualitätssicherungsmaßnahmen bei der Verwendung von Glas in der Pharmaproduktion.
Die LA-ICP-MS könnte damit einerseits vom Glasproduzenten zur Qualitätskontrolle seiner Produkte eingesetzt werden. Andererseits ist auch auf Seiten der pharmazeutischen Produktion die LA-ICP-MS in der Eingangskontrolle zur Prüfung und Unterscheidung von Gläsern denkbar.
Der Einsatz von Glas als Primärpackmittel bei der Produktion von Arzneimitteln unterliegt einer Zahl von gesetzlichen Anforderungen. Die Umsetzung der erforderlichen Maßnahmen wird durch den Einsatz von Qualitätssicherungs-Systemen erreicht. Der Schwerpunkt der Prüfungen liegt auf der Einhaltung von Produktspezifikationen der Gläser, die sich grundsätzlich aus den Anforderungen der Arzneibücher sowie aus den Standards des Herstellers herleiten. Die Prüfung von pharmazeutisch verwendeten Gläsern kann durch die LA-ICP-MS sowohl auf Seiten des Glasherstellers, als auch auf Seiten des pharmazeutischen Unternehmers ergänzt bzw. verbessert werden.
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.
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
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:
Richtigkeit
Präzision mit Wiederholpräzision
Linearität
Selektivität
Robustheit
Nachweisgrenze
Bestimmungsgrenze
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].
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.
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:
Designqualifizierung (design qualification, DQ)
Installationsqualifizierung (installation qualification, IQ)
Funktionsqualifizierung (operation qualification, OQ)
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,
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).
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.
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).
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.
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.
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].
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
Nachfolgend wird ein einfaches, statisches Signal schematisch dargestellt:
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:
mittlere Intensität aller gemessenen Massenpunkte (average)
Summe der gemessenen Intensitäten in 'counts' (sum)
Massenpunkt mit der höchsten gemessenen Intensität (max)
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].
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.
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.).
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.
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.
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.
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]:
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.
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.
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.
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.
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
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.
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,
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.
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:
Im Textfluß erscheint: P = 150 mJ, S = 420, F = 10 Hz bei λ = 1064 nm
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.
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
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.
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
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.
Eine der möglichen Ursachen für die beobachteten Peaks könnte fraktionierte Ablation des Glases sein, wodurch die Aluminiumkonzentration im Feststoffpartikelstrom
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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:
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.
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.
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.
(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.
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.
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].
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
Die Kalibration des LA-ICP-MS-Verfahrens für Glasproben wurde mit zertifizierten Glasstandards durchgeführt. Im einzelnen wurden folgende Standards eingesetzt:
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
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.
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.
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:
Der SiO2-Gehalt nach Säureaufschluß wurde durch Differenzbildung nach folgender Gleichung errechnet (Verlust des Siliziums als SiO4):
Gleichung 4: Berechnung des SiO2-Gehalts für Aufschlußproben
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.
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
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Index:
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].
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
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.
Index:
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).
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).
Index:
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:
visuelle Festlegung
Berechnung aus dem Signal-Rausch-Verhältnis
Berechnung aus der Standardabweichung des Blind- oder Leerwertes
Berechnung aus der Kalibriergeraden im Bereich der Bestimmungsgrenze
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
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:
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:
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]:
Gleichung 9: Berechnung des Gesamtfehlers
Index:
Kennzahlen:
Die festgestellten Vertrauensbereiche sind im Kapitel 3.2.7 zusammen mit den Meßergebnissen tabellarisch aufgeführt.
Unter Genauigkeit wird die Zusammenfassung der Validierungselemente Richtigkeit und Präzision verstanden. Die Genauigkeit beschreibt, wie nahe ein Ergebnis dem wahren Wert kommt [82].
Die Richtigkeit eines analytischen Verfahrens drückt die Übereinstimmung zwischen dem gefundenen Wert und einem entweder konventionell als wahr akzeptierten Wert oder
Die Richtigkeit kann aus den Validierungselementen Spezifität, Linearität und Präzision abgeleitet werden. Als quantitative Richtigkeitsbelege gelten:
Vergleich der Ergebnisse mit einem etablierten, unabhängigen Verfahren
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:
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:
Die Ergebnisse der Prüfungen am Beispiel des TSG-Referenzglases zeigt Tabelle 40:
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.
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].
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.
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,
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).
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
Die Vergleichspräzision umfaßt verschiedene Meßserien bei Variation der Parameter Zeit, Bearbeiter, Gerät, Reagentien, Labor, etc. Je nach Ausmaß der Variation unterscheidet man
intermediate precision (innerhalb eines Labors)
reproducibility (Ringversuchspräzision, LVU-Präzision, mehrere Labore)
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.
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.
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
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.
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 worden Schering AG, Pharmalabor-BE, Berlin
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
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.
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
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.
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
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:
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.
Die grafische Darstellung der in Tabelle 44 zusammengefaßten Elementgehalte zeigt die Veränderung der Elementzusammensetzung über die einzelnen Schußserien. Diese Darstellung wird als Tiefenprofil bezeichnet.
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.
Die an TSG entwickelte Methode zur Messung transienter Signale wurde an oberflächen-behandelten Fiolax®-Braunglas-Ampullen (Borosilikatglas) durchgeführt. Nachfolgend werden die untersuchten Proben beschrieben.
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.
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
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.
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
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.
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
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
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].
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:
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.
Die untersuchten Glasproben sollten eine ebene, unbehandelte Oberfläche zeigen.
Die Proben sollten frei von äußeren Verunreinigungen sein; gegebenenfalls muß mit einem geeigneten Lösungsmittel, z.B. Methanol, gereinigt werden.
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.
Die Messungen mit einem Massenspektrometer sollten nur in dem vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereich durchgeführt werden. Optimale Meßbedingungen erhält man durch Klimatisierung des Meßplatzes.
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.).
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.
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.
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).
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).
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).
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).
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].
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).
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.
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.
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
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.
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
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:
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.
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.
Für jedes zu bestimmende Element wurde eine externe Kalibration durchgeführt. Mit Isotopen-Standardlösungen wurden Mischstandards der zu messenden Isotope mit einem
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.
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.
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.
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).
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-
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].
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:
Gleichung 14: Lineare Diskriminanzanalyse, Funktion des Abstandsmaßes
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.
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:
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:
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.
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:
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.
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:
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.
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.
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.
Zur Durchführung der Messungen wurde ein handelsüblicher ICP-MS-Meßplatz mit Quadrupol-Massenspektrometer und Dual-Stage-Detector eingesetzt. Die Laserablation-Einheit besteht aus einem Nd:YAG-Laser und wurde nachträglich mit zusätzlichen Einbauten versehen (u.a. Frequenzvervielfachung durch Kristalle, Leuchtdiodenhilfsstrahl zur Laserfokussierung). Der Laser wurde auf der fundamentalen Wellenlänge von λ = 1064 nm sowie der 4. Harmonischen (λ = 266 nm) im Q-switched-Modus betrieben. Über eine eingebaute CCD-Kamera konnte die Probenoberfläche über einen Monitor beobachtet werden. Gleichzeitig ließ sich die Probe auf dem Probetisch in μm-Schritten in x-, y- und z-Richtung für die Ablation positionieren. Die Laserablation fand unter Atmosphärendruck statt, die Ablationszelle wurde dabei kontinuierlich von einem Argongasstrom gespült. Die verdampften Probenteilchen wurde vom Argonstrom in das induktiv gekoppelte Plasma getragen, wo sie nach Anregung über das Interface in das Massenspektrometer gelangten. Der prinzipielle Aufbau des Meßplatzes ist im folgenden schematisch dargestellt:
Die Aufschlüsse der Glasproben wurden mit einem Hochdruckverascher bei ca. 140 bar unter Einwirkung von Flußsäure und Salpetersäure durchgeführt. Die gesamte Aufschlußzeit betrug ca. 6 Stunden. Dabei kamen nur Materialien zum Einsatz, die den Anforderungen an hochreine Spurenanalytik genügen. So wurden die Proben mit einem Achatmörser fein gemahlen, in Teflonzylindern aufgeschlossen und in mit Salpetersäure ausgedämpften Meßkolben (Borosilikatglas) aufgenommen und mit Aqua bidest. verdünnt. Die Arbeiten wurden weitestgehend unter Laminar-Air-Flow durchgeführt, um Kontamination der Proben zu vermeiden.
Zur Datenaufnahme der massenspektrometrischen Messungen wurde die mit dem ELAN 6000 gelieferte Gerätesoftware verwendet. Die Rohdaten wurden als ASCII-Datensatz auf Diskette ausgelesen und mit dem Tabellenkalkulationsprogramm MS-Excel weiter bearbeitet. Zur Auswertung wurden die Daten den gängigen statistischen Verfahren unterworfen. Weitere Berechnungen sowie die Kalibrierkurven wurden unter Statistica 5.0 erstellt.
ELAN 6000, Perkin Elmer Sciex
Laser Sampler 320, Perkin Elmer Sciex
HPA Hochdruckverascher, Kürner Analysentechnik
Folgende zertifizierte Glasstandards wurden zur Kalibration eingesetzt:
Die Standards setzen sich entsprechend den folgenden Angaben zusammen:
Die Anzahl der zu bestimmenden Isotope wird durch die verwendeten Rohstoffe für die Glasherstellung begrenzt. Es wurden jene Isotope ausgewählt, die in den pharmazeutisch relevanten Gläsern in Konzentrationen über c = 0,1 g/100g vorkommen und damit zur Unterscheidung der Glasarten beitragen.
Als Rohstoffe zur Herstellung von Glas kommen folgende Substanzen bzw. Stoffgruppen in Frage:
Zur Unterscheidung der pharmazeutisch verwendeten Glasarten mit Hilfe der LA-ICP-MS wurden nachfolgende Isotope ausgewählt:
Die Ergebnisse der durchgeführten Laserablation-Bestimmungen wurden mit ICP-MS-Messungen der durch Säure aufgeschlossenen Glasproben überprüft. Zur Absicherung wurden gegenüber der Laserablation zusätzlich jene Isotope quantitativ bestimmt, die in Gläsern in Konzentrationen unter c = 0,1 g/100g vorkommen (Zink, Zirkon, Antimon und Blei). Daneben wird noch eine weitaus größere Zahl an Isotopen in Glas gefunden, u.a. Vanadium, Chrom, Nickel und Strontium [37]. Diese Isotope haben keine Bedeutung bei der Zuordnung einer Glasart und wurden aus diesem Grund bei den Arbeiten nicht berücksichtigt. Der Einfluß auf die chemische Beständigkeit ist aufgrund der geringen Konzentrationen zu vernachlässigen. Silizium entweicht während des Säureaufschlusses als flüchtiges SiF4 und ist damit in der Aufschlußlösung nicht bestimmbar. Im einzelnen wurden folgende Isotope gemessen:
Zur Untersuchung von Glasproben mit LA-ICP-MS wurden folgende Laserablation-Bedingungen gewählt:
Zur Prüfung einzelner Fragestellungen wurde die o.a. Methode hinsichtlich der untersuchten Isotope und der Laser- sowie der ICP-MS-Parameter variiert. Die folgenden Tabellen geben die einzelnen Methoden wieder:
Zum druck- und temperaturunterstützten Säureaufschluß stand der Hochdruckverascher HPA Kürner® (modifiziert) zur Verfügung. Jede Aufschlußserie konnte mit maximal 6 Aufschlußgefäßen bestückt werden. Die Glasproben wurden grundsätzlich 2fach (je nach Kapazität auch 3fach) in mehreren Serien diskontinuierlich aufgeschlossen. Eine Aufschlußserie benötigte 1,5 - 2 Tage, so daß nach etwa 1 Woche das gesammelte Probenmaterial am ICP-MS gemessen werden konnte.
Nach Befüllung aller Aufschlußgefäße wurde der HPA Hochdruckverascher verschlossen, der Innenraum mit Stickstoff begast und nachfolgendes Temperaturprogramm (1) durchgeführt:
Nach Abkühlen auf Zimmertemperatur wurden die Aufschlußgefäße geöffnet und mit 1,0 ml konzentrierter Salpetersäure Suprapur® versetzt. Die Druckkammer wurde wiederum mit Stickstoff begast und ein modifiziertes Temperaturprogramm (2) gestartet.
Nach Abkühlen auf Zimmertemperatur wurden die aufgeschlossenen Proben in Meßkolben (Borosilikatglas, > 24 h mit konz. HNO3 Suprapur ausgedämpft) überführt, auf 20 ± 0,5 °C temperiert, mit konz. Salzsäure aufgenommen und Aqua bidest. auf 10,0 ml aufgefüllt. Die Aufbewahrung der Probelösungen erfolgte im Kühlschrank (T < 6 °C).
Pharmazeutische Gläser wurden mit Hilfe von Laser-Ablation-ICP-MS hinsichtlich ihrer Zusammensetzung untersucht. Ziel war es, verschiedene Glassorten qualitativ zu unterscheiden und deren Zusammensetzung quantitativ zu bestimmen. Dazu wurde ein Nd:YAG-Laser mit seiner fundamentalen Wellenlänge von λ = 1064 nm sowie der vierten Harmonischen λ = 266 nm mit einer Frequenz von 10 Hz im Q-switched-Modus zur Ablation eingesetzt. Zur Identifizierung von Glassorten wurden im einzelnen folgende Isotope bestimmt: 7Li, 11B, 23Na, 24Mg, 27Al, 28Si, 29Si, 30Si, 39K, 42Ca, 47Ti, 57Fe, 121Sb, 137Ba. Die quantitative Bestimmung wurde mit einem Quadrupol-Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Argon-Plasma durchgeführt. Für die jeweiligen Wellenlängen wurden externe Kalibrationen mit zertifizierten Glasstandards erstellt. Es wurde eine Normalisierung der Meßdaten vorgenommen. Als Bezugsisotop diente 29Si. Als Referenzmaterial kamen Standards verschiedener Glasarten zum Einsatz: Kalk-Natron-Glas, Borosilikatglas und Bleiglas. Die entwickelte Methode war damit für die Untersuchung von Gläsern verschiedener Zusammensetzung einsetzbar. Zur Überprüfung der mit LA-ICP-MS erhaltenen Ergebnisse wurden alle untersuchten Proben sowie die Referenzstandards mit einem Hochdruckverascher unter konzentrierter Flußsäure/Salpetersäure aufgeschlossen. Die Elementkonzentrationen der verdünnten Aufschlußlösungen wurden mittels ICP-MS durch externe Kalibration mit verdünnten Isotopenlösungen und interner Standardisierung (45Sc) bestimmt. Der Vergleich der Ergebnisse aus Laserablation und den naßchemischen Säureaufschlüssen mit den zertifizierten Werten ergab weitestgehend gute Übereinstimmung. Der Aluminiumgehalt von Borosilikatgläsern ließ sich mit den gewählten Aufschlußbedingungen nicht richtig ermitteln. Die Wiederfindung lag teilweise bei 15 %. Als Gründe wurden ein unvollständiger Aufschluß und die Bildung schwerlöslicher Aluminium-Trifluoride diskutiert.
Neben der Richtigkeit wurden weitere Parameter wie Präzision, Empfindlichkeit, Nachweisgrenze, Bestimmungsgrenze, Spezifität und Wiederholbarkeit ermittelt und bewertet. Gegenüber der Grundwellenlänge zeigte die Laser-Ablation-Technik mit λ = 266 nm keine deutliche Verbesserung hinsichtlich der geprüften Leistungsparameter. Im Vergleich zur Basiswellenlänge sind die Krater in allen Glassorten jedoch kleiner und regelmäßiger. Insgesamt wird weniger Material ablatiert. Unter optimalen Bedingungen können Laserablation-Bestimmungen von Gläsern mit einer Präzision von RSD = 8 % vorgenommen werden. Zur Prüfung repräsentativer Ablation des Probenmaterials wurden
Durch Aufnahme transienter Signale wurde versucht, Elementverteilungen zwischen Oberfläche und tieferen Schichten festzustellen. Am Beispiel eines Natron-Kalk-Glases konnten unterschiedliche Elementzusammensetzungen von der Oberfläche bis zu einer Kratertiefe von etwa 100 μm festgestellt werden. Quantitative Elementgehalte konnten über die Auswertung der Peakmaxima mit Hilfe der erstellten Kalibrierfunktion berechnet werden.
Weiterhin wurde versucht, silikonisierte und verschieden nachbehandelte Fiolax®-Braunglas-Ampullen über Unterschiede der Intensitätsverhältnisse nach Aufnahme transienter Signale von unbehandelten Gläsern zu erkennen. Dabei ließen sich Ampullengläser, deren Silikonisierung durch Einbrennvorgänge fixiert worden war, eindeutig von nicht-silikonisierten Gläsern unterscheiden.
Der Vergleich der eingesetzten Laserwellenlängen führte zu keinen signifikanten Unterschieden hinsichtlich der Richtigkeit und Präzision der Ergebnisse. Pharmazeutisch verwendete Gläser können mit beiden Wellenlängen untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, daß Kraterform und -tiefe unter λ = 266 nm gleichmäßigere Beschaffenheit zeigten und besser reproduzierbar waren als unter λ = 1064 nm. Die beobachteten Effekte waren stark materialabhängig. Weiterhin wurde festgestellt, daß neben den gewählten Laserbedingungen (u.a. Leistung, Lasermodus, Pulslänge, Frequenz) insbesondere die Fokussierung einen entscheidenden Einfluß auf die Beschaffenheit der Krater und damit auf das Meßergebnis hat. Zusammenfassend sollten LA-Messungen an Gläsern aufgrund homogenerer Krater unter der Laserwellenlänge λ = 266 nm durchgeführt werden.
Zum Abschluß der Untersuchungen wurden die Daten einer linearen Diskriminanzanalyse unterzogen. Mit dieser multivariaten Datenanalyse ließen sich die untersuchten Glasproben vier verschiedenen Glastypen zuordnen. Durch Variablenreduktion wurden statistisch acht Isotope (Li, B, Na, Mg, Al, Ca, Ti, Ba) isoliert, mit denen eine fehlerfreie Klassifizierung von Gläsern möglich war.
Allen, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit unterstützt haben, möchte ich meinen herzlichen Dank aussprechen. Besonderer Dank gebührt meinem Doktorvater für die Betreuung und stete Diskussionsbereitschaft.
Hr. Prof. Dr. J.-P. Surmann
Hr. Dr. E. Hoffmann
Hr. Dr. C. Lüdke
Fr. H. Stephanowitz
Fr. E. Ullrich
Hr. J. Skole
Hr. T. Vogt, Humboldt-Universität, FB Pharmazie
Hr. Dr. W. Kössler, Humboldt-Universität, FB Mathematik
nicht genannte Mitarbeiter des ISAS, Institutsteil Berlin-Adlershof
Hr. Dr. Uebbing, Hr. Dr. Hergenröder, ISAS Dortmund
Hr. Dr. T. Mundry, Schering AG
Hiermit erkläre ich, Torsten Schmidt, geb. 13.09.1964 in Rotenburg a.d. Fulda, daß ich die vorliegende Arbeit selbständig und nur unter Verwendung der angegebenen Hilfsmittel erstellt habe.
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Torsten Schmidt