Experimenteller Teil

Geräte Allgemeine Beschreibung der eingesetzten Meßgeräte LA-ICP-MS - Meßplatz

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:

Abbildung 42: Meßplatz LA-ICP-MS

Aufschluß-System

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.

Datenaufnahme, Datenverarbeitung, Software

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.

Meßgeräte, technische Daten Spezifikation ICP-MS

ELAN 6000, Perkin Elmer Sciex

Ionenquelle:

Argon-Plasma, induktiv gekoppelt

Quadrupol:

goldbeschichteter Keramikquadrupol, 4 Stäbe, Länge L = 20 cm

Detektor:

Dual Stage Discrete Dymode Electron Multiplier (DDEM)

Zerstäuber:

Sprühkammer-System

Vakuum:

2 Turbomolekular-Pumpen, Vakuum ca. 1,94 x 10^-5 Torr

Gasfluß/Zerstäuber:

1,05 L / min

ICP-RF-Leistung:

1000 W

Datenaufnahme:

statische Signale, 1 sweep, 30 replicates

transiente Signale, 1 replicate, 80 readings

Datenverarbeitung:

statische Signale mit "spectral peak average"

transiente Signale mit "signal profile maximum"

Kalibrierung:

Laserablation mit externen Standards
Aufschlüsse mit internem Standard (⁴⁵Sc)

Spezifikation Laserablation

Laser Sampler 320, Perkin Elmer Sciex

Laser

Nd:YAG-Laser

Wellenlängen:

1064 nm und 266 nm (4. Harmonische)

Frequenz:

10 Hz

Betriebsmodus:

Q-switched

Q-switched delay:

240 μsec

Blitzlampenenergie:

statisch 35 - 50 J transient 50 - 70 J

Laserenergie:

statisch ca. 150 - 250 mJ, abhängig von der Blitzlampenenergie
transient ca. 250 - 400 mJ, abhängig von der Blitzlampenenergie

Fokussierung:

1 - 2 mm über der positionierten Probe

Spezifikation Aufschluß-System

HPA Hochdruckverascher, Kürner Analysentechnik

Heizleistung:

1600 W

Vol. Druckkammer:

1,5 dm³

Max. Fülldruck:

130 bar

Max. Temperatur:

320 °C

Anzahl Gefäße:

max. 6 Behältnisse je Aufschluß

Kammerbegasung:

Stickstoff

Max. Heizrate:

von 30 °C auf 320 °C in ca. 20 Minuten

Abkühlungsrate:

von 320 °C auf 30 °C in ca. 60 Minuten

Kontrolle des Aufschlusses über Monitor und Drucker (Druck/Zeitdiagramme)

Chemikalien

Bezeichnung

Zusammensetzung

Konzentration

Bezugsquelle

Eisen-Standard

Fe(NO₃) ·3 H₂O in HNO₃ (c=0,5 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19781.0500

Kalium-Standard

KNO₃ in H₂O

1000 mg/l

MERCK

1.19505.0500

Lithium-Standard

LiNO₃ in H₂O

1000 mg/l

MERCK

1.19506.0500

Scandium-Standard

Sc₂O₃ in HNO₃
(c= 1 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19513.0500

Natrium-Standard

NaNO₃ in H₂O

1000 mg/l

MERCK

1.19507.0500

Magnesium-Standard

Mg(NO₃)₂ ·6 H₂O in HNO₃ (c=0,5 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19788.0500

Aluminium-Standard

Al(NO₃)₃ ·9 H₂O in HNO₃ (c=0,5 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19770.0500

Bor-Standard

H₃BO₃ in H₂O

1000 mg/l

MERCK

1.19500.0500

Barium-Standard

Ba(NO₃)₂ in HNO₃ (c=0,5 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19774.0500

Calcium-Standard

Ca(NO₃)₂ ·4 H₂O in HNO₃ (c=0,5 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19778.0500

Blei-Standard

Pb(NO₃)₂ in HNO₃ (c=0,5 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19776.0500

Zink-Standard

Zn(NO₃)₂ ·4 H₂O in HNO₃ (c=0,5 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19806.0500

Antimon-Standard

SbCl₃ in HCl
(c=0,5 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19771.0500

Strontium-Standard

Sr(NO₃)₂ in HNO₃ (c=0,5 mol/l)

1000 mg/l

MERCK

1.19799.0500

Zirkon-Standard

Zr in HCl

(c= 5 g/100 g)

10000 μg/ml

Johnson Matthey GmbH, ALFA, Karlsruhe; 23223

Titan-Standard

Ti in HNO₃
(c= 5g/100g) / fr. HF

10000 μg/ml

Johnson Matthey GmbH, ALFA, Karlsruhe; 23216

Salpetersäure SUPRAPUR

HNO₃

c = 65 g/100g

MERCK

1.00441.1000

Salpetersäure konz.

pro analysi

HNO₃

c = 65 g/100g

MERCK

1.00452.1000

Salzsäure

SUPRAPUR

HCl

c = 30 g/100g

MERCK

1.00318.1000

Flußsäure

SUPRAPUR

HF

c = 40 g/100g

MERCK

1.00335.0500

Petroleumbenzin

reinst DAB

Petroleumbenzin

Siedebereich

40 - 60°C

MERCK

1.00909.1000

Aceton

pro analysi

C₃H₆O

99,9 %

MERCK

1.00014.1000

Ethanol

reinst

C₂H₅OH

96 %

MERCK

1.00971.1000

Argongas

Ar°

Reinheit min. 99.996%
O₂ < 5 ppm; H₂ < 1 ppm
N₂ < 20 ppm; H₂O < 4 ppm

Tabelle 56: Eingesetzte Chemikalien und Isotopenlösungen zur Kalibration

Glasstandards

Folgende zertifizierte Glasstandards wurden zur Kalibration eingesetzt:

Bezeichnung Standard

verwendetes Kürzel

Glasart

Laborglas

DRN

Borosilikatglas-Standard

Ampullenglas

FLX

Borosilikatglas-Standard

Torgauer Spezialglas

TSG

Kalk-Natron-Glas-Standard

Lead Glass

BCR (126 A)

Bleiglas-Standard

Tabelle 57: Eingesetzte Glasstandards zur Kalibration der LA-ICP-MS

Die Standards setzen sich entsprechend den folgenden Angaben zusammen:

* Restoxide: Summe der nicht zertifizierten Oxide
Oxid

DRN

FLX

TSG

BCR

Li₂O

0,495

± 0,015

B₂O₃

12,94

± 0,028

9,45

± 0,205

Na₂O

3,25

± 0,049

6,15

± 0,039

14,68

± 0,371

3,58

± 0,05

MgO

0,063

± 0,005

4,45

± 0,15

0,512

± 0,01

Al₂O₃

2,18

± 0,014

5,20

± 0,085

1,16

± 0,11

0,128

± 0,006

SiO₂

80,39

± 0,058

75,37

± 0,311

71,91

± 0,18

57,80

± 0,09

K₂O

1,01

± 0,033

0,35

± 0,018

0,66

± 0,12

10,00

± 0,05

CaO

0,35

± 0,027

6,56

± 0,12

1,033

± 0,023

TiO₂

< 0,02

0,035

± 0,009

Fe₂O₃

< 0,02

0,11

± 0,010

0,0055

± 0,0009

ZnO

1,02

± 0,04

ZrO₂

< 0,02

Sb₂O₃

0,019

± 0,002

0,29

± 0,01

BaO

< 0,05

3,54

± 0,192

1,036

± 0,026

PbO

23,98

± 0,05

R₂O₃ ^*

2,20

4,62

1,30

Tabelle 58: Chemische Zusammensetzung der Glasstandards

Meßbedingungen Untersuchte Isotope

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:

Rohstoff

Chemische Formel und Funktion

Sand

SiO₂(Hauptbestandteil)

Soda

Na₂CO₃(Flußmittel)

Glaubersalz

Na₂SO₄(Flußmittel)

Pottasche

K₂CO₃(Flußmittel)

Stabilisatoren

CaO, MgO, Al₂O₃, B₂O₃, Li₂O, K₂O, Na₂O

Kalk

CaCO₃(Härter)

Tonerde

Al₂O₃, NaAlSi₃O₈ (Feldspat)

Bleioxide

PbO (Bleiglätte), Pb₃O₄(Mennigge)

Bariumoxid

BaCO₃(Witherit)

Borverbindungen

B₂O₃

Färbungsmittel

Nebengruppenelemente:

Seltene Erden:

Cu²⁺, Cr³⁺, Mn³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, V³⁺, Ti³⁺
Nd³⁺, Pr³⁺

Flußspat

CaF₂(Trübungsmittel)

Tabelle 59: Rohstoffe zur Glasherstellung

Zur Unterscheidung der pharmazeutisch verwendeten Glasarten mit Hilfe der LA-ICP-MS wurden nachfolgende Isotope ausgewählt:

Isotop

Chemische Kurzbezeichnung

Massenzahl

Lithium

Li

7

Bor

B

11

Natrium

Na

23

Magnesium

Mg

24

Aluminium

Al

27

Silizium

Si

28; 29; 30

Kalium

K

39

Calcium

Ca

42

Titan

Ti

47

Eisen

Fe

57

Antimon

Sb

123

Barium

Ba

137

Tabelle 60: Isotopenauswahl zur Unterscheidung von Gläsern mit LA-ICP-MS

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:

Isotop

Chem. Kurzbezeichnung

Massenzahl

Lithium

Li

6, 7

Bor

B

10, 11

Natrium

Na

23

Magnesium

Mg

24, 26

Aluminium

Al

27

Kalium

K

39

Calcium

Ca

42, 44

Titan

Ti

47, 50

Eisen

Fe

54, 57

Zink

Zn

66, 68

Zirkon

Zr

90, 94

Antimon

Sb

123

Barium

Ba

137

Blei

Pb

206, 207

Tabelle 61: Isotopenauswahl zur ICP-MS-Bestimmung nach Säureaufschluß

Methoden Laserablation-Messungen mit ICP-MS (statische Signale)

Zur Untersuchung von Glasproben mit LA-ICP-MS wurden folgende Laserablation-Bedingungen gewählt:

Laser-Parameter: Methode 1 statisch

Einheiten

Methodenziel

Quantitative Untersuchung von Glasproben, Kalibrierung des Verfahrens

Laser-Betriebsmodus

Q-switched

Wellenlänge

λ = 1064 nm, λ = 266 nm

Wiederholrate

F = 10 Hz

Pulsdauer

P = 10 ns

Q-switched delay

240 μs

Laserenergie

150 - 320 mJ

Anzahl der Schüsse je Krater

400 - 550

Gesamtablations-Zeit (ca.)

t = 32 s

Datenaufnahme ICP-MS

Peak hopping

Anzahl sweeps

1

Anzahl readings

30

Anzahl replicates

1

Detektor

Dual Mode

Integration Time

1500 μs

Dwell Time

50 μs

Tabelle 62: Laserbetrieb und ICP-MS-Parameter statischer Signale, Methode 1

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:

Laser-Parameter: Methode 2 statisch

Einheiten

Methodenziel

Prüfung der Isotopenverhältnisse

Laser-Betriebsmodus

Q-switched

Wellenlänge

λ = 1064 nm, λ = 266 nm

Wiederholrate

F = 10 Hz

Pulsdauer

P = 10 ns

Q-switched delay

240 μs

Laserenergie

150 - 320 mJ

Anzahl der Schüsse je Krater

420

Gesamtablations-Zeit

t = 35 s

Datenaufnahme ICP-MS

Peak hopping

Anzahl sweeps

1

Anzahl readings

20

Anzahl replicates

1

Detektor

Dual Mode

Integration Time

1500 μs

Dwell Time

50 μs

Tabelle 63: Laserbetrieb und ICP-MS-Parameter statischer Signale, Methode 2

Laserablation-Messungen mit ICP-MS (transiente Signale)

Laser-Parameter: Methode 3 transient

Einheiten

Methodenziel

Oberflächenanalyse, Tiefenprofil

Laser-Betriebsmodus

Q-switched

Wellenlänge

λ = 1064 nm

Wiederholrate

F = 10 Hz

Pulsdauer

P = 10 ns

Q-switched delay

240 μs

Laserenergie

210 mJ

Anzahl der Schüsse je Krater

2 - 4

Gesamtablations-Zeit

t = 3 s

Datenaufnahme ICP-MS

scanning modus

Anzahl sweeps

1

Anzahl readings

80

Anzahl replicates

1

Detektor

Dual Mode

Integration Time

1500 μs

Dwell Time

50 μs

Tabelle 64: Laserbetrieb und ICP-MS-Parameter transienter Signale, Methode 3

Laser-Parameter: Methode 4 transient

Einheiten

Methodenziel

Oberflächenanalyse, Tiefenprofil

Laser-Betriebsmodus

Q-switched

Wellenlänge

λ = 266 nm

Wiederholrate

F = 10 Hz

Pulsdauer

P = 10 ns

Q-switched delay

240 μs

Pulsenergie

320 mJ

Anzahl der Schüsse je Krater

4 (Ampullenglas) / 20 (TSG)

Gesamtablations-Zeit

t = 5 s

Datenaufnahme ICP-MS

scanning modus

Anzahl sweeps

1

Anzahl readings

80

Anzahl replicates

1

Detektor

Dual Mode

Integration Time

1500 μs

Dwell Time

50 μs

Tabelle 65: Laserbetrieb und ICP-MS-Parameter transienter Signale, Methode 4

Messungen von Aufschlüssen mit ICP-MS

MS-Parameter

Einheiten

Datenaufnahme

Peak hopping, 2 readings, 5 replicates

Meßzeit

2,14 min

Interne Standardisierung

⁴⁵Sc 100 μg/l

Integrationszeit

1000 ms

Dwell time

100 ms

Zerstäubergasfluß

1,05 ml/min

Oxid-Verhältnis [CeO⁺/Ce⁺]

max. 0,03 %

Verhältnis zwei- zu einwertigen Ionen [Ba⁺⁺/Ba⁺]

max. 0,03 %

Tabelle 66: Meßbedingungen ICP-MS für Aufschlüsse

Aufschluß von Glasproben mit Gasphasenaufschluß

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.

Durchführung: Zum Aufschluß wurden ca. 100,00 mg Glasgrieß in Teflonzylinder eingewogen, die zuvor mit konzentrierter Salpetersäure Suprapur^® über t > 24 h ausgedämpft worden waren. Die Teflonzylinder hatten einen Durchmesser von ca. 1 cm und wurden in der Mitte des Aufschlußgefäßes auf einem selbstgebauten Stempel fixiert. In das Aufschlußgefäß aus Quarzglas wurden 3,0 ml konzentrierte Flußsäure Suprapur^® ^gegeben.

Nach Befüllung aller Aufschlußgefäße wurde der HPA Hochdruckverascher verschlossen, der Innenraum mit Stickstoff begast und nachfolgendes Temperaturprogramm (1) durchgeführt:

Schritt Nr.

Temperatur [°C]

Haltezeit [min]

Druck [bar]

1

Heizphase

1

2

100

30

~90

3

190

360

~ 110

4

Abkühlphase

5

20

60

1

Tabelle 67: Temperaturprogramm 1 Gasphasenaufschluß ( Flußsäure)

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.}

Schritt Nr.

Temperatur [°C]

Haltezeit [min]

Druck [bar]

1

Heizphase

1

2

100

60

~90

3

190

240

~ 110

4

Abkühlphase

5

20

60

1

Tabelle 68: Temperaturprogramm 2 Gasphasenaufschluß (Salpetersäure)

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).