Development of Combined Chemical Imaging Approaches for Application in Materials Science

Die Laser Abtragung - Induktiv gekoppelte Plasma Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) ist eine weithin anerkannte Technik für die hochauflösende chemische Bildgebung mit umfangreichen Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen. Diese Methode wurde bereits auf eine Vielzahl von Feststoffproben angewendet und erfordert in der Regel nur minimale bis gar keine Probenvorbereitung. LA-ICP-MS trägt eine kleine Menge der Probe ab und ermöglicht eine räumlich aufgelöste Charakterisierung der Elementverteilung mit hoher lateraler und vertikaler Auflösung. Dennoch unterliegt LA-ICP-MS einigen Einschränkungen, wie z. B. der Optimierung der Laserabtragungsparameter, dem Matrixeffekt, der Elementfraktionierung und der Drift der instrumentellen Empfindlichkeit. Diese Einschränkungen treten am deutlichsten zutage, wenn eine quantitative, räumlich aufgelöste Visualisierung komplexer, heterogener Materialien angestrebt wird. Diffusive Gradienten in dünnen Schichten (DGT) sind eine passive, zerstörungsfreie Probenahmetechnik, die in Kombination mit LA-ICP-MS zu einem leistungsstarken Werkzeug für die zweidimensionale (2D) Visualisierung und Quantifizierung chemischer Prozesse in heterogenen Systemen geworden ist. Bislang konzentrierten sich die meisten DGT-LA-ICP-MS-Studien auf Umweltsysteme, wobei bisher nur eine Publikation über die Anwendung in der Materialwissenschaft vorliegt. Diese Arbeit präsentiert zwei neue Studien, die den DGT-LA-ICP-MS-Ansatz für die Anwendung in der Materialwissenschaft nutzen. Darüber hinaus umfasst diese Arbeit eine Untersuchung der Optimierung von Laserparametern am Beispiel der LA-ICP-MS-Analyse von vier verschiedenen Materialien ¿ NIST 612-Glas, DGT-Gel, Graphitpellet und Kupferlegierung. Die Studie bewertete die Signalintensität, Stabilität und Kratermorphologie auf der Grundlage einer LA-ICP-MS-Analyse ausgewählter Proben mit unterschiedlichen Spotgrößen oder Energieflüssen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Laserparameter als auch die materialspezifischen Eigenschaften (Oberflächen Polieren, Materialhomogenität und Probendicke) eine entscheidende Rolle für die Erzielung zuverlässiger und reproduzierbarer Analyseergebnisse spielen. Darüber hinaus wurde die Standardadditionskalibrierungsstrategie für LA-ICP-MS von kohlenstoffbasierten Materialien entwickelt, wodurch die Verwendung von matrixangepassten Kalibrierungsstandards für die Analytquantifizierung in Graphitproben ermöglicht wurde. Die Ergebnisse zeigten eine ausgezeichnete lineare Regression (R² > 0,99) für mehrere Spurenelemente (Be, Se, Te, Tl und Bi) und Seltenerdelemente (Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm und Lu). Die Verwendung von 13C als interner Standard ermöglichte eine konsistente Normalisierung, die Signalschwankungen kompensierte und die Elementfraktionierung korrigierte. Schließlich enthält diese Dissertation drei Forschungsveröffentlichungen, darunter zwei Studien als Erstautor. Die erste Studie konzentriert sich auf die Bewertung der lateralen Auflösungsfähigkeiten und -grenzen von DGT LA-ICP-MS für die Bildgebung der Lösung von Metallen. Die zweite Studie entwickelt und wendet eine neuartige DGT LA-ICP-MS-Methode zur Kartierung von gelösten Elementen im Sub-Pikogramm-Bereich während der lokalisierten Korrosion von Al-Legierungen an, die einer NaCl-Lösung ausgesetzt sind. Die dritte Studie als Zweitautorin konzentriert sich auf die Anwendung von LA-ICP-MS zur räumlich aufgelösten Spurenelementanalyse von makroskopischen Einschlüssen in Stahlblöcken, um deren potenzielle Quelle zu bewerten. Insgesamt verbessert die vorgestellte Doktorarbeit die analytischen Fähigkeiten der LA-ICP-MS-basierten Methode und liefert wertvolle Erkenntnisse für die Anwendung der Methode in der Materialwissenschaft, insbesondere im Bereich der lokalisierten Metallkorrosion und der mikrostrukturellen Charakterisierung.