Neue Technologie für große Proben in der chemischen Analyse Laserablation XXL: Forscher realisieren 30-cm-Probenkammer

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Für die Analyse von Proben wie Eisbohrkernen oder Stalagmiten kommt oft Materialentnahme durch Laserablation zum Einsatz. Doch die Probenkammer limitiert hier mitunter die Möglichkeiten, weil sie schlicht zu klein ist. Ein Prototyp erweitert nun das Repertoire und bietet Platz für Laserablation von bis zu dreimal größeren Proben als bisher.

Laserablation ist eine weit verbreitete, hochmoderne Technologie zur mikrodestruktiven Materialprobennahme. Häufig ist sie direkt kombiniert mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) zur chemischen Materialanalyse. Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert nun ein Projekt zur Weiterentwicklung dieser Methode am Alfred-Wegener-Institut (AWI) für die nächsten 1,5 Jahre mit 150.000 Euro.

Das ERC „Proof of Concept“ Projekt BEAST (Breaking sample size limitations for laser ablation through novel large cell technology) nutzt einen technologischen Fortschritt, den Prof. Dr. Pascal Bohleber vom AWI, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung im Rahmen des ERC Consolidator Grants „AiCE“ erzielte: Die Beschränkung von Probenkammern auf etwa 10 cm Länge stellte über Jahrzehnte eine Barriere in der chemischen Analytik mittels LA-ICP-MS dar.

Spektroskopie

ICP-MS-Analyse sorgt für verbesserte Wafer

Neue Probenkammer mit rund dreifacher Länge

Bisher waren in größeren Volumina die für hochauflösendes 2D-Mapping erforderliche schnelle Aerosolübertragung und 2D-Verfahrensgenauigkeit unerreichbar. Das Projekt AiCE hat hier entscheidende Fortschritte geleistet mit dem weltweit ersten Prototyp einer kryogenen Großprobenkammer, entwickelt in Partnerschaft mit Teledyne Photon Machines. Dieser Prototyp ermöglicht die Analyse von Proben mit einer Länge von über 30 cm bei einer Präzision und Geschwindigkeit, die bisher nur mit kleinen kommerziellen Hochleistungszellen erreichbar war. Dies bildet den Grundstein für einen hohen Probendurchsatz, der für die laufenden chemischen Analysen mit LA-ICP-MS am „ältesten Eis“ der Antarktis im Rahmen des europäischen Flaggschiffprojekts „Beyond EPICA: Oldest Ice Core“ zwingend erforderlich ist.

Große Proben unterbrechungsfrei analysieren

Mit der vergrößerten Probenkammer für die Laserablation eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Forschung. „Ein entscheidender Zusatznutzen der neuen Kammergröße ist ihre Flexibilität und Multimodalität: Sie bietet ausreichend Platz, um über ein integriertes Fenster externe Sensoren wie Raman-Spektroskopie oder optische Profilometer direkt anzukoppeln“, erklärt AWI-Forscher Bohleber. „Dies erlaubt es uns, verschiedene chemische und physikalische Informationen zeitgleich in einem einzigen Workflow zu erfassen, ohne die Probe zwischen Geräten bewegen zu müssen. Diese massive Zeitersparnis ist nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für industrielle Anwendungen hochattraktiv.“

Für die Industrie bedeutet dies eine Effizienzsteigerung: Statt mühsamer Einzelwechsel können Forscher hunderte Proben in einem einzigen Durchgang analysieren. Wertvolle Großproben in der Wissenschaft, wie Stalagmiten oder archäologische Artefakte müssen jetzt nicht mehr zerstört oder zerschnitten werden.

Zukünftiges Standardwerkzeug für die LA-ICP-MS-Analytik

Bohleber entwickelt die Methode im Projekt BEAST in enger Partnerschaft mit Teledyne Photon Machines, einem Marktführer für Laserablationssysteme, weiter. Das Projekt zielt darauf ab, die Technologie durch Designoptimierung und ein neues Demonstrationslabor am AWI für den breiten Einsatz zugänglich zu machen. So soll ein neues Standardwerkzeug für die LA-ICP-MS-Analytik geschaffen werden. Es soll als Katalysator für zukünftige hybride Analyse-Systeme fungieren, die nachhaltigere Qualitätskontrollen in Schlüsselindustrien wie der Stahl- oder Halbleiterproduktion ermöglichen.

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