Die Forschungsaktivitäten liegen auf den Gebieten der Entwicklung und des Einsatzes atomspektrometrischer Methoden für die Elementanalytik, hauptsächlich auf der Basis elektrischer Plasmen. Dabei stehen besonders Beiträge zur Lösung analytischer Fragestellungen im interdisziplinären Verbund im Vordergrund, insbesondere in den Bereichen der Umwelt-, Werkstoff- und Bioanalytik unter Einsatz der Laserablation und der Plasmamassenspektrometrie.
Die Laserablation hat sich in der Massenspektrometrie mit dem induktiv gekoppelten Plasma als Ionenquelle (LA-ICP-MS) mittlerweile zu einem verbreiteten Werkzeug für die direkte quantitative Elementanalyse fester Proben entwickelt. Die Stärken dieser Kopplungstechnik liegen im geringen Probenvorbereitungsaufwand und somit der Möglichkeit zur schnellen Analyse selbst chemisch inerter Proben, da zeitaufwendige Aufschlüsse des Materials umgangen werden können. Darüber hinaus ermöglicht die LA-ICP-MS nicht nur die Analyse äußerst geringer Probenmengen, sondern auch die ortsaufgelöste Oberflächenanalytik, was im geringen Strahldurchmesser des Lasers begründet ist und damit in Brennflecken resultiert, die nur wenige µm Durchmesser aufweisen. Die dabei abgetragenen Probenmengen sind äußerst gering (üblicherweise wenige pg), sodass bei dieser „quasi-zerstörungsfreien” Technik empfindliche Analysator-Detektor-Systeme, z.B. Elementmassenspektrometer, unverzichtbar sind.
Allerdings sind bis heute die Vorgänge während der Ablation nicht im Detail geklärt. Ein besonderes Augenmerk liegt deshalb auf der Untersuchung des sog. „fraktionierten Abtrags”, welcher durch verschiedene Siedetemperaturen der Probenkomponenten und einer damit verbundenen sequentiellen Verdampfung in Erscheinung treten kann. Dieser nicht-repräsentative Abtrag, der nach der Kondensation des Probendampfes auch anhand der Zusammensetzung des gebildeten Aerosols zu verfolgen ist, wirkt sich, wie bereits länger bekannt, fehlerhaft auf das Bestimmungsverfahren aus. Des Weiteren ist die Partikelgrößenverteilung des Aerosols bedeutsam, da diese die Verdampfungs- und Ionisierungseffizienzen in der Ionenquelle beeinflussen, was sich ebenfalls in Fehlbefunden niederschlagen kann.
Die Kalibrierung zur quantitativen Analyse unter Einsatz der LA-ICP-MS ist wegen o.g. Gründe häufig mit Problemen behaftet, aber auch deshalb, weil zertifizierte Standardreferenzmaterialien selten zur Verfügung stehen. Des Weiteren ist die Homogenität der Kalibrierstandards von Bedeutung, insbesondere dann, wenn äußerst geringe Probenmengen analysiert werden müssen. Dies ist z.B. der Fall bei der Charakterisierung einzelner Aerosolpartikel oder individueller Zellen (Algen). Hier liefern gut charakterisierbare Kalibrierstandards, wie sie z.B. Standardlösungen darstellen, einen mögliche und vielversprechenden Ansatz, sofern sie in geringsten Mengen auf den Probenträger dosiert und anschließend mittels der LA komplett verdampft werden können.
In aktuellen Arbeiten steht die Untersuchung der Eignung eingetrockneter pikoliter-Tröpfchen zur richtigen und präzisen Kalibrierung der Laserablation in Verbindung mit der Plasma-Flugzeitmassenspektrometrie (LA-ICP-TOFMS) im Vordergrund. Die mittels eines modifizierten Inkjet Printers „gedruckten” Tropfchen einer Multielementstandardlösung umfassen ein Volumen von 5 - 130 pL und zeigen nach dem Eintrocknen eine Größe von max. 30 µm. Abhängig von der gewählten Konzentration der Probenlösung können somit Absolutmengen im pg-Bereich mit hoher Präzision dosiert werden. Nach notwendiger Optimierung, was sowohl die Drucktechnik betrifft, besonders aber an die Ablations- und Detektionsbedingungen anbelangt, die auf die äußerst geringe Probenmenge ausgerichtet werden müssen, wird diese Technik in gegenwärtigen Arbeiten verwendet, um die Haupt-/Neben-/(Spuren)bestandteile einzelner Partikel und Algen zu quantifizieren.
Einen allgemeinen Schwerpunkt der durchgeführten Forschungsarbeiten bildet die Erarbeitung neuer Ansätze für die Elementspurenanalytik, speziell bezüglich der Direktanalyse von Festkörpern mittels der Plasma-Emissions- und der Plasma-Flugzeitmassenspektrometrie in Verbindung mit der Funkenablation, der Laserablation und der elektrothermischen Verdampfung für die Schicht- und Bulkanalyse. Dies geschieht im Hinblick auf die Entwicklung eines neuartigen orthogonalen Plasma-Flugzeitmassenspektrometers in enger Zusammenarbeit mit der "Gesellschaft zur Förderung angewandter Optik, Optoelektronik, Quantenelektronik und Spektroskopie e.V", dem "ISAS - Institute for Analytical Sciences", beide Berlin-Adlershof, und der Firma "Analytik Jena AG" in Jena. Darüber hinaus sind neben beginnenden Arbeiten zur Metallspurenbestimmung in gelelektrophoretisch (1D/2D) getrennten Proteinen als aktuelle Projekte zu nennen:
- Untersuchung der Oberflächenzusammensetzung historischer Gipsabgüsse griechischer und römischer Skulpturen und der Zusammensetzung von Legierungen antiker ägyptischer Fundstücke mittels verschiedenen Techniken der Feststoffanalytik zum Zwecke der Herkunfts- und Altersbestimmung.
- Ermittlungder Spurenzusammensetzung und des Isotopenmusters geologischer Proben und geringster Pigmentmengen altertümlicher Anstriche und Malereien, entnommen der antiken Fundstätte "Caral" im Supe-Tal, Peru.
- Einsatz der Plasma-Atomspektrometrie in Verbindung mit der Funkenablation und der Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzspektrometrie zur direkten Bestimmung von Spurenbestandteilen keramischer Pulver.
Des weitern werden problem- und methodenorientierte Arbeiten auf den Gebieten der Speziesanalytik und der Miniaturisierung sowohl optischer Atomisierungs- und Anregungsquellen als auch elektrophoretischer Trennsysteme durchgeführt. Im Rahmen von Forschungsaufenthalten im Ausland und bestehenden nationalen und internationalen Kontakten zu verschiedenen Arbeitsgruppen erfolgen weitere Arbeiten auf den Gebieten der rasterelektronenmikroskopischen Oberflächen- und Spurenanalyse aber auch der Elementmassenspektrometrie in Kombination mit chromatographischen und kapillarelektrophoretischen Trennsystemen.