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New Ion Source Configurations for Discrete Sample Analysis with ICPMS

Applicant Günther Detlef
Number 197224
Funding scheme Project funding
Research institution Laboratorium für Anorganische Chemie Departement für Chemie und Angewandte Biowis ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Inorganic Chemistry
Start/End 01.01.2021 - 31.12.2024
Approved amount 729'642.00
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Keywords (5)

Nanoparticle Analysis; Single Cell Analysis; ICPMS; Discrete sampling; Ion Sources

Lay Summary (German)

Die bisher zum quantitativen Nachweis von Elementen und Isotopen eingesetzten induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometer basieren auf der Verwendung von Argon als Plasmagas und wurden so konzipiert, dass der Probeneintrag horizontal erfolgt. In diesem Projekt sollen zwei neue Plasmakonfigurationen entwickelt werden, die a) das Argon als Plasmagas durch Stickstoff ersetzen sollen und b) ein Plasma entwickelt werden, welches nach unten orientiert ist, wodurch ein einfacher Probeneintrag von oben und unter Ausnutzung der Gravimetrie erlauben soll.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojektes

Die elementanalytische Analyse von Nanomaterialien und biologischen Proben (z.B. Zellen) erfolgt heutzutage massgeblich mit einer Plasma-Ionenquelle die an ein Massenspektrometer gekoppelt ist (ICP-MS). Mit einer Kopplung eines Mikrowellen-induzierten induktiv gekoppelten Plasma (MICAP) konnten wir zeigen, dass diese Nachweisempfindlichkeit auch durch die Verwendung von Stickstoff als Plasmagas erreicht werden kann. Diese Konfiguration soll in einem ersten Teilprojekt mit einem Quadrupol-ICPMS und einem Flugzeitmassenspektrometer im Detail untersucht werden, um mögliche Anwendungsgebiete herauszuarbeiten.

In einem zweiten Teilprojekt soll ein vertikal nach unten ausgerichtetes Plasma an ein Flugzeitmassenspektrometer gekoppelt werden, um neue Probenzufuhrmöglichkeiten mit höherer Probentransporteffizienz zu ermöglichen. Ein nach unten gerichtetes Plasma (bisher nur in horizontaler Konfiguration gebaut) soll es erlauben, Proben durch gravimetrische Kräfte ins Plasma fallen zu lassen. Dadurch könnte diese Plasmakonfiguration den verlustfreien Probeneintrag ermöglichen, wodurch besonders die Analyse von Nanomaterialien (Nanopartikel) und Einzelzellanalytik signifikant verbessert werden könnte.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes

Diese Arbeit soll wesentliche und neue Impulse zur chemischen Charakterisierung von Nanomaterialien und biologischen Proben liefern. Ein routinemässig funktionierendes Stickstoffplasma würde die Kosten für die Methode signifikant reduzieren, während ein nach unten gerichtetes Plasma einen verlustfreien und wesentlich höheren Probendurchsatz erlauben könnte. Dies würde ganz neue Möglichkeiten im Bereich der Einzelzellanalytik (Biologie und Medizin) und für Nanomaterialien eröffnen.
Direct link to Lay Summary Last update: 28.10.2020

Responsible applicant and co-applicants


Project partner


This proposal requests support for two projects related to new ion source configurations for discrete sample analysis by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICPMS). Mixed gas plasmas as alternative ion source for ICPMS have been studied in the late 80s until mid-90s and different configurations have been reported. Especially the N2 plasma gained a lot of attention due to the low cost of the nitrogen gas for sustaining the plasma. However, reports on limits of detection in the same order of magnitude as achievable using argon has not led to commercially available instruments. The main reason was the difficulty to ignite and sustain the plasma. Most recently, a newly designed microwave-inductively plasma (MICAP) source was applied to optical emission spectroscopy and reported in the literature. The first prototype of a MICAP coupled to a ToFMS was realized in our lab and preliminary data were acquired and reported. Based on some promising results we apply for support for project 1, which will focus on fundamental investigations of a MICAP ion source coupled to a quadrupole mass spectrometer. The ionization potential of a pure N2 plasma should allow for very similar ionization efficiencies as obtained in a conventional argon-based ICP. However, Ar-based interferences can be reduced, which gives access to isotopes, which are currently influenced by argon ions and argon-containing molecular ions. Therefore, studies will evaluate the analytical performance of this new source in combination with various sample introduction systems (e.g., micro-concentric nebulizers or microdroplet generators). The research is in particular aiming at emerging applications, such as single cell and nanoparticle analysis. The expected reduction of Ar-based interferences on isotopes of K, Ca, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, As and Se will be evaluated against the formation of new N-based species in the mass spectra. The coupling to a quadrupole mass spectrometer (reaction cell type) will furthermore allow to study to which extent new spectral interferences can be attenuated by specific ion-molecule reactions. Furthermore, using the novel N2 plasma source in combination with laser ablation (LA)-MICAP-MS can substantially reduce the running cost in extended measurement campaigns as frequently occurring in the field of tissue imaging. In addition to the currently imaged rare earth labelled antibody using CyToF, the MICAP-MS should also allow for assessing of endogenous elements in tissue as K, Ca, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, As, and Se.Project 2 would focus on a recently filed patent about a new ICPMS configuration. The commonly applied horizontal plasma requires a fine tuning of high gas flows to ensure that nebulized aerosol or droplets in particular remain in the center of the plasma’s central channel for efficient excitation and ion extraction. A recently built prototype makes use of gravitational sampling by using a downwards pointing inductively coupled plasma source before a quadrupole mass spectrometer. Within this project we aim to combine the downwards pointing plasma source to a ToFMS. Such a configuration offers completely new sample introduction strategies with ideally 100 % sample transport independent on particle/cell/droplet size or morphology. The time of flight mass spectrometer would be the only method to provide multi-element information from such individual entities. Therefore, systematic studies on the gas flow and power conditions, droplet uptake capacity and total plasma load will be investigated. This project is mainly focused on a new method to improve high throughput cell and nanoparticle analyses. In this context, we aim to couple our prototype downwards pointing ICPToFMS system to a fluorescence-activated cell scanning (FACS) flow cytometer. The new system will allow to adapt to sampling frequencies up to 2 kHz for fast cell sorting and detection. Using a gas exchange device will help to reduce the high solvent load within the plasma. Both projects have great potential to make an impact on discrete sample analysis. In case of successful evaluation of project 1 and 2, it should be possible to build a downwards pointing MICAP-ToFMS for reduced cost and high sample throughput.