Kooperative Studie über Confokale Mikro-XRF für leichte Element in der Forensik

Sowohl in Japan als auch weltweit ist der Zusatz von illegalen Drogen zu Speisen oder Genussmitteln ein großes Problem. Ein schnelles Analyseverfahren zur Bestimmung von Drogen wäre daher zur Bekämpfung dieser Problematik sehr hilfreich. Im Rahmen dieses Projekts soll die konfokale Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (Mikro-XRF) nach vorangehender Dünnschichtchromatographie, die zur Speziation benützt wird, als vielversprechende Methode getestet werden. Im Vergleich zu anderen analytischen Methoden, wie ICP-MS wäre das vorgeschlagene Verfahren schneller und mit geringerem instrumentellen Aufwand, daher auch für screening geeignet. Die momentan zur Debatte stehenden Drogen sind Bromovalerylurea (bromisoval) und Fenitrothion, in diesen sind zur Identifikation folgende Elemente zu bestimmen: Brom, Phosphor und Schwefel. Um die Analyse dieser Elemente in der nach TLC erzeugten Probe zu ermöglichen, muß die konfokale Mikro XRF auch auf die Möglichkeit der Messung leichter Elemente P und S ausgedehnt werden. Dazu sind einige Erfordernisse notwendig. Die Messungen müssen im Vakuum durchgeführt werden, die Anregung der Probe muß mit Röntgenstrahlung erfolgen, die eine effiziente Fluoreszenzemission zur Folge hat und schließlich ist ein Detektor erforderlich, der in der Lage ist die niederenergetische Fluoreszenzstrahlung optimal zu erfassen. Die Ziele des Projekts sind: Verwendung einer Vakuumkammer mit konfokaler Mikro-XRF Einheit, der unter Vakuumbedingungen justier- und scan fähig ist. Evaluierung der Leistungsfähigkeit des zu entwickelnden Spektrometers mit Standard Referenz Proben, um Nachweisgrenzen der interessierenden Elemente und deren Ortsauflösung zu bestimmen Entwicklung von Quantifizierungsmodellen zur Auswertung speziell der leichten Elemente, insbesondere in dieser Matrix nach TLC. Anwendung des Verfahrens zur Bestimmung der vorliegenden Drogen nach TLC und Bestimmung der Leichten Elemente P und S (setzt Vakuum voraus um Streuung und Absorption zu reduzieren) Tests um den Einsatz des entwickelten Systems für das rasche screening zu prüfen Das Projekt soll einen Synergieffekt zwischen den instrumentellen und wissenschaftlichen Kapazitäten der Österreichischen und Japanischen Teams in der beschriebenen Anwendung erzielen. Das österreichische Team hat langjährige Erfahrung in der Entwicklung von energiedispersiven Spektrometern zur Messung leichter Elemente. Die japanische Gruppe um Prof. Tsuji hat ausgezeichnete Erfahrung in der konfokalen Mikro XRF mit Röntgenröhren und ihrer optimalen Ausnutzung. Die Synergie der Expertise beider Teams und der Wissensaustausch zwischen jungen Wissenschaftern ist das wichtigste Ziel des Forschungsprojekts.

Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse ist eine Methode zur zerstörungsfreien Analyse der Haupt-, Neben- und Spurenelementverteilung in einer Probe im Mikrometerbereich. Die konfokale Erweiterung dieser Methode ermöglicht die Bestimmung der Elementverteilung in allen drei Dimensionen (3D Analyse). Obwohl die Technik an Synchrotronstrahlungsquellen weit verbreitet ist wird sie im Labor nicht routinemäßig eingesetzt. Um Laborspektrometer zu verbessern wurde ein Kooperationsprojekt durchgeführt, welches ein konfokales mikro-RFA Spektrometer zur Analyse leichter Elemente (aufgebaut am Atominstitut der TU Wien) mit einem Spektrometer mit hoher Ortsauflösung (aufgebaut an der Osaka City University in Japan) vergleicht. Im Zuge dieses Projektes wurde ein neues Spektrometer konstruiert, welches die Vorteile der beiden vorhandenen Spektrometer kombiniert. Dieses mit der Erfahrung beider Forschungsgruppen entwickelte Spektrometer wurde an der Osaka City University aufgebaut. Durch Vergleich aller drei Spektrometer wurde gezeigt, dass hohe Ortsauflösung sowie ein weiter Elementbereich sehr wichtig sind und erreicht werden können.Spezialmethoden welche auf der Röntgenfluoreszenzanalyse basieren sind bestens geeignet für Analysen in der Forensik, da sie zerstörungsfrei arbeiten, wenig Probenvorbereitung benötigen und gleichzeitig viele Elemente der Probe bestimmen, wenn ein energiedispersiver Detektor verwendet wird. Anwendungen im Bereich von Kunst und Kulturgütern (cultural heritage) haben oft ähnliche Anforderungen, wodurch diese Technik vielseitig einsetzbar ist. Durch die Analyse derselben forensischen Proben mit verschiedenen Spektrometern konnten die Verbesserungen, welche mit dem neuen Spektrometer erreicht wurden, deutlich gezeigt werden. Es wurde auch gezeigt, dass die Methode sich bestens für die Analyse forensischer Proben eignet.3D Analytik ermöglicht die Bestimmung von Tiefenprofilen einer Probe im Mikrometerbereich. Damit ist es zum Beispiel möglich durch die Analyse von Farbsplittern deren Herkunft zu bestimmen. Die Interpretation dieser Tiefenprofile ist aber nicht immer einfach. Um unser Verständnis dieser Profile zu verbessern wurde ein Simulationsmodell entwickelt und getestet. Parameterstudien an diesem Modell zeigten auch die Fähigkeiten sowie die Limits des derzeitigen Aufbaues am Atominstitut und wie man das Spektrometer in Zukunft verbessern könnte. Die Simulationen sind außerdem hilfreich für die Entwicklung von Quantifizierungsmodellen in der mikro-RFA.Das Kooperationsprojekt hat das Verständnis und die Expertise von konfokaler mikro-RFA beider Forschungsgruppen vertieft. Außerdem fand ein umfangreicher Austausch von Wissen und Erfahrung zwischen jungen Wissenschaftlern aus Japan und Österreich statt. Wir verglichen Spektrometer an realen Proben sowie Referenzmaterialien und konnten die Analyseleistung der Methode mit einem neuen Aufbau an der Osaka City University verbessern. Ein neues Simulationsmodell verbesserte unser Verständnis der Tiefenprofilanalyse mit konfokaler mikro-RFA.