Mass spectrometry imaging of metallic nanoparticles using subatmospheric laser desorption ion source

Mgr. Michal Žalud, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Použití nanočástic je v současné analytické chemii velkou výzvou, ať už se jedná o použití nanočástic jako značek pro detekci biomarkerů, nebo o detekci samotných nanočástic. Téma této disertační představuje vůbec první využití techniky LDI MSI pro detekci jednotlivých nanočástic na skleněném a křemíkovém substrátu. Samotnou detekci nanočástic předcházel vývoj metodiky přípravy vzorků pomocí piezoelektrického dispenzeru. Vzorek byl připraven tak, aby bylo možné jednotlivé nanočástice při analýze rozlišit. Tyto vzorky byly charakterizovány pomocí referenční metody SEM. Jednotlivé experimenty byly rozděleny do tří studií studií. V první studii je technika SubAP LDI MSI využita pro detekci malého počtu nanočástic na vzorku křemíku s využitím selektivní reakce v plynné fázi. Součástí této části je i studium chování jednotlivé nanočástice po ozáření laserem. Druhá studie je věnována optimalizaci předchozí techniky pro detekci již jednotlivých nanočástic na skleněném substrátu. Pro tyto experimenty bylo využíváno 80 nm Ag NPs a technika SubAP LDI MSI sloužila jako kvantitativní metoda využívají selektivní reakci v plynné fázi. Počty detekovaných Ag NPs byly srovnány s referenční metodou SEM a byla odvozena detekční účinnost dané techniky, kde bylo dosaženo 85 %. Dále, třetí studie je věnována využití již vyvinuté techniky SubAP LDI MSI pro studium závislosti detekční účinnosti Au NPs o různých velikostech na laserové energii a velikosti analyzovaných nanočástic. Bylo prokázáno, že s rostoucí velikostí nanočástic a použité laserové energie roste i detekční účinnost techniky, kde pro největší 100 nm Au NPs bylo dosaženo 85 %.

Abstract:

The use of nanoparticles (NPs) is a major challenge in current analytical chemistry, whether it employs NPs as tags for biomarker detection or focuses on analyzing NPs themselves. The topic of this dissertation represents the first-ever application of laser desorption/ionization mass spectrometry imaging (LDI MSI) technique for the detection of single NPs on glass and silicon substrates. The actual detection of NPs was preceded by the development of a sample preparation methodology using a piezoelectric dispenser. The samples were prepared so that individual NPs could be distinguished during analysis and characterized using scanning electron microscopy (SEM) as a reference method. The experiments are presented in three studies. In the first study, the SubAP LDI MSI technique is used to detect a small number of NPs on a silicon substrate using a selective gas-phase reaction. This part includes the study of the behavior of individual NPs after laser irradiation. The second study is devoted to the optimization of the previous technique for the detection of single NPs on a glass substrate. For these experiments, 80 nm Ag NPs were used, and the SubAP LDI MSI technique served as a quantitative method using selective gas phase reaction. The numbers of detected Ag NPs were compared with the reference SEM method, and the detection efficiency of the technique was derived, where 85% was achieved. Furthermore, the third study is devoted to the application of the developed SubAP LDI MSI technique to examine the dependence of the detection efficiency of Au NPs on the laser energy and the size of the analyzed NPs. The detection efficiency was shown to increase with increasing NP size and laser energy, where 85% was achieved for the largest 100 nm Au NPs.

Keywords

LDI MSI, mass spectrometry imaging, nanoparticles, laser desorption/ionization, zobrazovací hmotnostní spektrometrie, nanočástice, laserová desorpce/ionizace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 24. 6. 2024
• Supervisor: prof. Mgr. Jan Preisler, Ph.D.
• Reader: Mgr. Antonín Hlaváček, Ph.D., prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D., Mgr. Ján Žabka, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Analytical Chemistry