Rozvoj aplikačního potenciálu hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem pro analýzu komplexních materiálů

Mgr. Filip GREGAR

Disertační práce

Multimodal approach to elemental analysis of biological and archaeological samples

Anotace:

Disertační práce se zabývá rozšířením aplikačního potenciálu hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS) v pokročilých oblastech klinického a archeologického výzkumu. Práce je koncipována jako komentovaný soubor pěti publikací rozdělených do dvou tematických celků s cílem představit vývoj analytických přístupů pro studium komplexních materiálů, kde tradiční metody narážejí na své limity. První celek se zaměřuje na přímou analýzu pevných materiálů pomocí spojení laserové ablace s ICP-MS (LAICPMS) v archeometrii. Klíčovým přínosem je rozvoj multimodálního přístupu kombinujícího LAICPMS a rentgenovou fluorescenční spektrometrii (XRF) pro určování provenience radiolaritových artefaktů. Zásadní inovací je zavedení liniového skenování pro LAICPMS namísto bodové analýzy, které zajišťuje stabilnější signál a citlivější detekci stopových prvků. Ve spojení s pokročilým statistickým zpracováním dat umožňuje tento přístup robustní klasifikaci zdrojů materiálu. Výsledná metodika je přenositelná a škálovatelná a efektivně propojuje terénní screening se stopovou LAICPMS laboratorní analýzou. Druhý celek se soustředí na analýzu anorganických nanočástic v biologických matricích pomocí ICP-MS. Vedle přehledu současného vývoje přináší návrh a experimentální ověření nového multimodálního přístupu pro studium nanočástic uvolňovaných z titanových implantátů potažených vrstvičkou TiO2. Klíčovou inovací je paralelní mikrovlnný rozklad umožňující rychlé rozlišení iontové a částicové formy titanu, což výrazně zefektivňuje screening vzorků. Metodika dále umožňuje komplexní charakterizaci TiO2 nanočástic z hlediska velikosti, počtu, morfologie i krystalické fáze. Studium frakcionace Ti v periprostetických tkáních představuje jednu z prvních in vivo studií tohoto typu a přináší nové poznatky o chování TiO nanočástic v organismu. Práce tak ukazuje ICP-MS jako univerzální a flexibilní nástroj schopný přispět k mezioborovému výzkumu, od provenience paleolitických artefaktů po hodnocení bezpečnosti moderních implantátů.

Abstract:

The dissertation thesis explores the expansion of the application potential of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) in advanced areas of clinical and archaeological research. The thesis is structured as a commentary of five publications divided into two thematic sections, with the aim of presenting the development of analytical approaches for studying complex materials where traditional methods reach their limits. The first section focuses on the direct analysis of solid materials using laser ablation coupled with ICP-MS (LAICPMS) in archaeometry. A key contribution is the development of a multimodal approach combining LAICPMS and X-ray fluorescence spectrometry (XRF) for determining the provenance of radiolarite artifacts. A major innovation is the introduction of line scanning for LAICPMS instead of point analysis, which ensures a more stable signal and more sensitive detection of trace elements. In conjunction with advanced statistical data processing, this approach enables robust classification of material sources. The resulting methodology is transferable and scalable and effectively links field screening with trace LAICPMS laboratory analysis. The second part focuses on the analysis of inorganic nanoparticles in biological matrices using ICP-MS. In addition to an overview of current developments, this part presents the design and experimental validation of a new multimodal approach for studying nanoparticles released from titanium implants coated with a thin layer of TiO2. The key innovation is parallel microwave digestion, which enables quick differentiation between the ionic and particulate forms of titanium, thereby significantly streamlining sample screening. The methodology also enables comprehensive characterization of TiO nanoparticles in terms of size, number, morphology, and crystalline phase. The study of Ti fractionation in periprosthetic tissues represents one of the first in vivo studies of this type and provides new insights into the behavior of TiO nanoparticles in the organism. The work thus demonstrates ICP-MS as a versatile and flexible tool capable of contributing to interdisciplinary research, ranging from the provenance of Paleolithic artifacts to the safety assessment of modern implants.

Klíčová slova

ICP-MS, LAICPMS, prvková analýza, archeometrie, nanočástice, biologické matrice

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 25. 3. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. Ing. David Milde, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Analytická chemie / Analytická chemie