Die Rückstandsanalytik tierischer Lebensmittel ist eine anspruchsvolle Aufgabe aufgrund des hohen Lipidanteils der Proben sowie des sich stetig vergrößernden Wirkstoffspektrums. Heutzutage werden für die Probenaufarbeitung die DFG S 19 Methode, mit der vorrangig unpolare Analyten nachgewiesen werden und zunehmend die QuEChERS Methode eingesetzt, die insbesondere auf die Erfassung polarer Pestizide abzielt. In dieser Arbeit wurde eine moderne Multirückstandsmethode für Hühnereier entwickelt, um sowohl gas- als auch flüssigkeitschromatographisch (GC, LC) erfassbare Wirkstoffe zu analysieren. Dazu gehören unpolare PCBs, Pyrethroide und Organochlorpestizide, aber auch polarere Organophosphate, Triazole und Carbamate. Das Verfahren basiert auf der Extraktion mittels Matrix Solid Phase Dispersion, der Reinigung auf Grundlage einer modifizierten Gelpermeationschromatographie (GPC) und zwei verschiedenen Festphasenextraktionen (SPEs) für GC- und LC-erfassbare Pestizide sowie der Quantifizierung mittels GC- und LC-MS/MS. Dünnschichtchromatographisch wurde die effektive Entfernung hochmolekularer Lipide durch die modifizierte GPC und niedrigmolekularer Fette durch die SPEs belegt. Laut der für Ei durchgeführten Validierung erfüllten 164 der 172 untersuchten Pestizide und alle sechs PCBs die Leistungskriterien für die amtliche Rückstandskontrolle - zumeist am niedrigsten validierten Level (5 µg/kg bzw. 0,5 µg/kg). Ausnahmen bildeten sehr polare LC-Pestizide (z.B. Aminopyralid, Clopyralid, MCPA, Quinmerac) und pH-Wert-abhängige GC-Analyten (Nicotin, Tolylfluanid, Dichlofluanid), die auch mit den etablierten Verfahren schwierig zu analysieren sind. Weiterhin verdeutlichte die erfolgreiche Untersuchung von verschiedenen Ringversuchsmaterialien, dass die ursprünglich für Eier entwickelte Methode auch für mageres Geflügelfleisch und Sahne genutzt werden kann. Gegenüber den etablierten Verfahren wies die neue Methode deutliche Vorzüge auf. So belegte die Dünnschichtchromatographie, dass mit der neuen Methode Cholesterin, aber auch freie Fettsäuren besser abgetrennt werden als mit den etablierten Verfahren. Die neue Methode verbrauchte im Vergleich zur DFG S 19 Methode 46 % weniger Lösungsmittel und ermöglichte eine Verdopplung des Probendurchsatzes innerhalb von 8 h. Zudem eignete sich das entwickelte Verfahren laut den Validierungsdaten für GC-Analyten deutlich besser als die QuEChERS Methode und etwas besser als die DFG S 19 Methode (v.a. für Pyrethroide). Hinsichtlich der LC-Analyten unterschieden sich die neue und die QuEChERS Methode nur bei wenigen Analyten. Mit dem neuen Verfahren konnten folglich im Gegensatz zu den etablierten Methoden sowohl unpolare GC- als auch polare LC-Analyten sicher erfasst werden.:1 EINLEITUNG UND ZIELSTELLUNG 1 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 3 2.1 Grundlagen der Pestizidanalytik 3 2.1.1 Definitionen 3 2.1.2 Rechtliche Grundlagen in Bezug auf tierische Lebensmittel 3 2.2 Herausforderung der Analytik tierischer Lebensmittel 6 2.2.1 Erfassen eines breiten Analytspektrums 6 2.2.2 Komplexität der tierischen Matrix 8 2.3 Probenaufarbeitung tierischer Lebensmittel 11 2.3.1 Extraktion 11 2.3.2 Möglichkeiten der Lipid-Reinigung 14 2.3.3 Messmethoden in der modernen Pestizidanalytik 18 2.4 Multimethoden in der Pestizidanalytik tierischer Lebensmittel 21 2.4.1 Vorstellung etablierter Multimethoden 21 2.4.2 Vergleich etablierter Multimethoden 24 2.4.3 Forschungsergebnisse bezüglich fetthaltiger Matrizes bis 2010 26 3 ERGEBNISSE 28 3.1 Auswahl relevanter Analyten in tierischen Lebensmitteln 28 3.2 Auswahl der Matrix Hühnerfrischei 30 3.3 Messung mittels GC-MS/MS und LC-MS/MS 32 3.3.1 Ansatz 32 3.3.2 Erstellung einer GC-MS/MS Datenbank 33 3.3.3 Besonderheiten der SRM-Messmethoden 36 3.3.4 Vorsäulen-Backflush in der Gaschromatographie 38 3.3.5 Leistungsfähigkeit der SRM-Methoden 44 3.4 Beurteilung des Reinigungseffektes 45 3.5 Entwicklung der Probenaufarbeitungsmethode 47 3.5.1 Ziele und allgemeines Vorgehen 47 3.5.2 Extraktion mittels Matrix Solid Phase Dispersion 48 3.5.3 Konzentrierung von Lösungsmittelextrakten 55 3.5.4 Lipidentfernung durch Ausfrieren 56 3.5.5 Modifizierung der GPC zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit 57 3.5.6 Festphasenextraktion 63 3.6 Analysemethode für Eier 78 3.7 Validierung der neuen Analysemethode 82 3.7.1 Hintergrund und Durchführung 82 3.7.2 Linearität 83 3.7.3 Spezifität 84 3.7.4 Wiederfindungsraten und Wiederholbarkeit 84 3.7.5 Bestimmungsgrenze 88 3.7.6 Matrix-spezifische Auswirkung auf die Analyten 88 3.8 Vergleich mit etablierten Probenaufarbeitungsmethoden 89 3.8.1 Ansatz 89 3.8.2 Reinigungseffekt 90 3.8.3 Validierungsdaten 93 3.8.4 Identifizierung und Quantifizierung anhand gewachsener Rückstände 95 3.8.5 Zusammenfassende Bewertung 97 3.9 Untersuchung verschiedener Ringversuchsmaterialien 99 4 DISKUSSION 103 4.1 Entwickelte Analysemethode 103 4.2 Ausblick 111 5 ZUSAMMENFASSUNG 113 6 LITERATUR 117 7 ANHANG A-1

Στη παρούσα Διατριβή διερευνήθηκε η χρήση υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k) ως οξειδίων ελέγχου σε διατάξεις παγίδευσης φορτίου τύπου MONOS (Μetal-Οxide-Νitride-Οxide-Silicon). Τα οξείδια που εξετάστηκαν ήταν το HfO2, τo ZrO2 και το Al2O3. Η ανάπτυξή τους πραγματοποιήθηκε με χρήση της μεθόδου εναπόθεσης ατομικού στρώματος (ALD). Οι ιδιότητες των δομών μνήμης μελετήθηκαν συναρτήσει: (α) των πρόδρομων μορίων της εναπόθεσης για τα HfO2 και ZrO2, (β) του οξειδωτικού μέσου της εναπόθεσης για την περίπτωση του Al2O3 και (γ) της επακόλουθης ανόπτησης. Η ηλεκτρική συμπεριφορά των δομών εξετάστηκε με την κατασκευή πυκνωτών τύπου MOS. Τα υμένια του HfO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με (α) αλκυλαμίδιο του χαφνίου (ΤΕΜΑΗ) και Ο3 στους 275 oC, και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του χαφνίου (HfD-04) και Ο3 στους 350 οC. Ομοίως, τα υμένια του ZrO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με: (α) αλκυλαμίδιο του ζιρκονίου (ΤΕΜΑΖ) και Ο3 στους 275 oC και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του ζιρκονίου (ZrD-04) με Ο3 στους 350 oC. Ο δομικός χαρακτηρισμός, για το HfO2, φανέρωσε πως η ύπαρξη ή όχι κρυσταλλικού χαρακτήρα και η σύσταση του οξειδίου εξαρτάται τόσο από το πρόδρομο μόριο αλλά και από την ανόπτηση (600 οC, 2 min). Αντίθετα, το ZrO2 έχει σε κάθε περίπτωση κρυσταλλικότητα. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πυκνωτών Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt, δείχνουν ότι οι δομές έχουν ικανοποιητική συμπεριφορά ως στοιχεία μνήμης αφού όλες οι ιδιότητες πληρούν τις βασικές προϋποθέσεις ως στοιχεία μνήμης, παρά την ανυπαρξία ενεργειακού φραγμού μεταξύ στρώματος παγίδευσης και οξειδίου ελέγχου. Η ικανότητα παγίδευσης και η επίδοση των δομών με HfO2 και ZrO2 δεν διαφοροποιούνται σημαντικά με χρήση διαφορετικού πρόδρομου μορίου ή με την ανόπτηση. Ο έλεγχος όμως της αντοχής των δομών σε επαναλαμβανόμενους παλμούς εγγραφής/διαγραφής αναδεικνύει ότι αμφότερες οι δομές που ανεπτύχθησαν με βάση το κυκλοπενταδιενύλιο έχουν μειωμένη αντοχή ηλεκτρικής καταπόνησης. Τo Al2O3 αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το μόριο ΤΜΑ και ως οξειδωτικό μέσο: (α) H2O, (β) O3 και (γ) Plasma Ο2 (μέθοδος PE-ALD) σε συνδυασμό με ΤΜΑ. Οι δομές στην αρχική κατάσταση, χωρίς ανόπτηση, χαρακτηρίζονται από ισχυρό ρεύμα έγχυσης ηλεκτρονίων από την πύλη (υπό αρνητικές τάσεις) περιορίζοντας την ικανότητα φόρτισης και την επίδοση διαγραφής. Η ανόπτηση σε φούρνο και αδρανές περιβάλλον (850 ή 1050 oC, 15 min) προκάλεσε σημαντική βελτίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των δομών λόγω του σημαντικού περιορισμού του παραπάνω φαινομένου. Μετά το στάδιο της ανόπτησης οι συνδυασμοί ΤΜΑ/Η2Ο και ΤΜΑ/Plasma Ο2 έχουν καλύτερες χαρακτηριστικές σε σχέση με αυτές του συνδυασμού ΤΜΑ/Ο3. Το φαινόμενο της διαρροής ηλεκτρονίων από την πύλη αποδίδεται στη μεγάλη συγκέντρωση και χωρική κατανομή του υδρογόνου στο υμένιο υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Τέλος, διερευνήθηκε η τροποποίηση των ιδιοτήτων μνήμης των δομών με εμφύτευση ιόντων αζώτου χαμηλής ενέργειας και υψηλής δόσης στο Al2O3 και επακόλουθη ανόπτηση υψηλής θερμοκρασίας. Η παρουσία αζώτου στο υμένιο καθώς και ο χημικός δεσμός του εμφυτευμένου αζώτου είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας ανόπτησης. Επομένως, οι ιδιότητες μνήμης εξαρτώνται από τη μορφή σύνδεσης και την συγκέντρωση του εμφυτευμένου αζώτου στο τροποποιημένο Al2O3. Η υψηλή θερμοκρασία ανόπτησης (1050 οC, 15 min) φαίνεται να αποφέρει δομές με τις καλύτερες ιδιότητες μνήμης. / This thesis studies the functionality of high-k oxides as blocking oxide layers in SONOS type charge-trap memory devices. The oxide materials that were examined were the HfO2, the ZrO2 and the Al2O3. All these blocking oxide layers were deposited by atomic layer deposition technique (ALD). The electrical performance of the trilayer stacks was examined using Pt-gate MOS-type capacitors. The properties of the memory structures were examined as a function of: (a) precursor chemistry of HfO2 and ZrO2 deposition, (b) the deposition oxidizing agent in the case of Al2O3 and (c) subsequent high temperature annealing steps. The HfO2 films were deposited on SiO2/Si3N4 bilayer stacks using: (a) hafnium alkylamide (TEMAH) and O3 at 275 oC, and (b) hafnium cyclopentadienyl (HfD-04) and O3 at 350 oC. Similarly the ZrO2 films were deposited by (a) zirconium alkylamide (TEMAZ) and O3 at 275 oC, and (b) zirconium cyclopentadienyl (ZrD-04) and O3 at 350 oC The structural characterization of the HfO2 showed that the crystallinity of the deposited high-k material depends on the precursor choice and the post deposition annealing step (600 °C, 2 min). On the contrary ZrO2 is deposited in a crystalline phase independent of the deposition conditions and the choice of the precursors. The electrical characterization of Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt capacitors showed that all fabricated structures operate well as memory elements, despite the absence of an energy barrier between the trapping layer and control oxide. The trapping efficiency and the performance of structures with HfO2 or ZrO2 blocking layers do not revealed a dependence upon the precursor chemistry. However, endurance testing using continuous write/erase pulses showed that both structures deposited by cyclopentadienyl precursors cannot sustain the resulting electrical stress. The Al2O3 layers were deposited using the TMA molecule while three different oxidizing agents were used: (a) H2O, (b) O3 and (c) oxygen plasma. Electrical testing of the resulting Pt-gate trilayer capacitors showed that in the deposited condition all three samples were characterized by gate electrode induced electron leakage currents in the negative bias regime, which completely masked the substrate hole injection effects. This effect limits the performance and the functionality of the memory stacks. After a high temperature annealing step (850 or 1050 oC, 15 min) this leakage current is reduced significantly and the stacks can function as memory elements. The results point to suggest that after annealing the best performance is exhibited by the TMA/H2O and TMA/Plasma O2 samples. The effect of gate induced electron leakage current is attributed to hydrogen related contamination, which has been verified by ToF-ERDA in depth profile measurements, at least for the case of TMA/H2O samples. The modification of the memory properties of the SiO2/Si3N4/Al2O3 stacks was also investigated using low energy and high fluence nitrogen implantation into Al2O3 layer. The concentration and the chemical bonding of the implanted nitrogen is a function of annealing temperature. The memory properties of the stack depend therefore on the chemical bonding and the concentration of the remaining nitrogen in the modified Al2O3. The high temperature annealing (1050 oC, 15 min) appears to provide the structures with improved memory properties in terms of retention and fast erase performance.