This work presents the development of a sub-micron nuclear microprobe for applications in the life sciences. It includes quantitative trace element analysis with sub-micron spatial resolution, 2D- and 3D-microscopy of density distributions and the targeted irradiation of living cells with counted single ions. The analytical methods base on particle induced X-ray emission spectrometry (PIXE), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), scanning transmission ion microscopy (STIM) and STIM-tomography. The specific development of the existing nuclear microprobe LIPSION led to an improved performance of the capabilities for trace element analysis. For sub-micron analysis the spatial resolution could be improved to 300 nm at a sensitivity of about 1 µg/g for metal ions in biological matrices; for a resolution of 1 µm the sensitivity was improved to 200 ng/g (3 µmol/l). This habilitation thesis comprises a short general introduction including the motivation to utilize focussed high energy ion beams, an overview on the applications and actual research fields. The introduction is followed by the basic principles of the equipments and analytical methods. An estimation of the limits of resolution for element analytical and single ion techniques is given for the Leipzig system. Thereafter, selected studies from different research areas are presented. The first presented application is a study from environmental air pollution research. It is demonstrated that the microscopic elemental analysis of single aerosol particles can be used to assess the contributions from different sources. A further example is the analysis of the distribution of nanoparticles in skin cross-sections for a risk assessment of the applications of nanosized physical UV-filters in cosmetic products. The risk assessment is followed by the micro-analysis of trace elements, especially of bound metal ions, in brain sections on the cellular and sub-cellular level. After this the application of focussed MeV ion beams in low dose radiobiological research is presented. Finally, the analysis of 3D-density distributions by proton micro-tomography is demonstrated. A summary concludes on the applications and gives an outlook to further applications and methodological developments. The appendix comprises the relevant publications of the author. / Die vorliegende Arbeit etabliert für Anwendungen in den Lebenswissenschaften den Einsatz hochfokussierter MeV-Ionenstrahlen für nuklear-mikroskopische Methoden der quantitativen Spurenelementanalyse, der 2D- und 3D-Dichtemikroskopie sowie für die gezielte Bestrahlung einzelner lebender Zellen für radiobiologische Experimente. Zur Anwendung kamen die Methoden ortsaufgelöste Protonen induzierte Röntgenfluoreszenzanalyse (particle induced X-ray emission - PIXE), Spektrometrie rückgestreuter Ionen (Rutherford backscattering spectrometry - RBS) und Rastertransmissionsionenmikroskopie (scanning transmission ion microscopy - STIM). Durch eine gezielte Weiterentwicklung des bestehenden Ionenstrahlmikroskops, der Hochenergie Ionennanosonde LIPSION, konnte die Ortsauflösung für Spurenelementanalyse auf unter 300 nm verbessert werden, beziehungsweise die Sensitivität für Metallionen in biologischen Proben auf unter 200 ng/g (3 µmol/l) bei einer Ortsauflösung von 1 µm verbessert werden. Die Habilitationsschrift umfasst eine kurze allgemeine Einleitung einschließlich der Motivation für den Einsatz fokussierter MeV-Ionenstrahlen sowie einen Überblick über die Anwendungsgebiete und aktuellen Forschungsschwerpunkte. Danach werden kurz die Grundlagen der Technik und Methoden vorgestellt, gefolgt von einer Abschätzung der Auflösungsgrenzen für Elementanalysen und Einzelionentechniken. Danach werden ausgewählte Anwendungen aus verschiedenen Forschungsgebieten vorgestellt. Das erstes Beispiel ist aus der Umweltforschung. Es wird dargestellt, wie mittels ortsaufgelöster Elementspektroskopie eine Abschätzung der Feinstaubbelastung nach Beiträgen einzelner Verursacherquellen erfolgen kann. Dann folgt als Beispiel eine ortsaufgelöste Analyse der Verteilung von Nanopartikeln aus Sonnencremes in Hautquerschnitten zur Risikoabschätzung der Anwendungen von Nanotechnologie in kosmetischen Produkten. Desweiteren werden Studien der Spurenelementverteilung, speziell der von gebundenen Metallionen, in Hirnschnitten auf zellulärer und subzellulärer Ebene erläutert. Das anschließende Beispiel erläutert die Anwendung niedriger Energiedosen in der Radiobiologie anhand des Beschusses einzelner lebender Zellen mit abgezählten einzelnen Ionen. Als letztes Beispiel wird die Anwendung hochfokussierter Ionenstrahlen für die Mikrotomographie gezeigt. Abschließend folgt eine zusammenfassende Bewertung der vorgestellten Anwendungen mit einem Ausblick auf weitere Anwendungen und methodische Entwicklungen. Der Arbeit sind die relevanten Veröffentlichungen mit Beteiligung des Autors als Anhang beigefügt.

This work presents the development of a sub-micron nuclear microprobe for applications in the life sciences. It includes quantitative trace element analysis with sub-micron spatial resolution, 2D- and 3D-microscopy of density distributions and the targeted irradiation of living cells with counted single ions. The analytical methods base on particle induced X-ray emission spectrometry (PIXE), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), scanning transmission ion microscopy (STIM) and STIM-tomography. The specific development of the existing nuclear microprobe LIPSION led to an improved performance of the capabilities for trace element analysis. For sub-micron analysis the spatial resolution could be improved to 300 nm at a sensitivity of about 1 µg/g for metal ions in biological matrices; for a resolution of 1 µm the sensitivity was improved to 200 ng/g (3 µmol/l). This habilitation thesis comprises a short general introduction including the motivation to utilize focussed high energy ion beams, an overview on the applications and actual research fields. The introduction is followed by the basic principles of the equipments and analytical methods. An estimation of the limits of resolution for element analytical and single ion techniques is given for the Leipzig system. Thereafter, selected studies from different research areas are presented. The first presented application is a study from environmental air pollution research. It is demonstrated that the microscopic elemental analysis of single aerosol particles can be used to assess the contributions from different sources. A further example is the analysis of the distribution of nanoparticles in skin cross-sections for a risk assessment of the applications of nanosized physical UV-filters in cosmetic products. The risk assessment is followed by the micro-analysis of trace elements, especially of bound metal ions, in brain sections on the cellular and sub-cellular level. After this the application of focussed MeV ion beams in low dose radiobiological research is presented. Finally, the analysis of 3D-density distributions by proton micro-tomography is demonstrated. A summary concludes on the applications and gives an outlook to further applications and methodological developments. The appendix comprises the relevant publications of the author. / Die vorliegende Arbeit etabliert für Anwendungen in den Lebenswissenschaften den Einsatz hochfokussierter MeV-Ionenstrahlen für nuklear-mikroskopische Methoden der quantitativen Spurenelementanalyse, der 2D- und 3D-Dichtemikroskopie sowie für die gezielte Bestrahlung einzelner lebender Zellen für radiobiologische Experimente. Zur Anwendung kamen die Methoden ortsaufgelöste Protonen induzierte Röntgenfluoreszenzanalyse (particle induced X-ray emission - PIXE), Spektrometrie rückgestreuter Ionen (Rutherford backscattering spectrometry - RBS) und Rastertransmissionsionenmikroskopie (scanning transmission ion microscopy - STIM). Durch eine gezielte Weiterentwicklung des bestehenden Ionenstrahlmikroskops, der Hochenergie Ionennanosonde LIPSION, konnte die Ortsauflösung für Spurenelementanalyse auf unter 300 nm verbessert werden, beziehungsweise die Sensitivität für Metallionen in biologischen Proben auf unter 200 ng/g (3 µmol/l) bei einer Ortsauflösung von 1 µm verbessert werden. Die Habilitationsschrift umfasst eine kurze allgemeine Einleitung einschließlich der Motivation für den Einsatz fokussierter MeV-Ionenstrahlen sowie einen Überblick über die Anwendungsgebiete und aktuellen Forschungsschwerpunkte. Danach werden kurz die Grundlagen der Technik und Methoden vorgestellt, gefolgt von einer Abschätzung der Auflösungsgrenzen für Elementanalysen und Einzelionentechniken. Danach werden ausgewählte Anwendungen aus verschiedenen Forschungsgebieten vorgestellt. Das erstes Beispiel ist aus der Umweltforschung. Es wird dargestellt, wie mittels ortsaufgelöster Elementspektroskopie eine Abschätzung der Feinstaubbelastung nach Beiträgen einzelner Verursacherquellen erfolgen kann. Dann folgt als Beispiel eine ortsaufgelöste Analyse der Verteilung von Nanopartikeln aus Sonnencremes in Hautquerschnitten zur Risikoabschätzung der Anwendungen von Nanotechnologie in kosmetischen Produkten. Desweiteren werden Studien der Spurenelementverteilung, speziell der von gebundenen Metallionen, in Hirnschnitten auf zellulärer und subzellulärer Ebene erläutert. Das anschließende Beispiel erläutert die Anwendung niedriger Energiedosen in der Radiobiologie anhand des Beschusses einzelner lebender Zellen mit abgezählten einzelnen Ionen. Als letztes Beispiel wird die Anwendung hochfokussierter Ionenstrahlen für die Mikrotomographie gezeigt. Abschließend folgt eine zusammenfassende Bewertung der vorgestellten Anwendungen mit einem Ausblick auf weitere Anwendungen und methodische Entwicklungen. Der Arbeit sind die relevanten Veröffentlichungen mit Beteiligung des Autors als Anhang beigefügt.