Verbesserung der on-line Charakterisierung von Aerosolpartikeln durch laserbasierte Ionisierungstechniken in einem Flugzeitmassenspektrometer

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232957909

Anthropogene Umweltaerosole sind schädlich für die Gesundheit (sog. Feinstaub-Problematik) und relevant für das Klima (Kondensationskerneigenschaften, Lichtabsorption etc.). Aufgrund des hoch-dynamischen Charakters von Aerosolen nimmt die Entwicklung von on-line echtzeitanalytischen Verfahren bei der Erfassung der physikalisch-chemischen Eigenschaften eine herausragende Stellung ein. Einzelteilchen-Aerosol-Laser-Flugzeitmassenspektrometrie (E-ATOFMS) ermöglicht es, individuelle Partikel sowohl nach ihrer Partikelgröße als auch nach ihrer chemischen Zusammensetzung zu charakterisieren. Mit einem neuen E-ATOFMS Verfahren, bei dem eine partikelaufgelöste Verdampfung der organischen Moleküle durch thermische oder laserbasierte Desorption (LD/TD) und weiche Photoionisierungsverfahren (REMPI/SPI) kombiniert werden, ist erstmals die massenspektrometrische Detektionen von organischen Verbindungen von einzelnen luftgetragenen Aerosolpartikeln möglich. Zum Beispiel wurde ein on-line Nachweis partikelgetragener kanzerogener und toxischer polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) realisiert. Bisher können die individuellen Partikel, je nach gewählter E-ATOFMS Methode, nur entweder auf anorganische oder mit der neuen Methode auf organische Komponenten untersucht werden. Im Rahmen des beantragten Vorhabens wird nun ein neuartiges instrumentelles E-ATOFMS Konzept realisiert und getestet, bei dem ein Aerosolpartikel nach der Größenbestimmung beim Flug durch die Ionenquelle erst laserdesorbiert und massenspektrometrisch auf organische Moleküle (PAK) untersucht (REMPI) und dann einige Mikrosekunden später noch die anorganische Matrix desselben Partikelkerns über ein anderes massenspektrometrisches Verfahren (LDI) erfasst wird. Neben der Entwicklung eines neuen Laserionisations- und Ionisationskammeraufbaus ist u. A. die Implementierung einer sehr schnellen Umpolung der Felder/Polaritäten im verwendeten bipolaren Flugzeitmassenspektrometer erforderlich. Die on-line Erfassung sowohl von Informationen über anorganische und organische Komponenten einzelner Aerosolpartikel ist aber von großer Bedeutung, da nur so eine robuste und umfassende, einzelpartikelaufgelöste Quellenzuordnung von Partikelensembles möglich wird. Als erste Testanwendungen des Verfahrens werden neben Umweltmessungen die besonders relevanten Schiffsdieselemissionen (Schwerölbetrieb) auf Einzelpartikelbasis auf organische und anorganische Bestandteile untersucht werden. Letzteres geschieht in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren der Universität Rostock.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen