Kopplung von schneller Gaschromatographie an Photoionisierungsmassenspektrometrie zur umfassenden Analyse von klima- und gesundheitsrelevanten organischen Aerosolkomponenten aus dynamischen Verbrennungsprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde erfolgreich ein System (fastGC) bestehend aus einem verbrauchsmittelfreiem elektrischen Modulator, einer optisch-geheizten Gaschromatografie (OHGC) und Flugzeitmassenspektrometer (TOFMS) mit Photoionisierung (PI) aufgebaut. Dieser Aufbau verbessert die Auflösung chemische Analytik von volatilen organischen Verbindungen (VOC) im Vergleich zur direkten PI-TOFMS erheblich und ermöglich auch die Unterscheidung von Isomeren derselben Summenformel, welche mit einer höheren Massenauflösung nicht getrennt werden können. Die Zeitauflösung wurde von 1 s (direkte PI-TOFMS) auf 15 s/30 s verschlechtert (fastGC), jedoch wurde in Anwendungsstudien gezeigt, dass die Vorteile für Fragestellungen aus den Bereichen Umweltchemie, Genussmittel und Prozesskontrolle überwiegen. Neben Messungen im Headspace von Proben, die durch die verkürzte Analysenzeit auch für high throughput Anwendungen geeignet sind, soll hier insbesondere die online-Detektion von VOC in Echtzeit von dynamischen Prozessen hervorgehoben werden, wie sie an Beispielen der Biomasseverbrennung und Kaffeeröstung gezeigt wurde. Es wurde erwartet, dass mit dem Ansatz der schnellen Gaschromatografie Trennprobleme ggf. nur teilweise behoben werden können, so dass eine umfangreiche Implementierung von Modellen und Algorithmen umgesetzt wurde, die Signale glättet, Peaks besser erkennt und sich überlagernde auseinanderdividieren kann. Dies beschränkt sich nicht nur auf Daten aus der hier im Projekt vorgestellten fastGC, sondern dient der Arbeitsgruppe auch in anderen Forschungsbereichen und kann u.a. auch zur Verbesserung der Massenauflösung herangezogen werden. Im letzten Teilprojekt wird hier eine langjährige Entwicklung in der AG Zimmermann fortgeführt, die sich mit der Kopplung von Massenspektrometrie an die thermo-optische Kohlenstoffanalyse (TOCA) zur chem. Charakterisierung von Feinstäuben befasst (frühere DFG-Projekte). Die fastGC sollte hier dieselbe Aufgabe übernehmen wie in VOC-Messungen, jedoch ist in ersten Testmessungen bereits aufgefallen, dass der Volatilitätsbereich nach unten so sehr begrenzt ist, dass Analyten, die zu den low-volatile organic compounds zu zählen sind, nicht detektierbar sind. Auf der anderen Seite kann der Ansatz für die analytische Pyrolyse von hochmolekularen Partikelkomponenten aus Grabowsky et al. weiterverfolgt werden, da die thermischen Fragmente in den Volatilitätsbereich von VOCs und SVOCs fallen. Die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit und Vorteile aus der in TOCA-PI-TOFMS integrierten fastGC konnte anhand von Messungen der Biopolymere Cellulose und Lignin gezeigt werden. Mögliche Ansätze zur Erweiterung des Analytbereichs und Verbesserung der chromatografischen Trennung wurden erläutert und werden auch nach Projektende weiterverfolgt werden mit dem Ziel der Etablierung der Messtechnik in der AG Zimmermann. Die fastGC für online- und Headspace-Messungen wurden bereits als Routinemesstechniken für Biomasse-/ Holzverbrennung und Prozesskontrolle in der Kaffeeröstung sowie Charakterisierung von biogenen VOCs aus Baumnadeln und -blättern übernommen. Ebenso profitieren auch andere Projekte der AG Zimmermann von den implementierten Algorithmen zur Peakerkennung und Dekonvolierung. Insgesamt konnten die pandemiebedingt-modifizierten Projektziele erreicht werden, so dass wir das dieses Projekt fastGC als erfolgreich bewerten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A novel high-volume Photochemical Emission Aging flow tube Reactor (PEAR). Aerosol Sci. Technol. 2019, 53 (3), 276–294
Ihalainen, M.; Tiitta, P.; Czech, H.; Yli-Pirilä, P.; Hartikainen, A.; Kortelainen, M.; Tissari, J.; Stengel, B.; Sklorz, M.; Suhonen, H.; Lamberg, H.; Leskinen, A.; Kiendler-Scharr, A.; Harndorf, H.; Zimmermann, R.; Jokiniemi, J.; Sippula, O.
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Emissions of gases and volatile organic compounds (VOCs) from residential heating: a comparison of brown coal briquettes and logwood combustion. Energy & Fuels 2021, 35 (17), 14010–14022
Martens, P.; Czech, H.; Tissari, J.; Ihalainen, M.; Suhonen, H.; Sklorz, M.; Jokiniemi, J.; Sippula, O.; Zimmermann, R.
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Hyper-fast gas chromatography and single-photon ionisation time-of-flight mass spectrometry with integrated electrical modulator-based sampling for headspace and online VOC analyses. Analyst 2021, 146 (10), 3137–3149
Gehm, C.; Schnepel, K.; Czech, H.; Miersch, T.; Ehlert, S.; Zimmermann, R.
