Neue analytische Techniken für die zeitaufgelöste Analyse der organischen Masse in atmosphärischen Aerosolpartikeln

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut Herrmann; Dr. Dominik van Pinxteren
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514751028

Aerosolpartikel in der Atmosphäre haben Auswirkungen auf das globale Klima, Ökosysteme und die menschliche Gesundheit (World Health Organization 2016, Shiraiwa et al. 2017, Andreae und Crutzen 1997). Neben der Unterteilung in verschiedene Partikelgrößen kann dieses partikuläre Material (PM) auch durch seine unterschiedliche chemische Zusammensetzung charakterisiert werden. Am häufigsten wird PM beprobt, indem über mehrere Stunden bis Tage ein definierter Luftstrom durch einen Filter gesaugt wird. In einem zweiten Schritt erfolgt die Analyse im Labor mit Hilfe eines analytischen Messverfahrens, oft mit Kopplung zur Massenspektrometrie (MS). Eine detaillierte chemische Charakterisierung ist möglich, aber nur begrenzte Informationen über zeitliche Schwankungen sind zugänglich. Eine weit verbreitete Alternative ist die Online-MS, bei der das Aerosol direkt beprobt und mit hoher Zeitauflösung analysiert wird. Am gebräuchlichsten sind Aerosol-Massenspektrometer (AMS), bei denen die Moleküle während der Ionisierung fragmentiert werden, was nur eine chemische Beschreibung in groben Stoffgruppen erlaubt. Die chemische Zusammensetzung speziell der organischen Aerosolpartikel ist im Laufe der Zeit sehr variabel und wird von den derzeitigen Verfahren nur unvollständig erfasst. Daher konzentriert sich dieses Projekt darauf, neue Erkenntnisse über Quellen, Senken und Umwandlungen solcher Partikel zu gewinnen, indem zwei neue und sich ergänzende Ansätze für eine zeitaufgelöste chemische Charakterisierung angewandt werden: i. ein automatisierter Filterplatten-basierter Partikelsammler für stündliche Probenahme-Intervalle. ii. ein extraktives Elektrospray-Ionisierung (EESI) Orbitrap-MS für eine hochgradig zeitaufgelöste Online-Analyse. Die komplementären Informationen aus beiden Ansätzen sollen dazu beitragen, das Verständnis zu Bildungsprozessen, potenziellen Reaktionen, Senken und Emissionsquellen organischer Aerosolpartikel zu verbessern. Um dies zu erreichen, müssen beide Geräte zunächst ausgiebig getestet und charakterisiert werden. Die erste Testphase soll in der Aerosolkammer des TROPOS stattfinden, die aufgrund ihrer kontrollierbaren Umgebungsbedingungen für eine solche Charakterisierung gut geeignet ist. Für die weitere Geräteevaluierung folgen dann erste Anwendungen der neuen Instrumente in kurzen Feldkampagnen am TROPOS in Leipzig, Deutschland. Diese ersten Messungen dienen der Optimierung der Instrumente und der Behebung potenzieller anfänglicher Schwierigkeiten. Schließlich sind mehrere Messkampagnen an der ländlichen TROPOS Forschungsstation Melpitz, Deutschland, vorgesehen. In dieser Phase geht es vor allem darum, i) zeitaufgelöste Konzentrationsprofile verschiedener organischer Marker zu messen, um Quellen und Entstehungsprozesse verschiedenster organischer Verbindungen zu identifizieren, und ii) potenzielle synergetische Erkenntnisse zu erforschen, die durch die parallele Anwendung des Offline- und des Online-Ansatzes gewonnen werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Laurent Poulain, Ph.D.