Online-Charakterisierung organischer Verbindungen aus luftgetragenen Partikeln unter Einsatz der laserbasierten resonanzverstärkten Multiphotonenionisation (REMPI) und VUV-Einphotonenionisation (SPI) in einem Flugzeitmassenspektrometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Seit dem 01. Januar 2005 ist durch das Inkrafttreten der EU Richtlinie 1999/30/EG die Feinstaubdiskussion mehr in den Vordergrund gerückt worden. Dabei stößt die chemische Zusammensetzung von Partikeln auf verstärktes Interesse. Von den organischen Bestandteilen sind die Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) von Bedeutung, da einige ihrer Vertreter beim Menschen kanzerogene und mutagene Wirkungen zeigen. Kommerzielle Methoden wie das Aerosol Time-of-Flight Massenspektrometer detektieren einzelne Partikel und können sowohl positive wie auch negative Ionen detektieren. Nachteil dieser Analysetechnik ist der Einsatz von nur einem Laser zur Desorption und Ionisation (LDIATOFMS) von einzelnen Partikeln, was zu Problemen mit der Empfindlichkeit führt. Bei anderen Geräten erfolgt die Desorption thermisch, die anschließende Ionisation mit Elektronenstoß führt aber zu starker Fragmentierung der organischen Molekülionen. In diesem Projekt wurden daher Methoden und Techniken entwickelt welche eine effiziente Trennung der Desorption und Ionisation ermöglichen. Wird zur Ionisation eine weiche Photoionisationsmethode eingesetzt, so ist eine nahezu fragmentationsfreie Detektion von organischen Bestandteilen von Partikeln möglich. Es wurden zwei unterschiedliche Methoden entwickelt, zum einen die Trennung der Desorption mittels eines CO2-Lasers (LDREMPI- ATOFMS) und zum anderen durch einen Heizfinger (TD-REMPI-ATOFMS). Beidesmal dient die Resonanzverstärkte Multiphotonenionisation (REMPI) als sensitive Methode zur Analyse von PAK. Bei der Verwendung eines CO2-Lasers konnten sowohl Emission (PKW, Holzofen) als auch Immissions-Messungen (Umweltaerosol) mit einer extrem erhöhten Sensitivität (10fach erhöhte Signalintensität) in Bezug auf die Detektion von PAK verglichen zu LDI-ATOFMS Messungen festgestellt werden. TD-REMPI-ATOFMS liefert vergleichbare Signalintensitäten, allerdings mit reduzierter Spektrenanzahl im gleichen Messzeitraum. Bei der Messung von Diesel- und Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen konnte mit beiden Techniken eine Erhöhung der Signale für große PAK Massen bei Benzinfahrzeugen festgestellt werden. Somit könnte zwischen Benzin- und Diesel betriebenen Kraftfahrzeugen unterschieden werden. Des Weiteren konnte bei der Emissionsmessung an einer Kleinfeuerungsanlage zwischen Nadelholz (Fichte) und Laubholz (Buche) aufgrund der speziell bei der Verbrennung von Nadelholz auftretenden Masse 234 (Reten als bekannter Marker für Nadelholzverbrennung) unterschieden werden. Die Implementierung der Einzelphotonenionisation (SPI) an das Messgerät erwies sich überraschenderweise als schwierig aufgrund von unerwartet starker Bildung von Fragmentationen. Daher und wegen der auf der anderen Seite unerwartet positiven Ergebnisse mit den auf REMPI basierenden Techniken wurde diese Erweiterung des Messsystems nicht weiter verfolgt. Ein Anwendungsgebiet, in dem das Messgerät mit den in diesem Projekt neu entwickelten Techniken in naher Zukunft eingesetzt werden soll, ist die Untersuchung von atmosphärischen Partikeln im Stadtgebiet von Augsburg. Für nähere Informationen sei hier auf folgende Publikation verwiesen: Bente et. al. (International Journal of Mass Spectrometry 258 (2006) 86-94).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- An on-line aerosol laser mass spectrometer with three, easily interchangeable laser based ionisation methods for characterisation of inorganic and aromatic compounds on particles. International Journal of Mass Spectrometry, 258 (2006), 86-94
