Feinstaubanalytik

Bei Aerosolen handelt es sich um Dispersionen flüssiger oder fester Partikel in Gasen, zumeist Luft. Die Partikel lassen sich anhand ihrer Größe einteilen, wobei Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser unter 2.5 µm als Feinstaub bezeichnet werden (PM2.5). Dabei kann der in der Atmosphäre vorliegende Feinstaub aus unterschiedlichen natürlichen (Meersalz, Vulkanaktivität, Sporen, Pollen uvm.) und anthropogenen Emissionsquellen (Straßenverkehr, Verbrennungsanlagen zur Energieversorgung, Holzverbrennung, uvm.) stammen oder durch sekundäre Reaktionen in der Atmosphäre gebildet werden. Da Feinstaub in die tiefsten Lungenregionen (Alveolen) vordringen und gesundheitliche Effekte hervorrufen kann oder aber auch Einfluss auf die Strahlungsbilanz der Erde und somit das Klima hat, ist eine umfassende chemische Charakterisierung von feinem partikulärem Material essenziell [1].

Modifizierte thermo-optische Kohlenstoffanalyse

Eine analytische Standardmethode zur Charakterisierung von Feinstaub ist die thermo-optische Kohlenstoffanalyse. Eine auf Quarzfaserfilter gesammelte Partikelprobe wird dabei einem definierten Temperaturprogramm unterworfen. Organische Spezies werden dabei in vier thermischen Fraktionen in einer Heliumatmosphäre desorbiert bzw. zersetzt. Die Verbindungen reagieren im Anschluss in einem Mangandioxid-Katalysator zu CO2 und Wasser. Das entstandene Kohlenstoffdioxid wird danach mittels eines Nickel-Katalysators und Wasserstoff zu Methan reduziert, welches abschließend mithilfe eines Flammenionisationsdetektor (FID) quantifiziert werden kann. Der in den ersten vier Fraktionen detektierte Kohlenstoff wird als organischer Kohlenstoff (OC) bezeichnet. Durch das Hinzufügen von Sauerstoff in die Heliumatmosphäre wird der auf dem Filter verbliebene elementare Kohlenstoff (EC) verbrannt und ebenfalls quantifiziert [2].

Durch eine Gerätemodifikation kann ein Teil des Probengasstroms vor der Oxidation zu CO2 in ein Photoioniserungs-Flugzeitmassenspektrometer geleitet werden [3].Die vom Filter desorbierten Verbindungen werden dabei weich ionisiert und können nahezu fragmentfrei detektiert werden, was einen tieferen Einblick in die Zusammensetzung des organischen Kohlenstoffes ermöglicht und einen molekularen Fingerprint für jede OC Fraktion liefert. Zur Verfügung stehen dabei verschiedene Laserwellenlängen bzw. Ionisierungsprinzipien, welche zusammen mit einer detaillierteren Beschreibung der massenspektrometrischen Methode im Artikel On-line Verbrennungsanalytik erklärt sind.

Literatur

Literatur

[1] Schnelle-Kreis J, Sklorz M, Herrmann H, Zimmermann R. Atmosphärische Aerosole: Quellen, Vorkommen, Zusammensetzung. Chem. Unserer Zeit 2007;41(3):220–30.

[2] Chow JC, Watson JG, Chen L-WA, Chang MO, Robinson NF, Trimble D et al. The IMPROVE_A Temperature Protocol for Thermal/Optical Carbon Analysis: Maintaining Consistency with a Long-Term Database. Journal of the Air & Waste Management Association 2007;57(9):1014–23.

[3] Grabowsky J, Streibel T, Sklorz M, Chow JC, Watson JG, Mamakos A et al. Hyphenation of a carbon analyzer to photo-ionization mass spectrometry to unravel the organic composition of particulate matter on a molecular level. Anal Bioanal Chem 2011;401(10):3153–64.