EP1274117A2 - Method and apparatus for the analysis of the chemical composition of aerosol particles - Google Patents
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- EP1274117A2 EP1274117A2 EP02013194A EP02013194A EP1274117A2 EP 1274117 A2 EP1274117 A2 EP 1274117A2 EP 02013194 A EP02013194 A EP 02013194A EP 02013194 A EP02013194 A EP 02013194A EP 1274117 A2 EP1274117 A2 EP 1274117A2
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Definitions
- the invention relates to a method and an apparatus for quantitative determination of the chemical composition of aerosol particles.
- Methods for determining the chemical composition of aerosol particles are based on online methods such. B. on laser mass spectrometry. However, no quantifiable statements can be made with these methods. Quantifiable analysis methods are only available off-line, ie the chemical composition can only be determined quantitatively from a collected sample. Another elegant way of quantifying the chemical composition is the thermal evaporation of particles and particle components. The components are evaporated and ionized quantitatively by rapid heating of the particles to a certain preselected temperature and can thus be analyzed in a mass spectrometer.
- Determination of the chemical composition of aerosol particles is carried out on collected samples using various analysis methods. These include extraction and separation of organic components by gas chromatography [1] or the determination of the elementary composition by means of PIXE [2].
- the disadvantage of these methods is that they are off-line Character, because particle samples for long periods of time must be collected. But have such filter samples the disadvantage that during the analysis no statements about the Size distribution and possible distribution of the chemical components the particles hit over the measured size range can be. But important insights are straight about the morphology and the composition of individual or accessible to a few particles.
- Off-line one-particle analysis is, for example, with laser microprobe mass spectrometry possible [2, 3]. It allows the chemical Characterization of individual particles.
- One-particle laser mass spectrometry has been used in recent years successful for a number of studies on environmental aerosols or used on particles generated in the laboratory.
- a Quadrupole mass spectrometers are only proof a single mass and therefore molecular species per unit of time possible.
- the object of the invention is an apparatus and a method for quantitative on-line determination of the chemical composition of aerosol particles.
- the measuring principle is based on the thermal evaporation of the particles on a heated surface and detection of the directly formed ions or ionization and subsequent detection of the gaseous molecules and molecular fragments formed using various ionization techniques. These include laser ionization with different wavelengths (266nm for REMPI - r esonance e nhanced m ulti p hoton i onisation, 118nm for V acuum- UV s ingle p hoton i onisation - VUV-SPI) as well as light-induced electron impact ionisation (LEI) [7, 8] ,
- Time-of-flight mass spectrometry is particularly suitable for fast (to maintain online capability) and complete (to detect all ions formed) analysis.
- the heated surface must be introduced into the ionization chamber in such a way that the fields required to accelerate the ions formed are disturbed as little as possible. This can be accomplished through the special geometric design and arrangement of this surface.
- spatially small areas are suitable, such as the flattened tip of a thin needle.
- the particles are now analyzed by detecting the ions formed.
- their chemical composition is also determined quantitatively. The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with the aid of FIGS. 1 to 4.
- FIG. 1 shows a typical bipolar aeroreol time-of-flight mass spectrometer.
- the particles are suddenly separated from the gas phase by a skimmer system with differential vacuum pump stages and accelerated as a function of their mass and thus coupled size.
- a particle beam 18 is formed.
- 3 choppers 37 FIG. 4b
- the increased requirements make the size range narrower, that is, the fractionation is finer.
- the speed of the aerosol particles determined in this way can then be used, when the chopper position and circulation frequency are known, which can be determined and regulated via a light barrier system (not shown in the drawing for reasons of space), for calculating the flight time until it hits the heated baffle surface 1. This is necessary for triggering the ionization laser 17 and for triggering the pulsed ion extraction in the mass spectrometer. When they hit the heated surface, the components of the aerosol particle are thermally evaporated and ionized. The ions formed directly during evaporation and the components of the molecular cloud formed which have been subsequently ionized with a suitable wavelength of laser radiation are then detected by mass spectrometry.
- the baffle As an elongated rectangular Baffle 1 can be reached.
- a body a suitably arranged plate-shaped body 25 in question.
- the heating of the elements 22, 23, 24, 25 can for example through thermal conduction (i.e. through contact with a body brought to temperatures of 30-2800 ° C) or by irradiating target region 1 with IR laser light respectively.
- the stretched baffle by a heating tape 26, which is heated via the contact wires 27 will be formed.
- the one formed by the heating tape 26 Area can also be pulsed briefly to the desired one Temperature can be brought up to one on the colder surface collected amount of particles (or their thermally evaporable Portion) to evaporate quantitatively and as described ionize and analyze.
- One possibility for the improved heating of the stretched Impact surface by IR laser radiation is geometrical Formed as a wire-shaped body with a t-shaped Target region 28. Due to the constriction at the transition between Baffle 1 and wire can transfer heat from the area the area can be reduced, creating this geometry is especially suitable for use with IR laser pulses.
- FIG 3a A possible version of an ionization finger is shown in FIG 3a.
- a wire-shaped object 29 is made by contact with a heating element 32 to the desired temperature brought.
- a heating element 32 For insulation, it is surrounded by ceramic sleeves 30, the surfaces of which are covered with a thin layer of metal, which can be connected to potential via a wire feed.
- the heating of the target region 1, as in Figure 3b shown done only in a thin layer.
- the baffle 1 as a thin high-resistance plate or Coating 33 executed, which with electrical leads 34 and leads 35, which is connected by a thin insulator layer 36 are separated.
- a reactive gas for example ammonia, NH 3
- This can be passed over the heated surface via a capillary inlet and react with the ions and molecules formed by impact on the impact surface 1 under the influence of electron bombardment (LEI).
- LAI electron bombardment
- a particle beam can be formed an alternate inlet can also be used to analyze fine and ultrafine particles.
- the polydisperse aerosol first by means of an aerodynamic Focused lens [9] to a particle beam and then again through a system of 2 to 3 time-coupled choppers 37 selected a certain size fraction (FIG 4). Again, only those particles that have a have suitable speed and the correlated size pass freely through the rotating chopper 37 and hit the heated baffle 1. With this device can then be used in experiments with pulsed ion extraction the composition of fine particles can be determined.
- the range of ultrafine particles can, however, be the chopper system described no longer in different Size intervals are fractional because of the speed of the different particles in this size range almost becomes identical.
- a distinction between the different size fractions in this area with an electrostatic Classifiers possible. This selects based on the Mobility in an electric field a certain size fraction from the polydisperse aerosol, these particles become then focused into a beam by the aerodynamic lens and aimed at the heated surface.
- a single one Chopper ( Figure 4c) enables this again, for example Impact of defined quantities of particles on the surface. Becomes the area pulsed heated can also with this device ultrafine particles can be analyzed quantitatively.
- Double reflectron spectrometers can advantageously be used for the detection be used. These are suitable because of the possible simultaneous detection of both positive and negative ions very good for analysis of aerosol particles.
- the use of a double TOFMS system and pulsed Voltages to withdraw the ions (“delayed extraction” technique) thus allows great variability in the detection of chemical particle composition and particle properties.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln.The invention relates to a method and an apparatus for quantitative determination of the chemical composition of aerosol particles.
Neben Parametern wie der Partikelgrößenverteilung und der Partikelkonzentration ist die chemische Zusammensetzung der Partikel besonders bedeutend, da vermutlich Eigenschaften wie chemische Reaktivität und biologische Wirksamkeit damit assoziiert sind. Weiterhin werden vor allem auf der Oberfläche adsorbierte Verbindungen als bedeutender Faktor diskutiert, der für die Wirkung von Aerosolen auf die menschliche Gesundheit verantwortlich sein kann.In addition to parameters such as particle size distribution and particle concentration is the chemical composition of the particles particularly important since presumably properties like chemical reactivity and biological effectiveness associated with it are. Furthermore, especially on the surface adsorbed compounds discussed as an important factor, for the effect of aerosols on human health can be responsible.
Verfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von
Aerosolpartikeln beruhen als on-line Verfahren z. B. auf der
Lasermassenspektrometrie. Mit diesen Methoden können allerdings
keine quantifizierbaren Aussagen getroffen werden. Quantifizierbare
Analysemethoden sind nur off-line verfügbar, d.
h. die chemische Zusammensetzung kann nur von einer aufgesammelten
Probe quantitativ bestimmt werden.
Eine weitere elegante Möglichkeit zur Quantifikation der chemischen
Zusammensetzung ist die thermische Verdampfung von
Partikeln und Partikelbestandteilen. Hierbei werden durch
schnelles Aufheizen der Partikel auf eine bestimmte vorgewählte
Temperatur die Bestandteile quantitativ verdampft und ionisiert
und können somit in einem Massenspektrometer analysiert
werden.Methods for determining the chemical composition of aerosol particles are based on online methods such. B. on laser mass spectrometry. However, no quantifiable statements can be made with these methods. Quantifiable analysis methods are only available off-line, ie the chemical composition can only be determined quantitatively from a collected sample.
Another elegant way of quantifying the chemical composition is the thermal evaporation of particles and particle components. The components are evaporated and ionized quantitatively by rapid heating of the particles to a certain preselected temperature and can thus be analyzed in a mass spectrometer.
Die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln erfolgt an gesammelten Proben mit verschiedenen Analysemethoden. Hierzu zählen beispielsweise Extraktion und gaschromatographische Auftrennung organischer Bestandteile [1] oder die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung mittels PIXE [2]. Nachteil dieser Methoden ist allerdings deren off-line Charakter, da hierfür Partikelproben über längere Zeiträume gesammelt werden müssen. Solche Filterproben haben aber den Nachteil, dass bei der Analyse keinerlei Aussagen über die Größenverteilung und eventuelle Verteilung der chemischen Bestandteile der Partikel über den gemessenen Größenbereich getroffen werden können. Wichtige Erkenntnisse sind aber gerade über die Morphologie und die Zusammensetzung einzelner oder einiger weniger Partikel zugänglich. Off-line Einpartikelanalytik ist beispielsweise mit der Laser-Mikrosonden-Massenspektrometrie möglich [2, 3]. Sie erlaubt die chemische Charakterisierung einzelner Partikel. Nachteil ist allerdings auch hier der off-line Charakter der Methode, da wie bei den Filtermethoden zunächst Partikel gesammelt und zur Analyse gebracht werden müssen. Problem hierbei ist, dass im Lauf der Zeit, die zwischen Probensampling und -analyse liegt, auf der Oberfläche der Partikel adsorbierte Verbindungen verdampfen und damit für einen eventuellen Nachweis verloren gehen. Ebenso möglich sind chemische Umwandlungen innerhalb des Partikels, die während Lagerung oder Transport der Proben auftreten können.Determination of the chemical composition of aerosol particles is carried out on collected samples using various analysis methods. These include extraction and separation of organic components by gas chromatography [1] or the determination of the elementary composition by means of PIXE [2]. However, the disadvantage of these methods is that they are off-line Character, because particle samples for long periods of time must be collected. But have such filter samples the disadvantage that during the analysis no statements about the Size distribution and possible distribution of the chemical components the particles hit over the measured size range can be. But important insights are straight about the morphology and the composition of individual or accessible to a few particles. Off-line one-particle analysis is, for example, with laser microprobe mass spectrometry possible [2, 3]. It allows the chemical Characterization of individual particles. The disadvantage is, however here too the off-line nature of the method, as with the Filter methods first collect particles and bring them for analysis Need to become. The problem here is that in the course of Time between sample sampling and analysis on which The surface of the particles adsorbed compounds evaporate and thus get lost for a possible proof. Chemical conversions within the particle are also possible, that occur during sample storage or transportation can.
In der Literatur sind auf Basis der Massenspektrometrie arbeitende Analysegeräte bekannt, welche die chemische Zusammensetzung von Aerosolpartikeln erlauben, wobei on-line Analytik einzelner Teilchen möglich ist [4, 5]. Die Aerosolpartikel werden aus dem atmosphärisch getragenen Zustand mittels eines speziellen Einlasssystems in das Vakuum eines Massenspektrometers transferiert. Die chemische Analyse erfolgt nach der Größenbestimmung (mittels einer Lichtschrankentechnik - aerodynamischer Durchmesser) nach dem Prinzip der Lasermikroprobenmassenspektrometrie (Ionisation mit intensiv fokussierten Laserpulsen geeigneter Wellenlängen zur Elementbestimmung bzw. zum Nachweis von Fragmenten organischer Spezies).In the literature, working on the basis of mass spectrometry Analyzers known the chemical composition allow for aerosol particles, with on-line analytics individual particles is possible [4, 5]. The aerosol particles are carried from the atmospheric state by means of a special inlet system into the vacuum of a mass spectrometer transferred. The chemical analysis takes place after the Size determination (using a light barrier technology - more aerodynamic Diameter) according to the principle of laser micro-sample mass spectrometry (Ionization with intensely focused Laser pulses of suitable wavelengths for element determination or for the detection of fragments of organic species).
Einteilchen-Lasermassenspektrometrie wurde in den letzten Jahren erfolgreich für eine Reihe von Untersuchungen an Umweltaerosolen oder an im Labor generierten Partikeln verwendet.One-particle laser mass spectrometry has been used in recent years successful for a number of studies on environmental aerosols or used on particles generated in the laboratory.
Eine Einteilchenanalytik dieser Art erlaubt allerdings nur qualitative Aussagen über die Zusammensetzung der Partikel, da hierbei die relativ geringe Empfindlichkeit und die starken Matrixeffekte als deutliche Nachteile festzuhalten sind. Weiterhin steht die erhaltene Signalintensität nicht in einem linearen Zusammenhang mit der absoluten Menge an vorhandener Spezies.However, one-particle analysis of this kind only allows qualitative statements about the composition of the particles, because here the relatively low sensitivity and the strong Matrix effects are to be noted as clear disadvantages. Farther the received signal intensity is not in one linear relationship with the absolute amount of available Species.
Eine Methode zur Quantifizierung der chemischen Zusammensetzung von Partikeln mit massenspektrometrischen Methoden beruht auf der thermischen Verdampfung der Aerosole auf einer beheizten Fläche und nachfolgender Ionisation der gebildeten Molekülwolke mittels Laserstrahlung [6]. Durch die Verwendung eines Quadrupolmassenspektrometers ist allerdings nur der Nachweis einer einzigen Masse und somit Molekülspezies pro Zeiteinheit möglich.A method of quantifying the chemical composition of particles based on mass spectrometric methods on the thermal evaporation of aerosols on a heated Area and subsequent ionization of the molecular cloud formed using laser radiation [6]. By using a Quadrupole mass spectrometers are only proof a single mass and therefore molecular species per unit of time possible.
Bei Verwendung eines time-of-flight Massenspektrometers wäre der Nachweis sämtlicher gebildeter Ionen pro Zeiteinheit möglich, womit eine quantitative Bestimmung sämtlicher Partikelbestandteile möglich wird.If using a time-of-flight mass spectrometer would be the detection of all ions formed per unit time is possible, with a quantitative determination of all particle components becomes possible.
Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur quantitativen on-line Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln.The object of the invention is an apparatus and a method for quantitative on-line determination of the chemical composition of aerosol particles.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche
1 und 11. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung. This object is achieved by the features of the
Das Messprinzip beruht auf der thermischen Verdampfung der Partikel auf einer beheizten Fläche und Detektion der direkt gebildeten Ionen bzw. Ionisation und nachfolgende Detektion der gebildeten gasförmigen Moleküle und Molekülfragmente mittels verschiedener Ionisationstechniken. Hierzu zählen Laserionisation mit verschiedenen Wellenlängen (266nm für REMPI - resonance enhanced multiphoton ionisation, 118nm für Vacuum-UV single photon ionisation - VUV-SPI) sowie lichtinduzierte Elektronenstoßionisation (LEI) [7, 8].The measuring principle is based on the thermal evaporation of the particles on a heated surface and detection of the directly formed ions or ionization and subsequent detection of the gaseous molecules and molecular fragments formed using various ionization techniques. These include laser ionization with different wavelengths (266nm for REMPI - r esonance e nhanced m ulti p hoton i onisation, 118nm for V acuum- UV s ingle p hoton i onisation - VUV-SPI) as well as light-induced electron impact ionisation (LEI) [7, 8] ,
Für eine schnelle (zur Erhaltung der on-line Fähigkeit) und
vollständige (zum Nachweis aller gebildeten Ionen) Analytik
eignet sich vor allem die Flugzeitmassenspektrometrie (TOFMS).
Die beheizte Fläche muss so in die Ionisationskammer eingebracht
werden, dass die für die Beschleunigung der gebildeten
Ionen benötigten Felder möglichst wenig gestört werden. Dies
kann durch die spezielle geometrische Ausführung und Anordnung
dieser Oberfläche bewerkstelligt werden. In erster Linie eignen
sich hierfür räumlich kleine Flächen, wie die abgeflachte
Spitze einer dünnen Nadel. Mit einem TOF-Massenspektrometer
werden nun über die Detektion der gebildeten Ionen Analysen
der Partikel vorgenommen. Dabei wird neben dem aerodynamischen
Durchmesser der Partikel auch deren chemische Zusammensetzung
quantitativ bestimmt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
mit Hilfe der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.Time-of-flight mass spectrometry (TOFMS) is particularly suitable for fast (to maintain online capability) and complete (to detect all ions formed) analysis. The heated surface must be introduced into the ionization chamber in such a way that the fields required to accelerate the ions formed are disturbed as little as possible. This can be accomplished through the special geometric design and arrangement of this surface. First of all, spatially small areas are suitable, such as the flattened tip of a thin needle. With a TOF mass spectrometer, the particles are now analyzed by detecting the ions formed. In addition to the aerodynamic diameter of the particles, their chemical composition is also determined quantitatively.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with the aid of FIGS. 1 to 4.
Dabei zeigt
Die Figur 1 zeigt ein typisches bipolares Aeroreol-Flugzeitmassenspektrometer.
Im Einlasssystem 12 werden die Partikel
durch ein Skimmer-System mit differentiellen Vakuumpumpstufen
schlagartig von der Gasphase separiert und in Abhängigkeit ihrer
Masse und damit gekoppelter Größe beschleunigt. Es bildet
sich ein Partikelstrahl 18 aus. In den Ionisationsbereich gelangen
nur Partikel einer bestimmten Größenfraktion, die durch
ein System von zwei zeitlich gekoppelten Choppern 37 gelangen
können (Figur 4a). Hierbei können nur diejenigen Partikel ungehindert
bis in die Ionisationskammer vordringen, die eine
zur Umlauffrequenz der Chopper passende Geschwindigkeit besitzen.
Bei Verwendung von 3 Choppern 37 (Figur 4b) wird durch
die erhöhten Anforderungen der Größenbereich enger, die Fraktionierung
also feiner.
Die so ermittelte Geschwindigkeit der Aerosolpartikel kann
dann bei bekannter Einstellung der Chopperposition und Umlauffrequenz,
die über ein Lichtschrankensystem (in der Zeichnung
aus Platzgründen nicht dargestellt) bestimmt und eingeregelt
werden kann, zur Berechnung der Flugzeit bis zum Aufreffen auf
die beheizte Prallfläche 1 verwendet werden. Dies ist für die
Triggerung der Ionisationslaser 17 sowie für die Triggerung
der gepulsten Ionenextraktion im Massenspektrometer notwendig.
Beim Auftreffen auf die beheizte Fläche werden die Bestandteile
des Aerosolpartikels thermisch verdampft und ionisiert.
Die bei der Verdampfung direkt gebildeten Ionen und die mit
Laserstrahlung geeigneter Wellenlänge nachionisierten Bestandteile
der gebildeten Molekülwolke werden sodann massenspektrometrisch
nachgewiesen.FIG. 1 shows a typical bipolar aeroreol time-of-flight mass spectrometer. In the
The speed of the aerosol particles determined in this way can then be used, when the chopper position and circulation frequency are known, which can be determined and regulated via a light barrier system (not shown in the drawing for reasons of space), for calculating the flight time until it hits the
In Figur 2 a bis g sind mögliche geometrische Ausführungen der beheizbaren Fläche gezeigt.2 a to g show possible geometric designs of the heatable area shown.
Die Verwendung von räumlich in der Abzugsrichtung der Ionen
möglichst wenig ausgedehnten Ionisationsfingern ist notwendig
um die elektrischen Felder, die zum Abzug der gebildeten Ionen
aus der Ionenquelle benötigt werden, geringst möglich zu beeinträchtigen.
Diese beheizten Elemente 22, 23, 24, 25, 26, 28
sind kollinear zum Aerosolstrahl ausgerichtet, so dass die
Partikel auf der am oberen Ende ausgeformten Prallfläche 1
auftreffen. Geometrische Möglichkeiten für die Ausformung der
Ionisationsfinger sind beispielsweise eine spitze Nadel 22,
ein drahtförmiger Körper 23 mit abgeflachter Prallfläche 1
oder ein konisch zulaufender Körper 24 mit abgeflachter Prallfläche
1. Geringe Abweichungen in der Fokussierung des Aerosolstrahls
18 können beispielsweise durch Vergrößerung der
Prallfläche 1 ausgeglichen werden. Dies kann weitestgehend
ohne Beeinflussung der elektrischen Felder in der Ionenquelle
durch die Ausformung der Prallfläche als gestreckte rechteckige
Prallfläche 1 erreicht werden. Als Körper kommt hierbei
ein geeignet angeordneter plattenförmiger Körper 25 in Frage.
Die Beheizung der Elemente 22, 23, 24, 25 kann beispielsweise
durch thermische Leitung (d.h. durch z.B. den Kontakt mit einem
elektrisch auf Temperaturen von 30-2800 °C gebrachten Körper)
oder durch Bestrahlung der Target-Region 1 mit IR-Laserlicht
erfolgen. Weiterhin kann die gestreckte Prallfläche
durch ein Heizband 26, welches über die Kontaktdrähte 27 geheizt
wird, gebildet werden. Die durch das Heizband 26 gebildete
Fläche kann auch gepulst kurzzeitig auf die gewünschte
Temperatur gebracht werden um eine auf der kälteren Fläche
aufgesammelte Partikelmenge (bzw. deren thermisch verdampfbaren
Anteil) quantitativ zu verdampfen und wie beschrieben zu
ionisieren und zu analysieren.The use of spatially in the withdrawal direction of the ions
As little as possible extended ionization fingers is necessary
around the electric fields that lead to the withdrawal of the ions formed
from the ion source are required to impair as little as possible.
These heated
Eine Möglichkeit für die verbesserte Aufheizung der gestreckten
Prallfläche durch IR-Laserstrahlung besteht in der geometrischen
Ausformung als drahtförmigem Körper mit t-förmiger
Targetregion 28. Durch die Einschnürung am Übergang zwischen
Prallfläche 1 und Draht kann die Wärmeübertragung aus dem Bereich
der Fläche vermindert werden, wodurch diese Geometrie
vor allem für den Einsatz mit IR-Laserpulsen geeignet ist.One possibility for the improved heating of the stretched
Impact surface by IR laser radiation is geometrical
Formed as a wire-shaped body with a t-shaped
Eine mögliche Ausführung eines Ionisationsfingers ist in Figur
3a gezeigt. Hier wird ein drahtförmiges Objekt 29 durch Kontakt
mit einem Heizelement 32 auf die gewünschte Temperatur
gebracht. Zur Isolierung ist es von Keramikhüllen 30 umgeben,
deren Oberflächen mit einer dünnen Metallschicht belegt sind,
die über eine Drahtzuleitung auf Potential gelegt werden können.
Weiterhin kann die Beheizung der Target-Region 1, wie in
Figur 3b gezeigt, nur in einer dünnen Schicht erfolgen. Hierzu
wird die Prallfläche 1 als dünnes hochohmiges Plättchen oder
Beschichtung 33 ausgeführt, welche mit elektrischen Zuleitungen
34 und Ableitungen 35 verbunden ist, welche durch eine
dünne Isolatorschicht 36 getrennt sind.A possible version of an ionization finger is shown in FIG
3a. Here, a wire-shaped
Eine weitere Möglichkeit zur Ionisation der verdampften Bestandteile
ist die chemische Ionisation mit einem Reaktivgas
(beispielsweise Ammoniak, NH3). Dieses kann über einen Kapillareinlass
über die beheizte Fläche geleitet werden und mit
den durch Aufprall auf die Prallfläche 1 gebildeten Ionen und
Molekülen unter Einfluss von Elektronenbeschuss (LEI) reagieren.
Diese so chemisch veränderten ionischen Bestandteile können
danach auf die beschriebene Weise im TOFMS nachgewiesen
werden.Another option for ionizing the vaporized constituents is chemical ionization with a reactive gas (for example ammonia, NH 3 ). This can be passed over the heated surface via a capillary inlet and react with the ions and molecules formed by impact on the
Statt des Skimmer-Systems kann zur Ausbildung eines Partikelstrahls
auch ein alternativer Einlass verwendet werden, um
feine und ultrafeine Partikel zu analysieren. Hierzu wird das
polydisperse Aerosol zuerst mittels einer aerodynamischen
Linse [9] zu einem Partikelstrahl fokussiert und anschließend
wieder durch ein System von 2 bis 3 zeitlich gekoppelten Choppern
37 eine bestimmte Größenfraktion herausselektiert (Figur
4). Hierbei können wiederum nur diejenigen Partikel, die eine
geeignete Geschwindigkeit und die damit korrelierte Größe besitzen
ungehindert durch die rotierenden Chopper 37 gelangen
und auf die beheizte Prallfläche 1 treffen. Mit dieser Vorrichtung
kann dann in Experimenten mit gepulster Ionenextraktion
die Zusammensetzung feiner Partikel bestimmt werden. Der
Bereich der ultrafeinen Partikel (< 150 nm) kann jedoch mit
dem beschriebenen Chopper-System nicht mehr in verschiedene
Größenintervalle fraktioniert werden, da die Geschwindigkeit
der unterschiedlichen Partikel in diesem Größenbereich nahezu
identisch wird. Eine Unterscheidung der verschiedenen Größenfraktionen
in diesem Bereich ist jedoch mit einem elektrostatischen
Klassifizierer möglich. Dieser selektiert aufgrund der
Mobilität in einem elektrischen Feld eine bestimmte Größenfraktion
aus dem polydispersen Aerosol, diese Partikel werden
danach durch die aerodynamische Linse in einen Strahl fokussiert
und auf die beheizte Fläche gerichtet. Ein einzelner
Chopper (Figur 4c) ermöglicht hier beispielsweise wieder das
Auftreffen von definierten Partikelmengen auf die Fläche. Wird
die Fläche gepulst beheizt können mit dieser Vorrichtung auch
ultrafeine Partikel quantitativ analysiert werden. Da die Anzahl
an Molekülen auf der Oberfläche von feinen und ultrafeinen
Molekülen nur sehr gering ist, ist ein Nachweis dieser Moleküle
auf einzelnen Partikeln nur schwer zu bewerkstelligen.
Durch Aufsammeln einer gewissen Menge kann man jedoch die
Menge an Analytmolekülen erhöhen und einen Nachweis ermöglichen.
Durch die beschriebene Probenahme werden jedoch die
Nachteile der herkömmlichen off-line Methoden vermieden, da
die Analyse quasi zur selben Zeit stattfindet (on-line).Instead of the skimmer system, a particle beam can be formed
an alternate inlet can also be used to
analyze fine and ultrafine particles. For this, the
polydisperse aerosol first by means of an aerodynamic
Focused lens [9] to a particle beam and then
again through a system of 2 to 3 time-coupled
Für den Nachweis können vorteilhaft doppelte Reflektron-Spektrometer verwendet werden. Diese eignen sich wegen des möglichen gleichzeitigen Nachweises sowohl positiver wie auch negativer Ionen sehr gut für eine Analytik von Aerosolpartikeln. Die Verwendung eines doppelten TOFMS Systems und gepulsten Spannungen zum Abzug der Ionen ("delayed extraction" Technik) erlaubt somit eine große Variabilität im Nachweis der chemischen Partikelzusammensetzung und Partikeleigenschaften.Double reflectron spectrometers can advantageously be used for the detection be used. These are suitable because of the possible simultaneous detection of both positive and negative ions very good for analysis of aerosol particles. The use of a double TOFMS system and pulsed Voltages to withdraw the ions ("delayed extraction" technique) thus allows great variability in the detection of chemical particle composition and particle properties.
Im folgenden sind beispielhaft mögliche Ausgestaltungen von
Verfahren vorgestellt. Sie beziehen sich auf die Figur 1.
Hierbei ist zu beachten, dass die ionenoptischen Elemente in
Figur 1 nicht vollständig dargestellt sind.
Im positiven MS des
Im positiven MS des
In
The ions formed directly via thermal ionization are visible in the positive MS of
The ions formed by the post-ionization are visible in the positive MS of
Bei Verbrennungsprozessen entstehen eine große Anzahl von Partikeln. Diese können unterschiedliche chemische Eigenschaften aufweisen. Neben dem Partikelkern wird auch die Beladung der Partikel mit toxischen organischen Verbindungen als gesundheitsrelevanter Parameter diskutiert. Dabei ist auch eine möglichst genaue Kenntnis der exakten Mengen an chemischen Substanzen vonnöten um definierte Aussagen über die Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit zu erhalten.
Durch eine quantifizierbare on-line Analytik von Aerosolpartikeln in Abhängigkeit der Prozessparameter können umwelt- und gesundheitsschonende Verbrennungsbedingungen gefunden werden (prozessintegrierter Umweltschutz).a) Process analytics (e.g. combustion aerosols from industrial sources)
A large number of particles are created during combustion processes. These can have different chemical properties. In addition to the particle core, the loading of the particles with toxic organic compounds as a health-relevant parameter is also discussed. It is also necessary to know the exact amounts of chemical substances as precisely as possible in order to obtain defined statements about the effects on the environment and health.
A quantifiable on-line analysis of aerosol particles depending on the process parameters enables environmentally and health-friendly combustion conditions to be found (process-integrated environmental protection).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich das Umweltaerosol umfassend charakterisieren (aerodyn. Durchmesser, quantitative chemische Zusammensetzung). Dies ist interessant z. B. um die Belastung der Bevölkerung mit anthropogenen Aerosolen und deren gesundheitliche Auswirkungen zu erfassen.b) Monitoring of environmental aerosols
The environmental aerosol can be comprehensively characterized using the method according to the invention (aerodynamic diameter, quantitative chemical composition). This is interesting e.g. B. to record the exposure of the population to anthropogenic aerosols and their health effects.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich künstlich erzeugte bzw. produzierte Aerosole umfassend charakterisieren (aerodyn. Durchmesser, quantitative chemische Zusammensetzung). Dies ist interessant um z. B. die Produktions/Prozessbedingungen zu optimieren und zu überwachen.c) Monitoring the production of defined nanoparticles
With the method according to the invention, artificially produced or produced aerosols can be comprehensively characterized (aerodynamic diameter, quantitative chemical composition). This is interesting for B. to optimize and monitor the production / process conditions.
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- elektronisch gesteuerte, individuell pulsbare Spannungsversorgung für Blenden (2, 3, 4, 5), Liner (6, 7), Ablenkplatten (8, 9) und andere ionenoptische Elemente (nicht dargestellt)electronically controlled, individually pulsable Power supply for panels (2, 3, 4, 5), liners (6, 7), baffles (8, 9) and other ion-optical elements (not shown)
- 22
-
Zweite Blende von TOFMS 19Second aperture from
TOFMS 19 - 33
-
Erste Blende von TOFMS 19First aperture of
TOFMS 19 - 44
-
Erste Blende von TOFMS 20First aperture of
TOFMS 20 - 55
-
Zweite Blende von TOFMS 20Second aperture of
TOFMS 20 - 66
-
Liner von TOFMS 20Liner from
TOFMS 20 - 77
-
Liner von TOFMS 19Liner from
TOFMS 19 - 88th
-
Ablenkplatte von TOFMS 20Deflector plate from
TOFMS 20 - 99
-
Ablenkplatte von TOFMS 19Baffle plate from
TOFMS 19 - 1010
- beheiztes Objektheated object
- 1111
- Vakuumschleuse für heizbares ElementVacuum lock for heatable element
- 1212
- Einlasssystem mit SkimmernInlet system with skimmers
- 1313
-
Detektor von TOFMS 19
TOFMS 19 detector - 1414
-
Detektor von TOFMS 20
TOFMS 20 detector - 1515
- Vakuumpumpenvacuum pumps
- 1616
- gepulster Laserstrahl zur Aufheizung der Prallfläche 21 (i. a. IR-Licht, z. B. 10.6 µm aus CO2-Laser)pulsed laser beam for heating the impact surface 21 (generally IR light, e.g. 10.6 µm from CO 2 laser)
- 1717
- gepulster Laserstrahl zur Nachionisation mit REMPI oder Einphotonenionisation (i. a. UV oder VUV, 0.1-30ns Pulsbreite, 0.01-100000 µJ/Puls)pulsed laser beam for post ionization with REMPI or Single-photon ionization (generally UV or VUV, 0.1-30ns pulse width, 0.01-100000 µJ / pulse)
- 1818
- Aerosol-PartikelstrahlAerosol particle beam
- 1919
- Erstes TOFMS für negative (bipolarer Mode) oder positive IonenFirst TOFMS for negative (bipolar mode) or positive ions
- 2020
- Zweites TOFMS für positive IonenSecond TOFMS for positive ions
- 2121
- Prallflächebaffle
- 2222
- Nadelförmiger KörperAcicular body
- 2323
- Drahtförmiger KörperWire-shaped body
- 2424
- Konisch ausgezogener KörperTapered body
- 2525
- Plattenförmiger KörperPlate-shaped body
- 2626
- Heizband oder -wendel Heating tape or coil
- 2727
- Kontaktdrähtecontact wires
- 2828
- Drahtförmiger Körper mit t-förmiger TargetregionWire-shaped body with a t-shaped target region
- 2929
- Konusförmig ausgezogener KörperTapered body
- 3030
- Metallbeschichtete KeramikhüllenMetal-coated ceramic covers
- 3131
- Kontaktdrähtecontact wires
- 3232
- Heizelementheating element
- 3333
- Hochohmiges PlättchenHigh-resistance plate
- 3434
- Elektrische ZuleitungElectrical supply
- 3535
- Elektrische AbleitungElectrical discharge
- 3636
- Isolierunginsulation
- 3737
- Chopperchopper
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