Characterisation and field deployment of a novel quantitative Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS)

Das Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS) der Firma Aerodyne ist eine Weiterentwicklung des Aerodyne Aerosolmassenspektrometers (Q-AMS). Dieses ist gut charakterisiert und kommt weltweit zum Einsatz. Beide Instrumente nutzen eine aerodynamische Linse, aerodynamische Partikelgrößenbestimmung, thermische Verdampfung und Elektronenstoß-Ionisation. Im Gegensatz zum Q-AMS, wo ein Quadrupolmassenspektrometer zur Analyse der Ionen verwendet wird, kommt beim ToF-AMS ein Flugzeit-Massenspektrometer zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von Laborexperimenten und Feldmesskampagnen gezeigt, dass das ToF-AMS zur quantitativen Messung der chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln mit hoher Zeit- und Größenauflösung geeignet ist. Zusätzlich wird ein vollständiges Schema zur ToF-AMS Datenanalyse vorgestellt, dass entwickelt wurde, um quantitative und sinnvolle Ergebnisse aus den aufgenommenen Rohdaten, sowohl von Messkampagnen als auch von Laborexperimenten, zu erhalten. Dieses Schema basiert auf den Charakterisierungsexperimenten, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Es beinhaltet Korrekturen, die angebracht werden müssen, und Kalibrationen, die durchgeführt werden müssen, um zuverlässige Ergebnisse aus den Rohdaten zu extrahieren. Beträchtliche Arbeit wurde außerdem in die Entwicklung eines zuverlässigen und benutzerfreundlichen Datenanalyseprogramms investiert. Dieses Programm kann zur automatischen und systematischen ToF-AMS Datenanalyse und –korrektur genutzt werden.

The Aerodyne Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS) is a further development of the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (Q-AMS), which is well-characterised and used by research groups all over the world. Both instruments utilise an aerodynamic lens, differential pumping, aerodynamic particle sizing, thermal vaporisation and electron impact ionisation. Instead of a quadrupole mass spectrometer the ToF-AMS uses an orthogonal extraction time-of-flight mass spectrometer to analyse the ions. In the present work, laboratory and in-field characterisation of the ToF-AMS have demonstrated that the ToF-AMS is capable of providing quantitative information on the chemical composition of the sub-micron non-refractory fraction of aerosol particles with high size and time resolution. In addition, a complete data processing scheme to obtain quantitative and useful results from the raw data acquired from ambient as well as laboratory sampling has been developed, based on the unique needs of this instrument’s data structure and on the instrument characterisation experiment results. This scheme includes corrections that need to be applied and calibrations that need to be performed in order to extract reliable results from the raw data. In addition, considerable work has been performed to write a reliable, user-friendly data analysis software which is capable of automated and systematic ToF-AMS data analysis and correction and delivers accurate and repeatable results. Finally, the ToF-AMS has been deployed and validated during three field campaigns under different atmospheric conditions.