Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung eines neuartigen Ionenfallen-Massenspektrometers für Aerosolpartikel (AIMS)

Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuartiges Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) aufgebaut und umfassend charakterisiert. Mit dem AIMS kann die chemische Zusammensetzung der verdampfbaren Komponente (bei etwa 600 °C) von Aerosolpartikeln quantitativ und on-line bestimmt werden. Die Durchmesser der Teilchen, die analysiert werden können, liegen zwischen etwa 30 und 500 nm. Der experimentelle Aufbau greift auf ein bereits gut charakterisiertes Einlasssystem des Aerodyne Aerosol-Massenspektrometers (AMS) zurück, das einen Partikeleinlass, bestehend aus einer kritischen Düse und einer aerodynamischen Linse, einen Verdampfer für die Aerosolteilchen und eine Elektronenstoß-Ionenquelle enthält. Das kommerzielle AMS verwendet entweder ein lineares Quadrupol-Massenfilter (Q-AMS) oder ein Flugzeit-Massenspektrometer (ToF-AMS). Im AIMS hingegen wird eine dreidimensionale Ionenfalle als Massenanalysator eingesetzt. Dadurch eröffnen sich unter anderem Möglichkeiten zur Durchführung von MSn-Studien und Ionen/Molekül-Reaktionsstudien. Das Massenspektrometer und wichtige Teile der Steuerungselektronik wurden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entworfen und hergestellt. Das AIMS wird von einem PC und einer Software, die in der Programmiersprache LabVIEW verfasst ist, gesteuert. Aufgrund seiner Kompaktheit ist das Instrument auch für den Feldeinsatz geeignet. Mit der Software Simion 7.0 wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt. Diese Studien beinhalten Simulationen zur Ermittlung der optimalen Spannungseinstellungen für den Ionentransfer von der Ionenquelle in die Ionenfalle und eine Abschätzung der Sammeleffizienz der Ionenfalle, die gut mit einem gemessenen Wert übereinstimmt. Charakterisierungsstudien zeigen einige instrumentelle Merkmale des AIMS auf. Es wurde beispielsweise ein Massenauflösungsvermögen von 807 für m/z 121 gefunden, wenn eine Analyserate von 1780 amu/s verwendet wird. Wird die Analyserate verringert, dann lässt sich das Massenauflösungsvermögen noch erheblich steigern. Bei m/z 43 kann dann ein Wert von > 1500 erzielt werden, wodurch sich Ionenfragmente wie C2H3O+ (m/z 43.0184) und C3H7+ (m/z 43.0548) voneinander trennen lassen. Der Massenbereich des AIMS lässt sich durch resonante Anregung erweitern; dies wurde bis zu einer Masse von 1000 amu getestet. Kalibrationsmessungen mit laborgenerierten Partikeln zeigen eine hervorragende Linearität zwischen gemessenen Signalstärken und erzeugten Aerosol-Massenkonzentrationen. Diese Studien belegen im Zusammenhang mit den gefundenen Nachweisgrenzen von Nitrat (0.16 μg/m³) und Sulfat (0.65 μg/m³) aus Aerosolpartikeln, dass das AIMS für quantitative Messungen von atmosphärischem Aerosol geeignet ist. Ein Vergleich zwischen dem AIMS und dem Q-AMS für Nitrat in städtischem Aerosol zeigt eine gute Übereinstimmung der gefundenen Messwerte. Für laborgenerierte Polystyren-Latexpartikel wurde eine MS/MS-Studie unter der Anwendung von collision induced dissociation (CID) durchgeführt. Das Verhältnis von Fragmentionen zu Analytionen wurde zu einem Wert von > 60% bestimmt. In der Zukunft können ähnliche MS/MS-Studien auch für atmosphärische Aerosolpartikel angewandt werden, wodurch sich neue Perspektiven für die Speziation von Aerosolbestandteilen eröffnen. Dann sollen vor allem Kondensationsprozesse, das heißt die Bildung von sekundärem Aerosol, detailliert untersucht werden.

A novel Aerosol Ion Trap Mass Spectrometer (AIMS) has been set-up and characterized. With this instrument the chemical composition of the non-refractory (at 600 °C) component of aerosol particles can be measured quantitatively and on-line. The diameters of the particles that can be analyzed range from approximately 30 to 500 nm. The set-up makes use of the well-characterized flight chamber of the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS). This part of the instrument contains a particle inlet consisting of a critical orifice and an aerodynamic lens, a particle vaporizer and an electron impact ion source. While the AMS uses either a linear quadrupole mass filter (Q-AMS) or a time-of-flight mass spectrometer (ToF-AMS) as the mass analyzer, the AIMS utilizes a three-dimensional quadrupole ion trap. The main advantages of an ion trap are the possibility of performing MSn-experiments as well as ion/molecule reaction studies. The mass analyzer has been designed and machined at the Max Planck Institute for Chemistry in Mainz together with major components of the electronics. A PC and a software written in LabVIEW control the AIMS. Due to its compact size the AIMS can be used as a field instrument. Detailed simulation studies using the software Simion 7.0 have been performed. These studies include simulations on finding the optimum voltage settings for the ion transfer from the ion source into the ion trap and an estimate of the trapping efficiency. The value found from the simulation is in good agreement with the experimentally determined trapping efficiency. Measurements show some basic characteristics of the AIMS such as a value of 807 for the mass resolving power at m/z 121 when using a scan rate of 1780 amu/s. However, if the scan rate is reduced much higher values are feasible. By applying this method a mass resolving power of > 1500 at m/z 43 has been achieved. This value is high enough to separate ions with different chemical identities at m/z 43 such as C2H3O+ (m/z 43.0184) and C3H7+ (m/z 43.0548). By applying resonant ejection the mass range of the AIMS can be extended. This method has been tested for ion masses up to 1000 amu. Calibrations with laboratory-generated aerosol particles indicate a perfectly linear relationship between signal response and aerosol mass concentration. These studies, together with estimates of the detection limits for particulate nitrate (0.16 μg/m³) and sulfate (0.65 μg/m³) demonstrate the suitability of the AIMS to measure atmospheric aerosol particles quantitatively. An inter-comparison between the AIMS and a Q-AMS for nitrate in urban air yields good agreement. For laboratory-generated polystyrene latex particles a MS/MS-study using collision-induced dissociation (CID) with a daughter/parent ion yield of more than 60% has been performed. In the future, similar MS/MS-studies can be conducted for atmospheric particles and will offer new perspectives for the speciation of aerosol constituents. In particular, it is planned to investigate condensation processes with the AIMS to get insights into the formation processes of secondary aerosol.