Chemische Zusammensetzung der Aerosole : Design und Datenauswertung eines Einzelpartikel-Laserablationsmassenspektrometers

Atmosphärische Aerosolpartikel wirken in vielerlei Hinsicht auf die Menschen und die Umwelt ein. Eine genaue Charakterisierung der Partikel hilft deren Wirken zu verstehen und dessen Folgen einzuschätzen. Partikel können hinsichtlich ihrer Größe, ihrer Form und ihrer chemischen Zusammensetzung charakterisiert werden. Mit der Laserablationsmassenspektrometrie ist es möglich die Größe und die chemische Zusammensetzung einzelner Aerosolpartikel zu bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time-of-flight mass spectrometer) zur besseren Analyse insbesondere von atmosphärischen Aerosolpartikeln weiterentwickelt. Der Aerosoleinlass wurde dahingehend optimiert, einen möglichst weiten Partikelgrößenbereich (80 nm - 3 µm) in das SPLAT zu transferieren und zu einem feinen Strahl zu bündeln. Eine neue Beschreibung für die Beziehung der Partikelgröße zu ihrer Geschwindigkeit im Vakuum wurde gefunden. Die Justage des Einlasses wurde mithilfe von Schrittmotoren automatisiert. Die optische Detektion der Partikel wurde so verbessert, dass Partikel mit einer Größe < 100 nm erfasst werden können. Aufbauend auf der optischen Detektion und der automatischen Verkippung des Einlasses wurde eine neue Methode zur Charakterisierung des Partikelstrahls entwickelt. Die Steuerelektronik des SPLAT wurde verbessert, so dass die maximale Analysefrequenz nur durch den Ablationslaser begrenzt wird, der höchsten mit etwa 10 Hz ablatieren kann. Durch eine Optimierung des Vakuumsystems wurde der Ionenverlust im Massenspektrometer um den Faktor 4 verringert.rnrnNeben den hardwareseitigen Weiterentwicklungen des SPLAT bestand ein Großteil dieser Arbeit in der Konzipierung und Implementierung einer Softwarelösung zur Analyse der mit dem SPLAT gewonnenen Rohdaten. CRISP (Concise Retrieval of Information from Single Particles) ist ein auf IGOR PRO (Wavemetrics, USA) aufbauendes Softwarepaket, das die effiziente Auswertung der Einzelpartikel Rohdaten erlaubt. CRISP enthält einen neu entwickelten Algorithmus zur automatischen Massenkalibration jedes einzelnen Massenspektrums, inklusive der Unterdrückung von Rauschen und von Problemen mit Signalen die ein intensives Tailing aufweisen. CRISP stellt Methoden zur automatischen Klassifizierung der Partikel zur Verfügung. Implementiert sind k-means, fuzzy-c-means und eine Form der hierarchischen Einteilung auf Basis eines minimal aufspannenden Baumes. CRISP bietet die Möglichkeit die Daten vorzubehandeln, damit die automatische Einteilung der Partikel schneller abläuft und die Ergebnisse eine höhere Qualität aufweisen. Daneben kann CRISP auf einfache Art und Weise Partikel anhand vorgebener Kriterien sortieren. Die CRISP zugrundeliegende Daten- und Infrastruktur wurde in Hinblick auf Wartung und Erweiterbarkeit erstellt. rnrnIm Rahmen der Arbeit wurde das SPLAT in mehreren Kampagnen erfolgreich eingesetzt und die Fähigkeiten von CRISP konnten anhand der gewonnen Datensätze gezeigt werden.rnrnDas SPLAT ist nun in der Lage effizient im Feldeinsatz zur Charakterisierung des atmosphärischen Aerosols betrieben zu werden, während CRISP eine schnelle und gezielte Auswertung der Daten ermöglicht.

Atmospheric aerosol particles influence human beings as well as the earth's climate system. To understand these effects and to estimate their impact a detailed characterization of these particles is necessary. Of interest are size, form and chemical composition of the particles. Here laser ablation mass spectrometry as a sophisticated method to obtain those properties is highly attractive. rnrnThe first part of this work describes how the ability of the SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time-of-flight mass spectrometer) to analyse atmospheric aerosol particles has been enhanced. A new aerosol inlet is one key factor in those enhancements. It is capable of transmitting and focusing a wider particle size range (80 nm - 3 µm) to a fine beam. A new formula will be derived to calculate the particle size on base of their velocity. An automatic adjustment of the aerosol inlet has been implemented through the use of a stepper motor. A new method to measure the particle beam width has been developed based on this motorized inlet. The optical detection has been improved to detect particles smaller than 100 nm. The control electronics have been modified to allow for higher ablation frequencies.rnrnBesides the hardware modifications the main part of this work has been to design and implement a software tool to analyse the measured single particle data. CRISP (Concise Retrieval of Information from Single Particles) is based on IGOR PRO (Wavemetrics, USA) and allows the user to examine and evaluate the measured raw data in an efficient and fast way. CRISP contains a new algorithm for the mass calibration of the time of flight data, which includes the handling of noise and of strongly tailed signals by means of a wavelet transformation. For further examinations CRISP is able to perform unsupervised clustering of the data by three different algorithms (k-means, fuzzy c-means, hierarchical with the minimum-spanning tree). CRISP provides multiple ways to pretreat the data set to increase the quality of the results and to decrease the time needed for the clustering. Besides the unsupervised clustering CRISP provides a powerful mechanism to extract particles based on user specified criteria. A strong focus in the development of CRISP has been laid on generic and maintainable source code.rnrnDuring this work the SPLAT has been successfully deployed in several campagnes and the potential of CRISP to evaluate the resulting data could been shown.rnrnThe SPLAT is now capable of efficiently characterizing ambient aerosol particles, while CRISP allows a fast and focused evaluation of the data.