Development and application of mass-spectrometric methods for the quantification and characterization of organic compounds in ice cores

Eisbohrkerne stellen wertvolle Klimaarchive dar, da sie atmosphärisches Aerosol konservieren. Die Analyse chemischer Verbindungen als Bestandteil atmosphärischer Aerosole in Eisbohrkernen liefert wichtige Informationen über Umweltbedingungen und Klima der Vergangenheit. Zur Untersuchung der α-Dicarbonyle Glyoxal und Methylglyoxal in Eis- und Schneeproben wurde eine neue, sensitive Methode entwickelt, die die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit der Hochleistungsflüssigchromatographie-Massenspektrometrie (HPLC-MS) kombiniert. Zur Analyse von Dicarbonsäuren in Eisbohrkernen wurde eine weitere Methode entwickelt, bei der die Festphasenextraktion mit starkem Anionenaustauscher zum Einsatz kommt. Die Methode erlaubt die Quantifizierung aliphatischer Dicarbonsäuren (≥ C6), einschließlich Pinsäure, sowie aromatischer Carbonsäuren (wie Phthalsäure und Vanillinsäure), wodurch die Bestimmung wichtiger Markerverbindungen für biogene und anthropogene Quellen ermöglicht wurde. Mit Hilfe der entwickelten Methoden wurde ein Eisbohrkern aus den Schweizer Alpen analysiert. Die ermittelten Konzentrationsverläufe der Analyten umfassen die Zeitspanne von 1942 bis 1993. Mittels einer Korrelations- und Hauptkomponentenanalyse konnte gezeigt werden, dass die organischen Verbindungen im Eis hauptsächlich durch Waldbrände und durch vom Menschen verursachte Schadstoffemissionen beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu sind die Konzentrationsverläufe einiger Analyten auf den Mineralstaubtransport auf den Gletscher zurückzuführen. Zusätzlich wurde ein Screening der Eisbohrkernproben mittels ultrahochauflösender Massenspektrometrie durchgeführt. Zum ersten Mal wurden in diesem Rahmen auch Organosulfate und Nitrooxyorganosulfate in einem Eisbohrkern identifiziert.

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

Characteristics and aldehyde concentrations of diamond dust events near Barrow, Alaska

Diamond dust (DD) refers to tiny ice crystals that form frequently in the Polar troposphere under clear sky conditions. They provide surfaces for chemical reactions and scatter light. We have measured the specific surface area (SSA) of DD at Barrow in March-April 2009. We have also measured its chemical composition in mineral and organic ions, dissolved organic carbon (DOC), aldehydes, H2O2, and the absorption spectra of water-soluble chromophores. Mercury concentrations were also measured in spring 2006, when conditions were similar. The SSA of DD ranges from 79.9 to 223 m**2/kg . The calculated ice surface area in the atmosphere reaches 11000 (±70%) µm**2/cm**3, much higher than the aerosol surface area. However, the impact of DD on the downwelling and upwelling light fluxes in the UV and visible is negligible. The composition of DD is markedly different from that of snow on the surface. Its concentrations in mineral ions are much lower, and its overall composition is acidic. Its concentrations in aldehydes, DOC, H2O2 and mercury are much higher than in surface snows. Our interpretation is that DOC from the oceanic surface microlayer, coming from open leads in the ice off of Barrow, is taken up by DD. Active chemistry in the atmosphere takes place on DD crystal surfaces, explaining its high concentrations in aldehydes and mercury. After deposition, active photochemistry modifies DD composition, as seen from the modifications in its absorption spectra and aldehyde and H2O2 content. This probably leads to the emissions of reactive species to the atmosphere.

Measurements of seawater and aerosol particles during POLARSTERN cruise ANT-XXVII/4

An analytical method for the determination of the alpha dicarbonyls glyoxal (GLY) and methylglyoxal (MGLY) from seawater and marine aerosol particles is presented. The method is based on derivatization with o-(2,3,4,5,6-Pentafluorobenzyl)-hydroxylamine (PFBHA) reagent, solvent extraction and GC-MS (SIM) analysis. The method showed good precision (RSD < 10%), sensitivity (detection limits in the low ng/l range), and accuracy (good agreement between external calibration and standard addition). The method was applied to determine GLY and MGLY in oceanic water sampled during the Polarstern cruise ANT XXVII/4 from Capetown to Bremerhaven in spring 2011. GLY and MGLY were determined in the sea surface microlayer (SML) of the ocean and corresponding bulk water (BW) with average concentrations of 228 ng/l (GLY) and 196 ng/l (MGLY). The results show a significant enrichment (factor of 4) of GLY and MGLY in the SML. Furthermore, marine aerosol particles (PM1) were sampled during the cruise and analyzed for GLY (average concentration 0.19 ng/m**3) and MGLY (average concentration 0.15 ng/m**3). On aerosol particles, both carbonyls show a very good correlation with oxalate, supporting the idea of a secondary formation of oxalic acid via GLY and MGLY. Concentrations of GLY and MGLY in seawater and on aerosol particles were correlated to environmental parameters such as global radiation, temperature, distance to the coastline and biological activity. There are slight hints for a photochemical production of GLY and MGLY in the SML (significant enrichment in the SML, higher enrichment at higher temperature). However, a clear connection of GLY and MGLY to global radiation as well as to biological activity cannot be concluded from the data. A slight correlation between GLY and MGLY in the SML and in aerosol particles could be a hint for interactions, in particular of GLY, between seawater and the atmosphere.

Chemical characterization of marine sub-micrometer aerosol particles during the MERIAN cruise MSM18/3 from the Cape Verde island Sao Vicente to Gabun (Atlantic Ocean)

Sub-micron marine aerosol particles (PM1) were collected during the MERIAN cruise MSM 18/3 between 22 June 2011 and 21 July 2011 from the Cape Verde island Sao Vicente to Gabun crossing the tropical Atlantic Ocean and passing equatorial upwelling areas. According to air mass origin and chemical composition of the aerosol particles, three main regimes could be established. Aerosol particles in the first part of the cruise were mainly of marine origin, in the second part was marine and slightly biomass burning influenced (increasing tendency) and in the in last part of the cruise, approaching the African mainland, biomass burning influences became dominant. Generally aerosols were dominated by sulfate (caverage = 1.99 µg/m**3) and ammonium ions (caverage = 0.72 µg/m**3) that are well correlated and slightly increasing along the cruise. High concentrations of water insoluble organic carbon (WISOC) averaging 0.51 µg/m**3 were found probably attributed to the high oceanic productivity in this region. Water soluble organic carbon (WSOC) was strongly increasing along the cruise from concentrations of 0.26 µg/m**3 in the mainly marine influenced part to concentrations up to 3.3 µg/m**3 that are probably caused by biomass burning influences. Major organic constituents were oxalic acid, methansulfonic acid (MSA) and aliphatic amines. MSA concentrations were quite constant along the cruise (caverage = 43 ng/m**3). While aliphatic amines were more abundant in the first mainly marine influenced part with concentrations of about 20 ng/m**3, oxalic acid showed the opposite pattern with average concentrations of 12 ng/m**3 in the marine and 158 ng/m**3 in the biomass burning influenced part. The alpha dicarbonyl compounds glyoxal and methylglyoxal were detected in the aerosol particles in the low ng/m**3 range and followed oxalic acid closely. MSA and aliphatic amines accounted for biogenic marine (secondary) aerosol constituents whereas oxalic acid and the alpha dicarbonyl compounds were believed to result mainly from biomass burning. N-alkane concentrations increased along the cruise from 0.81 to 4.66 ng/m**3, PAHs and hopanes were abundant in the last part of the cruise (caverage of PAHs = 0.13 ng/m**3, caverage of hopanes = 0.19 ng/m**3). Levoglucosan was identified in several samples of the last part of the cruise in concentrations around 2 ng/m**3, pointing to (aged) biomass burning influences. The investigated organic compounds could explain 9.5% of WSOC in the mainly marine influenced part (dominating compounds: aliphatic amines and MSA) and 2.7% of WSOC in the biomass burning influenced part (dominating compound: oxalic acid) of the cruise.

Historic records of organic compounds from a high Alpine glacier: influences of biomass burning, anthropogenic emissions, and dust transport

Historic records of α-dicarbonyls (glyoxal, methylglyoxal), carboxylic acids (C6–C12 dicarboxylic acids, pinic acid, p-hydroxybenzoic acid, phthalic acid, 4-methylphthalic acid), and ions (oxalate, formate, calcium) were determined with annual resolution in an ice core from Grenzgletscher in the southern Swiss Alps, covering the time period from 1942 to 1993. Chemical analysis of the organic compounds was conducted using ultra-high-performance liquid chromatography (UHPLC) coupled to electrospray ionization high-resolution mass spectrometry (ESI-HRMS) for dicarbonyls and long-chain carboxylic acids and ion chromatography for short-chain carboxylates. Long-term records of the carboxylic acids and dicarbonyls, as well as their source apportionment, are reported for western Europe. This is the first study comprising long-term trends of dicarbonyls and long-chain dicarboxylic acids (C6–C12) in Alpine precipitation. Source assignment of the organic species present in the ice core was performed using principal component analysis. Our results suggest biomass burning, anthropogenic emissions, and transport of mineral dust to be the main parameters influencing the concentration of organic compounds. Ice core records of several highly correlated compounds (e.g., p-hydroxybenzoic acid, pinic acid, pimelic, and suberic acids) can be related to the forest fire history in southern Switzerland. P-hydroxybenzoic acid was found to be the best organic fire tracer in the study area, revealing the highest correlation with the burned area from fires. Historical records of methylglyoxal, phthalic acid, and dicarboxylic acids adipic acid, sebacic acid, and dodecanedioic acid are comparable with that of anthropogenic emissions of volatile organic compounds (VOCs). The small organic acids, oxalic acid and formic acid, are both highly correlated with calcium, suggesting their records to be affected by changing mineral dust transport to the drilling site.

Geochemistry, isotopic ratios and aldehyde concentrations of frost flowers, snow and ice near Barrow, Alaska

Frost flowers, intricate featherlike crystals that grow on refreezing sea ice leads, have been implicated in lower atmospheric chemical reactions. Few studies have presented chemical composition information for frost flowers over time and many of the chemical species commonly associated with Polar tropospheric reactions have never been reported for frost flowers. We undertook this study on the sea ice north of Barrow, Alaska to quantify the major ion, stable oxygen and hydrogen isotope, alkalinity, light absorbance by soluble species, organochlorine, and aldehyde composition of seawater, brine, and frost flowers. For many of these chemical species we present the first measurements from brine or frost flowers. Results show that major ion and alkalinity concentrations, stable isotope values, and major chromophore (NO3- and H2O2) concentrations are controlled by fractionation from seawater and brine. The presence of these chemical species in present and future sea ice scenarios is somewhat predictable. However, aldehydes, organochlorine compounds, light absorbing species, and mercury (part 2 of this research and Sherman et al. (2012, doi:10.1029/2011JD016186)) are deposited to frost flowers through less predictable processes that probably involve the atmosphere as a source. The present and future concentrations of these constituents in frost flowers may not be easily incorporated into future sea ice or lower atmospheric chemistry scenarios. Thinning of Arctic sea ice will likely present more open sea ice leads where young ice, brine, and frost flowers form. How these changing ice conditions will affect the interactions between ice, brine, frost flowers and the lower atmosphere is unknown.

Uncatalysed and potassium-catalysed pyrolysis of the cell-wall constituents of biomass and their model compounds

Cell-wall components (cellulose, hemicellulose (oat spelt xylan), lignin (Organosolv)), and model compounds (levoglucosan (an intermediate product of cellulose decomposition) and chlorogenic acid (structurally similar to lignin polymer units)) have been investigated to probe in detail the influence of potassium on their pyrolysis behaviours as well as their uncatalysed decomposition reaction. Cellulose and lignin were pretreated to remove salts and metals by hydrochloric acid, and this dematerialized sample was impregnated with 1% of potassium as potassium acetate. Levoglucosan, xylan and chlorogenic acid were mixed with CHCOOK to introduce 1% K. Characterisation was performed using thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermal analysis (DTA). In addition to the TGA pyrolysis, pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry (PY-GC-MS) analysis was introduced to examine reaction products. Potassium-catalysed pyrolysis has a huge influence on the char formation stage and increases the char yields considerably (from 7.7% for raw cellulose to 27.7% for potassium impregnated cellulose; from 5.7% for raw levoglucosan to 20.8% for levoglucosan with CHCOOK added). Major changes in the pyrolytic decomposition pathways were observed for cellulose, levoglucosan and chlorogenic acid. The results for cellulose and levoglucosan are consistent with a base catalysed route in the presence of the potassium salt which promotes complete decomposition of glucosidic units by a heterolytic mechanism and favours its direct depolymerization and fragmentation to low molecular weight components (e.g. acetic acid, formic acid, glyoxal, hydroxyacetaldehyde and acetol). Base catalysed polymerization reactions increase the char yield. Potassium-catalysed lignin pyrolysis is very significant: the temperature of maximum conversion in pyrolysis shifts to lower temperature by 70 K and catalysed polymerization reactions increase the char yield from 37% to 51%. A similar trend is observed for the model compound, chlorogenic acid. The addition of potassium does not produce a dramatic change in the tar product distribution, although its addition to chlorogenic acid promoted the generation of cyclohexane and phenol derivatives. Postulated thermal decomposition schemes for chlorogenic acid are presented. © 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Gas/particle partitioning of carbonyls in the photooxidation of isoprene and 1,3,5-trimethylbenzene

A new denuder-filter sampling technique has been used to investigate the gas/particle partitioning behaviour of the carbonyl products from the photooxidation of isoprene and 1,3,5-trimethylbenzene. A series of experiments was performed in two atmospheric simulation chambers at atmospheric pressure and ambient temperature in the presence of NOx and at a relative humidity of approximately 50%. The denuder and filter were both coated with the derivatizing agent O-(2,3,4,5,6-pentafluorobenzyl)-hydroxylamine (PFBHA) to enable the efficient collection of gas- and particle-phase carbonyls respectively. The tubes and filters were extracted and carbonyls identified as their oxime derivatives by GC-MS. The carbonyl products identified in the experiments accounted for around 5% and 10% of the mass of secondary organic aerosol formed from the photooxidation of isoprene and 1,3,5-trimethylbenzene respectively. Experimental gas/particle partitioning coefficients were determined for a wide range of carbonyl products formed from the photooxidation of isoprene and 1,3,5-trimethylbenzene and compared with the theoretical values based on standard absorptive partitioning theory. Photooxidation products with a single carbonyl moiety were not observed in the particle phase, but dicarbonyls, and in particular, glyoxal and methylglyoxal, exhibited gas/particle partitioning coefficients several orders of magnitude higher than expected theoretically. These findings support the importance of heterogeneous and particle-phase chemical reactions for SOA formation and growth during the atmospheric degradation of anthropogenic and biogenic hydrocarbons.

Połączenia krzyżowe pochodnych cysteiny z aldehydowymi adduktami nukleozydów adeninowych

Wydział Chemii