Chemische Zusammensetzung atmosphärischer Cluster

Partikelneubildung (New Particle Formation, NPF) und Partikelwachstum in der Atmosphäre sind aufstrebende Forschungsfelder in den Umweltwissenschaften. In den letzten Jahren wurden die Messverfahren zur Analyse atmosphärischer geladener und neutraler molekularer Clustern so weit verbessert, dass nun die ersten Schritte der Partikelneubildung und des weiteren Wachstums zu Nanopartikeln beobachtbar sind. Forschungsergebnisse der letzten Jahre zeigen, dass Schwefelsäure und Ammoniak die wesentlichen Stoffe sind die zu einem Säure-Base stabilisierten Keimbildungs- mechanismus beitragen. Auch Amine und hoch-oxidierte organische Verbindungen werden als potenziell wichtige Stoffe für NPF und Partikelwachstum vorgeschlagen. Die bisher durchgeführten Studien haben wesentlich zum Verständnis der atmosphärischen NPF beigetragen. Es bleibt jedoch unklar, ob die derzeit verwendeten Instrumente den gesamten Kern der neu gebildeten Cluster mit allen gebundenen Liganden detektieren können. Bisher wurden keine Wasser-Liganden in den detektierten Cluster gefunden. Daher stellt sich die Frage, ob nur die eher lose gebundenen Wasser- Liganden oder auch stärker gebundene Verbindungen in Einlass und Ionen-Transfer Einheit der derzeitigen Instrumente verloren gehen? Dies ist von besonderer Bedeutung in Systemen mit oxidierten organischen Verbindungen, da angenommen werden kann dass diese Verbindungen zwar stärker als (z.B.) Wassermoleküle an den Säure-Basen-Stabilisierten Kern gebunden sind aber weniger stark an den Kern gebunden sind als der Kern selbst gebunden ist. Letztlich bedeutet dies, dass die chemische Zusammensetzung aller tatsächlich an der atmosphärischen Keimbildung beteiligten Cluster nur teilweise gelöst ist, und immer noch wesentliche Informationen über die grundlegenden Bausteine der Cluster fehlen. Daher schlagen wir hier detaillierte Untersuchungen der an atmosphärischer Nukleation beteiligten Clustern vor um die grundlegenden Bausteine (äquivalent zu den stark gebundenen Kernen mit Liganden) der unbekannten Cluster zu bestimmen. Die bisher verwendeten hochauflösenden Flugzeit-Massenspektrometer (TOF-MS) bieten eine zu geringe Massenauflösung für die eindeutige Identifizierung der an atmosphärischer NPF beteiligten Cluster. Wir werden ein Prototyp Instrument verwenden das vor kurzem an der Universität Innsbruck entwickelt wurde. Das sogenannte "nanoTOF" verfügt über eine eingebaute Kollisions-induzierte Dissoziations Zelle (CID-cell) und eine integrierte Axiale Ionen Mobilitäts Klassifizierung (AMC). Die Kombination dieser beiden Techniken mit einem hochmodernen TOF-MS erlaubt eine stufenweise Dissoziation der schwächsten gebunden Liganden (z.B. Wasser) und wird die Identifizierung der Bausteine der an NPF teilhabenden Cluster ermöglichen. In Labormessungen wird das "nanoTOF" verbessert und bewertet werden und in mehreren Feldmesskampagnen, vor allem im Rahmen des CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) Experiments am CERN und der Hyytiälä Messstation der Universität Helsinki verwendet werden. Das vorgeschlagene Projekt würde zum ersten Mal eine detaillierte Schritt-für- Schritt-Analyse der chemischen Zusammensetzung der an der NPF in der Atmosphäre beteiligten molekularen Clustern erlauben und ein Verständnis für die grundlegenden Mechansimen der Clusterbildung in atmopsherischer NPF schaffen. Die erwarteten Ergebnisse werden neue Erkenntnisse liefern und Modell-Studien mit neuen Daten versorgen um so ein tieferes Verständnis der atmosphärischen NPF und des Partikelwachstums und deren Auswirkungen auf das globale Klima zu bilden.

Das Forschungsprojekt "Chemische Zusammensetzung atmosphärischer Cluster" befasste sich mit Fragen zu den grundlegenden Mechanismen die zur Bildung neuer atmosphärischer Partikel (Keimbildung, Nukleation) beitragen, indem ein neuartiges Prototyp-Massenspektrometer verwendet wurde. Das ultimative Ziel des Projekts war es, die Unklarheit zu lösen, ob die bisher verwendeten Messinstrumente die Prozesse der atmosphärischen Neupartikelbildung auf molekularer Ebene vollständig abbilden können. Die Zusammenarbeit mit dem Universitäts-Spin-off IONICON Analytik GmbH führte zur Entwicklung eines neuen Instruments, des sogenannten ioniAPiTOF. Die neuartige Ionentransfereinheit, die in diesem Instrument verwendet wird, ermöglicht im Vergleich zu anderen etablierten Instrumenten ein viel breiteres zugängliches Massenfenster. Wir konnten auch zeigen, dass es möglich ist, Clusterionen mit viel niedrigeren Bindungsenergien ohne signifikante Fragmentierung zu übertragen, als dies für andere Instrumente abgeschätzt wird (Leiminger et al., 2019). Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieses Projekts ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dem Zoologischen Institut der Universität Innsbruck: Unser ursprünglich für die Analyse atmosphärischer und umweltrelevanter Nanopartikel entwickeltes Analysegerät bot nun eine Lösung für eine analytische Herausforderung in der Zoologie (Dvorak et al., 2019). Leiminger, M., Feil, S., Mutschlechner, P., Ylisirniö, A., Gunsch, D., Fischer, L., Jordan, A., Schobesberger, S., Hansel, A., Steiner, G. (2019) Characterisation of the transfer of cluster ions through an atmospheric pressure interface time-of-flight mass spectrometer with hexapole ion guides. Atmos. Meas. Tech., 12, 5231-5246, 2019; https://doi.org/10.5194/amt-12-5231-2019 Dvorak, M., Schnegg, R., Salvenmoser, W., Palacios, Ò., Lindner, H., Zerbe, O., Hansel, A., Leiminger, M., Steiner, G., Dallinger, R., Lackner, R. (2019) Distinct pathways for zinc metabolism in the terrestrial slug Arion vulgaris. Sci Rep 9, :20089 (2019); doi:10.1038/s41598-019-56577-7