APi-TOF - Atmospheric Pressure Inlet Time of Flight Mass Spectrometer

Ionen werden in der Atmosphäre durch Stöße von hochenergetischen Teilchen mit den Molekülen der Luft permanent erzeugt. Quellen dieser hochenergetischen Teilchen sind die kosmische Strahlung und der radioaktive Zerfall von Radon. Typische bodennahe Ionenkonzentrationen in der Atmosphäre liegen im Bereich 100-1000 Ionen cm^-3. Mit Lebenszeiten von einigen Minuten haben Elektronen und Protonen genügend Zeit von Molekül zu Molekül übertragen zu werden, wobei nur ein energetisch begünstigter Transfer stattfindet. Als Folge sind negative Ionen durch saure Spezies mit den niedrigsten Protonenaffinitäten dominiert, wohingegen bei den positiven Ionen basische Spezies mit großen Protonenaffinitäten überwiegen. Die Messung natürlicher Ionen erlaubt einen sehr empfindliche Nachweis verschiedener, saurer und basischer Spezies in niedrigsten Spurenkonzentrationen. Aus dem Ionenspektrum kann abgeleitet werden, welche neutralen Moleküle vorhanden sind, jedoch können keine einfachen Rückschlüsse auf ihre tatsächlichen Konzentrationen gezogen werden.

Ein neuentwickeltes Atmospheric Pressure Inlet Time of Flight Massenspektrometer (APi-TOF) ist in der Lage Ionenmassenspektren bis zu Molekülmassen von 3000 Da zu messen. Das Gerät wurde auf hohe Empfindlichkeit mit einer Nachweisgrenze von 0.1 cm^-3 bei 1 h Zeitauflösung optimiert, bei einem Auflösungsvermögen von 3000-4000. Die Arbeitsweise des API-TOF ist einfach: Luft wird durch eine kritische Düse in den Einlass (APi) gesaugt. Die Luft wird durch differentielles Pumpen abgesaugt, während die Ionen mit Hilfe von Quadrupol Driftstrecken in das TOF-Massenspektrometer gelenkt werden. Dort wird dann das Masse-zu-Ladungsverhältnis gemessen.

Erste Anwendungen haben gezeigt, dass das API-TOF ein sehr hilfreiches Werkzeug zur Untersuchung der ersten Schritte der Gas-zu-Partikel Umwandlung ist. Bei atmosphärischen Partikelbildungsereignissen wurden Cluster von bis zu 4 Schwefelsäure Molekülen mit Ammoniak gefunden. Die Gruppe Heterogen Reaktion setzt das APi-TOF für Studien der Nukleation durch Oxidation von Pflanzenemission an der Pflanzenkammer JPAC ein und für Feldstudien auf dem Luftschiff Zeppelin NT im Rahmen des PEGASOS-Projekts.