Laser-AMS-laitteisto pystyy määrittämään pienten hiukkasten koostumusta

Laser-AMS-laitteisto pystyy määrittämään 10-50 nanometrin kokoisten aerosolihiukkasten kemiallista koostumusta

Helsingin yliopistossa 8.11.2013 väittelevä Totti Laitinen rakensi väitöstutkimuksessaan laser-AMS-laitteiston, jolla pystytään ensimmäistä kertaa määrittämään kaupunki-ilmasta 50 nanometrin kokoisten aerosolihiukkasten sisältämä hiiliklustereiden pitoisuus.

Kenttämittauksissa Hyytiälän metsäasemalla laitteistolla tunnistettiin useita orgaanisia yhdisteitä 10-50 nanometrin kokoisista hiukkasista, merkittävintä oli kinoliinien tunnistaminen 10 nanometrin hiukkasista. Laitteistolla saadut tulokset auttavat aerosolihiukkasten muodostumisprosessien selvittämistä ja ymmärtämistä.

Ilmakehän aerosolihiukkaset ovat nestemäisiä tai kiinteitä partikkeleita, jotka leijuvat ilmassa erikokoisina ja vaihtelevin pitoisuuksin. Myös niiden kemiallinen koostumus vaihtelee. Ne vaikuttavat ilmastoon ja ihmisten terveyteen monella tavoin, esimerkiksi sirottamalla ja absorboimalla auringon säteilyä tai aiheuttamalla hengitystiesairauksia.

Aerosolihiukkasten tärkeimpiä ominaisuuksia on kuitenkin niiden koko. Pienimmät aerosolihiukkaset, joiden koko on alle 100 nanometriä (nm) ovat tärkeitä ilmakehän kemian kannalta, koska ne voivat esimerkiksi toimia pilvien tiivistymisytiminä. Lisäksi nämä nanoluokan hiukkaset voivat olla erityisen haitallisia ihmisten terveydelle. Näiden alle 100 nm hiukkasten muodostumisprosesseja ei vielä tunneta tarkasti osittain sen takia, että niiden kemiallisen koostumuksen määrittäminen on vaikeaa.

Totti Laitisen analyyttisen kemian alan väitöskirjatutkimuksessa rakennettiin kaksivaiheinen laserdesorptioionisaatio-aerosolimassaspektrometri (laser-AMS) kemiallisen koostumuksen määrittämiseen 10-50 nanometrin kokoisista aerosolihiukkasista. Laser-AMS:n toiminta ja soveltuvuus käytännön mittauksiin todettiin toimivaksi laboratoriomittauksissa sekä kenttämittauksissa.

Laitteisto toimii niin, että ilmakehän aerosolihiukkaset kerätään sähköstaattisella keräyksellä metallipinnalle ja johdetaan massaspektrometriin näytteensyöttöventtiilin avulla. Ennen analysointia hiukkaset desorboidaan näytteenkeräyspinnalta käyttäen infrapuna-alueella toimivaa laseria, ja hyvin nopeasti tämän jälkeen ne ionisoidaan toisella laserilla, joka toimii ultraviolettiaallonpituudella.

Laser-AMS-laitteistoa käyttämällä pystyttiin ensimmäistä kertaa määrittämään kaupunki-ilmasta kvantitatiivisesti 50 nm kokoisten aerosolihiukkasten sisältämä hiiliklustereiden pitoisuus. Se oli keskimäärin 7,2 prosenttia. Mittaukset tehtiin Helsingissä syystalvella 2012. Niiden aikana pystyttiin myös tunnistamaan useita fullereeneja ja niiden fragmentteja.

Helsingin yliopiston metsäasemalla Hyytiälässä tehdyissä kenttämittauksissa laitteistolla pystyttiin tunnistamaan useita orgaanisia yhdisteitä 10-50 nm kokoisista hiukkasista. Nämä tunnistetut yhdisteet sisälsivät muiden muassa typpiyhdisteitä, hiiliklustereita sekä alifaattisia ja aromaattisia hiilivetyjä.

Kaikkein merkittävin tapahtuma ilmakehän kemiassa havaittiin kevään 2011 mittauksissa lumien sulamisen aikaan, jolloin kinoliinien pitoisuudet 10 nm hiukkasissa kasvoivat merkittävästi ja samaan aikaan kinoliinien pitoisuudet kaasufaasissa (mitattu APi-TOFMS-laitteistolla) vähenivät merkittävästi. Tämä oli ensimmäinen kerta kun kinoliinien välinen kytkentä pystyttiin mittaamaan kaasufaasin ja 10 nm aerosolihiukkasten välillä.

Mainokset