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MI 2016_60 Entwicklung eines Geräts zur Echtzeitbestimmung der anoganischen Zusammensetzung einzelner Feinstaubpartikel mittels Laserplasma-Aerosol-Massenspektrometrie
Projektleitung
	Dr. rer. nat. Jens Riedel BAM - PST. Präsidiale Stabsstelle E-Mail: Jens.Riedel@bam.de
Beteiligte BAM-Fachbereiche
	BAM - 1.9, Chemische und optische Sensorik
Förderstruktur
	BAM - BAM - Menschen - Ideen - Typ 3
Projektbeginn
	01.01.2017
Projektende
	29.02.2020
Projektart
	Realisierte Haushaltsfinanzierte Forschung
Themen-/Aktivitätsfeld
	THEMENFELD Analytical Sciences, * Sensorik
Abstract
	Im Zuge des beantragten Vorhabens soll ein neuartiges Messinstrument zur Echtzeitbestimmung der anorganischen Zusammensetzung einzelner Feinstaubpartikel mittels massenspektrometrischer Analyse entwickelt und gebaut werden. Dieses Gerät soll gezielt den hohen Anforderungen an einen autarken Online-Langzeitbetrieb in unbemannten Luftmesscontainern gerecht werden. Zu diesen Anforderungen zählen unter anderem charakteristische Kenngrößen wie: Kompaktheit, Robustheit des Geräts, darunter wird z.B. Resistenz gegenüber Erschütterungen oder weiteren externen Umweltfaktoren verstanden, die Wirtschaftlichkeit des neuen Verfahrens (effizienter Strom- und Gasverbrauch, sowie Wartungsfreiheit), Verlässlichkeit des Systems (hohe Empfindlichkeit, Selektivität, Richtigkeit und Präzision), sowie die Möglichkeit zur Hochdurchsatz-Analytik. Darüber hinaus spielen bei der Entwicklung dieses Geräts aber auch operative Details, wie eine automatisierte Datenakquisition, -verarbeitung und -ausgabe eine entscheidende Rolle. Gleichzeitig kann das vorgeschlagene Gerät verwendet werden, um den Ansatz der sogenannten Quellenzuordnung (engl. „source apportionment“) von Partikeln zu verfolgen. Jeder technische und natürliche Prozess hinterlässt einen charakteristischen Fingerabdruck, der sich in der Spurenzusammensetzung einzelner Partikel wiederspiegelt, wie beispielsweise charakteristische Schwer- und Übergangsmetalle als Teil der Feinstaubemission einer Industrieanlage. Die Rückführbarkeit solcher Partikel erlaubt es gezielt Strategien zur Emissionsreduzierung der betreffenden Belastungsregime zu erstellen. Das Messinstrument, welches in diesem Vorhaben entwickelt werden soll, kombiniert unterschiedliche existierende Techniken miteinander. Wie bei der ICP-MS erfolgt die Partikelverdampfung thermisch in einem Plasma. Erstmalig wird hier jedoch ein Plasma genutzt, welches über eine fokussierte Lasereinstrahlung quasikontinuierlich, unmittelbar in der partikeltragenden Luft gezündet wird. Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Lasersystemen wird ein diodengepumpter Festkörperlaser (DPSS) eingesetzt, der Repetitionsraten von bis zu 500 kHz ermöglicht. Diese neuartige Form eines Laserplasmas zeichnet sich vor allem durch ihren hohen Wirkungsgrad (Stromverbrauch ~ 80 W) und Duty Cycle (0.1), sowie eine hohe lokale Elektronendichte (ne = 1017/cm3) aus. Der verwendete Laser, basierend auf der Grundlage eines OEM-Lasers für die Metall- und Glasgravur, erlaubt eine wartungsfreie Dauernutzung in industrieller Umgebung und erfüllt alle Anforderungen an das beschriebene Projekt.