Pienhiukkasten haihtuvuusmittaukseen käytettävän FIGAERO-ToF-CIMS-laitteiston karakterisointi

Abstract

Ilmakehän aerosolit vaikuttavat maapalloon ja ihmiskuntaan monin tavoin, kuten säteilypakotteena ja terveysongelmia aiheuttavina hiukkaspäästöinä. Aerosolit jaetaan kemiallisen koostumuksensa perusteella orgaanisiin ja epäorgaanisiin aerosoleihin, ja aerosolihiukkaset voidaan muodostumisreittinsä perusteella luokitella primäärisiin ja sekundäärisiin aerosolihiukkasiin. Primääriset hiukkaset ovat jo ilmakehään päätyessään tiivistyneessä faasissa, kun taas sekundääriset hiukkaset muodostuvat ilmakehässä kaasuista erilaisten prosessien myötä. Ilmakehässä olevan kaasun kylläinen höyrynpaine kuvaa sitä, kuinka todennäköisesti kaasu tiivistyy hiukkasfaasiin. Tämän vuoksi aerosoleja tutkiessa on hyödyllistä tietää sen sisältämien yhdisteiden kylläisiä höyrynpaineita.

Tässä kandidaatintyössä perehdytään sekundääriseen orgaaniseen aerosoliin ja suoritetaan karakterisointi ja kalibrointi FIGAERO-ToF-CIMS-laitteistolle (Filter Inlet for Gases and AEROsols, Time-of-Flight Chemical Ionisation Mass Spectrometer). FIGAERO-ToF-CIMS on laitteisto, jolla voidaan selvittää ympäröivän ilman kaasu- ja hiukkaskoostumusta sekä mitattavien yhdisteiden kylläisiä höyrynpaineita, mistä johtuen laitteisto sopii haihtuvuusmittauksiin ja aerosolin tutkimiseen. FIGAERO-ToF-CIMS koostuu FIGAEROsta, joka on moniporttinen näytteenottolaite massaspektrometrille, ja ToF-CIMS:stä, eli kemiallisesti ionisoitujen molekyylien lentoajan mittaukseen perustuvasta massaspektrometristä. Jokainen FIGAERO on ominaisuuksiltaan yksilöllinen, joten ne on kalibroitava kappalekohtaisesti.

FIGAEROn kalibrointiin käytetään kahta eri tapaa: pipetointimetodia ja pirskotinmetodia. Tämän työn kokeellisissa mittauksissa käytettiin pipetointimetodia. Kalibrointistandardeina käytettiin polyetyleeniglykoleja PEG-6 ja PEG-8 asetonitriiliin liuotettuina. Kalibrointistandardeille määritettiin kalibraatiokertoimet, joiden avulla voidaan jatkossa laskea pelkästä massaspektrometrin signaalista FIGAEROn suodattimella ollut massa. Mittaustulokset osoittavat, että laitteisto havaitsee PEG-8:aa paremmin kuin PEG-6:ta. Voi olla, että laitteisto havaitsee paremmin suurempimassaisia molekyylejä, sillä PEG-8:n moolimassa on suurempi kuin PEG-6:n. Muita mahdollisia selityksiä havaintotehokkuuksien erolle on, että PEG-8 ionisoituu tai kulkee laitteiston läpi todennäköisemmin kuin PEG-6. Laitteiston mallintamisen parantamiseksi olisi hyvä tutkia havaintotehokkuuksia myös epäorgaanisilla ja erilaisia funktionaalisia ryhmiä sisältävillä yhdisteillä.

PEG-liuoksille määritettiin myös Tmax-arvot, eli lämpötilat, joissa massaspektrometrin havaitsema signaali on korkeimmillaan. Tmax-arvojen avulla voidaan määrittää yhdisteiden kylläisiä höyrynpaineita. Tmax-arvojen todettiin pysyvän pienillä massoilla lähestulkoon vakiona, mutta suurilla massoilla ne kasvavat massan kasvaessa. Tämä Tmax-arvojen riippuvuus massasta suurilla massoilla tulee ottaa huomioon mittaustekniikassa, kun laitteistoa käytetään todellisiin mittauksiin.