Kipinäindusoitu plasmaspektroskopia yksittäisten aerosolihiukkasten alkuaineanalyysiin

Abstract

Aerosolihiukkaset vaikuttavat merkittävästi ilmakehän prosesseihin ja ihmisten terveyteen. Niitä syntyy sekä luonnollisista että ihmisperäisistä lähteistä, ja niiden alkuainekoostumuksen tunteminen auttaa ymmärtämään niiden alkuperää ja vaikutuksia. Perinteisesti aerosolihiukkasten alkuaineanalyysiä on tehty keräysmittauksilla, jotka ovat kuitenkin hitaita ja vaativat näytteen valmistelua. Aerosolimassaspektrometria on vakiintunut menetelmä reaaliaikaiseen alkuaineanalyysiin, mutta se puolestaan vaatii kallista ja raskasta laitteistoa. Viime aikoina myös laser-indusoitua plasmaspektroskopiaa (LIBS, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) on käytetty menestyksekkäästi aerosolihiukkasten reaaliaikaiseen alkuaineanalyysiin, ja se on massaspektrometriaa kustannustehokkaampi ja kompaktimpi menetelmä.

Potentiaalisesti LIBS:äkin edullisempi ja kevyempi ratkaisu hiukkasten alkuaineanalyysiin on kipinäindusoitu plasmaspektroskopia (SIBS, Spark-Induced Breakdown Spectroscopy). Toistaiseksi raportoidut SIBS-pohjaiset aerosolimittalaitteistot soveltuvat kuitenkin lähinnä suuriin pitoisuuksiin ja keräysmittauksiin. Tietyissä sovelluksissa, kuten biologisten hiukkasten tai jäänukleaatiohiukkasten tutkimuksessa, yksittäisten aerosolihiukkasten koostumus on olennaista. Tämän työn tarkoituksena olikin tutkia SIBS-menetelmän soveltuvuutta yksittäishiukkasten mittaukseen. Tavoitteena oli luoda kustannustehokas aerosoli-SIBS-laitteisto, joka kykenee mittaamaan spektrejä yksittäisistä monisuolahiukkasista suoraan lennosta. Laitteisto sisältää induktiivisen ja kapasitiivisen menetelmän kipinän tuottamiseen, spektrometriin perustuvan optisen detektointijärjestelmän sekä kapean näytevirtauksen tuottavan suuttimen.

Laitteiston käytettävyyttä tutkittiin kokeellisesti arvioimalla purkausplasman lämpötilaa, hiukkasen ja kipinän välistä osumistodennäköisyyttä sekä pienintä mitattavaa hiukkaskokoa. Plasman lämpötilaa arvioitiin huoneilmasta mitattujen hapen ja typen emissiopiikkien perusteella. Induktiivisesti tuotetun plasman lämpötilaksi saatiin noin 3500 K, mikä rajoittaa havaittavien alkuaineiden joukkoa merkittävästi. Kapasitiivisesti tuotetun plasman lämpötila oli noin 7000 K, mikä on käytettävyyden kannalta jo huomattavasti parempi, mutta esimerkiksi hiilen havaitseminen vaatisi arviolta noin 11 000 K lämpötilan. Mittauksissa myös todettiin, että kipinän energian lisääminen ei kasvattanut purkausplasman lämpötilaa merkittävästi, joten lämpötilan nostamiseen tulisi löytää jokin muu keino.

Osumistodennäköisyyttä ja havaittavaa hiukkaskokoa arvioitiin mittaamalla monisuolahiukkasia. Induktiivisella kipinägeneraattorilla hiukkasista havaittiin kaliumia ja natriumia parhaimmillaan noin 3,5 × 10^(−3) osumistodennäköisyydellä, ja pienin mitattava hiukkaskoko oli noin 2 µm. Osumistodennäköisyyttä on mahdollista parantaa, mutta merkittäviksi rajoitteiksi jää purkausplasman matala lämpötila sekä suurehko mitattava hiukkaskoko, joka olisi sovellusten kannalta hyvä saada noin 1 µm:iin. Kapasitiivisella kipinägeneraattorilla havaittiin magnesiumia ja natriumia, mutta osumistodennäköisyys jäi sillä vain noin 0,1 × 10^(−3):een lyhyemmän plasman eliniän takia. Lisäksi sen käytännöllinen maksimikipinätaajuus oli vain 1 Hz, joten sen käytettävyyttä rajoittaa analyysinopeus. Osumistodennäköisyyden arviontiin kehitettiin myös laskennallinen malli, joka vastasi melko hyvin kokeellisia tuloksia. Yhteenvetona käytettävyydestä voidaan todeta, että SIBS-menetelmällä kyetään mittaamaan yksittäisiä aerosolihiukkasia suoraan lennosta, mutta nykyisessä muodossaan kehitetty laitteisto ei ole erityisen käytännöllinen esimerkiksi ulkoilmamittauksiin. Jatkokehityksen myötä menetelmällä voisi kuitenkin olla potentiaalia teollisissa sovelluksissa ja suurikokoisten ilmakehähiukkasten alkuaineluokittelussa.