Authors:	Münz, Julia
Title:	Entwicklung einer Thermodesorptionseinheit für die GC/MS zur Bestimmung hochreaktiver, biogener Kohlenwasserstoffe und deren Anwendung im Rahmen von Labor- und Feldstudien
Online publication date:	18-Jan-2011
Year of first publication:	2011
Language:	german
Abstract:	Flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOCs), besonders \r\nTerpene, gelten als Vorläufer des sekundären organischen Aerosols (secondary \r\norganic aerosols, SOA). Terpene werden von Pflanzen zur Abwehr oder zur \r\nAttraktion von Bestäubern emittiert. Ungesättigten Verbindungen, wie Sesquiterpene, \r\nsind sehr ozonolyseempfindlich und weisen nur geringe Konzentrationen in der \r\nAtmosphäre auf. Zudem lassen sie sich mit handelsüblichen \r\nThermodesorptionseinheiten meist nicht ohne Artefakte nachweisen, da sie eine hohe \r\nReaktivität mit vielen Oberflächen zeigen. \r\nDiese Arbeit präsentiert Forschungsergebnisse der qualitativen und \r\n(semi)quantitativen Auswertungen flüchtiger organischer Verbindungen in \r\nLaborstudien und biogenen Emissionsproben (Feldmessungen) mittels \r\nThermodesorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TD-GC/MS). Speziell \r\nzur Analyse hochreaktiver Verbindungen wurde eine Thermodesorptionseinheit für die \r\nGC/MS entwickelt. Diese besteht aus einer Kryofokussierung, einem Desorptionsofen \r\nund einer Heizung. Die Steuerung erfolgt über eine eigens dafür geschaffene \r\nBedienoberf läche von Labview® an einem PC über eine nachgeschaltete SPS \r\n(speicherprogrammierbare Steuerung). Das komplette Desorptionsprogramm und der \r\nStart der GC/MS-Analyse wurden automatisiert. \r\nDie Quantifizierung alle Proben wurde über Diffusionsquellen und \r\nVergleichsmessungen durch auf Adsorptionsröhrchen aufgebrachte \r\nVerdünnungsreihen realisiert. Um Informationen über die mutmaßlichen Vorläufer des \r\nsekundären organischen Aerosols zu erhalten, wurde zudem eine Ozon-Scrubber-\r\nMethode basierend auf Propen entwickelt. Diese wurde anhand von Standards in einer \r\nReaktionskammer getestet und in Feldmessungen erfolgreich angewendet. \r\nQuantitative Analysen zeigen, dass die meisten Terpene so vollständig vor der \r\nOzonolyse bewahrt werden können. Für hochreaktive Analyte wie α-Humulen oder \r\nβ-Caryophyllen wurden Wiederfindungsraten von über 80 % erreicht. So konnte die \r\ nTemperaturabhängigkeit der Terpen-Emissionen der Fichte (Picea abies) in \r\nFeldmessungen nachgewiesen werden. \r\nEine weitere Anwendungsmöglichkeit wurde mit der Unterscheidung verschiedener \r\nArten der gleichen Gattung anhand der Emissionsmuster und der möglichen \r\nAbgrenzung verschiedener Bestäubertypen am Beispiel der Gattung Salvia untersucht. \r\nDie Emissionsanalysen zeigen, dass eine Zuordnung der Verwandtschaftsverhältnisse \r\nzusätzlich zu anderen Vergleichen möglich ist. Das gleiche gilt für die Differenzierung \r\nvon Bestäubertypen. Die Ergebnisse der Feldmessungen wurden durch \r\nMethodenvergleich zwischen biogenen Emissionsmessungen mit anschließender \r\nTD-GC/MS-Analyse und Extraktionen der jeweiligen Blüten/Blätter mit \r\nanschließender GC/MS-Messung bestätigt. Volatile organic compounds (VOCs), especially terpenes, are considered to be \r\nprecursors of secondary organic aerosols (SOA). Terpenes are emitted by plants for \r\ndefence or attracting pollinators. Unsaturated compounds like sesquiterpenes are very \r\nsentitive to ozone and show only low concentrations in the atmosphere. Due to their \r\nhigh reactivity on many surfaces artefacts were often formed during sampling and \r\nmeasuring. \r\nThis work presents results of qualitative and (semi-) quantitative analyses of volatile \r\norganic compounds in laboratory studies and in field measurements with plenty of \r\nbiogenic emissions by thermodesorption gas chromatography mass spectrometry \r\n(TD-GC/MS). A new thermodesorption unit as an injector for the GC-MS system, \r\nconsisting of a cryo trap, a desorption oven and a heating, was developed. The TD unit \r\nis connected to a GC-MS system by a self-made operating interface of Labview®, \r\nwhich is automatically controlled by a “SPS” (“ speicherprogramierbare Steuerung”). \r\nThe quantification was achieved by external calibration of adsorption tubes by self-\r\ncertified diffusion sources and comparative measurements of liquid samples. A new \r\nozone scrubber method based on propene was developed to analyze high reactive \r\nVOCs in the atmosphere. It was tested with standards in a reaction chamber. \r\nQuantitative analyses showed that most of the terpene can be completely preserved \r\nfrom ozonolysis. Recovery rates for high reactive analytes such as αHumulen and \r\nβ-Caryophyllen are higher than 80 %. This technique was successfully applied in field \r\nmeasurements to analyze monoterpenes and sesquiterpenes. So a temperature \r\ndependence of the terpen emission from spruce (Picea abies) has been indicated. \r\nCorrelations of different species of the same genus and between varied pollinators by \r\nthe analyses of flower emissions have been tested on Salvia. The results showed that \r\nTD-GC/MS is a reliable method for classification of the relationship between different \r\nspecies of the same genus and for correlation of the differentiation of pollinators. The \r\nresults of the field measurements were conf irmed by method comparison between \r\nbiogenic emission samples with TD-GC/MS analysis and extractions of the blossoms \r\nfollowed by GC/MS measurement. \r\nThe applications of the TD-GC/MS system in field samples from the West-Irish coast \r\nshowed that not only organoiodides such as CH3I and CH2I2 but also monoterpenes \r\nand sesquiterpenes could be successfully detected. Moreover, correlations between \r\nanalyte concentration and environmental parameters such as weather conditions and \r\nlight intensity were found. \r\nTo sum up, a new TD-GC/MS system has been developed to determine quantitatively \r\nvolatile, highly reactive analytes in trace levels. The new ozone scrubber provides the \r\npossibility of field measurements under high ozone concentrations. The observed \r\ncorrelations and temperature dependence confirm the large applicability and \r\nconsistency of the method. This method provides a basis for further detailed investigations on SOA precursors and their influencing factors. For a better \r\nunderstanding more efforts have to be untertaken in the future.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2307
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-25416
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	14431 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen