Authors:	Stönner, Christof
Title:	Application of data mining techniques to indoor and outdoor air studies
Online publication date:	28-Jan-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	Humans emit a wide range of volatile organic compounds (VOCs). These molecules can be emitted via breath and skin and can be from endogenous or exogenous sources. The main breath gases besides N2 and O2 include CO2, acetone and isoprene and are mainly endogenously produced via metabolic pathways. Exogenously emitted molecules comprise methanol from the digestion of fruits and molecules such as monoterpenes and siloxanes used in hygiene products. The study of these human-made emissions is important for the detection of biomarkers for illnesses as well as for the estimation of the contribution of human emission to indoor and outdoor environments. The measurement of volatile organic compounds in indoor and outdoor studies was performed with a proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometer (PTR-TOF-MS). Closed spaces with controlled ventilation such as the showroom of a cinema allows the estimation of emission rates from a large group of people averaging over individual behaviour and habits. Factors such at diet or use of hygiene products depict the largest source for uncertainty in estimating the emission rates. On a much smaller scale the emission of human-emitted molecules varies with the emotional state. In the cinema showroom the screening of a film induces the same stimuli on a large amount of people and reproducible patterns in the time series of VOCs were found. The combination of the measured time series of VOCs and film scene annotations and the application of data mining techniques allows the discovery of relationships between the emission of VOC and specific scenes displayed in the film. Most of the world population now lives in urban areas and humans spend most of their time in indoor environments. In closed spaces people are exposed to volatile organic compounds which can occur in much higher abundances than outside. Since some of the VOCs can have adverse health impacts on humans it is important to estimate sources of VOCs in indoor environments such as emissions from furniture, human emissions and VOCs being transported from outside into these closed spaces. These outside sources are strongly dependent on biogenic sources such as emission of plants and vegetation and anthropogenic sources for example through combustion processes. Human emission can significantly impact the air chemistry in urban areas but on a global scale they only contribute a small amount to the total emission of VOCs. The behaviour and fate of a VOC is affected by many factors such as temperature, relative humidity and the origin of the air mass. To study the atmospheric chemistry of these VOCs, measurement campaigns were conducted in different locations lasting over 4 weeks. Typically, different meteorological conditions are faced during this measurement period. In order understand the atmospheric behaviour of a VOC it is useful to partition these time series in periods of similar meteorological conditions. To do this objectively a pattern identification method was applied. The data-driven investigation of the time series provided useful insights in the chemistry behind the VOCs. The proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometer is able to capture hundreds of VOCs in real time and therefore the combination of this instrument with data mining techniques has huge potential for future research projects. Menschen emittieren eine Vielzahl von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs). Diese Moleküle können über den Atem und die Haut emittiert werden und stammen aus endogenen oder exogenen Quellen. Die wichtigsten Atemgase neben N2 und O2 sind CO2, Aceton und Isopren und werden hauptsächlich endogen über Stoffwechselwege produziert. Moleküle wie Methanol, aus der Verdauung von Früchten, und Monoterpene und Siloxane aus Hygieneprodukten kommen aus exogenen Quellen. Die Untersuchung dieser menschlichen Emissionen ist wichtig für die Identifikation von Biomarkern von Krankheiten sowie für die Abschätzung des Beitrags menschlicher Emissionen zur Innen- und Außenluft. Die Messungen von VOCs in der Innen- und Außenluft wurde mit einem Protonentransfer-Flugzeitmassenspektrometer (PTR-TOF-MS) durchgeführt. Durch die Messung von menschlichen Emissionen in geschlossene Räumen mit kontrollierter Ventilation wie in einem Kinosaal können Emissionsraten von einer großen Anzahl von Menschen, die sich durch individuelle Verhaltensweisen und Gewohnheiten unterscheidet, berechnet werden. Die größte Unsicherheit bei der Schätzung dieser Emissionsraten stellen Faktoren wie Ernährung oder Konsum von Hygieneprodukten dar. In einem viel kleineren Maßstab variiert diese Emissionen mit dem emotionalen Zustand. Durch das Zeigen eines Films werden die gleichen Reize bei einer großen Anzahl von Menschen induziert und reproduzierbare Muster in der Zeitreihe der emittierten Moleküle wurden beobachtet. Die Auswertung der gemessenen Zeitreihen und der gezeigten Filmszenen mithilfe von Data Mining-Methoden zeigte Korrelationen zwischen menschlichen Emissionen von VOCs und Filmszenen. Ein Großteil der Erdbevölkerung lebt in städtischen Gebieten und die Menschen verbringen die meiste Zeit in Innenräumen. Dort sind die Menschen VOCs ausgesetzt, welche gesundheitsschädlich sein können und zum Teil in höheren Konzentrationen vorkommen. Daher ist es wichtig, Emissionen von VOCs in Innenräumen wie zum Beispiel aus Möbeln sowie menschliche Emissionen und VOCs, die von außen in diese geschlossenen Räume transportiert werden, zu charakterisieren. VOCs in der Außenluft sind stark abhängig von biogenen Quellen wie der Emission von Pflanzen und Vegetation und anthropogenen Quellen durch Verbrennungsprozesse. Die Emissionen von Menschen können die Luftchemie in städtischen Gebieten erheblich beeinflussen, aber auf globaler Ebene tragen sie nur einen kleinen Teil zur Gesamtemission von VOCs bei. Das Verhalten eines Moleküls wird von vielen Faktoren wie zum Beispiel Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und der Herkunft der Luftmasse beeinflusst. Um die Zusammensetzung dieser VOCs in der Atmosphäre zu untersuchen, wurden an verschiedenen Standorten Messkampagnen über 4 Wochen durchgeführt. In der Regel sind während dieser Messperiode unterschiedliche meteorologische Bedingungen zu beobachten. Um das Verhalten von VOCs zu verstehen, ist es sinnvoll, diese Zeitreihen in Zeiträume ähnlicher meteorologischer Bedingungen zu unterteilen. Dafür wurde eine datengesteuerte Musteridentifikationsmethode angewendet. Die Untersuchung der Zeitreihen lieferte nützliche Einsichten in die Chemie hinter den VOCs. Das PTR-TOF-MS ist in der Lage hunderte Moleküle in Echtzeit zu messen und daher bietet die Kombination von Data Mining-Methoden ein großes Potential für die Auswertung dieser Daten.
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-2821
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000025813
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	133 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen