Laboratory and field characterization of a new online instrument for analysis of single bioaerosol particle fluorescence spectra

Abstract

Instrumente, die lichtinduzierte Fluoreszenz (LIF) zum Nachweis intrinsischer Fluoreszenz verwenden, werden häufig für die Echtzeit-Charakterisierung von primären biologischen Aerosolpartikeln (PBAPs) verwendet. Die Anwendung von LIF-Instrumenten hat unser Wissen über PBAP-Abundanz und -Diversität deutlich erweitert. Aufgrund der Komplexität der PBAP-Zusammensetzung und der begrenzten Spektralinformation, die von den meisten kommerziellen LIF-Instrumenten bereitgestellt wird, ist die Analyse von PBAPs jedoch immer noch mit erheblichen Unsicherheiten verbunden. Neue Generationen von LIF-Instrumenten werden entwickelt, die eine höhere spektrale Auflösung für eine bessere Partikelklassifizierung bieten. Die vorliegende Dissertation adressiert die Labor- und Feldcharakterisierung eines Instruments - dem Spectral Intensity Bioaerosol Sensor (SIBS) – welches spektral aufgelöste Fluoreszenzinformationen für einzelne, luftgetragene Partikel in Echtzeit liefert und somit vielversprechend für eine Verbesserung der PBAP-Klassifizierungsmöglichkeiten ist. Der erste Teil dieser Dissertation umfasst umfangreiche Laborstudien. Spektrale Eigenschaften von Polystyrol-Latexkugeln (PSLs), die allgemein für die Charakterisierung und Kalibrierung von LIF-Instrumenten verwendet werden, wurden analysiert und diskutiert. Hierdurch werden wichtige Informationen zu Verfügung gestellt, die für den ordnungsgemäßen Betrieb eines LIF-Instruments, für Fluoreszenz-Grenzwert-Strategien und die Interpretation der Fluoreszenzemission unerlässlich sind. Es konnte bestätigt werden, dass der SIBS eine ausreichende spektrale Auflösung bietet, um wesentliche Moden molekularer Fluoreszenz für 16 Referenzverbindungen mithilfe von zwei Anregungswellenlängen (λex = 285 and 370 nm) und einem breiten Fluoreszenzemissionsbereich (λmean = 302 – 721 nm) zu differenzieren. Als „Proof of Concept“ wurde der SIBS während der Schiffskampagne „Luftqualität und Klimawandel im Arabischen Becken“ (AQABA) im Jahr 2017 betrieben und detektierte kontinuierlich Daten von Partikeln unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen wie z.B. saubere Meeresluft, stark verschmutzte Regionen und Staubereignisse. Durch die Verwendung einer hierarchischen Clusteranalyse (Hierarchical agglomerative clustering (HAC)) konnte gezeigt werden, dass, basierend auf aufgelösten Spektralinformation, Partikel in differenzierte Cluster eingruppiert wurden. Darüber hinaus wurden die Partikeltypen weiter klassifiziert (z.B. als potenzielle polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff (PAK) -, Staub-, Chlorophyll- und potentielle PBAP-Cluster), indem sie mit unabhängigen Aerosol- und Gasphasenmessungen, die während der AQABA Kampagne durchgeführt wurden, verglichen wurden. Die Ergebnisse aus Labor- und Feldstudien zeigen, dass der SIBS das Potential hat, die Selektivität für die PBAP-Quantifizierung und Klassifizierung zu verbessern. Diesbezüglich stellt der SIBS einen großen Fortschritt für die Detektion einzelner fluoreszierender Partikel mittels LIF dar.

Instruments that utilize light-induced fluorescence (LIF) for the detection of intrinsic fluorescence are commonly applied for the real-time characterization of primary biological aerosol particles (PBAPs). The application of LIF instruments notably expanded our knowledge regarding PBAP abundances and diversity. However, due to the complexity of PBAP composition and limited spectral information provided by most commercially available LIF instruments, the analysis of PBAPs still involves significant uncertainties. New generations of LIF instruments are being developed that provide increased spectral resolution for improved particle classification. This dissertation addresses the laboratory and field characterization of an instrument – the Spectral Intensity Bioaerosol Sensor (SIBS) – that provides spectrally resolved fluorescence information for single airborne particles in real-time and thus shows promise to increase PBAP classification capabilities. The first part of this dissertation encompasses comprehensive laboratory studies. Spectral properties of polystyrene latex spheres (PSLs), commonly applied for the characterization and calibration of LIF instruments, are analyzed and discussed, providing important information necessary for proper instrument operation, fluorescence tresholding strategies, and interpretation of fluorescence emission. It was shown that the SIBS provides sufficient spectral resolution for the differentiation of major modes of molecular fluorescence for 16 reference compounds, using two excitation wavelengths (λex = 285 and 370 nm) and a broad fluorescence emission range (λmean = 302 – 721 nm). As a proof of concept, the SIBS was operated during the shipborne Air Quality and Climate Change in the Arabian Basin (AQABA) campaign in 2017, continuously measuring particles under contrasting atmospheric conditions such as clean marine air, strongly polluted regions, and dust events. By using a hierarchical agglomerative clustering (HAC) approach, it was shown that particles were grouped into distinguishable clusters based on resolved spectral information. Additionally, particle types were further classified (e.g., as potential polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH), dust, chlorophyll, and potential PBAP clusters) by intercomparison to individual aerosol and gas phase measurements performed during AQABA. Results for both laboratory and field studies show that the SIBS has the potential to improve the selectivity for PBAP quantification and classification. In this respect, the SIBS represents a major step forward regarding the detection of single fluorescent particles using LIF.