Aerosolmesstechnik

Als Aerosole werden Mehrphasensysteme bestehend aus dispersen festen oder flüssigen Partikeln in Gasen bezeichnet. Die Partikelgrößen erstrecken sich dabei über einen sehr weiten Bereich von ca. 1 nm bis 1 mm. Typischerweise werden Aerosole über die Anzahl- oder Massenkonzentration der im Gas dispergierten Partikel charakterisiert. Dies kann ggf. aufgelöst nach Partikelgrößen als Anzahl- oder Massengrößenverteilung geschehen oder als Gesamtkonzentration unterhalb eines Grenzdurchmessers. Ein prominentes Beispiel hierfür ist die Bestimmung der Feinstaubkonzentration PM10, die per definitionem nur die lungengängigen Partikel (definiert über eine gemäß DIN EN 12341 standardisierte Abscheidekurve, die bei einem aerodynamischen Durchmesser von 10 µm einen Abscheidewert von 50% aufweist) beinhaltet. Darüber hinaus existieren weitere Metriken zur Charakterisierung luftgetragener Partikel, wie z. B. die lungendeponierbare Oberflächenkonzentration oder der ROS Bildungspotenzial der Partikel, welche stärker wirkungsbezogen sind. Zur Bestimmung der verschiedenen Metriken und Partikelgrößen existieren unterschiedlichste Messverfahren.

IUTA verfügt über eine sehr breite Ausstattung an Aerosolmesstechnik, die es erlaubt Partikelgrößen zwischen 2,5 nm und 100 µm zu messen. Diese Messtechnik findet in vielfältigen Forschungs- und Dienstleistungsbereichen Anwendung. Aufgrund des weiten Größenbereichs sind hierzu sehr unterschiedliche Messverfahren nötig, die im Folgenden kurz dargestellt sind. IUTA verfügt über langjährige Erfahrung nicht nur im Einsatz der Messverfahren, sondern auch in der Bewertung von deren Genauigkeit und Vergleichbarkeit.

Optische Aerosolmesstechnik

Optische Aerosolmesstechnik basiert auf der Lichtstreuung an Partikeln. Sie lässt sich generell unterscheiden in photometrische und spektrometrische Verfahren. In photometrischen Verfahren wird das Streulicht an einer Partikelwolke als Maß für die gesamte Partikelkonzentration gemessen. Spektrometrische Verfahren hingegen messen das von Einzelpartikeln hervorgerufene Streulicht als Maß für die Partikelgröße und registriert die Häufigkeit der Streulichtimpulse zur Bestimmung der Anzahlkonzentration. Spektrometer messen somit  die Anzahlgrößenverteilung luftgetragener Partikel. Die kleinste mit Spektrometern erfassbare Partikelgröße liegt im Bereich der halben Wellenlänge des verwendeten Lichts. Die im IUTA verfügbaren Spektrometer besitzen untere Nachweisgrenzen zwischen 0,1 µm und 0,3 µm, die oberen Grenzen liegen zwischen 10 µm und 100 µm. Anwendung finden diese Geräte im IUTA u. a. in der Filtrationsforschung, in der Messung von Feinstaubkonzentrationen, der Untersuchung von Druckluftfiltern und der Druckluftqualität, bei der Bestimmung von Arbeitsplatzexpositionen sowie der Messung von Bremsstaubemissionen.  Hierfür sind mehrere Geräte verfügbar, die mit unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten sowie für unterschiedliche Konzentrationsbereiche, von Reinraumanwendungen bis hin zu hochbelasteten Umgebungen geeignet sind. Ebenso sind druckfeste Spektrometer verfügbar, um Anzahlgrößenverteilungen unter Druck zu messen.

Eine aktuelle Besonderheit der optischen Aerosolmesstechnik stellen kostengünstige Feinstaubsensoren dar, die überwiegend photometrisch arbeiten und typischerweise weniger als 20 € kosten. IUTA untersucht diese Sensoren intensiv im Hinblick auf deren Anwendungen im Bereich der Feinstaubmessung, der Überwachung der Exposition am Arbeitsplatz, sowie der Möglichkeiten diese zur Regelung und Digitalisierung von Lüftungsanlagen einzusetzen.

Kondensationspartikelzähler

Partikel, die kleiner sind als ca. die halbe Wellenlänge des Lichts, lassen sich durch einfache Lichtstreuung nicht mehr detektieren. Um dennoch deren Anzahlkonzentration messen zu können, lässt man diese in einem Kondensationspartikelzähler (engl. Condensation Particle Counter, CPC) zunächst durch Kondensation des Dampfes einer Arbeitsflüssigkeit zu mikrometergroßen Tropfen anwachsen, die anschließend optisch durch Lichtstreuung gezählt werden. Ein CPC bestimmt daher die Anzahlkonzentration der Partikel in einem Aerosol, liefert aber keine Informationen zur Partikelgröße. Als Arbeitsflüssigkeiten werden hauptsächlich Butanol, Isopropanol oder Wasser verwendet, wobei jede Flüssigkeit je nach Anwendungsfall Vor- und Nachteile hat. IUTA verfügt jeweils über mehrere CPCs, die diese Arbeitsflüssigkeiten verwenden. Damit lassen sich Partikel ab einer Größe zwischen 2,5 nm und 10 nm (je nach CPC) bis zu mehreren Mikrometern erfassen. Anwendung finden diese Geräte im IUTA u. a. in der Messung von Ultrafeinstaubkonzentrationen, in der Filtrationsforschung, bei der Bestimmung von Arbeitsplatzexpositionen sowie der Messung von Bremsstaubemissionen.

Elektrische Mobilitätsanalyse

Um die Größenverteilung luftgetragener Partikel zu messen, deren Größe von optischer Messtechnik nicht mehr erfasst wird, kommt üblicherweise die elektrische Mobilitätsanalyse zum Einsatz. Diese nutzt die elektrische Mobilität von Partikeln aus, die im wesentlichen durch das Verhältnis der elektrischen Partikelladung zum Partikeldurchmesser gegeben ist. In der elektrischen Mobilitätsanalyse werden die Partikel zunächst definiert aufgeladen und anschließend in einem elektrischen Feld entsprechend ihrer elektrischen Mobilität klassiert und die Anzahlkonzentration mobilitätsklassierten Partikel gemessen. Durch die Kenntnis der Partikelladung lässt sich so die Anzahlgrößenverteilung der Partikel bestimmen. Die Zählung der Partikel kann entweder durch einen Kondensationspartikelzähler (s.o.) geschehen oder durch eine Messung des durch die geladenen Partikel hervorgerufenen Stroms.

IUTA verfügt über zwei verschiedene elektrische Mobilitätspsektrometersysteme. Zum einen kommen Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) zum Einsatz, um relativ konstante Aerosole mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu zwei Minuten zu vermessen, beispielsweise in der Filtrationsforschung oder bei der Messung von Ultrafeinstaub in der Außenluft. Je nach verwendetem Klassierer können so Partikel mit Größen zwischen 2,5 nm und etwa 1 µm erfasst werden. Für schnell veränderliche Aerosole kommen Fast Mobility Particle Sizer (FMPS) zum Einsatz, welche mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s die Anzahlgrößenverteilung im Größenbereich von 5,6 nm bis 560 nm erfassen. Dies ist z. B. bei der Bestimmung von Arbeitsplatzexpositionen, der Freisetzung von Nanomaterialien bei der mechanischen Bearbeitung, sowie der Messung von Bremsstaubemissionen nötig.

Aerodynamische Messtechnik

Alternativ zur optischen Messtechnik verfügt IUTA über Messverfahren, die es erlauben, Partikel basierend auf ihrem aerodynamischen Durchmesser zu klassieren. Der aerodynamische Äquivalenzdurchmesser beschreibt den trägheitsbasierten Partikeltransport und die daraus resultierende Deposition der Partikel. Er ist somit u. a. für die Deposition in der Lunge und in Filtern relevant.

Im Aerodynamic Particle Sizer (APS) werden die eintströmenden Partikel zunächst in einer Düse beschleunigt und erhalten damit ein Geschwindigkeit, die vom aerodynamischen Durchmesser abhängt. Diese Geschwindigkeit und somit der aerodynamische Partikeldurchmesser wird durch eine Flugzeitmessung bestimmt. Zudem wird die Häufigkeit registriert, sodass die Anzahlgrößenverteilung der Partikel gemessen wird. Das APS arbeitet in einem Größenbereich zwischen 0,5 und 20 µm und wird u. a. in der Filtrationsforschung, der Bestimmung der Freisetzung von Nanomaterialien, der Impaktorkalibrierung sowie die Messung von Bremsstaubemissionen eingesetzt.

Weiterhin steht dem IUTA ein Aerodynamic Aerosol Classifier (AAC) zur Verfügung (derzeit in Beschaffung), der es erlaubt, Partikel in einem Größenbereich zwischen 25 nm und >5 µm in einer Zentrifuge zu klassieren und somit aerodynamisch monodisperse Partikel luftgetragen bereitzustellen. Diese lassen sich für unterschiedlichste Anwendungen einsetzen, beispielsweise im Bereich der Filtrationsforschung, der Impaktorkalibrierung oder der Messgeräteüberprüfung und -kalibrierung. Darüber hinaus lassen sich durch Kombination des AAC mit einem Kondensationspartikelzähler auch Anzahlgrößenverteilungen basierend auf dem aerodynamischen Durchmesser bestimmen.

Über die direktanzeigende Messtechnik hinaus verfügt IUTA über diverse Sammler, die Partikel basierend auf deren aerodynamischen Durchmesser abscheiden. Diese sind unter „Sammler“ zusammengefasst.

TEOM

Zur Bestimmung luftgetragener Partikelmassenkonzentrationen verfügt IUTA über mehrere Schwingquarzmikrowaagen (Tapered Element Oscillating Microbalance, TEOM). Hierin wird das Aerosol durch einen Filter gesogen, der sich auf einem Schwingstab befindet. Durch die Abscheidung der Partikel auf dem Filter nimmt dessen Masse zu, was zu einer Abnahme der Schwingfrequenz führt. Durch die kontinuierliche Messung der Schwingfrequenz kann somit auf die Massenzunahme des Filters und damit auf die Massenkonzentration der Partikel in der Luft geschlossen werden. In Kombination mit entsprechenden Vorabscheidern (Impaktoren) lassen sich somit die PM10, PM2,5 oder PM1 Konzentration bestimmen. Neben herkömmlichen TEOMs verfügt IUTA auch über differenzielle TEOM Systeme, welche mögliche Artefakte aufgrund verdampfender semivolatiler Partikel (insbesondere Ammoniumnitrat, NH4NO3) quantifiziert und zur Korrektur heranzieht.

Eingesetzt werden die Geräte aktuell v. a. im Bereich der Messung von PM1 Konzentrationen in der Außenluft, zur Bestimmung der Exposition am Arbeitsplatz sowie zur Überprüfung mobiler Raumluftreiniger.

Diffusionsauflader

Während sowohl im Forschungs- als auch im regulatorischen Kontext überwiegend die Massen- und teilweise die Anzahlkonzentration luftgetragener Partikel bestimmt werden, messen insbesondere Toxikologen der Partikeloberflächenkonzentration eine zunehmende Bedeutung bei. In verschiedenen Studien konnte gezeigt werden, dass die gesundheitlichen Auswirkungen der Exposition gegenüber Partikeln wesentlich besser mit der gesamten Oberflächendosis als mit der Massen- oder Anzahldosis in der Lunge deponierter Partikel korreliert. In den vergangenen Jahren wurden daher verstärkt Geräte entwickelt, welche die lungendeponierbare Oberflächenkonzentration (engl. lung deposited surface area, LDSA), also nur den Anteil der luftgetragenen Oberflächenkonzentration, der tatsächlich in der Lunge verbleibt, entwickelt. IUTA war an der Entwicklung und Überprüfung dieser Geräte maßgeblich beteiligt (s. Veröffentlichungen). Zur Bestimmung der LDSA Konzentration werden die eingesogenen Partikel zunächst unipolar in einem Diffusionsauflader aufgeladen und nach Entfernung überschüssiger Ionen der durch die geladenen Partikel hervorgerufene Strom gemessen. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Strom direkt proportional zur LDSA Konzentration ist. Der Bereich, in dem diese Proportionalität gilt, ist allerdings auf Partikelgrößen zwischen 20 nm und 400 nm begrenzt.

IUTA verfügt über mehrere Exemplare vier verschiedener Messgeräte zur Bestimmung der LDSA Konzentration, nämlich Nanoparticle Surface Area Monitor (NSAM), miniDiSC/DiSCmini, Partector und Partector 2 (derzeit in Beschaffung). Diese Geräte kommen überwiegend zur Bestimmung der LDSA Konzentration in der Umgebungsluft oder am Arbeitsplatz zum Einsatz.

Personengebundene Messtechnik

Personengebundene Messtechnik wird benötigt, um die persönliche Exposition gegenüber luftgetragenen Partikeln zu bestimmen. Gemäß EN1549 muss die Bestimmung der persönlichen Exposition im Atembereich, d. h..  h innerhalb einer imaginären 30 cm Halbkugel rund um Mund und Nase erfolgen. IUTA verfügt dabei über unterschiedliche Systeme, um Partikel direktanzeigend zu messen oder für spätere Analysen zu sammeln. Zu den direktanzeigenden Geräten zählen mehrere miniDiSC/DiSCmini, Partector und Partector 2, die jeweils die basierend auf der unipolaren Diffusionsaufladung (s. o.) die lungendeponierbare Oberflächenkonzentration bestimmen. miniDiSC und Partector 2 messen darüber hinaus durch einen zusätzlichen Manipulator (gemäß  VDI 3871) die mittlere Partikelgröße und die Anzahlkonzentration. Die Geräte eignen sich im wesentlichen zur Messung von Partikeln kleiner als 400 nm. Sie sind batteriebetrieben und ausreichend klein, um in einer Hemdtasche oder an einem Gurtsystem platziert zu werden und ggf. über einen Probenahmeschlauch aus dem Atembereich anzusaugen.

Über die direktanzeigenden Messgeräte hinaus verfügt IUTA über mehrere personengetragene Sammler für luftgetragene Partikel. Hierzu zählt u. a. ein im IUTA entwickelter Thermalpräzipitator, der die eingesogenen Partikel basierend auf der Thermophorese auf einem Siliziumträger für die anschließende elektronenmikroskopische Auswertung deponiert. Dieser ist speziell für luftgetragene Nanomaterialien bis zu einer Größe von 300 nm konzipiert.

Weiterhin sind mehrere Sammler für alveolengängigen und einatembaren Staub (A- und E-Staub) verfügbar. Hierzu werden die nicht gewünschten zu großen Partikel (gemäß EN481) zunächst in einem Vorabscheider entfernt und die verbleibenden Partikel auf einem Filter abgeschieden, der dann  gravimetrisch oder chemisch analysiert wird.

Die personengebundene Messtechnik wird im IUTA derzeit hauptsächlich für die Bestimmung der Staubexposition an Arbeitsplätzen eingesetzt.

Sammler

Neben der Messung von Aerosoleigenschaften mit direktanzeigenden Geräten werden häufig Proben der Partikel zur (elektronen-)mikroskopischen Analyse der Partikelgrößen und -morphologien sowie zur gravimetrischen oder chemischen Analyse der Partikel benötigt. IUTA verfügt über eine Vielzahl von Partikelsammlern für unterschiedliche Anwendungszwecke und Größenbereiche.

In einem Nanometer Aerosol Sampler (NAS) werden die eingesogenen, geladenen Partikel elektrostatisch auf einem Probenträger abgeschieden. Als Probenträger eignen sich u. a. Waferfragmente (z. B. Si oder GaAs) für rasterelektronenmikroskopische (REM) Analysen, TEM-Netze für transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Analysen oder Glaskohlenstoffträger für totalreflektierende Röntgenfluoreszenz (TXRF) Analysen. Der NAS eignet sich insbesondere für submikrone Partikel. Die Sammeleffizienz kann durch Verwendung eines vorgeschalteten Auflader (Eigenkonstruktion des IUTA) deutlich verbessert werden.

Darüber hinaus verfügt IUTA über mehrere Kaskadenimpaktoren. In einem Impaktor wird der Aerosolstrom in einer Düse beschleunigt und auf ein senkrecht angeströmte Prallplatte gerichtet. (Kleine) Partikel mit niedriger Trägheit folgen den Strömungslinien um die Prallplatte herum, während (große) Partikel mit hoher Trägheit auf der Prallplatte abgeschieden werden. Der aerodynamische Grenzdurchmesser der Abscheidung lässt sich bei gegebenem Volumenstrom durch den Düsendurchmesser und den Abstand zwischen Düse und Prallplatte variieren. Ein Kaskadenimpaktor verfügt über mehrere Impaktorstufen mit in Strömungsrichtung abnehmenden Grenzdurchmessern, sodass auf jeder einzelnen Prallplatte Partikel eines bestimmten Größenbereichs gesammelt werden und für eine anschließende Analyse zur Verfügung stehen.

Soll hingegen nur eine Partikelfraktion gesammelt werden, deren Durchmesser kleiner sind als ein Grenzdurchmesser (z. B. PM10), so können die zu großen Partikel in einem einstufigen Impaktor oder Zyklon als Vorabscheider entfernt und anschließend auf einem Filter gesammelt werden. IUTA verfügt über eine Vielzahl von Impaktoren und Zyklonen für unterschiedliche Grenzdurchmesser (ca. 0,4 µm bis 10 µm) und Volumenströme (ca. 1 l/min bis 500 l/min).

Diese Sammler kommen derzeit in nahezu allen Aerosolforschungsbereichen des IUTA zur Anwendung, insbesondere bei der Bestimmung der Exposition am Arbeitsplatz, der Messung von Feinstaubkonzentrationen, der Freisetzung von Nanomaterialien sowie der Messung von Bremsstaubemissionen.

Ansprechpartner

Dr. Christof Asbach
asbach@iuta.de
Tel. +49 20 65 / 418 – 409

Dr. Ana Maria Todea
todea@iuta.de
Tel. +49 20 65 / 418 – 209

Dipl.-Ing. Heinz Kaminski
kaminski@iuta.de
Tel. +49 20 65 / 418 – 105

Aktuelle Projekte

BAuA-Forschungsprojekt:
Bewertung optischer Partikelzähler zur Bestimmung partikelförmiger Gefahrstoffe am Arbeitsplatz, gefördert durch die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin

UBA-Forschungsprojekt 3717 62 205 0:
Mobile Messsysteme für die Lösung von Innenraum­schadstoff­problemen, gefördert durch das Umweltbundesamt

EU-Forschungsprojekt:
Guidance on metrics to be used for the measurements of exposure to inhaled nanoparticles (nano-objects and nanostructured materials) such as mass concentration, number concentration and surface area concentration – Pre-normative research, gefördert durch die Europäische Kommission im Rahmen des Mandats M/461

LANUV-Forschungsprojekt:
Messung ultrafeiner Partikel (UFP) in Mülheim-Styrum, gefördert durch das Landesamt für Umwelt, Natur- und Verbraucherschutz (LANUV) NRW

HLNUG-Forschungsprojekt:
Messung von ultrafeinen Partikeln im Umfeld des Frankfurter Flughafens, gefördert vom Hessischen Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG)

Publikationen

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Bau, A. Toussaint, O. Witschger, F. Gensdarmes, A.M. Todea, C. Asbach, C. Monz, D. Thomas: Combining NSAM and CPC concentrations to determine airborne nanoparticle count median diameter: application to various laboratory and workplace aerosols, Journal of Occupational and Environmental Hygiene 15: 492-501, 2018

Sun, W. Birmili, M. Hermann, N. Ma, G. Spindler, A. Schladitz, S. Bastian, G. Löschau, J. Cyrys, J. Gu, H. Flentje, B. Briel, C. Asbach, H. Kaminski, L. Ries, R. Sohmer, H. Gerwig, K. Wirtz, F. Meinhardt, A. Schwerin, O. Bath, K. Weinhold, A. Wiedensohler: Variability of Black Carbon Mass Concentrations, Particle Number Concentrations and Size Distributions: Results of the German Ultrafine Aerosol Network Ranging from City Street to High Alpine, Atmospheric Environment (submitted), 2018

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