Laser-optische In-situ-Detektion und Abbildung der Heteroaggregation in der Gasphase
Projektleitung:
Dr. rer. nat. Torsten Endres
Universität Duisburg-Essen
Trotz der praktischen Relevanz von Heteroaggregaten für eine Vielzahl von Anwendungen gibt es keine etablierten Methoden zum In-situ-Nachweis von Heteroaggregaten in der Gasphase. Daher liegt der Schwerpunkt dieses Projektes auf der Entwicklung und
Evaluierung geeigneter optischer Methoden zur selektiven Detektion von Heteroaggregaten AB in Kombination mit dem Nachweis der Einzelbestandteile A und B, um eine quantitative Bestimmung des Heteroaggregationsgrades in der Aerosolphase mit der Fähigkeit zu bildgebenden Messungen in ausgedehnten Bereichen zu ermöglichen. In einem ersten Schritt wird eine Modellströmungskonfiguration realisiert, die hochflexibel für die Verwendung von Partikeln aus verschiedenen Quellen ist und die nach variablen Wechselwirkungszeiten Heteroaggregate bilden. Dabei wird die direkte Mischung bestehender Partikelsysteme in der Gasphase zur Erzeugung von Heteroaggregaten genutzt. Anschließend sollen verschiedene optische In-situ-Detektionsstrategien zur Überwachung der Heteroaggregation von Partikeln in der Gasphase mit bildgebenden Verfahren entwickelt, getestet und validiert werden. Drei verschiedene Ansätze, die den Energietransfer zwischen A- und B-Teilchenklassen ausnutzen, um ein Signal zu erzeugen, das selektiv für das Vorhandensein von Heterokontakten ist, werden ausgenutzt:
1.) Laser-induziertes Erhitzen von A mit im Falle von Heteroaggregation nachfolgender thermischer Energieübertragung auf B resultiert in einem Temperaturanstieg von B, der mit thermographischen Phosphoren gemessen wird.
2.) Berührungsempfindliche Wechselwirkung zwischen Fluorophoren in A und B, sowohl durch Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) als auch unter Verwendung ionensensitiver fluoreszierender Indikatorfarbstoffe.
3.) Verwendung einer Kombination von LII (Laser-induzierter Inkandeszenz) und LIBS (Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie) zur Erzeugung eines charakteristischen Signals, das den selektiven Nachweis von A und B ermöglicht. Hier verändert die Heteroaggregation die Fluenzabhängigkeit dieser Prozesse, was den selektiven Nachweis von AB-Aggregaten ermöglicht.
Um die entwickelten Messmethoden zu validieren, müssen die Ergebnisse durch Probenahme und anschließende Ex-situ-Analysen bestätigt werden. Zwei Arten der Probenahme werden dabei angewendet. Die Proben werden aus verschiedenen Bereichen innerhalb der Mischzone mit einem pneumatisch angetriebenen Probenehmers entnommen und durch Filtration aus dem ausströmenden Aerosol unserer Mischkammer gewonnen. Es ist eine enge Zusammenarbeit mit mehreren Partnerprojekten innerhalb des SPP 2289 auf dem Gebiet der Synthese, Simulation und Ex-situ-Probenahme geplant.