Laser-Emissionsspektroskopie luftgetragener Partikel im Größenbereich von Nanometern und Sub-Mikrometern

Luftgetragene Partikel im Größenbereich von Nanometern und Sub-Mikrometern spielen sowohl aus Umwelt- und gesundheitlichen Aspekten als auch aus industrieller und ökonomischer Sichtweise eine immer größere Rolle. Für die Einschätzung der gesundheitlichen Risiken von Aerosol ist nicht nur die chemische Zusammensetzung der Partikel von Bedeutung, sondern auch deren Größenverteilung. Mit Hilfe einer größenaufgelösten Partikelanalyse können ebenfalls industrielle Produktionsprozesse überwacht und identifiziert werden. Ein weiterer Aspekt ist der rapide Anstieg der Nanotechnologie in den letzten Jahren, die sich bis zum Jahr 2015 voraussichtlich auf bis zu 15% der globalen Güterproduktion auswirken wird. Damit einhergehend steigt auch die Nachfrage nach geeigneten Analysemethoden für nanoskalige Partikel. Gerade um Produktionsprozesse effizient zu überwachen werden Methoden benötigt, die in-line direkt am Prozess in industrieller Umgebung eingesetzt werden können und gleichzeitig die Größe der Partikel berücksichtigen. Partikel dieser Größenklasse sind für die Messtechnik allerdings schwer zugänglich und stellen hohe Anforderungen an die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Systems. Ausgehend von diesen Anforderungen wird in dieser Arbeit ein Verfahren auf Grundlage der Laser-Emissionsspektroskopie (engl.: LIBS = Laser-induced breakdown spectroscopy) entwickelt, das eine spektrochemische Analyse luftgetragener Partikel mit einer Größe unterhalb von 1 µm ermöglicht. Dazu wird ein energiereicher Laserpuls direkt in die Gasströmung mit den Partikeln fokussiert und ein Plasma generiert. In Kombination mit Partikeltechnologie zum Handling nanoskaliger Partikel werden größenaufgelöste Analysen der chemischen Partikelzusammensetzung realisiert. Es wird ein Konzept zur räumlichen Konzentration der Partikel nach dem Vorbild einer aerodynamischen Linse entwickelt, experimentell untersucht und bewertet. Dieses Konzept ermöglicht es, die Partikel effektiv in die Wechselwirkungszone mit dem Plasma zu überführen. Mit dem entwickelten Verfahren können einzelne Partikel mit einem Durchmesser unterhalb von 100 nm nachgewiesen werden.