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Detection and Characterization of Individual Micro- and Nanoparticles

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Gasphasenanalyse einzelner Nanopartikel

Mikrometer- und nanometergroße Partikel sind überall in der Luft zu finden und wirken sich auf Arbeitsbedingungen, Umweltbelastungen und sogar Wettermuster und das Weltklima aus. Ein neu entwickeltes Gerät könnte ihre Detektion und Identifikation sehr viel einfacher machen.

Industrielle Technologien

Wissen zur Identität und Herkunft von atmosphärischen Partikeln kann beim Schutz der Gesundheit von Menschen und des Planeten helfen. Der Nachweis von neutralen Teilchen ist besonders schwierig, da viele Techniken auf Ionisation beruhen, die empfindliche Proben schädigen können. Blister-basierte laserinduzierte Vorwärtsübertragung (LIFT) ist eine relativ neue Femtosekundenlaserabtragungstechnik, die sanft genug ist, um solche Proben zu verarbeiten. Ein Material wird auf ein Metallsubstrat übertragen und von hinten mit einem kurzen Laserimpuls bestrahlt, wodurch sich eine Blase (Blister) bildet. Die schnelle Bewegung des Metallsubstrats ermöglicht einen effizienten Materialtransfer und effektive Isolierung. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts DECIMA (Detection and characterization of individual micro- and nanoparticles) verbesserten Wissenschaftler eine matrixfreie blister-basierte LIFT-Technik und schufen ein Gerät zur Gasphasenanalyse von kleinen Partikeln. Insbesondere entwickelte DECIMA eine neue LIFT-Technik, um Nanopartikel für Ionisation und Analyse in ein Hochvakuum einzuführen. Man erreichte eine Partikelübertragungseffizienz von 90% und die ausgestoßenen Partikel bilden einen sehr engen Partikelstrahl für eine optimale Platzierung. Die durchschnittliche Partikelgeschwindigkeit beträgt etwa 50 m/s, langsam genug, um Untersuchung der Partikelzusammensetzung und -morphologie mit Tiefenauflösung zu ermöglichen. Die Wissenschaftler integrierten die LIFT-Technologie mit Time-of-Flight-Massenspektrometrie (TOF-MS) von sowohl positiven als auch negativen Ionen. Der Betrieb des neuen Geräts wurde unter Verwendung von Atomkraftmikroskopie und theoretischen Untersuchungen vollständig charakterisiert, um Lasereigenschaften zu optimieren und Schäden an den Probenmaterialien zu vermeiden. Die Technik ist einfach zu realisieren und mit jeder Probe kompatibel, einschließlich von Kohlenstoff-Nanostrukturen, Aerosolpartikeln und biologischen Objekten. Sie wurde erfolgreich eingesetzt, um C60-Moleküle aus einem metallbeschichteten Substrat in den Extraktionsbereich für TOFMS zu übertragen. Ferner isoliert sie effektiv die übertragenen Materialien aus anderen Ablationsmaterialien und minimiert die Lasererwärmung, sodass die Partikel unverändert bei der analytischen Instrumentierung eintreffen. Die Fortschritte von DECIMA sind wichtig, um die Detektion und Charakterisierung von Nanopartikel im Labor zu realisieren und schließlich Prototypen zu entwickeln. Die Kommerzialisierung des integrierten LIFT-TOFMS-Geräts könnte erhebliche positive Auswirkungen auf die Gesundheit, Umweltsicherheit, und das Verständnis von Wettermustern und dem globalen Klimawandel haben.

Schlüsselbegriffe

Nanopartikel, Erkennung, laserinduzierter Vorwärtstransfer, Laserablation, TOFMS

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