Institut für Meteorologie und Klimaforschung

Freezing Assay INSEKT

INSEKT_field_sampling_locationsCC-BY-SA 4.0 KIT IMK-AAF
INSEKT_filter_filterhousing
Filter und Filtergehäuse, wie sie typischerweise für die Aerosol-Probenahme verwendet werden.
INSEKT_lab
Filterwascheinheit, PCR-Platten mit gefüllten Kavitäten und der Hauptbestandteil von INSEKT.
INSEKT_INP_spectra
INP-Konzentration pro Liter Luft als Funktion der Temperatur aus Messungen an der Station SMEAR II in Hyytiälä/ Finnland. Die Filter wurden im Winter (03/2018, blaue Datenpunkte) und im Frühling (04-05/2018, orange Datenpunkte) beprobt.
Arbeitsprinzip

Das Eis-Nukleationsspektrometer des Karlsruher Instituts für Technologie (INSEKT) ist ein Instrument, mit dem wir den Anteil an Eis-Nukleationspartikeln (INPs) in Aerosolpartikelproben im Immersionsgefriermodus quantifizieren. Immersionsgefrierprozesse sind relevant für die Bildung und Entwicklung von Mischphasenwolken in der Atmosphäre.


Das allgemeine Arbeitsprinzip von freezing assays besteht darin, dass mehrere Piko- bis Mikroliter-Volumina von in Wasser suspendierten Aerosolproben auf einem Substrat getragen werden, das mit einer konstanten Rate abgekühlt wird, bis die Volumina eingefroren sind. INP-Konzentrationen als Funktion der Gefriertemperatur werden berechnet, indem der Anteil der gefrorenen Aliquots in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt wird.


Im INSEKT können entweder Gesamtaerosolproben oder Aerosolproben aus der Umgebungsluft, die auf Filtern oder mit einem Impinger gesammelt wurden, analysiert werden. In einer Reinluftkammer, die eine saubere und partikelfreie Umgebung schafft, werden die Aerosolproben für die Analyse mit dem INSEKT vorbereitet, indem die gesammelten Aerosolpartikel mit gefiltertem, nanopurem Wasser in Suspension gebracht werden.


Der Hauptbestandteil von INSEKT besteht aus zwei isolierten Aluminiumblöcken mit Öffnungen für die Aufnahme von zwei 96-Well-PCR-Platten, wobei jeder Well mit 50 μl der Aerosolsuspension gefüllt ist. Die Aluminiumblöcke sind an einen Kühler angeschlossen, um sie mit einer konstanten Kühlrate zu kühlen, indem Ethanol als Kühlflüssigkeit durch die Blöcke gepumpt wird. Acht Temperatursensoren, die gleichmässig in den beiden Aluminiumblöcken verteilt sind, messen die Temperatur mit einer Auflösung von 2 Hz. Eine Kamera wird eingesetzt, um Helligkeitsänderungen der Aerosolsuspensionsvolumina in den Wells zu erfassen. Wenn ein Probenvolumen einfriert, nimmt seine Helligkeit ab, so dass es möglich ist, den gefrorenen Anteil der Proben durch Überwachung der Helligkeitsänderungen zu bestimmen. Aus der gefrorenen Fraktion kann die temperaturabhängige INP-Konzentration pro Liter Luft bzw. pro mg der Gesamtprobe berechnet werden.


Vorteile
  • im Feld gesammelte Aerosolpartikel sowie künstliche Partikel aus dem Labor können auf ihre eiskeimbildende Wirkung untersucht werden
  • deckt einen weiten, für Mischphasenwolken relevanten Temperaturbereich von etwa 0°C bis etwa -25°C ab
  • für die Messung von INPs, die bei hohen Temperaturen aktiv sind wie biologische INPs
  • fast keine Größenbeschränkungen: Untersuchung von großen mikrometergroßen INPs möglich
  • geregelte Kühlraten bis zu etwa 2 K/min

Beispiele für typische Experimente mit INSEKT

Die Videos zeigen die zeitliche Entwicklung der Daten während eines Experiments.

Das linke Video zeigt den Kamerablick während eines Experiments mit reinem Wasser und einer Aerosolsuspension in drei verschiedenen Verdünnungen. Das Einfrieren der einzelnen Kavitäten wird durch die Änderung der Kavitätenhelligkeit erkannt. Oben links ist die Durchschnittstemperatur zu sehen. Die Wells mit der unverdünnten Suspension beginnen zuerst zu gefrieren, gefolgt von der 15:1 und der 225:1 verdünnten Suspension. Schließlich gefriert das reine Wasser.

Das rechte Video zeigt die Daten während eines Experiments in 4 Einzelgrafiken. Das Diagramm oben links zeigt die PCR-Platten (wie im linken Video gezeigt), farblich entsprechend ihrer Graustufen kodiert. Die Grafik oben rechts markiert die einzelnen Verdünnungen, wobei 0 dem gefilterten nanopuren Wasser und die folgenden Zahlen den verschiedenen Verdünnungen der Aerosolsuspension entsprechen (keine Verdünnung, 15:1, 225:1 und 3.375:1). Die Grafik unten links zeigt das durchschnittliche Temperaturprofil mit einem Temperaturgradienten von 0,33 K/min, und die Grafik unten rechts zeigt die Graustufen von vier repräsentativen Kavitäten (wie in der Grafik oben rechts markiert).

Sobald eine Kavität aufgrund der Temperaturabsenkung einfriert (unten links), nimmt seine Grauskala ab (oben links und unten rechts für die markierten Kavitäten). Damit steigt der Anteil der gefrorenen Kavitäten, was mit einem Anstieg der INP-Konzentration einhergeht.