Institut für Meteorologie und Klimaforschung

Freezing Assay INSEKT

INSEKT_field_sampling_locations
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 eiskernbildende 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