Methoden zur Überwachung ultrafeiner Partikel

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten zur Messung feiner und ultrafeiner Partikel, aber spielt es wirklich eine Rolle, ob Sie eine massebasierte oder eine zahlenbasierte Messtechnik verwenden? Wir sehen uns einige Beispiele an, die die Nuancen der einen und der anderen Methode untersuchen.

Zu den gebräuchlichen Methoden zur Messung von Feinstaub (d. h. Masse) mit einer Größe von 2,5 Mikrometern oder weniger (PM2,5) gehören solche, die auf gravimetrischen, Lichtstreuungs- oder Beta-Absorptionsverfahren beruhen; auch TEOM-Instrumente (Tapered Element Oscillating Microbalance) sind üblich. Allerdings werden bei diesen Methoden ultrafeine Partikel (UFP), die 0,1 Mikrometer oder kleiner sind (PM0,1), oft nicht erfasst.

Unterschiede zwischen masse- und anzahlbasierten Messungen der Umgebungsluft

Bei massebasierten Messungen zählt jedes Nanogramm Feinstaub gleich viel wie das nächste Nanogramm, unabhängig von der Größe jedes Partikels.

Bei anzahlbasierten Messungen zählt jedes Partikel gleich viel wie das nächste, unabhängig davon, wie groß oder klein es ist, wie massiv oder (ultra)fein es ist.

In Abbildung 1 haben wir eine hypothetische normalisierte Massengrößenverteilung, die bei 190 nm ihren Höhepunkt hat.

Wenn wir davon ausgehen, dass alle Partikel in der blauen (massebasierten) Verteilung in Abbildung 1 kugelförmig sind und eine Dichte von 1,0 g/cm³ (oft als "Einheitsdichte" bezeichnet) haben, können wir eine anzahlbasierte Verteilung erstellen. Diese anzahlbasierte Verteilung ist durch die roten gestrichelten Linien dargestellt. Der Median dieser anzahlbasierten Verteilung beträgt 100 nm, während die Massenperspektive einen Median von 190 nm ergibt. Zur Erinnerung, diese beiden Kurven beschreiben genau dieselbe Teilchenpopulation, nur eben aus zwei verschiedenen Perspektiven.

Da sich der Median dieser beiden Verteilungen in Abbildung 1 statistisch gesehen unterscheidet, wollen wir etwas tiefer gehen. In Abbildung 2 können wir sehen, dass 50 % der Masse 92 % der Teilchen enthält. Oder anders ausgedrückt, die oberen 50 % der Masse werden von nur 8 % der Teilchen dominiert.

Dieses Phänomen - dass die Gesamtmasse von einem kleinen Prozentsatz der Partikel dominiert wird - tritt immer wieder bei Umgebungsluftmessungen auf. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass anzahlbasierte Messungen einen Mehrwert haben: Ultrafeine Partikel sind zwar technisch gesehen in der PM2,5-Messung enthalten, praktisch gesehen sind sie jedoch fast unsichtbar. Schauen wir uns dieses Phänomen anhand einiger realer Luftmessungen genauer an.

Reale Messungen der Umgebungsluft

Abbildung 3 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem dieser Effekt direkt beobachtet werden kann, indem eine Partikelgrößenverteilung untersucht wird, die im Rahmen von Umgebungsluftmessungen am Hauptsitz von TSI gesammelt wurde. Die rote gestrichelte Linie zeigt eine relativ geringe Anzahl von Aerosolen mit einer breiten Größenverteilung, deren Spitze bei 100 nm liegt. Die berechnete Massekonzentration betrug 12,3 µg/m³ mit einer Anzahlkonzentration von etwa 4.500 Partikeln/cm³.

Fünfzehn Minuten später wurde ein weiterer Messvorgang durchgeführt (in blau dargestellt). Die blaue Linie zeigt eine Spitze bei den Partikeln im Bereich von 20-40 nm an; als Folge dessen steigt die Gesamtanzahlkonzentration auf das Fünffache an. Die berechnete Partikelmassekonzentration bleibt jedoch gleich. Tabelle 1 enthält einen Vergleich der anzahlbasierten und massebasierten Werte für diese beiden Szenarien.

Zwei reale Umgebungsmessungen:

Messung	PM0.7 (µm/m3)	Anzahl-Konz. (#/cm3)
rot gestrichelte Linie	12,3	4,47 x 103
blaue Linie	12,3	2,21 x 104

Dieses Beispiel verdeutlicht, dass bei der ausschließlichen Verwendung von massebasierten Partikelmesssystemen eine erhebliche Menge an Daten verloren geht! Aus einer massebasierten Perspektive würden diese beiden Messungen als identisch angesehen werden, obwohl die zweite Messung 5 mal mehr Teilchen enthält.

Darüber hinaus können die entgangenen Partikel - insbesondere die kleineren - ein nicht unerhebliches Gesundheitsrisiko darstellen.

Anzahl- vs. massebasierte Messungen: ein trivialer Unterschied oder ein Weg zu neuen Erkenntnissen?

Anzahlgewichtete Daten geben einen wichtigen Einblick in die Hintergründe der ultrafeinen Partikel in der Atmosphäre. Wenn wir also UFP in der Atmosphäre messen wollen, wie sollten wir dann gerätetechnisch vorgehen?

Wir sollten auf keinen Fall eine Messmethode verwenden, die ausschließlich auf Masse basiert, noch sollten wir eine Technik einsetzen, die vornehmlich auf größere Partikel ausgerichtet ist. Extinktionsbasierte Verfahren und Lichtstreuung sind beide stark in diese Richtung ausgerichtet, so dass UFP für diese Messverfahren praktisch unsichtbar sein werden.

Eine auf der Anzahl basierende Messtechnik offenbart das Vorhandensein von UFP, indem sie einfach die Partikel zählt. Die Messung der Anzahlkonzentration gibt Aufschluss über Informationen, die den massebasierten Messsystemen verborgen bleiben. Darüber hinaus bietet die Möglichkeit, die Partikelanzahlkonzentration und die Partikelgrößenverteilung in der Atmosphäre zu messen, zusätzliche Erkenntnisse, die dazu beitragen, die Geschichte sowohl aus Sicht der Exposition als auch aus Sicht der Atmosphärenforschung zu vervollständigen.