LIF - Laser induzierte Fluoreszenz

Die Laser-Induzierte Fluoreszenz (LIF) Technik ist eine äußerst empfindliche analytische Methode, die für den Nachweis von OH-Radikalen genutzt wird. Sie beruht auf den spezifischen, spektroskopischen Eigenschaften der OH-Radikale im ultravioletten Spektralbereich und erlaubt Konzentrationsmessungen mit einer Zeitauflösung im Bereich einiger Sekunden bis zu einer Minute. Zu diesem Zweck wird die zu messende Umgebungsluft durch eine Düse in eine Niederdruckkammer expandiert und die darin enthaltenden OH-Radikale bei niedrigem Druck mit einem rasch gepulsten, abstimmbaren UV-Laser zur Fluoreszenz angeregt. Die gemessene Fluoreszenzintensität dient als Maß für die Konzentration und wird mit einer eigens entwickelten Radikalquelle kalibriert. Die kleinste, mit dieser Apparatur nachweisbare Radikalkonzentration in der Atmosphäre beträgt 3 x 10⁵ Moleküle/cm³ bei einer Messzeit von einer Minute. Mit dieser hohen Empfindlichkeit war es erstmals möglich, schnelle natürliche Fluktuationen der OH-Radikalkonzentration in der Atmosphäre nachzuweisen.

Die LIF-Messtechnik wird außerdem zur Messung der Konzentration atmosphärischer HO₂-Radikale eingesetzt. Hierzu wird HO₂ in einer zweiten Niederdruckzelle zunächst chemisch mit Stickstoffmonoxid (NO) in OH umgewandelt und anschließend als OH-Radikal mit laser-induzierter Fluoreszenz nachgewiesen. In diesem zweiten Messkanal wird also die Summe von OH und HO₂ (=HO_X) gemessen. Durch Differenzbildung zum OH-Kanal ergibt sich die atmosphärische HO₂-Konzentration. Die gleichzeitige Messung von OH und HO₂ erlaubt einen detaillierten Einblick in die chemischen Prozesse, welche den Spurengasabbau und die Photooxidantienbildung in der Atmosphäre kontrollieren.

Auch die Summe der organischen Peroxiradikale (RO₂) kann ähnlich zu dem Nachweis von HO₂ auf eine Fluoreszenzmessung von OH zurückgeführt werden. Dieser Messkanal besteht aus einem Konversionsreaktor, der einer HO₂-Messzelle vorgeschaltet ist. In dem Konversionsreaktor werden bei reduziertem Druck zunächst RO₂, HO₂ und OH Radikale durch Zugaben von NO und CO in HO₂ chemisch umgewandelt.  Die HO₂-Konzentration, die dann die Summe von RO₂, HO₂ und OH repräsentiert, wird in der Fluoreszenzzelle nach erneuter Zugabe von NO als OH detektiert. Zusammen mit der Messung der OH und HO₂ Konzentrationen in den anderen Messkanälen kann durch Differenzbildung die RO₂ Konzentration berechnet werden.

Dem ICE-3 stehen zwei LIF-Instrumente zur Verfügung. Jedes verfügt über Messkanäle für OH-, HO₂-und RO₂-Konzentrationen, sowie zur Messung der OH-Lebensdauer. Ein Instrument dient für mobile Einsätze bei Bodenkampagnen, auf dem Zeppelin und HALO. Das zweite Instrument ist fest an der Atmosphärensimulationskammer SAPHIR installiert.

Zusätzlich zu der OH-Radikalkonzentration kann auch die momentane, chemische Lebensdauer des OH Radikals in der Atmosphäre experimentell bestimmt werden. Dazu strömt Außenluft durch ein Rohr, in dem ein Puls von OH-Radikalen erzeugt wird, der homogen in dem Strömungsrohr verteilt ist. Am Ende des Strömungsrohrs wird die OH-Konzentration mit der LIF Methode gemessen. Der zeitliche Verlauf der Konzentration gibt die Lebensdauer des OH, da das OH Radikal nach der Erzeugung durch den kurzen Laserpuls mit den in der Messluft enthaltenen Spurengasen abreagiert.