Electrical Mobility as an Indicator for Flexibly Deducing the Kinetics of Nanoparticle Evaporation

Condensation and evaporation of vapor species on nanopartide surfaces drive the aerosol evolution in various industrial/atmospheric systems, but probing these transient processes is challenging due to related time and length scales. Herein, we present a novel methodology for deducing nanoparticle evaporation kinetics using electrical mobility as a natural size indicator. Monodispersed nanopartides are fed to a differential mobility analyzer which serves simultaneously as an evaporation flowtube and an instrument for measuring the electrical mobility, realizing measurements of evaporation processes with time scales comparable to the instrument response time. A theoretical framework is derived for deducing the evaporation kinetics from instrument responses through analyzing the nanopartide trajectory and size-mobility relationship, which considers the coupled mass and heat transfer effect and is applicable to the whole Knudsen number range. The methodology is demonstrated against evaporation but can potentially be extended to condensation and other industrial/atmospheric processes involving rapid size change of nanoparticles.Peer reviewe

Isomer-Resolved Mobility-Mass Analysis of alpha-Pinene Ozonolysis Products

Highly oxygenated organic molecules (HOMs) are important sources of atmospheric aerosols. Resolving the molecular-level formation mechanisms of these HOMs from freshly emitted hydrocarbons improves the understanding of aerosol properties and their influence on the climate. In this study, we measure the electrical mobility and mass-to-charge ratio of alpha-pinene oxidation products using a secondary electrospray-differential mobility analyzer-mass spectrometer (SESI-DMA-MS). The mass-mobility spectrum of the oxidation products is measured with seven different reagent ions generated by the electrospray. We analyzed the mobility-mass spectra of the oxidation products C9-10H14-18O2-6. Our results show that acetate and chloride yield the highest charging efficiencies. Analysis of the mobility spectra suggests that the clusters have 1-5 isomeric structures (i.e., ion-molecule cluster structures with distinct mobilities), and the number is affected by the reagent ion. Most of the isomers are likely cluster isomers originating from binding of the reagent ion to different sites of the molecule. By comparing the number of observed isomers and measured mobilities and collision cross sections between standard pinanediol and pinonic acid to the values observed for C10H18O2 and C10H16O3 produced from oxidation of alpha-pinene, we confirm that pinanediol and pinonic acid are the only isomers for these elemental compositions in our experimental conditions. Our study shows that the SESI-DMA-MS produces new information from the first steps of oxidation of alpha-pinene.Peer reviewe

Ozonolysis products of α-pinene and their mass-mobility-analysis

Ilmakehän aerosolihiukkasilla on vaikutuksia maapallon säähän ja ilmastoon ja siksi niiden syntyä ja toimintaa pyritään tuntemaan yhä paremmin. Jos niiden rakenneosaset tunnetaan hyvin, voidaan myöskin aerosolihiukkasten ominaisuudet oppia tuntemaan paremmin. Mallinnusten ohella kokeelliset mittaukset ovat yksi keino saada lisää tietoa ilmakehän pienten rakenneosasten toiminnasta. Tässä työssä tutkin voidaanko differentiaalisella liikkuvuusanalysaattorilla (differential mobility analyzer, DMA) mitata α-pineenin hapetustuotteiden eri rakenteita. α-pineeni ja otsoni reagoivat virtausputkessa ja reaktioissa muodostuneet hapetustuotteet varattiin klusteroimalla ne elektrospraylla tuotettujen varattujen reagenssi-ionien kanssa. Näin syntyneiden varattujen klustereiden liikkuvuus ja massa-varaus-suhde mitattiin. Analysointiprosessissa käytin Matlab-pohjaista ToFTools-ohjelmaa ja INAR:in postdoc Lauri Ahosen tekemää Flat-DMA-analysointiohjelmaa. Tunnistin ToFToolsilla α-pineenin hapetustuotteista ja reagenssi-ionista koostuvien klustereiden kemiallisen koostumuksen niiden massan perusteella ja sovitin niiden liikkuvuusspektrin piikkien sisään Flat-DMA-analysointiohjelmalla piikkejä DMA:n maksimiresoluutiolla. Sovitettujen piikkien määrä kertoo siitä, kuinka monta rakennetta kullakin klusterilla mahdollisesti voisi olla. Mittauksissa havaittiin useita yhdisteitä, joita voitiin teorian perusteella olettaa syntyvän. Kuitenkin tunnistettiin myös sellaisia yhdisteitä, joita ei odotettu muodostuvan α-pineenin ja otsonin välisissä reaktioissa. On mahdollista, että yhdisteet on tunnistettu väärin tai mittauksiin on päässyt epäpuhtauksia. Näiden mittausten perusteella ei voida vielä varsinaisesti tehdä johtopäätöksiä siitä, miten monta isomeeria α-pineenin hapetustuotteilla on. Tulosten perusteella käytetty reagenssi-ioni vaikuttaa merkittävästi mitattujen rakenteiden määrään, joten jotta α-pineenin hapetustuotteiden rakenteita voitaisiin tutkia, täytyisi kunkin reagenssi-ionin vaikutus tuntea paremmin. Myöskin jotta rakenteiden määrää voitaisiin tutkia luotettavammin, täytyisi DMA:n resoluution olla huomattavasti nykyistä parempi. Nykyisellä resoluutiolla isomeerien määrän arviointi oli hankalaa eikä lopputuloksista voida olla varmoja