Off-Line Messungen von INP

Reine Wassertropfen gefrieren erst unterhalb von etwa −38 °C spontan. Bei wärmeren Temperaturen, die für die meisten atmosphärischen Wolken relevant sind, bedarf die Eisbildung der Hilfe von Eiskeimbildnern (INP), die als Katalysatoren wirken und die Energiebarriere für die Eiskeimbildung senken.

Die Konzentrationen von INP in der Atmosphäre sind sehr gering (~1 m⁻³ bis ~100 L⁻¹), was ihre Detektion erschwert. Bei TROPOS verwenden wir zwei sich ergänzende Offline-Techniken, um sie zu messen. Beide arbeiten mit im Labor hergestellten Materialsuspensionen oder mit Waschwasser von Aerosolfilterproben, die aus der Umgebungsluft gesammelt wurden. Studien zum Thema INP von Mitarbeitenden des TROPOS im Labor und im Feld durchgeführt wurden, sind hier verlinkt.

LINA (Leipzig Ice Nucleation Array)

Der LINA Aufbau und ein Beispielbild der Tropfenanrodnung, das gefrorene und ungefrorene Tropfen zeigt.

LINA verwendet eine durch ein Peltier-Element gekühlte Platte, auf die ein hydrophobes Glasplättchen gelegt wird. Darauf befindet sich ein Aluminium-Abstandhalter mit 90 Kammern, in die jeweils 1 µl der Probensuspension pipettiert werden. Der Aluminium-Abstandhalter wird anschließend mit einem zweiten Objektträger abgedeckt, um jede Kammer abzudichten und das Verdunsten der Tröpfchen zu verhindern. Das Array wird in einem mit Trockenluft gespülten Gehäuse mit einer Geschwindigkeit von 1 K/min gekühlt, und eine Kamera nimmt Bilder mit der gewünschten Frequenz auf (die Standardeinstellung entspricht einer Temperaturauflösung von 0,1 K). Gefrorene Tröpfchen werden automatisch anhand ihrer veränderten Lichtreflexion identifiziert, wodurch ein Gefrier-Spektrum als Funktion der Temperatur entsteht. Der Aufbau folgt dem Design von Budke & Koop (2015). Die Anzahl der gefrorenen Tröpfchen bei einer bestimmten Temperatur kann nach Vali (1971) in eine INP-Konzentration umgerechnet werden.

INDA (Ice Nucleation Droplet Array)

Der INDA-Aufbau und ein Beispielbild der PCR-Platte mit gefrorenen und ungefrorenen Tropfen.

Für INDA werden handelsübliche 96-Well-PCR-Platten verwendet, die mit 50 µl Probe pro Vertiefung befüllt sind. Bei Proben mit Quarzfaserfiltern wird ein 1-mm-Filterstanzling direkt in reines Wasser in jeder Vertiefung getaucht. Die versiegelte Schale wird in ein Thermostatbad gestellt und mit ~1 K/min abgekühlt, während eine Kamera den Gefrierzustand jedes Tropfens alle 0,1 K aufzeichnet. Wie bei LINA werden gefrorene und ungefrorene Tropfen visuell unterschieden und die INP-Konzentration nach Vali (1971) bestimmt. Der Ansatz basiert auf Conen et al. (2012), wobei die Verwendung von PCR-Platten nach Hill et al. (2014) erfolgt.

Die Verwendung von PCR-Platten ermöglicht zudem die Wärmebehandlung der Proben. Die versiegelten PCR-Platten werden auf die gewünschte Temperatur erhitzt und für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten (Standard: 90 °C für mindestens 30 Minuten). Durch die Wärmebehandlung werden proteinhaltige INPs zerstört. Der Anteil dieser hitzeempfindlichen INPs wird üblicherweise als Indikator für die Menge an biologischen INPs in einer Probe verwendet.

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