MINION - Mikrofluidischer Aufbau zur kontinuierlichen Eisnukleations-Analyse 

Im Projekt MINION (Microfluidic device for Ice Nucleation analysis In cONtinuous flow) geht es um die Entwicklung eines neuartigen Messgerätes zur Bestimmung der Konzentration atmosphärischer eisnukleierender Partikel (engl. ice nucleating particles – INP). INP sind bestimmte atmosphärische Aerosolpartikel, die die primäre Eisbildung in Wolken katalysieren und somit deren Eigenschaften maßgeblich beeinflussen können. Messungen der INP Konzentration, d.h., der Anzahl von INP, die pro Luftvolumen bei einer bestimmten Temperatur aktiv sind, sind aufgrund der großen Variabilität von ~10 Größenordnungen eine experimentelle Herausforderung. Es gibt daher eine große Bandbreite verschiedener Instrumente zur Bestimmung von INP Konzentrationen, wobei jedes entsprechend des Messprinzips einen bestimmten Konzentrations- und Temperaturbereich abdeckt. Keines der momentan verfügbaren Geräte erfasst sowohl sehr seltene Hochtemperatur-INP (> -10 °C) als auch häufiger auftretende Tieftemperatur-INP (< -25 °C). Eine Möglichkeit zur Erweiterung des messbaren Konzentrations- und Temperaturbereichs ist die Untersuchung sehr vieler Tropfen im Nanoliter-Volumenbereich. Diese können mithilfe von mikrofluidischen Tropfengeneratoren in einer Ölmatrix erzeugt und anschließend heruntergekühlt werden. Besonders vielversprechend sind Anwendungen, bei denen Tropfen kontinuierlich erzeugt und in einem mikrofluidischen Kanal über eine gekühlte Fläche geleitet werden. In Kombination mit einem geeigneten Aerosolpartikel- oder Wolkentropfensammler würden somit in Zukunft quasi-online Messungen der INP Konzentration über einen breiten Temperaturbereich möglich. Das MINION System zeichnet sich durch eine neuartige Form der optischen Aggregatzustandsdetektion aus, die die zeitaufwändige und häufig fehlerbehaftete Auswertung von Kamerabildern bisher entwickelter Geräte ersetzt und eine schnelle Analyse Zehntausender Tropfen verspricht. Diese optische Methode lässt sich leicht und kostengünstig vervielfachen, sodass hochaufgelöste Messungen von sowohl Hoch- als auch Tieftemperatur-INP möglich werden. Im Projekt sind neben der Entwicklung von MINION eine umfassende Charakterisierung sowie Messungen atmosphärischer INP Konzentrationen anhand von Filterproben unterschiedlichster geographischer Herkunft geplant. Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt wird in Kooperation mit dem Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien der Technischen Universität Chemnitz durchgeführt.

  • Abb. 1: Messbereich in Bezug auf Temperatur (T) und INP Konzentration (NINP). Der graue Bereich stellt typische INP Konzentrationen in mittleren Breiten dar. Die Messbereiche anderer mikrofluidischer Systeme sind in hellgrün dargestellt. Die Messbereiche der beiden nicht-mikrofluidischen Gefrier-Setups des TROPOS, LINA und INDA, sind in rot und gelb gezeigt.

  • Abb. 2: Schematische Abbildung des MINION Setups. Die Tropfen strömen von links nach rechts durch den mäandrierenden Kanal während ihre Temperatur abnimmt. Die Eisfraktion wird an bestimmten Stellen mit Fasern, die an die optischen Messmodule gekoppelt sind, gemessen.