a reanalysis of the capacity of ptr ms to€¦ · nes methanol formic ... ulp 362, ulp 363, e10...

20
The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology A reanalysis of the capacity of PTRMS to uniquely identify and quantify VOCs in global background air Ian Galbally, Erin Dunne, Sarah Lawson, Antonio Patti with collaborative data from Dennys Angove GAW Reactive Gases Workshop Helsinki June 2010 www.cawcr.gov.au

Upload: truongbao

Post on 19-Aug-2018

216 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

A re­analysis of the capacity of PTR­MS to uniquely identify and quantify VOCs in global background air 

Ian Galbally, Erin Dunne, Sarah Lawson, Antonio Patti with collaborative data from Dennys Angove GAW Reactive Gases Workshop Helsinki June 2010 

www.cawcr.gov.au

Page 2: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

• Measuring VOCs using PTR­MS • Introduction to PTR­MS as a measurement technique • Review of suitability of PTR­MS for measuring VOCs in background air 

• Results from Cape Grim • VOC concentrations from two recent campaigns and comparison with other remote oceanic sites 

Outline

Page 3: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

Proton­Transfer­Reaction Mass Spectrometer (PTR­MS) 

Proton Transfer: Proton Transfer: H H3 3O O + + + A + A → → AH AH + + + H + H2 2O O PA (A)  > PA (H PA (A)  > PA (H2 2O) O) Electric field ~50 V cm Electric field ~50 V cm ­ ­1 1 Pressure ~ 2 mbar Pressure ~ 2 mbar 

Detection Limit: ~10 pptv Detection Limit: ~10 pptv Response Time: 100 ms Response Time: 100 ms 

Compound identification: Compound identification: Capable of detecting 100s of Capable of detecting 100s of VOCs (mass range 1 VOCs (mass range 1­ ­ 512amu) 512amu) Soft ionization reduces product Soft ionization reduces product ion fragmentation ion fragmentation 

Compound quantification: Compound quantification: The product ion signal is The product ion signal is proportional to the mixing ratio of proportional to the mixing ratio of that compound in the air flow. that compound in the air flow.

Page 4: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

PTR­MS Identification and quantification of atmospheric volatile organic compounds 

Current hypothesis: The PTR­MS can be used to accurately identify and quantify VOCs in the atmosphere. 

This hypothesis can be examined in 3 parts: 

1. Can the PTR­MS uniquely identify atmospheric VOCs? 

2. Can the PTR­MS accurately quantify the concentration of atmospheric VOCs? 

3. What can be learnt of atmospheric VOCs from a substantial body of real atmospheric measurements?

Page 5: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

PTR­MS Limitations 

PTR PTR­ ­MS Mass resolution: 1 amu MS Mass resolution: 1 amu PTR PTR­ ­MS cannot distinguish between product ions MS cannot distinguish between product ions with the same mass! with the same mass! 

Identification and quantification require information on what Identification and quantification require information on what compounds are contributing to the ion signal at each mass channe compounds are contributing to the ion signal at each mass channel l 

A signal at a given m/z may contain contributions from: 

2 or more compounds with the same protonated mass Fragment or cluster ions Product ions from reactions with O2 + NO + and H3O + (H2O)

Page 6: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

Laboratory fragmentation studies currently underway of VOCs by PTR­MS 

Alcohols  Acids  Esters  Other OVOCs Alkanes/Alke nes 

Methanol  Formic acid  Methyl formate  Formaldehyde  Toluene 

Ethanol  Acetic acid  Ethyl formate  Acetaldehyde  2­methyl 1,3 butadiene 

1­propanol  Propanoic acid  Propyl formate  Acetone 

2­propanol  Oxalic acid  Butyl formate  1­hydroxy ­ propanone 

Organo­ nitriles 

1­butanol  Methyl acetate  2­butanone  Acetonitrile 

2­butanol  Ethyl acetate Methyl 

isobutyl ketone 

Tert. butyl alcohol 

2­oxo propanal* 

Ethanedial* 

Hydroxy acetic Acid* 

Hydroxy acetaldehyde* 

* to be completed

Page 7: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

Case Study: Mass 75 Significant ion signal at mass 75 detected in semi­rural air near Sydney. 20 compounds with PA>H2O that would have a protonated mass of 75. 

Significant correlations (r > 0.5) were observed between mass 75 and the following masses: 33, 43, 45 , 46, 47, 61, 71 

The correlations and concentrations observed for m/z 75 and 43 indicate methyl acetate is prime  candidate compound for the a majority of the signal observed at m/z 75 

Mass spectra studies improve Mass spectra studies improve our ability to identify our ability to identify compounds in the atmosphere compounds in the atmosphere using PTR using PTR­ ­MS MS 

E = V cm E = V cm ­ ­1 1 

N = molec. N = molec. cm cm ­ ­3 3

Page 8: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

Fragmentation studies of ethanol 

Mass spectra studies can be Mass spectra studies can be used to optimize  the used to optimize  the instrument response to specific instrument response to specific compounds compounds 

All analyses are on the same humidified air sample containing ethanol 

PTR­MS response to ethanol is optimal at E/N = 90Td 

Low response at high E/N is likely due to fragmentation to H3O +  ­ un­measurable! 

E = V cm E = V cm ­ ­1 1 

N = molec. cm N = molec. cm ­ ­3 3

Page 9: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

CET Indoor Smog Chamber – D. Angove 

• Teflon lined, air­filled chamber of 18 m 3 supported by an aluminium frame and lined with highly reflective aluminium 

• Provides a low contaminant environment which permits studies at low reactant concentrations. 

• UVA lights are used to simulate sunlight. 

• Interfaced instruments allow measurement of reactant consumption and product formation. 

• Facilities are available for the sampling of gaseous and aerosol samples. 

• Observations are supported by complex chemical mechanism models such as the Master Chemical Mechanism.

Page 10: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

CET Indoor Smog Chamber – External View

Page 11: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

Formic acid  during smog chamber runs with standard and ethanol containing fuels 

0  100  200  300 

­2 

10  ULP 362 ULP 363 E10 360 E10 361 E5 365 E5 366 

Form

ic Acid Conc. (p

pb) 

Time (min) 

Formic acid measured using long­path FTIR (119 m) and spectrum fitting using the formic acid lines generated from the HITRAN database and MALT version 5.5 developed by David Griffiths (UOW). The errors are outputs from the fitting procedure.

Page 12: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

Mass 47 (expressed in units of ethanol) during smog chamber runs with standard and ethanol containing fuels. 

­100  0  100 0 

20 

40 

60 

80 

100 

120 

ULP 362,  ULP 363,  E10 360,  E10 361,  E5 365,  E5 366 

Ethanol equiv. conc (ppb) 

Time (min) 

Water Injection 

Fuel Injections 

LIGHTS ON 

Mass 47 increases in all experiments, in spite of the expected decrease in ethanol concentration – the influence of formic acid 

There is indication of baseline offsets observed in all experiments with water injection. Is there either a water signal, or chamber wall desorption, at mass 47?

Page 13: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

Aim: to determine whether PTR­MS can unequivocally identify and quantify isoprene, terpenes, acetonitrile, methanol, ethanol, acetone, dimethyl sulphide, benzene and toluene in clean air. 

Use mass spectral data to uniquely identify the PTR­MS product ion signals of each of these VOCs in measurements from Cape Grim Tas. and rural site in WA. 

e.g. acetonitrile measurements at Cape Grim. The contribution of propene must be removed from the signal at mass 42 for accurate quantification of acetonitrile. 

H3O +  + CH3CN → CH3CNH +  + H2O                 m/z 42 O2 +  + C3H6  → C3H6 +  + O2  m/z 42 

Ambient monitoring in the global atmosphere

Page 14: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

The suitability of PTR­MS to measure VOCs 

VOC  Protonated Mass 

OK in background 

air? 

Issues at this mass  Inter­comparison studies 

methanol  33  Y  ­  FTIR (Christian et al., 2004) (Karl et al., 2007)GCMS (de Gouw et al., 2003) 

acetonitrile  42  Y  O 2 + + propene but not significant when propene <100 ppt 

GC­MS (de Gouw et al., 2003) 

ethanol  47  Challenging  Formic acid Low sensitivity to ethanol due to fragmentation to H 3 O +  (Inomata 

Tanimoto, 2009b) Di methyl ether? 

Saphir (Apel et al., 2008) 

acetone  59  Y  Propanal contributes (~10%) possibly glyoxal 

GC­MS (de Gouw et al., 2003) (Karl et al., 2007) 

Saphir (Apel et al., 2008) 

di methyl sulphide (DMS) 

63  Y  Hydrated acetaldehyde may contribute where [acetaldehyde] is 

>> [DMS] 

GCMS (de Gouw Warneke, 2007) 

isoprene  69  Y (providing no biomass burning) 

Furan C 5 H 8 hydrocarbons 

GCMS(de Gouw et al., 2003) (Karl et al., 2007) 

terpenes  81, 137  Y  ­  GC­MS (de Gouw et al., 2003)

Page 15: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

Baseline Conditions at Cape Grim

Page 16: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

VOC concentrations (ppt) at Cape Grim and other Oceanic sites 

1. Galbally, I.E., et al., Environmental Chemistry, 2007. 4(3): p. 178­182. 2. Ayres, G.P. and R.W. Gillett, Journal of Sea Research, 2000. 43: p. 275­286. 3.Colomb, A., et al., Environmental Chemistry, 2009. 6(1): p. 70­82. 4. Williams, J., et al., Environmental Chemistry, 2010 7(2): p. 171­182. 5. Warneke, C. and J.A. de Gouw, Atmospheric Environment, 2001. 35(34): p. 5923­5933. 6 .Singh, H.B., et al., Journal of Gephysical Research, 2004. 109. 7. Williams, J., et al., Geophysical Research Letters, 2004. 31(23): p. 5. 

Protonated Mass 

Most Probable Compound 

Lifetime in marine 

boundary layer (days) 

Cape Grim 2007 

Cape Grim 

2006 [1] 

Cape Grim 1988­1993 

[2] 

Southern Hemisphere 

Mid Latitude 

Oceanic [3] [4] 

Tropical Oceanic [5][6][7] 

33  Methanol  15  633  476  ­  546  575­890 

42  Acetonitrile  471  32  25  ­  20  111­142 

45  Acetaldehyde  0.9  53  nd  ­  290  204 

59  Acetone  66  61  118  ­  127 ­ 450  466­530 

63  DMS  1.5  95  ~80  110  77  50­89 

69  Isoprene  0.1  21  14  ­  40 ­ 66  ­ 

81  monoterpenes  ~0.1  25  nd  ­  10  ­

Page 17: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

DMS and isoprene diurnal cycles in clean air Dec 2007 

20 

40 

60 

80 

100 

120 

140 

160 

180 

0  4  8  12  16  20  24 Hour of day 

Concen

tration DM

S (ppt) 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

70 

80 

90 

100 

Concen

tration isop

rene (p

pt) 

DMS Isoprene 

Radon data courtesy of Wlodek

Page 18: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

DMS diurnal cycle – past and present 

From: Ayers and Gillett, Journal of Sea Research 43 (2000) 275–286 

10 days in December 2007 (PTR­MS) 

February 1996 (GC­FPD) 

20 

40 

60 

80 

100 

120 

140 

160 

180 

0  4  8  12  16  20  24 Hour of day 

Con

centratio

n DMS (ppt)

Page 19: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

Halogen chemistry? 

20 

40 

60 

80 

100 

120 

140 

160 

180 

0  4  8  12  16  20  24 Hour of day 

Con

centratio

n DMS (ppt) 

From: Galbally et al, Geophysical Research Letters, 27 (2000), 3841­3844 

DMS Dec 2007  O 3 Dec­Jan 1985­1997

Page 20: A reanalysis of the capacity of PTR MS to€¦ · nes Methanol Formic ... ULP 362, ULP 363, E10 360, E10 361, E5 365, E5 366 E th a n o l e

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

Thank you 

The Centre for Australian Weather and Climate Research A partnership between CSIRO and the Bureau of Meteorology 

Ian Galbally 

Phone: +61 3 9239 4428 Email: [email protected] Web: www.cawcr.gov.au 

Thank you www.cawcr.gov.au