Development and characterization of a new method for total-reflection X-ray fluorescence analysis of directly collected airborne particulate matter samples

Abstract

Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (TXRF) ist eine hochempfindliche Methode zur Analyse von Spurenund Ultraspurenelementen. TXRF wird in einem weiten Anwendungsbereich verwendet und ist besonders gut geeignet für die Analyse von Umweltproben, wie zum Beispiel Luftfeinstaub. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine neue Methode zur quantitativen TXRF von Luftfeinstaub entwickelt und gründlich untersucht. Die Proben wurden mit einem dreistufigen Dekati PM10-Kaskadenimpaktor direkt auf beschichteten Quarzreflektoren für die TXRF gesammelt. Zur quantitativen Auswertung wurde für jede Stufe eine separate Kalibrierung durchgeführt, da die Proben aus einem Muster aus einzelnen Punkten bestehen. Die Methode wurde mit der klassischen energiedispersiven Röntgenfluoreszenzanalyse (EDXRF) verglichen und ergab ähnliche Resultate. Mit einer Sammelkampagne im Januar 2017 wurde die Anwendbarkeit der entwickelten Methode zur zeitaufgelösten Analyse von Luftfeinstaub gezeigt. Eine weitere Sammelkampagne mit anschließender TXRF-Analyse wurde im Oktober 2017 mit einem Sioutas Personal Cascade Impactor durchgeführt. Im zweiten Teil dieser Dissertation wurde ein bereits existierendes Vakuum-TXRF- Spektrometer (WOBISTRAX ) ausgestattet mit einer Niederleistungs-Röntgenröhre mit Rh-Anode umgestaltet. Das neue Design macht sich den Effekt zunutze, dass ein Multilayer-Monochromator sich auch wie ein Reflektor verhält, welcher den niederenergetischen Teil des Röhrenspektrums totalreflektiert. Für dieses Konzept wird der Name Doppelband-Anregung eingeführt. Ein neuentwickelter Eintrittsflansch verhindert die Luftabsorption des niederenergetischen Teiles des Röhrenspektrums, sodass die Rh-L-Linien (Rh-L bei 2,69keV) in die Kammer gelangen können. Die Rh-L-Linien werden verwendet, um Elemente mit niedriger Ordungszahl (unterhalb des Schwefels) anzuregen. Dies führt zu einer dramatischen Erhöhung der Linienintensitäten der betreffenden Elemente. Die Doppelband-Anregung erlaubt die Erweiterung des analysierbaren Elementbereichs zu niedrigeren Ordnungszahlen, sodass eine Analyse von C bis U möglich wird. Schließlich wurde Röntgen-Nahkanten-Absorptionsspektroskopie (XANES) der K- Kanten von Cu, Zn und Cr in Innenraum-Luftfeinstaubproben an den Synchrotroneinrichtungen BESSY II und ELETTRA erfolgreich durchgeführt.