Verbesserung der Unterwasser-Massenspektrometrie für die Erforschung des Ozeanwassers durch In-Situ-Kalibrierung

Das SWIMS von URI, das für seine beispiellose Auflösung bei der Messung flüchtiger Verbindungen, insbesondere gelöster Gase in Meeresgewässern, bekannt ist, erfordert für eine genaue Interpretation der gesammelten Daten eine sorgfältige Beachtung verschiedener instrumenteller und umweltbezogener Faktoren. Das Instrument wurde bei verschiedenen Kampagnen zur Erforschung der Ozeane getestet, um die gelösten Gase an wichtigen Stellen im Ozeansystem unseres Planeten zu charakterisieren, insbesondere in der Nähe der Pole.

Das von URI eingesetzte SWIMS besteht aus einem Transpector® MPH Quadrupol-Massenspektrometer, das mit einem Doppelfilament und programmierbaren Ionenquellenparametern ausgestattet ist, um Gassignale mit demselben Massenpeak, aber unterschiedlichen Ionisierungspotentialen zu unterscheiden. Das System erfordert ein Turbopumpensystem und einen speziellen Membraneinlass, um die Analyten bei variablen Drücken von Atmosphärendruck bis hin zu sehr hohen Drücken in das Wasser einzubringen, wenn in großen Tiefen gemessen wird, um die Signale der gelösten Gaskonzentration zu extrahieren. 

Das SWIMS-Design wurde von Dr. Tim Short und Strawn Toler zusammen mit anderen Forschern der University of South Florida entwickelt, die Unterwasser-Massenspektrometer (UMS) entwickelt und in verschiedenen Unterwasserplattformen und -fahrzeugen für eine Vielzahl von Forschungsprojekten eingesetzt haben. Sie arbeiten derzeit an diesem Forschungsprojekt mit, bei dem INFICON das URI bei der Optimierung eines neuen Tisch-Massenspektrometersystems unterstützt, das die hochmoderne Version des Transpector MPH 200 MS verwendet und für Messungen an Bord von gesammelten Wasserproben eingesetzt werden soll. Diese neueste Version umfasst auch ein BCG450 TripleGauge®. Dieses System soll schließlich in eine neue Version eines UMS für zukünftige Explorationskampagnen integriert werden. 

Ein wichtiger Aspekt dieser Zusammenarbeit ist die Entwicklung einer neuen Kalibrierungsmethode, die darauf abzielt, den Einfluss von Schlüsselvariablen zu messen und zu korrigieren. Zu diesen Variablen gehören der hydrostatische Druck, die Innentemperatur des Geräts, das elektronische Rauschen, die Probentemperatur, der Wasserdampf und Änderungen der externen Wassertemperatur. Die innovative In-Situ-Kalibrierungsmethode beinhaltet die kontinuierliche Entnahme von Proben aus einem Standard für gelöste Gase.

UMS können auf verschiedenen Plattformen eingesetzt werden, je nachdem, wo sie Proben nehmen müssen. Zu diesen Plattformen gehören Boote, ferngesteuerte Fahrzeuge (ROVs) und bemannte Tauchboote. Die Wahl der Plattform hängt von Faktoren wie der Dauer der Probenahme und der zu untersuchenden Meeresumwelt ab, z. B. der Meeresoberfläche, den Küstengewässern, der Tiefsee oder den Hydrothermalquellen. 

Das SWIMS UMS und das In-Situ-Kalibrierungssystem wurden zweimal auf einem Tauchfahrzeug eingesetzt, um Profile in der gesamten euphotischen Zone zu erfassen. Der Schwerpunkt lag auf der Messung der primären atmosphärischen Gase - N2, O2, Ar und CO2. Ziel war es, zu untersuchen, wie unabhängige Variablen wie Druck, interne Temperatur, elektronische Rauschbasislinie, Probentemperatur, Wasserdampfdruck und In-situ-Wassertemperatur zur Variabilität der UMS-Messwerte beitragen.

Durch den Einsatz der Hauptkomponentenanalyse zur Bewertung von Variabilitätsquellen und von verallgemeinerten additiven Modellen zur Korrektur der UMS-Ausgabe konnten die gemeinsamen Bemühungen erfolgreich Korrekturen innerhalb einer Fehlerspanne von 1% erzielen.

Die UMS-Technologie, die auf der Membraneinlass-Massenspektrometrie (MIMS) basiert, bietet erhebliche Vorteile bei der Quantifizierung von Unterwassergasen. Durch die direkte Entnahme von Proben aus der Umgebung ohne manuelle Eingriffe eliminiert das UMS Probenahme-Artefakte und ermöglicht einen hohen Probendurchsatz. Darüber hinaus ermöglichen längere In-situ-Einsätze ausgefeilte statistische Analysen von Umweltsignalen, die unser Verständnis der ozeanischen Prozesse verbessern.

Diese gemeinsame Initiative von URI und INFICONs Forschungsteam für neue Technologien stellt einen Fortschritt bei der Weiterentwicklung der UMS-Technologie dar und liefert wertvolle Einblicke in die Dynamik gelöster Gase im Ozean.

Innovation steht im Mittelpunkt unserer Bemühungen, während wir mit dem Department of Ocean Engineering der University of Rhode Island zusammenarbeiten. Es ist keine leichte Aufgabe, wissenschaftliche Ziele zu erreichen, insbesondere bei Projekten wie diesen, bei denen präzise Messungen für das Verständnis und die Abschwächung der Auswirkungen des Klimawandels entscheidend sind. Dennoch bleibt unser Engagement ungebrochen.

Lassen Sie uns weiterhin Grenzen überschreiten und nach einem tieferen Verständnis der komplexen Systeme unseres Planeten streben.