Persönliche Exposition gegenüber ultrafeinen Partikeln im Alltag

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1 Persönliche Exposition gegenüber ultrafeinen Partikeln im Alltag C. Asbach, A. M. Todea Zusammenfassung In einer Studie wurde die persönliche Exposition gegenüber luftgetragenen Partikeln bei einer Sightseeing-Tour in Pisa sowie in Marina di Pisa mithilfe zweier personengetragener Monitore (Typ: PUFP C100 und minidisc) mit einer Zeitauflösung von 1 s bestimmt. Beide Messgeräte wurden zuvor mit Testaerosolen im Labor miteinander verglichen. Hierbei zeigte sich, dass die Geräte für die zu erwartenden Umweltaerosole gemäß ihrer Spezifikation messen. Für stark hydrophobe Partikelmaterialien ist das Gerät PUFP C100 hin - gegen ungeeignet. Bei den Messungen in Pisa waren die gemessenen Konzentrationen mit im Mittel cm -3 (PUFP C100) etwa um einen Faktor 4 höher als in dem an der Küste gelegenen Ort Marina di Pisa (7 800 cm -3 ). Haupteinflüsse der in Pisa gemessenen Konzentrationen waren der Straßenverkehr, wobei in einigen Fällen Konzentrationsspitzen bis zu > cm -3 gemessen wurden, die typischen Quellen wie vorbeifahrenden Bussen oder Motorrollern, Zigarettenrauch oder Abgasen aus dieselbetriebenen Notstromaggregaten zugeordnet werden konnten. Die Ergebnisse der beiden Messgeräte waren auch in der Praxis gut vergleichbar und gut korreliert. Im Mittel wichen die Ergebnisse um maximal 20 % voneinander ab. Personal exposure to ultrafine particles in everyday life Abstract The personal exposure to airborne particles has been measured during a sightseeing tour in Pisa and Marina di Pisa. Two different personal monitors (PUFP C100 and minidisc) were concurrently used to determine the airborne particle number concentration with a time resolution of 1 s. Prior to the exposure measurements, both instruments were subject of an intercomparison study with lab-generated test aerosols. It was shown that for the range of typical ambient aerosols, both instruments measured according to the manufacturers specifications. Only for highly hydrophobic particle materials, the device PUFP C100 is not suitable. The average particle number concentrations measured in Pisa with the monitor PUFP C100 were 30,430 cm -3 and hence by a factor of approximately four higher than the concentration (7,800 cm -3 ) measured in the village Marina di Pisa, which is located directly on the sea. The particle concentrations measured in Pisa were mainly influ - enced by traffic. In some cases, concentration spikes > 1,000,000 cm -3 were detected, which could be attributed to nearby sources, such as busses, scooters, smokers or emergency power supplies. Also under real life conditions, the results of the two monitors were very comparable and highly correlated with average deviations < 20%. 1 Einleitung Dr. Christof Asbach, Dr. Ana Maria Todea, Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. (IUTA), Bereich Luftreinhaltung und Filtration, Duisburg. Seit Langem ist bekannt, dass die Inhalation luftgetragener Partikel zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen kann [1]. Während vom Gesetzgeber im Rahmen der Feinstaubüberwachung derzeit lediglich die Messung der Partikelmassenkonzentrationen aller Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser < 10 mm, d. h. von PM 10, vorgeschrieben ist, wird aus gesundheitlicher Sicht zunehmend gefordert, einen stärkeren Fokus auf kleinere Partikel zu legen, z. B. auf PM 1 oder auf ultrafeine Partikel (UFP, < 0,1 mm). Da die Masse der Partikel mit der dritten Potenz des Partikeldurchmessers steigt, tragen diese kleinen Partikel, obwohl sie in sehr hohen Anzahlkonzentrationen auftreten können, nur in sehr geringem Maße zur PM 10 -Massenkonzentration bei. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, werden UFP-Konzentrationen häufig als Anzahlkonzentrationen angegeben. Peters et al. [2] stellten zudem fest, dass Atemwegserkrankungen offensichtlich besser mit der Anzahl- als mit der Massenkonzentration korrelieren. Im Alltag sind Menschen in nahezu allen Lebenssituationen ultrafeinen Partikeln ausgesetzt. Typische Quellen für ultrafeine Partikel sind thermische und Verbrennungsprozesse, z. B. Kerzenrauch, Zigarettenrauch (aktiv und passiv), Verkehrs- oder Küchenabgase. Darüber hinaus existieren auch natürliche Quellen ultrafeiner Partikel, z. B. Vulkanausbrüche, Waldbrände oder aufgewirbeltes Seesalz. Aufgrund der hohen zeitlichen und räumlichen Variabilität der Partikelkonzentrationen und der starken Unterschiede zwischen den Konzentrationen in Innen- und Außenräumen können aus den in den Messnetzen von Bund und Ländern gemessenen PM 10 -Konzentrationen nur sehr begrenzt Aussagen zur individuellen Exposition einzelner Personen getroffen werden. Zur Bestimmung der persönlichen Exposition gegenüber luftgetragenen Partikeln können personengebundene Sammler oder Monitore zum Einsatz kommen [3]. Hierbei sind Sammler Geräte, die die Partikel z. B. auf Filtern abscheiden, um anschließend die über die Sammelzeit gemittelte Konzentration zu bestimmen. Monitore hingegen sind direkt anzeigende Geräte, die die Konzentration mit hoher Zeitauflösung von bis zu 1 s bestimmen. Generell müssen personengetragene Sammel- oder Messgeräte ausreichend klein sein, um von einer Person ohne wesentliche Beeinträchtigungen getragen werden zu können, und zudem batteriebetrieben sein. Häufig können diese Geräte an einem Gürtel befestigt oder in einer Tasche (z. B. Rucksack) getragen werden und mithilfe eines Probe - nahmeschlauchs im Atembereich der Person messen. Der Atembereich ist definiert als eine Halbkugel mit 30 cm Radius rund um Mund und Nase [4]. In dieser Studie kamen zwei verschiedene personengebundene Monitore zum Einsatz. Zum einen ein Personal Ultrafine Particle Counter (PUFP C100, Enmont, New Richmond, Ohio, USA) und zum anderen ein Miniature Diffusion Size Classifier (minidisc [5], identisch mit DiSCmini, Fa. testo, Titisee-Neustadt). Beide bestimmen die Partikelanzahlkonzentration mit einer Zeitauflösung von 1 s. Ziel dieser Studie war es, zum einen Informationen zu den Expositionen gegenüber luftgetragenen ultrafeinen Partikeln in alltäglichen Situationen zu gewinnen und zudem die Vergleichbarkeit der beiden eingesetzten personengebundenen Messgeräte zu evaluieren. Hierzu wurden die 315

2 Technische Daten der verwendeten Messgeräte. Typ minidisc PUFP C100 Hersteller Fachhochschule Enmont Nordwestschweiz 1 Größe in cm³ 18 x 9 x 4,5 19 x 11 x 7 Gewicht in g Partikelgrößen in nm 10 bis 300 4,5 Konzentrationen in cm - ³ 10 3 bis x 10 5 Genauigkeit in % ±30 ±10 Volumenstrom in l/min 1,0 0,3 Zeitauflösung in s 1 1 Batteriezeit in h 6 bis 8 3,3 bis 6 1 identisch mit DiSCmini der Fa. testo Geräte bei einer Sightseeing-Tour in Pisa sowie im in der Nähe von Pisa am Mittelmeer gelegenen Ort Marina di Pisa eingesetzt. In Pisa stammten die gemessenen Konzentrationen überwiegend aus typischen innerstädtischen Partikelquellen, d. h. Verkehrsabgase, Baustellen und Zigarettenrauch. Darüber hinaus wurde die Exposition während der Busfahrten von und nach Marina di Pisa sowie bei einem Spaziergang entlang der Mittelmeerküste an einem windigen Tag erfasst. 2 Verwendete Messtechnik Zwei Messgeräte kamen zum Einsatz, deren technische Spezifikationen in der Tabelle zusammengefasst sind. Bei den personengebundenen Messungen befanden sich jeweils beide Messgeräte in einem Rucksack und nahmen Aerosolproben aus dem Atembereich durch 75 cm lange Probenahmeschläuche. Die Schlaucheinlässe waren je - weils in der Nähe der Schultern am Gurtsystem des Rucksacks befestigt, wobei der Einlass des minidisc immer auf der linken und der des PUFP C100 immer auf der rechten Seite lag. Da die Messung mit einem minidisc durch die Verwendung silikonhaltiger Probenahmeschläuche stark beeinflusst werden kann [6], sammelten beide Geräte jeweils durch identische PVC(Tygon)-Schläuche. Üblicherweise wird der minidisc mit einem Impaktor vor dem Einlass betrieben, um dem Probenaerosol zu große Partikel zu entnehmen, da diese die Messung stören können. Bei Verwendung eines Probenahmeschlauchs ist die Befestigung des Impaktors jedoch nicht ohne Weiteres möglich, sodass auf dessen Verwendung hier verzichtet wurde. 2.1 Personal Ultrafine Particle Counter (PUFP C100) Das Gerät PUFP C100 ist ein personentragbarer, batteriebetriebener Kondensationspartikelzähler, der Wasser als Arbeitsmedium verwendet [7]. Die eingesogenen Partikel, die zunächst zu klein sind, um optisch detektierbar zu sein, werden einer übersättigten Wasserdampfatmosphäre ausgesetzt. Durch die Übersättigung kondensiert der Wasserdampf auf den Partikelober flächen und bildet so Tröpfchen von einigen Mikrometern Durchmesser, die wiederum in der Lage sind, ausreichend Licht zu streuen, um optisch per Laser gezählt zu werden. Das Gerät kann auf diese Weise die Anzahlkonzentration von Partikeln ³ 4,5 nm mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s bestimmen. Die maximale Anzahlkonzentration beträgt laut Herstellerangaben cm -3. Die Batterie sowie der Wasservorrat sind ausreichend für bis zu sechs Stunden Dauerbetrieb. Das Gerät verfügt über ein eingebautes GPS-Modul. Die Bewegungsdaten werden gemeinsam mit den Konzentra tionsdaten aufgezeichnet, so - dass an schließend die gemessenen Konzentrationen sowohl den entsprechenden Zeitpunkten als auch den jeweiligen Orten zugewiesen werden können. Darüber hinaus lassen sich die aufgezeichneten Daten mithilfe der mitgelieferten Software (EView 1.0) in eine KML-Datei umwandeln. Diese Datei kann in Google Earth eingelesen werden, um das Bewegungsprofil gemeinsam mit den gemessenen Konzentrationen zu visualisieren. Das Gerät wiegt ca. 1 kg, hat eine Größe von 19 cm x 11 cm x 7 cm und kann z. B. am Gürtel getragen werden. Das etwas neuere Modell PUFP C200 ist mit 13 cm x 10 cm x 7 cm und 0,75 kg kleiner und leichter als der Typ C Miniature Diffusion Size Classifier (minidisc) Der minidisc [5] ist der Prototyp des später von der Fa. testo kommerzialisierten DiSCmini. Abgesehen von kosmetischen Änderungen sind beide Gerätetypen identisch, sodass die hier gewonnenen Erkenntnisse zum minidisc auch auf den DiSCmini übertragbar sind. Der minidisc verwendet ein indirektes elektrisches Messverfahren. Die eingesogenen Partikel werden zunächst in einem Diffu - sionsauflader elektrisch unipolar aufgeladen. Eine Koronaentladung stellt die hierzu benötigten Ionen bereit. Die Aufladeeffizienz ist ungefähr proportional zum Partikeldurchmesser d p 1,1 [5]. Diese Größenabhängigkeit ist in etwa dieselbe wie diejenige der sog. lungendeponierbaren Ober - fläche (LDSA, engl.: lung deposited surface area) [8; 9], sodass der gesamte durch die geladenen Partikel hervorgerufene Strom proportional zur LDSA-Konzentration ist. Im minidisc passieren die geladenen Partikel jedoch zunächst eine Anordnung aus mehreren gestapelten Diffusionsgittern, an denen bevorzugt sehr kleine Partikel aufgrund der Brownschen Bewegung der Partikel abgeschieden werden. Der so entstehende, an den Gittern abfließende Teilstrom I d wird mithilfe eines Elektrometerverstärkers gemessen. Der verbleibende Anteil der nicht abgeschiedenen Partikel wird auf einem anschließenden Filter deponiert und der dort abfließende Teilstrom I f mit einem zweiten Elektrometerverstärker bestimmt. Aufgrund der im Messbereich des minidisc eindeutigen Abhängigkeit der Partikeldepositionseffizienz auf den Diffusionsgittern von der Partikelgröße kann der mittlere Partikeldurchmesser aus dem Verhältnis des Stroms I d zum Gesamtstrom (I d + I f ) bestimmt werden. Unter Annahme einer lognormalen Partikelgrößenverteilung und deren Verteilungsbreite lässt sich zudem aus den Messgrößen die Anzahlkonzentration abschätzen. In früheren Studien hat sich gezeigt, dass der minidisc die lungendeponierbare Oberflächenkonzentration luftgetragener Partikel mit einer Genauigkeit und Ver- 316

3 Bild 1. Korrelation der mit dem PUFP C100 (oben) bzw. dem minidisc (unten) und dem Referenz-CPC (TSI, Modell 3776) gemessenen Anzahlkonzentrationen für drei verschiedene Testaerosole, hydrophile NaCl-Partikel (links), hydrophobe Kohlenstoffpartikel (Mitte) und stark hydrophobe DEHS-Tröpfchen (rechts); die schwarze durchgezogene Linie symbolisiert die 1:1-Linie, die grauen Linien den Bereich ±10 % (entspricht der Spezifikation des PUFP C100). gleichbarkeit von etwa ±30 % bestimmen kann [10 bis 12], wobei die Vergleichbarkeit der gemessenen Anzahlkonzentrationen geringer ist [3]. Der minidisc ist mit einer Größe von 18 cm x 9 cm x 4,5 cm und einem Gewicht von 670 g etwas kleiner und leichter als der PUFP C100, hat allerdings mit 10 bis 300 nm auch einen eingeschränkten Partikelgrößenbereich. Die zeitliche Auflösung beträgt ebenfalls 1 s. 2.3 Vergleichbarkeit von minidisc und PUFP C100 mit einem Referenz-CPC In der Vergangenheit wurden bereits einige Untersuchungen zur Vergleichbarkeit von minidisc untereinander und mit anderen Messverfahren [10; 11] sowie zur Genauigkeit [12] durchgeführt. Sie kamen zu dem Schluss, dass die mit dem minidisc sowie mit vergleichbaren Messgeräten gemessenen Konzentrationen typischerweise Abweichungen von bis zu ± 30 % aufweisen können. Für den PUFP C100 existierten bislang keine derartigen Vergleichsmessungen. In einer Vorstudie wurden daher im Nano-Test- Center des Instituts für Gefahrstoff-Forschung sowohl der eingesetzte minidisc als auch der PUFP C100 mit einem stationären Kondensationspartikelzähler (TSI, UCPC Modell 3776) verglichen. Hierbei kamen drei verschiedene Test aerosole zum Einsatz: (1) ein NaCl-Aerosol mit einem Modaldurchmesser von 92,9 ± 5,4 nm und einer geome - trischen Standardabweichung von 1,84 ± 0,017, (2) ein Aerosol, bestehend aus agglomerierten Kohlenstoffpartikeln mit einem Modaldurchmesser von 85,6 ± 5,1 nm und einer geometrischen Standardabweichung von 1,63 ± 0,004 und (3) ein Aerosol bestehend aus Di-ethyl-hexyl-sebacat- Tröpfchen (DEHS) mit einem Modaldurchmesser von 232,9 ± 18,0 nm und einer geometrischen Standardabweichung von 1,82 ± 0,004. Als Partikelmaterial wurde NaCl gewählt, da es hydrophil bzw. hygroskopisch ist und der wasserbasierte PUFP C100 diese Partikel daher gut detektieren können sollte. Kohlenstoffpartikel hingegen sind hydrophob und reine DEHS-Tropfen sehr stark hydrophob, sodass durch die Wahl dieser Testsubstanzen der Einfluss des Partikelmaterials auf die Messung mit dem PUFP C100 untersucht werden konnte. Während der einzelnen Messreihen wurden die Konzentrationen der Testaerosole variiert. Die Korrelationen der mit dem PUFP C100 und dem minidisc gemessenen Anzahlkonzentration mit den Anzahlkonzentrationen des Referenz-CPCs sind in Bild 1 gezeigt. Die beiden linken Graphen in Bild 1 zeigen die Korrelationen für NaCl-Partikel. Man erkennt, dass der PUFP C100 bis zu einer Konzentration von ca cm -3 nahezu perfekt mit dem Referenz-CPC übereinstimmt. In diesem Bereich liegt die Steigung bei 1,01, d. h. im Mittel weichen die Daten um nur 1 % voneinander ab. Oberhalb von ca cm -3 weicht der PUFP C100 zunehmend von den Referenzwerten aufgrund des sog. Koinzidenzfehlers nach unten hin ab. Bis etwa cm -3 beträgt die Abweichung jedoch max. 10 %, sodass das Gerät seine Spezifikationen erfüllt (siehe Tabelle). Für höhere Konzentrationen nimmt die Ab - weichung jedoch weiter zu. Der minidisc zeigt mit einer Steigung von 1,06 eine geringfügig höhere Abweichung, die jedoch im hier untersuchten Bereich konzentrationsunabhängig ist. Für hydrophobe und agglomerierte Kohlenstoffpartikel zeigen beide Geräte etwas höhere Abweichungen. In beiden Fällen sind die gemessenen Konzentrationen höher als die Referenzkonzentrationen. Mit mittleren Abweichungen von 8,5 % (PUFP C100) und 12,8 % (minidisc) liegen sie aber im Bereich der Spezifikationen. Erhebliche Abweichungen zeigten sich hingegen für die stark hydrophoben DEHS- Tröpfchen. Offensichtlich wird im PUFP C100 nicht ausreichend Wasserdampf auf den DEHS-Tröpfchen kondensiert, sodass die entstehenden Tröpfchen zu klein sind, um detektiert zu werden. Als Resultat zeigt der PUFP C100 gegen Null tendierende Konzentrationen an, während der Refe- 317

4 Bild 2. GPS-Track mit der persönlichen Exposition (gemessen mit PUFP C100) bei einer Sightseeing- Tour in Pisa. Bild 3. Zeitreihe der mit minidisc und PUFP C100 gemessenen Anzahl - konzentrationen während eines Stadtrundgangs in Pisa. renz-cpc Konzentrationen bis zu cm -3 misst. Hierzu ist anzumerken, dass bereits geringfügige Verunreinigungen des DEHS zu einer wesentlich besseren Übereinstimmung der gemessenen Konzentrationen führte. Die mit dem PUFP C100 gemessenen Konzentrationen lagen nun nur noch etwa 15 % unter der Ergebnissen des Referenz CPC (Daten hier nicht gezeigt). Da hochreine hydrophobe Partikel in der Außenluft sehr unwahrscheinlich sind, kann davon ausgegangen werden, dass der hier beobachtete Effekt für die durchgeführten Expositionsmessungen keine Rolle spielt. Der minidisc zeigte für das DEHS-Aerosol um ca. 33 % zu hohe Konzentrationen an. Dies liegt daran, dass ein großer Anteil der vermessenen Partikel aufgrund der breiten Größenverteilung des Testaerosols außerhalb des Messbereichs des minidisc lag. Die hier gezeigten Messungen mit dem minidisc decken sich weitgehend mit den Erkenntnissen der früheren Studien [10; 11]. 3 Durchführung der Expositions - messungen und Ergebnisse 3.1 Messungen in Pisa Die Exposition wurde während eines ca. dreistündigen Stadtrundgangs am Vormittag des 4. Februar 2016 gemessen. Bild 2 zeigt die per GPS aufgezeichnete Route in Form von grauen Punkten. Die Graustufe der Punkte gibt dabei die mit dem PUFP C100 gemessene Anzahlkonzentration an dem jeweiligen Ort an. Eine Zeitreihe der mit diesem Gerät sowie parallel mit dem minidisc gemessenen Anzahlkonzentrationen zeigt Bild 3. Die Tour begann und endete in unmittelbarer Nähe zum Bahnhof Pisa Centrale. Sie führte zunächst entlang einer recht stark befahrenen Straße zur Piazza Vittorio Emanuelle II. Auf dem Gehweg entlang der Straße befanden sich mehrere Cafés, vor denen Raucher standen, die lokal hohe Partikelkonzentrationen erzeugten. Die Orte dieser Konzentrationserhöhungen sind in den Bildern 2 und 3 mit (a) gekennzeichnet. Die hier maximal gemessene Konzentration beträgt cm -3 (minidisc) und cm -3 (PUFP C100). Die Unterschiede der mit den beiden Messgeräten bestimmten Konzentrationen liegen vor allem darin begründet, dass die Konzentrationen für den PUFP C100 zu hoch waren (s. Tabelle und Daten für NaCl in Bild 1). Offensichtlich ist die Reaktion des PUFP C100 zudem träger als die des minidisc, sodass der PUFP C100 den sehr schnellen Konzentrationsänderungen nicht so gut folgen konnte. Beim anschließenden Gang über die Einkaufsstraße Corso Italia lag die mittlere Anzahlkonzentration bei ± cm -3 (minidisc) bzw ± cm -3 (PUFP C100). Nach Überqueren des Arno folgte die Route einer Weile dem Flussufer entlang einer stark befahrenen Straße mit vielen Bussen. Dies äußerte sich durch kurze Konzentrationsspitzen beim Vorbeifahren eines Busses, die in den Bildern 2 und 3 mit (b) gekennzeichnet sind. Die höchste hier gemessene Konzentration lag bei cm -3 (mini- DiSC) bzw cm -3 (PUFP C100). Beim anschließenden Gang durch kleine Gassen ohne wesentlichen Autoverkehr sank die Konzentration deutlich gegenüber der an der vielbefahrenen Uferstraße. Die hier gemessenen Konzentrationen betrugen ± cm -3 (minidisc) bzw ± cm -3 (PUFP C100). An der bei Touristen sehr beliebten autofreien Piazza dei Miracoli mit dem schiefen Turm, der Kathedrale und dem Baptisterium blieb die Konzentration mit ± cm -3 (minidisc) sowie ± cm -3 (PUFP C100) im Vergleich zur zuvor in den Gassen gemessenen Konzentration nahezu unverändert. Dabei ist anzumerken, dass sich zurzeit des Besuchs an einem Donnerstagvormittag im Februar nur relativ wenige Menschen an der Piazza dei Miracoli aufhielten, sodass personengebundene Emissionen, z. B. durch Rauchen, minimal waren. Die in den Bildern gezeigten Konzentrationen wurden alle im Außenbereich gemessen. Auf eine Besichtigung der Kathedrale und des Baptisteriums mit möglicherweise durch Kerzenabbrand erhöhten Konzentrationen wurde aufgrund der Geräuschentwicklung der in den Messgeräten verbauten Pumpen verzichtet. 318

5 Nach Verlassen der Piazza dei Miracoli wurde eine Straßenbaustelle passiert, an der ein augenscheinlich stark rußendes dieselbetriebenes Notstromaggregat zur Stromerzeugung verwendet wurde (s. Markierung (d) in den Bildern 2 und 3). Das Abgas des Aggregats ließ die gemessene Anzahlkonzentration kurzfristig auf cm -3 (mini- DiSC) bzw cm -3 (PUFP C100) ansteigen. Beide Messwerte liegen oberhalb der spezifizierten Konzentra - tionsgrenzen der Messgeräte, sodass davon ausgegangen werden kann, dass die Konzentration tatsächlich noch über der vom minidisc gemessenen lag. Auf dem weiteren Weg wurde ein kurzer Zwischenstopp in einem Café eingelegt (s. Markierung (e)). Die Konzentration lag hier mit ± cm -3 (minidisc) bzw ± cm -3 (PUFP C100) geringfügig höher als in den umliegenden Straßen. In Bild 3 sind allerdings deutlich kurzfristige Konzentra - tionsspitzen bis knapp unter cm -3 beim Verlassen des Cafés zu erkennen, die wiederum durch Raucher verursacht wurden. Beim anschließenden Gang durch kleine Nebenstraßen ist eine weitere Konzentrationsspitze zu erkennen, die durch zwei in sehr kurzer Folge vorbei - fahrende Motorroller begründet ist (s. Markierung (f)). Hierdurch stieg die Anzahlkonzentration kurzfristig auf cm -3 (minidisc) bzw cm -3 (PUFP C100). Während des gesamten Rundgangs war die Konzentration beim anschließenden Gang durch einen flussnahen Park mit ± cm -3 (minidisc) bzw ± cm -3 (PUFP C100) am geringsten (s. Markierung (g)). Entlang der Uferstraße stieg die Konzentration insbesondere in der Nähe der Kreuzung (Markierung (h)) kurzzeitig stark an auf cm -3 (minidisc) bzw cm -3 (PUFP C100). Die über den gesamten Zeitraum des Stadtrundgangs gemittelte Anzahlkonzentration betrug cm -3 (mini- DiSC) bzw cm -3 (PUFP C100). Die Mittelwerte der mit den beiden Geräten gemessenen Konzentrationen weichen somit trotz deutlich höherer Unterschiede bei einzelnen Messungen um weniger als 10 % voneinander ab. Diese Daten decken sich mit den zuvor im Labor bestimmten Abweichungen (s. Bild 1). Auch zeigte der PUFP C100 in keinem Fall längerfristig wesentlich zu geringe Konzentrationen an. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass die Vermutung, dass in der Außenluft keine reinen stark hydrophoben Partikelmaterialien anzutreffen sind, zutrifft. Der minidisc produziert allerdings offensichtlich wesentlich stärkere kurzzeitige Ausschläge, wodurch die Standardabweichung hier deutlich höher ausfällt als beim PUFP C100. Diese Ausschläge können zum einen durch die erwähnte schnellere Reaktion des Messverfahrens oder aber durch elektronisches Rauschen des Elektrometerverstärkers begünstigt sein. Bild 4 zeigt die Korrelation der sekündlich gemessenen Anzahlkonzentrationen des mini- DiSC sowie des PUFP C100. Auch hier erkennt man die im Mittel gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen beider Messgeräte, allerdings mit einer recht hohen Streuung (R² = 0,7976). 3.2 Messung in Marina di Pisa Im weiteren Verlauf des Tages führte die Tour in den ca. 13 km westlich von Pisa am Mittelmeer gelegenen Vorort Marina di Pisa. Die Zeitreihen der gemessenen Konzentrationen zeigt Bild 5. Nach einem Fußweg (Markierung (a)) in Pisa und einer 17-minütigen Wartezeit am Busbahnhof Bild 4. Korrelation der Anzahlkonzentrationen, gemessen bei der Sightseeing- Tour in Pisa mit minidisc und PUFP C100. Bild 5. Zeitreihe der mit minidisc und PUFP C100 gemessenen Anzahlkonzentrationen während der Sightseeing-Tour in Marina di Pisa, inklusive An- und Abreise per Bus. (Markierung (b)) erfolgte die Anreise nach Marina di Pisa per Bus (Markierung (c)). Die mittlere Anzahlkonzentration während des Fußwegs betrug cm -3 (minidisc) bzw cm -3 (PUFP C100), wobei der minidisc eine Maximalkonzentration von cm -3 und der PUFP C100 von cm - ³ anzeigte. Während des Wartens am Busbahnhof, auf dem zu der Zeit kein Betrieb war, lag die mittlere Konzentration bei ± cm -3 (minidisc) bzw ± cm -3 (PUFP C100). Der anschließend be - nutzte, voll besetzte Bus war ein älteres Fabrikat, das über keine gefilterte Zuluft verfügte. Der Bus war zuvor am Busbahnhof geparkt und wurde erst für diese Fahrt eingesetzt. Aufgrund der relativ niedrigen Außentemperaturen von durchschnittlich 12 C waren die Fenster des Busses zunächst geschlossen. Man erkennt in Bild 5, dass die Konzentration im Bus nach der Abfahrt mit der Zeit von ursprünglich ca cm -3 auf ca cm -3 ansteigt. Nach dem Öffnen der Fenster sank die Konzentration anschließend auf ca cm -3 ab. Die mittlere Anzahl- 319

6 Besuchs leichter, zeitweise böiger anlandiger Wind herrschte. Während der Böen wurde Gischt aufgewirbelt, deren Tropfen mitunter von den Geräten mit eingesogen wurden. Derart große Partikel (Tropfen) führen im minidisc zu Fehlinterpretationen der ge - messenen Ströme, die in den zu erkennenden kurzzeitigen Ausschlägen resultieren (vgl. mit minidisc Daten für DEHS in Bild 1). Die Rückfahrt erfolgte in einem Bus neuerer Bauart mit gefilterter Zuluft, sodass die Konzentrationen mit ± cm -3 (mini- DiSC, Markierung (e) in Bild 5) bzw ± cm -3 (PUFP C100) erheblich niedriger waren als bei der Hinfahrt. Beim anschließenden Fußweg (Markierung (f)) lagen die Konzentrationen hingegen bei ± Bild 6. GPS-Track mit der persönlichen Exposition (gemessen mit PUFP C100) bei einer Sightseeing cm -3 (minidisc, max cm -3 ) Tour in Marina di Pisa. bzw ± cm -3 (PUFP C100, max cm -3 ). Die mittlere Konzentration während der in Bild 5 gezeigten Messperiode betrug ± cm -3 (minidisc) bzw ± cm -3 (PUFP C100). Die Übereinstimmung der Mittelwerte ist also auch in diesem Fall sehr gut, allerdings zeigt sich wieder die stärkere Streuung der Ergebnisse des minidisc. Bild 7 veranschaulicht die Korrelation der mit den beiden Messgeräten gemessenen Anzahlkonzentrationen. Man erkennt eine generell wesentlich bessere Korrelation der Messdaten (R² = 0,9456) als bei den Messungen in Pisa. Lediglich bei sehr hohen Konzentrationen ab ca. > cm -3 während der Fußwege sind deut - lichere Abweichungen ersichtlich. Diese resultieren daraus, dass die Konzentrationen im Wesentlichen oberhalb des Messbereichs des PUFP C100 lagen (vgl. NaCl- Daten in Bild 1). 4 Fazit Bild 7. Korrelation der Anzahlkonzentrationen, gemessen mit minidisc und PUFP C100 in Pisa (Fußweg und Busbahnhof), während der Busfahrten von Pisa nach Marina die Pisa und zurück sowie in Marina di Pisa. konzentration während der Busfahrt betrug ± cm -3 (minidisc) bzw ± cm -3 (PUFP C100). Bild 5 zeigt zudem deutlich, dass die persönliche Exposition mit Verlassen des Busses (Zeitpunkt s) schlagartig sank, da die Außenkonzentration in Marina di Pisa (Markierung (d)) etwa um einen Faktor 2 geringer war als im Bus. Dies ist auch aus dem in Bild 6 gezeigten GPS-Track des anschließenden Spaziergangs ersichtlich. Sowohl Bild 5 als auch Bild 6 verdeutlichen, dass die Anzahlkonzentration in Marina di Pisa mit ± cm -3 (minidisc) bzw ± cm -3 (PUFP C100) erheblich unter den Konzentrationen in Pisa lag. Der minidisc zeigte in direkter Nähe zum Meer teilweise kurze, sehr hohe Konzentrationsausschläge. So wurde z. B. nach s mit dem minidisc eine Konzentration von cm -3 gemessen, während die mit dem PUFP C100 gemessene Konzentration bei ca cm -3 verharrte. Hierzu ist anzumerken, dass während des Als Fazit lässt sich festhalten, dass sowohl der minidisc als auch der PUFP C100 gut geeignet sind, um die persönliche Exposition z. B. im Alltag zu bestimmen. Die unterschied - lichen technischen Spezifikationen begründen ihre Einsatztauglichkeit. Der große Vorteil des minidisc ist der sehr große erfasste Konzentrationsbereich; zudem benötigt er keine Arbeitsflüssigkeit. Der PUFP C100 liefert dagegen aufgrund seines direkten Messprinzips genauere Ergebnisse und erlaubt zudem über das eingebaute GPS-Modul eine einfache und plakative Zuordnung der Exposition zu den jeweiligen Orten. Im Labor zeigte sich, dass beide Geräte für die zu erwartenden Aerosole die Spezifikationen für ihre Genauigkeit erfüllen. Der PUFP C100 ist allerdings ungeeignet, um stark hydrophobe Partikel (DEHS) zu messen. Der minidisc hingegen zeigt für große Partikel (> ca. 300 nm) deutlich zu hohe Konzentrationen an. Die gemessenen Konzentrationen in der Stadt Pisa lagen um einen Faktor von etwa 4 höher als in dem am Meer gelegenen Ort Marina di Pisa. Als individuelle Partikelquellen konnten in der Stadt u. a. Busse, Motorroller, Raucher sowie Abgase aus einem rußenden Notstromaggregat ausgemacht werden, wodurch die Expositionskonzentrationen kurzzeitige Spitzenwerte von > cm -3 erreichten. 320

7 Danksagung Die Messungen wurden teilweise im Rahmen von nanoindex durchgeführt. nanoindex wurde von der L Agence nationale de la recherche (ANR, Frankreich), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Deutschland), dem British Technology Strategy Board (TSB, Großbritannien) und der Fa. TEMAS (Schweiz) im Rahmen des SINN (Safe Implementation of Innova tive Nanoscience and Nanotechnology) ERA-NET gefördert. Bei der Fa. Enmont bedanken wir uns für die kostenlose Leihgabe des PUFP C100. Literatur [1] Dockery, D.; Pope, A.; Xu, X.; Spengler, J.; Ware, J-: Fay, M.; Ferris, B.; Speizer, F.: An association between air pollution and mortality in six U.S. cities. N. Engl. J. Med. 329 (1993), S [2] Peters, A.; Wichmann, H.; Tuch, T.; Heinrich, J.; Heyder, J.: Respiratory effects are associated with the number of ultrafine particles. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 155 (1997), S [3] Asbach, C. Kaminski, H.; Dahmann, D.; Monz, C.; Neumann, V.; Plitzko, S.; Meyer-Plath, A.; Dziurowitz, N.; Simonow, B.; Fierz, M.; Todea, A.: Genauigkeit, Vergleichbarkeit und Feldtauglichkeit personengebundener Monitore zur Bestimmung der Exposition gegenüber Nanopartikeln. Gefahrstoffe Reinhalt. Luft 75 (2015) Nr. 11/12, S [4] DIN EN 1540: Exposition am Arbeitsplatz Terminologie. Berlin: Beuth [5] Fierz, M.; Houle, C.; Steigmeier, P.; Burtscher, H.: Design, calibration, and field performance of a miniature diffusion size classifier. Aerosol Sci. Technol. 45 (2011), S [6] Asbach, C.; Kaminski, H.; Lamboy, Y.; Schneiderwind, U.; Fierz, M.; Todea, A.: Silicone sampling tubes can cause drastic artifacts in measurements with aerosol instrumentation based on unipolar diffusion charging. Aerosol Sci. Technol (submitted). [7] Ryan, P.; Son, S.; Wolfe, C.; Lockey, J.; Brokamp, C.; LeMasters, G.: A field application of a personal sensor for ultrafine particle exposure in children. Sci. Total Environ. 508 (2015), S [8] Fissan, H.; Neumann, S.; Trampe, A.; Pui, D.; Shin, W. G.: Rationale and principle of an instrument measuring lung deposited nanoparticle surface area. J. Nanopart. Res. 9 (2007), S [9] Asbach, C.; Fissan, H.; Stahlmecke, B.; Kuhlbusch, T.; Pui, D.: Conceptual limitations and extensions of lung-deposited Nanoparticle Surface Area Monitor (NSAM). J. Nanopart. Res. 11 (2008), S [10] Asbach, C.; Kaminski, H.; von Barany, D.; Kuhlbusch, T. A. J.; Monz, C.; Dziurowitz, N.; Pelzer, J.; Vossen, K.; Berlin, K.; Dietrich, S.; Götz, U.; Kiesling, H. J.; Schierl, R.; Dahmann, D.: Comparability of portable nanoparticle exposure monitors. Ann. Occup. Hyg. 56 (2012), S [11] Kaminski, H.; Kuhlbusch, T.; Rath, S.; Götz, U.; Sprenger, M.; Wels, D.; Polloczek, J.; Bachmann, V.; Dziurowitz, K. H. J.; Schwiegelshohn, A.; Monz, C.; Dahmann, D.; Asbach, C.: Comparability of mobility particle sizers and diffusion chargers. J. Aerosol Sci. 57 (2013), S [12] Todea, A.; Beckmann, S.; Kaminski, H.; Asbach, C.: Accuracy of electrical aerosol sensors measuring lung deposited surface area. J. Aerosol Sci. 89 (2015), S