This thesis centers on the development of an innovative experimental instrument designed to study mass-selected hydrated cluster ions of atmospheric relevance. The setup enables detailed investigations of ion-induced nucleation at the molecular level, with particular emphasis on the evolution of size-dependent properties such as nucleation rates. By enabling the controlled generation and characterization of hydrated clusters, the instrument provides a platform for uncovering the mechanisms underlying atmospheric new particle formation (NPF). Cluster ions are generated via electrospray ionization (ESI) under ambient conditions and introduced into vacuum through a custom-built atmospheric pressure interface (API). Two API configurations were developed. The first employs electrostatic elements, including a tube lens and two skimmers, to generate a strong pressure gradient while guiding the ions into high vacuum. The second configuration consists of a stacked ring ion guide (known as an S-lens) operating in radio frequency (RF-only) mode. This design was selected due to its robustness, ease of maintenance, and high ion transmission efficiency. The ion beam is further confined by a flat quadrupole and a hexapole ion guide, which enable maximum ion transmission. Pressure is rapidly reduced through two exit lenses acting as differential pumping apertures. The ion beam is then deflected by 90° using an electrostatic bender, separating ions from neutral particles. A quadrupole mass filter (QMF) is employed to select ions of different sizes, ranging from single molecular ions to clusters. The selected ions are then guided through an octupole into a 24-electrode ring ion trap, which is mounted on a cryogenic cold head capable of maintaining temperatures between 20 K and 320 K. In the trap, ions are stored for a specific time, during which they are thermalized and undergo reactions with neutral molecules. The measurements are monitored by orthogonal reflectron time-of-flight mass spectrometer (ToF-MS). Theoretical part of this work provides an overview of the electrospray ionization and the corresponding ion generation. The experimental section covers the design of the vacuum system, the development of mass spectrometry components and ion trajectory simulations. Detailed descriptions are provided for the installation and optimization of each subsystem for optimal ion beam stability and transmission. Special attention is given to the atmospheric pressure interfaces, including a comparative analysis of two configurations and the identification of the best operating conditions.     «

This thesis centers on the development of an innovative experimental instrument designed to study mass-selected hydrated cluster ions of atmospheric relevance. The setup enables detailed investigations of ion-induced nucleation at the molecular level, with particular emphasis on the evolution of size-dependent properties such as nucleation rates. By enabling the controlled generation and characterization of hydrated clusters, the instrument provides a platform for uncovering the mechanisms under...     »

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines neuartigen experimentellen Aufbaus zur Untersuchung massenselektierter hydratisierter Clusterionen mit atmosphärischer Relevanz. Das System ermöglicht detaillierte Untersuchungen der ioneninduzierten Nukleation auf molekularer Ebene, mit besonderem Fokus auf die Größendependenz physikalischer Eigenschaften wie Nukleationsraten. Durch die kontrollierte Erzeugung und Charakterisierung hydratisierter Cluster bietet das Instrument eine Plattform zur Aufklärung der zugrunde liegenden Mechanismen der atmosphärischen Neubildung von Partikeln (New Particle Formation, NPF). Die Clusterionen werden unter Umgebungsbedingungen mittels Elektrospray-Ionisation (ESI) erzeugt und über ein eigens entwickeltes Interface im Atmosphärendruckbereich (API) in das Vakuum überführt. Zwei API-Konfigurationen wurden entwickelt. Die erste verwendet elektrostatische Elemente, darunter eine Linsenröhre und zwei Skimmer, um einen starken Druckgradienten zu erzeugen und die Ionen in den Hochvakuumbereich zu leiten. Die zweite Konfiguration besteht aus einem gestapelten Ringionenleiter (S-Lens), der im Hochfrequenzmodus (RF-only) betrieben wird. Diese Variante wurde aufgrund ihrer Robustheit, Wartungsfreundlichkeit und hohen Transmissionseffizienz ausgewählt. Der Ionenstrahl wird anschließend durch einen flachen Quadrupol und einen Hexapol geleitet, die eine maximale Ionentransmission gewährleisten. Zwei Austrittslinsen dienen als differenzielle Pumplöcher zur schnellen Druckreduktion. Anschließend wird der Ionenstrahl um 90° durch einen elektrostatischen Ablenker umgelenkt, wodurch Ionen von neutralen Teilchen getrennt werden. Ein Quadrupol-Massenselektor (QMF) wird zur Auswahl von Ionen unterschiedlicher Größe eingesetzt, von einzelnen Molekülionen bis hin zu Clustern. Die ausgewählten Ionen werden anschließend durch einen Oktupol in eine 24-Elektroden-Ringfalle überführt, die auf einem kryogenen Kaltkopf montiert ist und Temperaturen im Bereich von 20 K bis 320 K ermöglicht. In der Falle werden die Ionen für eine definierte Zeit gespeichert, thermalisieren und reagieren mit neutralen Molekülen. Die Messungen erfolgen mit einem orthogonalen Reflectron-Flugzeitmassenspektrometer (ToF-MS). Der theoretische Teil dieser Arbeit bietet einen Überblick über die Elektrospray-Ionisation und die zugrundeliegenden Mechanismen der Ionenerzeugung. Der experimentelle Teil umfasst das Design des Vakuumsystems, die Entwicklung massenspektrometrischer Komponenten sowie Ionentransportsimulationen. Die Installation und Optimierung der einzelnen Subsysteme zur Erreichung eines stabilen Ionenstrahls mit hoher Transmission werden detailliert beschrieben. Besonderes Augenmerk liegt auf der Entwicklung der Atmosphärendruckschnittstellen, einschließlich eines vergleichenden Analyse der beiden Konfigurationen und der Bestimmung optimaler Betriebsbedingungen.     «

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines neuartigen experimentellen Aufbaus zur Untersuchung massenselektierter hydratisierter Clusterionen mit atmosphärischer Relevanz. Das System ermöglicht detaillierte Untersuchungen der ioneninduzierten Nukleation auf molekularer Ebene, mit besonderem Fokus auf die Größendependenz physikalischer Eigenschaften wie Nukleationsraten. Durch die kontrollierte Erzeugung und Charakterisierung hydratisierter Cluster bietet das Instrument eine Plattf...     »