Post on 30-Jul-2018
Real-time Monitoring of Aquatic Environments with an Underwater Mass Spectrometer
Peter G. Wenner, F.H.W. van Amerom, S.K. Toler, J.E. Edkins, K. Koehn, R.J. Bell, M. Hall and R.T. Short
University of South Florida Center for Ocean Technology
USF/COT Underwater Mass Spectrometry Program
First generation instruments100 amu Quadrupole Saturn Ion Trap
Field deployment instrument200 amu Quadrupole
Recent deploymentsBayboro HarborLake MaggioreKennedy Space CenterLake Yellowstone
Future Development
Schematics of underwater MS systems
Analyzer SectionQuadrupole 100 amu(Transpector 2, Inficon)95 Watts, Length 125 cm, Diameter 19 cm, Weight in air 38 kg.
Underwater Quadrupole
Analyzer SectionIontrap (Saturn 2000, Varian)150 Watts, Length 135 cm, Diameter 19 cm in the middle 32.5 cm, Weight in air 68 kg.
Underwater Ion tra
p
Hulls: anodized Aluminum, depth 300 m; Power: 24 VDC; Roughing Pump: 2 diaphragm pumps (KNF); Vacuum: Turbo pump (Varian)Membrane Probe: PDMS (in house)
200 amu Linear Quadrupole MIMS System
Roughing Pump
DSL converter
Electronics
QuadTurbo pump
Membrane probe
Embedded PC
Underwater Mass Spectrometry
Principle features of MSType Linear quadrupole mass spectrometerMass range 200 amuInlet System Membrane introduction systemPower consumption 105 WattsVoltage of operation 24 VDeployment time 10-14 days max.Dimensions ∅ 19 cm (7.5”)
L 114 cm (45’’)Weight 33 kg (72.7 Lb)Depth 200 m max.DSL tether range 1609 m (1 mile)
Modular Stepwise MS Approach
No configuration valid for all analytesLess complex configuration first
Membrane introduction/quadrupole MSShallow water applications
Progressive versionsSolid-phase micro-extraction interfaceMagnetic Sector MS for DIC, CO2
Increased depthUse common components
Membrane Introduction for In-Situ Analysis
Simple InterfacePDMS CapillaryVOCs, Dissolved Gases No Sample Prep
In-line Sample Heating Membrane Probe Construction
Membrane Introduction Sample Interface
Membrane Assembly
Stainless Steel Spring
Silicone Membrane
Stainless Steel Tube
Stainless Steel Rod
Thermocouple
Heaters
Thermocouple
Target Analytes for Underwater MIMS
Gases CH4, N2, O2, CO2, Ar, etc. (very low ppm, ~10 sec response)
Volatile Organic Compounds Benzene, Toluene, Xylene, Dimethyl sulfide, etc.(very low ppb, ~1-5 min response)
Semi-Volatile CompoundsNapthalene, PAHs, Pesticides, etc.(low ppb, ~5-20 min response)
MooredMonitoring marinas and shipping
channels, tidal changes, river effluent
Guided surface vehicleMapping of voc’s and gases
Deployments
Remotely Operated VehicleChemical characterization of geothermal
plumes in Lake Yellowstone
Chemical Surveying using Surface Vehicle
Deployment in Bayboro HarborENG Concepts Guided Surface Vehicle
MS Data from Survey of Bayboro Harbor
0.00E+00
5.00E-12
1.00E-11
1.50E-11
2.00E-11
2.50E-11
3.00E-11
3.50E-11
4.00E-11
4.50E-11
11:1
3:55
11:1
5:58
11:1
8:01
11:2
0:09
11:2
2:11
11:2
4:14
11:2
6:17
11:2
8:19
11:3
0:22
11:3
2:24
11:3
4:27
11:3
6:30
11:3
8:32
11:4
0:35
11:4
2:43
11:4
4:46
11:4
6:48
11:4
8:51
11:5
0:54
11:5
2:57
11:5
4:59
11:5
7:02
11:5
9:04
12:0
1:07
12:0
3:10
12:0
5:12
12:0
7:15
12:0
9:17
12:1
1:20
12:1
3:29
12:1
5:32
12:1
7:34
12:1
9:37
12:2
1:39
12:2
3:42
12:2
5:45
12:2
7:47
12:2
9:50
12:3
1:53
12:3
3:55
12:3
5:58
12:3
8:01
12:4
0:04
Time
MASS( 47 ) MASS( 62 ) MASS( 78 ) MASS( 83 )
MASS( 85 ) MASS( 91 ) MASS( 92 )
m/z 78
m/z 91
m/z 92m/z 62
Mapping of Dimethyl Sulfide and Toluene
777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777
77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777777777777777777777
77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
77777777777777777777
777777777777777777
777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777 7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777 77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
77777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777
77777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777 7777777777777777777777777777
77777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777 7
.
0 50 100 150 20025Meters
Map variation in m/z 62 Intensity - Bayboro Harbor, Oct. 9, 2002
Legendm/z 62 - picoamperes
7 1.271 - 1.9457 1.946 - 2.3167 2.317 - 2.7357 2.736 - 3.2827 3.283 - 3.9107 3.911 - 4.6587 4.659 - 6.1837 6.184 - 8.4297 8.430 - 11.0787 11.079 - 13.666
m/z 6277777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
77777777777777777777
7777777777777777777
7777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777 7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777 77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
77777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777
77777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777 7777777777777777777777777777
77777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
777777777777777777777777777 7
.
0 50 100 150 20025Meters
Map variation in m/z 91 Intensity - Bayboro Harbor, Oct. 9, 2002
Legendm/z 91 - picoamperes
7 9.670 - 13.0007 13.001 - 15.2007 15.201 - 16.7007 16.701 - 18.9007 18.901 - 22.0007 22.001 - 25.8007 25.801 - 29.6007 29.601 - 33.2007 33.201 - 37.6007 37.601 - 42.600
m/z 91
MS Data from Survey of Lake Maggiore
0.00E+00
1.00E-09
2.00E-09
3.00E-09
4.00E-09
5.00E-09
6.00E-09
7.00E-09
1
109
217
325
433
541
649
757
865
973
1081
1189
1297
1405
1513
1621
1729
1837
1945
2053
2161
2269
2377
2485
2593
2701
2809
2917
3025
3133
3241
3349
3457
3565
3673
3781
3889
3997
4105
4213
4321
4429
Scan number
Inte
nsity
m/z 32 m/z 44O2
CO2
Joint Environmental Science Investigations Conducted at the Kennedy Space Center
K E N N E D Y S P A C E C E N T E R ( K S C ) J O I N T E N V I R O N M E N T A L S C I E N C E I N V E S T I G A T I O N S ( J E S I )
T E S T P L A N
A U G U S T 2 0 0 3
P r in c ip le P o in t o f C o n t a c t : A lt e rn a t e P o in t o f C o n t a c t : D e n is e M . C rim m in s J a s o n A . Y o zu ra C o d e 8 2 2 0 1 C o d e 8 2 2 0 1 C o n t ra c t o r N a v a l U n d e rs e a W a rf a re C e n t e r N a v a l U n d e rs e a W a rf a re C e n t e r 4 0 1 - 8 3 2 - 9 4 1 1 4 0 1 - 8 3 2 - 2 3 9 5 c r im m in s d m @ n p t. n u w c . n a v y . m il y o zu r a ja @ n p t .n u w c . n a v y . m il
Deployment of UMS aboard a ROV at Lake Yellowstone
Mass Spec
24 VDC Battery Pack
110 VAC-24 VDC Power Supply/DSL Hub
Tethered Deployment Scheme of UMS for Lake Yellowstone
200m Underwater Power & Communication Tether
24 VDC Supply Line to MS
DSL Communication Cable to MS
110 VAC – 24 VDC Power Supply / DSL Converter
DSL Hub & 110 VAC Power Switch
110 VAC Power
Underwater Mass Spectrometer Laptop Computer
m/z 28, 32, 34, 40, 44 & 45 Intensities at Otter Vent (3m), Lake Yellowstone
m/z 32
m/z 44
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Scan #
Inte
nsity
MASS( 28 )MASS( 32 )MASS( 34 )MASS( 40 )MASS( 44 )MASS( 45 )
Mass Spec entered vent
Mass Spec left vent
m/z 32
m/z 28
m/z 40
Mass Spec re-enters vent
m/z 44
m/z 34m/z 45
m/z 15, 32, 34, 44, 45 Intensities at Vent (30 m) in Lake Yellowstone
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
0 100 200 300 400 500 600 700
Scan #
Inten
sity
MASS( 28 )MASS( 32 )MASS( 34 )MASS( 40 )MASS( 44 )MASS( 45 )MASS( 15 )
m/z 44m/z 28
m/z 32
m/z 40m/z 34m/z 15
m/z 45
Future Development Plans
Alternative Sampling InterfacesSolid Phase Extraction (SPME)
In-line AcidificationDIC to CO2In-situ Magnetic Sector InstrumentIntelligent Ion, Inc.
Unattended Remote Operation
Ocean observatoryFull Ocean Depths
Acknowledgements
Funding from U.S. Office of Naval Research (ONR) Grant No. N00014-98-1-0154, N00014-03-1-0479
Gottfried Kibelka, Chad Lembke, Scott Samson, Charlie Jones, Joe Kolesar, Eric Steimle (Center for Ocean Technology)
Bob Byrne, and Tom Peacock (USF College of Marine Science)
Richard Hildebrand, O. Manuel Uy (Johns Hopkins University, Applied Physics Lab)
Denise Crimmins (NUWC)
Barbara Peterson (Dynamac Corp., KSC)Val Klump, Rob Paddock, Jim Waples (University of Wisconsin, Milwaukee)Dave Lovalvo (Eastern Oceanics)