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                安捷倫 8900 ICP-MS對SiO2納米顆粒進行高靈敏度分析

                提供者:上海斯邁歐分析儀器有限公司   發布時間:2021/12/20 20:49:50  閱讀次數:94次   進入該公司店鋪

                言:納米材料正越來越多地用于工業過程、制成品、藥品以及化妝品、防曬霜和食品 等消費品域。由于納米顆粒 (NP) 的環境行為以及被人體吸收后可能產生的毒 性作用尚不明確,因此對 NP 的測量是人們關注的重點。 ICP-MS 是一種測量材料元素含量的成熟技術;近期發展起來的單顆粒采集模式 (spICP-MS) 目可提供一種表征樣品中 NP 含量的強大方法。采用 spICP-MS 記錄所分析溶液中單個 NP 產生的目標元素信號,從而對所含顆粒的數量、濃度 和粒徑,以及溶解元素濃度實現同步測量。多位研究人員已對這種方法進行了開 發 [1-4],如現代 ICP-MS 儀器也能夠提供支持 NP 表征的自動采集與校準方 法。當 ICP-MS 系統具有較短的駐留時間,分析單一同位素時測量間無需穩 定時間即可連續采集數據。在駐留期間總背景計數成比例下降時,來自顆粒羽流的信號并不會降低,因此這一系統可檢測更小的顆粒。然 而,如果駐留時間比羽流持續時間(通常在 0.5 ms 左右) 短,分析物的信號也會隨駐留時間的縮短而降低。這就增 加了計數統計的誤差。使用高靈敏度(信噪比)和合適 的駐留時間對維持計數率的統計有效性至關重要。


                通過傳統四桿 ICP-MS 實現 NP 的準確測量面臨著諸多 挑戰,特別是區分背景信號與小顆粒產生的信號的能力方 面。因此,迄為止報道的許多研究仍集中于銀和金等相 對易于通過 ICP-MS 測量的元素也不足為奇。這些元素有 較高的靈敏度,通常不易受到干擾物的影響,一般也不存在 于天然樣品中,這使儀器能夠更輕松地測量較小顆粒。 然而在現實情況下,多數天然和人為加工的 NP 均基于難以 通過 ICP-MS 進行測量的元素,如鐵、硫、鈦和硅型 NP。 對這些元素而言,樣品基質或等離子體背景有可能對其產生 強烈的多原子干擾,在某些情況下靈敏度也會因較低的離子 化程度或需要測量次要同位素而降低。二氧化硅 (SiO2) NP 廣泛應用于油漆、涂料、粘合劑、食品添加劑、拋光微電子 設備等多種應用,因此對其監測有明確的要求。然而,通 過 ICP-MS 并不能輕松實現 Si 的測量,因為 Si 的主同位素 (28Si,豐度為 92.23%)會受到背景多原子離子 CO 和 N2 的干擾?刹捎 ICP-MS 碰撞/反應池中的化學反應解決干 擾問題,為獲得可控而一致的反應過程,需要使用 Agilent 8900 串聯四桿 ICP-MS (ICP-MS/MS) 等串聯質譜 儀器。


                8900 ICP-MS/MS 采用兩個四桿質量過濾器(Q1 和 Q2) 以及一個位于二者之間的八桿反應池來實現雙重質量選擇 功能,這種功能通常稱為 MS/MS。MS/MS 提供的方法能夠解決具挑戰性的譜圖重疊問題,并可清楚了解池 內的反應過程。ICP-MS/MS 可對硅等難分析的元素實 現成功測定。本研究采用配備單納米顆粒應用模塊軟件的 Agilent 8900 ICP-MS/MS 在 spICP-MS 模式下對 SiO2 NP 進行測量。 文中對該儀器測量 SiO2 的性能進行了討論。


                實驗部分 標準物質和樣品處理 標稱直徑為 50 nm、60 nm、100 nm 和 200 nm 的 SiO2 NP 標準物質購自 nanoComposix (San Diego, USA)。用去離子 水 (DI) 將所有標準物質稀釋至顆粒濃度為 40-1000 ng/L, 隨后超聲處理 5 分鐘以確保樣品的均勻性。為檢查 CO 干 擾對 28Si 信號的潛在影響,采用相同步驟制備出含有 1% 乙 醇碳基質的 SiO2 NP 溶液。使用去離子水配制 5 µg/L Si 離子標樣并用于測定元素響應因子。 儀器 整個實驗均使同一臺 Agilent 8900 ICP-MS/MS(#100, 高應用配置)。這款儀器配備標準鎳采樣錐和截取錐、玻 璃同心霧化器、石英霧化室以及帶 1 mm 中心管的石英炬 管。通過標準蠕動泵及泵管(內徑 1.02 mm)將樣品直接 引入 ICP-MS 中。通過在快速時間分辨分析模式下測量 28Si 來完成分析,駐留時間為每個數據點 0.1 ms (100 µs),測 定之間無需穩定時間。在 MS/MS 模式下對 28Si 信號進行 原位質量測量,其中將兩個四桿(Q1 和 Q2)均設定為 m/z 28。采用氫氣作為反應池氣體以消除 12C16O 和 14N2 等 所有原位質量多原子干擾。Agilent 8900 ICP-MS/MS 的 常規設置詳見表 1。

                 

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                結果與討論 霧化效率 為將 spICPMS 的信號測量值轉化為原始樣品的顆粒含量, 霧化效率的計算或測量。霧化效率是進入等離子體 的分析物數量與輸送至霧化器的分析物數量的比值,通常通 過測量粒徑已知的標準物質計算得出。然而,得到明確表征 的 CRM 通常十分昂貴,不適合用于常規分析。本研究通過 兩種方式獲得了霧化效率。先,測量進入霧化器的樣品提 升質量 (g/min) 以及排出霧化室的排出質量 (g/min)。二者 的差值對應輸送至炬管的樣品氣溶膠質量,由輸送至炬管的 質量除以樣品提升質量即可得出霧化效率。另一種方法是 通過計算 Au NP 標準物質的粒徑得出霧化效率。采用表 1 中的運行條件,以上兩種方法均可得到相同的霧化效率值 (0.065)。
                 

                 

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                SiO2 NP 的時間分辨信號 通過 ICP-MS 對 NP 的 TRA 測量為穿過等離子體的每個顆 粒產生了窄信號峰,其峰強度與顆粒質量成正比。分別在 去離子水(不含顆粒)和含有 50 nm、60 nm 和 100 nm 直徑 SiO2 粒子的溶液中測得的典型信號如圖 2 所示?焖 TRA 模式允許在單顆粒的信號峰中進行多次測量,因此可 對每個 NP 離子羽流的形狀和持續時間進行鑒定。ICP-MS MassHunter 的單納米顆粒應用模塊可通過計算將信號強 度轉換為顆粒直徑(假定粒子呈球形)。由于 Agilent 8900 ICP-MS/MS 具有高靈敏度與有效的干擾去除功能,因此可 將 50 nm 的較小 SiO2 顆粒獲得的清晰峰(圖 2B)與基線 信號以及去離子水中觀測到的較低背景信號輕松加以區分 (圖 2A)。 SiO2 NP 的分析 SiO2 納米顆粒獲得的信號頻率分布如圖 3 所示。50 nm、 60 nm 和 100 nm 顆粒制備出的顆粒濃度分別為 40 ng/L、 40 ng/L 和 100 ng/L。盡管 50 nm 顆粒的背景與顆粒信號 發生了部分重疊(如圖 3B 所示),但顆粒信號仍可與背景 (溶解組分或離子組分)信號得到明確區分。從以上結果可 推斷出,顆粒直徑的實際檢測限應低于 50 nm。50 nm 顆 粒分析中的背景當量直徑 (BED) 為 22 nm。 單納米顆粒產生的脈沖強度是納米顆粒質量的函數,因此也 是粒徑的函數。假設 SiO2 顆粒為球形,直徑為 d 的顆粒質 量 mp 則表示為: 其中 ρ 為 SiO2 的密度。這一公式表明顆粒質量或單個 NP 的信號與顆粒直徑的立方成正比。
                 

                 


                 

                 

                測得的 10 nm 和 200 nm SiO2 NP 混合溶液的粒徑分布如 圖 6 所示。盡管碳濃度較高,但每組顆粒的粒徑分布均與 TEM 測得的結果一致,且不同粒徑的分離獲得了優異的分離 度。結果表明 spICP-MS/MS 技術可通過消除基質干擾實現 實際樣品基質中 SiO2 納米顆粒的準確粒徑測定。


                結論 以 H2 作為反應池氣體,在 MS/MS 模式下運行的 Agilent 8900 ICP-MS/MS 可成功用于 SiO2 納米顆粒的測定和表征。 MS/MS 操作即使在碳基質含量較高時也可有效消除 m/z 28 處 Si 分析的多原子離子干擾,從而獲得較低的背景信號和優 異的靈敏度。ICP-MS MassHunter 軟件有的單納米顆粒應 用模塊軟件可通過計算粒徑為單個 NP 標準物質和混合溶液提 供準確結果。spICP-MS/MS 方法可為粒徑小于 100 nm 的 SiO2 顆粒提供較快的分析速度、粒徑和濃度的優異檢測限以 及準確的結果。



                 

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