方法文章

多功能双入口样品引入系统用于多模式单颗粒电感耦合等离子体质谱分析及验证

2.6K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/61653

⸱

2020年9月24日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Chemical and Product Safety, German Federal Institute for Risk Assessment (BfR), 2Environmental Chemical Processes Laboratory, Department of Chemistry, University of Crete, 3Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), 4SPETEC GmbH

本文内容

摘要

本文提供了一种用于单颗粒电感耦合等离子体质谱的双进样口系统的操作方案，该系统可实现无需标准物质的纳米颗粒表征。

摘要

含金属的纳米颗粒（NP）可通过电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）在单颗粒模式（spICP-MS）下对其尺寸和粒子数浓度进行表征。测量的准确性取决于仪器的配置、运行条件以及用户设定的具体参数。ICP-MS的传输效率对于纳米颗粒的定量至关重要，通常需要一种具有均匀粒径分布且粒子数浓度已知的参考物质。

目前，仅有少数金属的纳米颗粒（NP）标准物质可供使用，且粒径规格有限。若在缺乏标准参考物质的情况下对颗粒进行表征，则粒径和颗粒数目的测定结果均可能出现偏差。因此，为解决这一问题，开发了一种用于通过单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）表征纳米颗粒的双进样系统。该系统基于传统的进样装置，包含用于纳米颗粒溶液的气动雾化器（PN）和用于离子校准溶液的微液滴发生器（µDG）。研究人员开发了一种新型且灵活的接口，以实现µDG、PN与ICP-MS系统的便捷连接。该接口由常见的实验室组件构成，可在ICP-MS仪器持续运行的同时，完成校准、纳米颗粒（NP）表征以及系统的清洗操作。

提供三种独立的分析模式，用于测定颗粒尺寸和数量浓度。每种模式基于不同的校准原理。模式 I（计数）和模式 III（µDG）在文献中已有报道，而模式 II（灵敏度）仅使用无机离子标准溶液来确定传输效率，不依赖于纳米颗粒（NP）标准物质。本文所述基于 µDG 的进样系统可确保更高的分析物灵敏度，从而实现更低的检测限（LOD）。对于所研究的所有纳米颗粒（Au、Ag、CeO2），其尺寸相关的检测限均低于 15 nm。

引言

电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）被广泛用于在所谓的单颗粒模式下，定量分析各种样品和基质中纳米颗粒（NP）的尺寸和数量1,2,3。单颗粒模式是指数据采集系统以较短的积分时间或驻留时间进行工作。若对纳米颗粒悬浮液进行了适当的稀释以避免双重事件，则每个被测纳米颗粒在此时间间隔内会产生一个积分信号（以每秒计数表示：cps）。校准标准物质和样品通常通过基于气动雾化的常规样品引入系统（PN）引入ICP-MS4。然而，为准确量化每个纳米颗粒中的金属质量并确定其在悬浮液中的数量浓度，必须事先确定样品引入流速和传输效率（η）。传输效率描述了注入ICP-MS的质量或颗粒数量与ICP-MS检测到的质量（废液收集法）或颗粒数量（计数法）之间的比值5。传输效率最常使用基于纳米颗粒的有证参考物质来确定5。然而，传输特性依赖于纳米颗粒的结构，涉及组成成分和样品分散剂等性质。其他影响因素还包括仪器参数，如样品吸入速率、雾化器气体流速、驻留时间以及总测量时间。

由于可用的纳米颗粒参考物质有限，参考颗粒与样品颗粒之间元素组成的差异可能导致所获得的纳米颗粒分析结果出现偏差。除了参考物质种类有限之外，在每个检测器驻留时间内检测到多个颗粒事件也构成了另一项挑战。这还可能影响待测定的传输效率的准确性。

为了不依赖标准物质，理想情况下应采用传输效率接近100%的样品引入系统。同时，与传统的引入系统相比，当使用较小体积时，可采用更高的颗粒数浓度。即使两个颗粒彼此靠近，基于µDG的系统也能将它们分别检测出来。

µDG 能够生成体积固定、单分散的皮升级（pL）液滴，非常适合此用途6,7,8,9。µDG 可将不同溶剂中的离子型和颗粒型样品注入 ICP-MS。对于离子金属样品，通常认为所生成的液滴在进入 ICP 的过程中完全去溶剂化，即液滴失去全部水分，残留的盐形成颗粒。该颗粒的直径与所用浓度成正比。因此，可自行制备基质、质量与尺寸相同但待测纳米颗粒离子溶液浓度不同的自制参比标准物质。根据 µDG 测得的液滴直径，可轻松计算液滴体积。而 PN 由于产生直径分布广泛的液滴，无法实现这一计算10,11。由于 µDG 具有高达 100% 的样品传输效率和高度均匀的样品引入特性，可实现仪器特有的高分析物灵敏度。根据所用基质的不同，与基于 PN 的传统引入系统相比，该方法在颗粒质量和尺寸检测方面具有更低的检出限（LOD）12。然而，由于 µDG 的结构设计，在 ICP-MS 系统运行期间难以快速更换样品。在测量不同样品之间，必须对 µDG 进行清洗，并随后用新的样品溶液冲洗以稳定系统。此外，其对高基质样品的耐受性尚未得到充分测试。再者，由于流速极低，若要获得良好的统计结果，分析时间将非常长，这限制了其在实际样品（例如环境水样）分析中的实用性。

为了克服这些局限性，µDG 之前已与基于常规气动雾化器的系统联用，该组合被称为双通道进样系统13。Ramkorun-Schmidt 等人通过 µDG 引入校准标准物质，并利用气动雾化器将纳米颗粒（NP）悬浮液导入 ICP-MS，从而同时发挥了两种系统的优势13。该方法实现了对金（Au）和银（Ag）纳米颗粒金属质量分数的高准确度测定，且无需测定传输效率。然而，该双通道进样系统未能测定颗粒数浓度。此外，µDG 系统的清洗和校准过程复杂，限制了其在常规分析中的应用。

本文提出了一种用于测定纳米颗粒（NP）粒径和颗粒数浓度的灵活双通道进样接口，并展示了其组装与实际应用方法。该系统与 Ramkorun-Schmidt 等人的系统类似，同时包含微滴进样装置（µDG）和颗粒数（PN）样品引入系统。我们证明，该双通道进样系统在当前发展阶段可支持三种独立的分析模式，用于研究和表征含金属纳米颗粒。该双通道系统简化了纳米颗粒测定的校准流程，并显著提升了分析性能指标，尤其是准确性14。进样系统允许在电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）持续运行的同时，便捷地更换样品并对微滴进样装置（µDG）进行清洗，从而缩短整体分析时间并降低错位风险。为评估系统性能，采用经过充分表征的参考纳米颗粒（60 nm AuNP — NIST 8013，75 nm AgNP — NIST 8017）进行方法验证和结果可比性分析。

方案

1. 双通道进样引入装置的组装

注意：不同部分的详细信息见表1。

组件
第一部分玻璃雌性球形接头，柄长约 10 mm
玻璃雄性球形接头，柄长约 10 mm
金属 T 型接头（尺寸：1/4 英寸）
玻璃与金属粘合剂
两个用于球形玻璃接头的夹具
第二部分ICP-MS 喷雾室（建议类型：撞击珠喷雾室、旋流喷雾室或类似类型）
气动雾化器（建议类型：同心雾化器）
夹具
第三部分无 O 型圈石英炬管
气体管路连接器，闭端
气体管路连接器，开敞端
导电且柔韧的硅胶管
第四部分压电微液滴生成单元
第五部分微液滴控制单元

表1：用于构建双进样口装置的组件列表。

  1. T型接头单元的构建（图1 第1部分).
    注意：此部分连接传统的样品引入系统（步骤 1.2）和 µDG 转运单元（步骤 1.3）。
    1. 将一个雄性球形接头和一个雌性球形接头分别插入T型连接件的相对两端开口中。
    2. 使用玻璃-金属粘合剂（如硅胶）固定公头和母头球形接头。
    3. 使用夹具将雌性球形接头连接到ICP-MS的进样器上。
  2. 常规样品引入系统的连接图1 第2部分)
    注意：此部分连接至T型接头单元（步骤1.1）
    1. 将ICP-MS雾化室与气动雾化器（PN）连接，该雾化器需适配所使用的雾化室。
    2. 使用夹子将喷雾室出口连接到T形接头的雄球接头（见步骤1.1描述）。
      注意：喷雾室出口通常配备有雌性球形接头连接器。图中所示的组合 图1 由雾化器和撞击珠喷雾室组成。除撞击珠喷雾室外，也可使用其他输送效率在2%至10%或更高的喷雾室。
  3. 微液滴传输单元的构建（图1 第3部分)
    注意：此步骤连接T型接头单元（步骤1.1）和 µDG 单位（步骤 1.4）。
    1. 将可拆卸的石英炬管（移除其进样管）通过合适的夹具固定于实验台架上，使炬管进样口朝上。
    2. 使用封闭式端口气体接头堵住炬管的等离子体/辅助气体入口。
      注意：样品通过蠕动泵输送至雾化器。氩气用于将样品在喷雾室中雾化，并进一步输送至等离子体。
    3. 通过适当的气体连接器，将氦气管路连接至炬管的冷却气体入口。
      注意：所使用的氦气用于去除生成液滴中的溶剂，并作为鞘气，防止液滴与装置壁发生碰撞，同时防止大气中的氧气进入ICP-MS仪器，而样品进样头的 µDG 必须取下以进行清洁和样品更换。
    4. 使用转接头将一根30 cm长的导电柔性硅胶管（内径0.75 cm）连接至炬管的出口端（炬管底部）。
    5. 将硅胶管的下端套在T形接头装置剩余的垂直金属接口上，以连接硅胶管与T形接头装置。
      注意：柔性硅胶管可实现与仪器连接装置的ICP-MS在x-y-z方向上的灵活调节。
  4. 微液滴生成单元与微液滴生成控制单元的连接（图1 第4部分，第5部分)
    注意：此部分与以下内容相关联 µDG 转运单元（步骤 1.3）
    1. 连接已准备好的 µDG 将微滴运输单元通过插入方式连接至单元 µDG 进入炬管的样品入口端。
    2. 将电源连接到 µDG 控制单元
      注意：此处描述的装置由一种 commercially available 的设备组成 µDG 头部和 µDG 电源。根据 µDG 头部使用的装置必须相应地进行调整。

2. 液滴尺寸的定量分析

  1. 使用频闪灯和CCD相机（例如，开放式配置，参见 图1 尺寸测量配置）用于拍摄所生成液滴的图像 µDG.
  2. 使用已知尺寸的物体拍摄图像来校准CCD相机 µm 范围（例如，直径为 150 µm).
  3. 在实验所用设置下，至少拍摄 1,000 个液滴的图像（参见 表2).
  4. 使用合适的图形软件程序（参见 材料表）以在后续步骤中评估与物体和液滴尺寸相关的图像：
    1. 点击 文件 和 开放 加载物体的图像。
    2. 点击 图像 | 调整 | 阈值 通过移动滚动条来定义对象的区域。
    3. 点击 应用 应用设置。
    4. 点击 直的 分段按钮
    5. 单击并按住鼠标左键，沿物体边缘绘制线条。
    6. 按压 Ctrl + M 用于测量物体尺寸。
    7. 在物体的5个不同位置测量其直径。
    8. 复制 和 粘贴 电子表格软件中的“结果”表格。
    9. 计算“Length”列的算术平均值。
    10. 计算像素宽高比（PAR）：实际物体尺寸（µm)/图像中目标的平均大小（像素）。
    11. 点击 文件 | 导入 | 图像序列 导入并加载液滴图像。
    12. 点击 矩形 标记第一张图像中的液滴。
    13. 在触控板上点击右键并选择 重复 将图像序列中的液滴与图像其余部分分离开来。
    14. 按照步骤 2.4.2 中的规定，将液滴与背景分离。
    15. 点击 过程 | 二值 | 腐蚀 以消除液滴表面的光线反射。
    16. 点击 流程 | 二值化 | 膨胀 撤销“侵蚀”步骤。
    17. 点击 分析 | 分析颗粒 | 确定 测量所有液滴。
    18. 复制 和 粘贴 将“摘要”或“结果”表格导入电子表格软件。
    19. 计算雪貂直径（以像素为单位）的算术平均值。
    20. 使用PAR将直径转换 µm：雪貂直径（像素/PAR）。
      注意：由该方法形成的液滴大小 µDG 取决于施加到压电元件的电流脉冲所选择的长度和持续时间7.

3. 样品制备

  1. 在稀酸（例如 0.5 v/v HCl 或 3.5 v/v HNO3）中配制待测分析物的离子校准溶液，浓度范围为 0.2 至 20 µg/L。
  2. 在稀酸中配制用于单点校准的离子溶液，浓度范围为 1 至 10 µg/L。
  3. 根据制造商说明或内部实验方案配制纳米颗粒（NP）标准悬浮液。
    注意：步骤 3.3.1 – 3.3.4 以 Ag、Au 和 CeO2 纳米颗粒为例，说明 NP 标准悬浮液的配制方法。
    1. 为 PN 配制 10 mL 浓度为 0.05 µg/L 的 AuNP 溶液，为 µDG 配制浓度为 1 µg/L 的 AuNP 溶液，均使用超纯水。使用前涡旋振荡 20–60 秒。
    2. 为 PN 配制浓度为 0.05 µg/L 的 AgNP 溶液，为 µDG 配制浓度为 2 µg/L 的 AgNP 溶液，均使用超纯水。使用前充分震荡 20–60 秒15。
    3. 参照先前金属氧化物的方法配制 CeO2 纳米颗粒溶液16,17。
    4. 为 PN 配制浓度为 0.05 µg/L 的 CeO2 纳米颗粒溶液，为 µDG 配制浓度为 1 µg/L 的溶液。
      1. 在总容量为 15 mL – 20 mL 的玻璃容器中称取 25.6 mg/mL 的 CeO2 纳米颗粒，并加入 10 mL 用超纯水配制的 0.05 (v/v) BSA 溶液。
      2. 使用功率为 7.35 W 的指触式超声仪对颗粒溶液均质处理 309 秒。

4. 仪器调谐与参数

  1. 确保 MDG 发生器已关闭，并使用夹具将步骤 1 中构建的双进样口样品引入装置连接至 ICP-MS 仪器的进样器。用雾化气体（Ar）和液滴传输气体（He）冲洗进样系统 5 – 10 分钟。
    注意：必须防止高浓度氧气进入 ICP-MS 仪器的等离子体室。
  2. 关闭液滴传输气体（He），并启动 ICP-MS 系统
  3. 使用 ICP-MS 系统制造商指定的仪器标准调谐溶液，在拟采用的测量模式下对仪器进行调谐。
    注意：标准调谐溶液例如包含钡、铈、铟、铀、铋、钴、锂（均为 1 µg/L），溶于 2.5%（v/v）硝酸和 0.5%（v/v）盐酸的混合溶液中。
  4. 测定 PN 的样品提升速率。
    1. 取一个容器，加入 15 mL 水。
    2. 称量该容器。
    3. 将容器连接至 PN 的管路。
    4. 在仪器软件中点击蠕动泵启动按钮，启动蠕动泵。
    5. 启动一个 5 分钟计时器。
    6. 恰好 5 分钟后，将进样管从容器中取出，再次称量容器。
    7. 使用以下公式计算样品提升速率（mL/min）：（容器初始重量 - 容器最终重量）/ 时间间隔。
  5. 如有必要，优化仪器参数以提高分析物灵敏度，例如雾化气体流速、采样深度、等离子体功率。
    注意：参见 表 2，了解可在 ICP-MS 系统中优化的仪器参数示例。
  6. 调节 He 气体流速，直至检测到的信号速率随液滴形成速率保持稳定。
参数数值
ICP-MS：
等离子体功率 (W)1600
采样深度 (mm)4
气体流速 (L min-1)：
辅助气体0.65
冷却气体14
时间 (s)
数据采集时间 (s)1200
驻留时间 (s)0.01
接口：
PN 样品提升速率 (mL min-1)0.21
雾化气体 (L min-1)0.92
µDG：
毛细管直径 (µm)75
液滴频率 (Hz)10
He 补充气体 (L min-1)0.27
操作模式三脉冲
 设定1设定2设定3
电压 (V)535147
脉冲宽度 (µs)202512
脉冲延迟 (µs)421

表2：所用仪器参数的取值。

5. 纳米颗粒样品的多模式测量

  1. 制备 µDG 控制单元
    1. 打开电源开关 µDG 控制单元
    2. 点击 开始 在第一个屏幕上启动控制单元。
    3. 点击 全局设置 选择要使用的脉冲模式。
    4. 单击脉冲模式右侧的图形按钮，选择三重脉冲模式。
      注意：三脉冲模式的设置参数如下所示 表2.
  2. 制备 µDG 单位
    1. 点击 开/关 开始 µDG.
    2. 将待测样品溶液加入样品池中。
    3. 将样品容器连接到 µDG 单位
    4. 使用10 mL注射器通过容器和 µDG 单位
    5. 将注射器连接到样品容器的注射器接口上。
    6. 推动注射器活塞，直至观察到液体以稳定流速从末端流出 µDG 头部
    7. 保持压力10秒。
    8. 移除注射器。
    9. 放置 µDG 将单元移至CCD相机的焦区以观察形成的液滴。
    10. 将CCD相机连接到计算机或笔记本电脑。
    11. 启动CCD相机软件以观察形成的液滴
    12. 点击 开始 以获取液滴的实时图像。
    13. 观察持续的液滴形成。
    14. 放置 µDG 将样品导入双入口进样系统的倒置炬管中。
  3. 验证两者， µDG 通过测量重复的多点校准，确定每个目标元素的单位及其PN值。
    注意：进行ICP-MS数据采集时，应使用与仪器配套的软件。
  4. 通过将实验数据导入电子表格软件，确定多点校准的线性范围。
    1. 计算每个校准点的算术平均值。
    2. 确定截距、斜率和相关系数。
      注意：对于 sp-ICP-MS，相关系数应为 >0.9918.
  5. 选择一个位于校准曲线线性范围内的浓度，用于后续的单点校准。
  6. 按照以下步骤对多模式纳米材料定量（通过使用如 NIST 8012、NIST 8013 或 NIST 8017 或类似的标准参考物质进行测量与验证）图2).
    1. 根据目标分析物选择一种纳米颗粒和一种离子标准品。
    2. 制备 µDG 根据5.2节使用离子标准溶液对仪器进行校准。
    3. 通过 PN 加入稀释的酸溶液（例如，0.5% v/v HCl）。
    4. 启动ICP-MS系统的时间分辨模式测量。
    5. 点击 开/关 120 秒后终止 µDG 并在PN处将稀酸溶液更换为离子标准液。
    6. 330 秒后，再次将 PN 处的离子标准液更换为稀酸溶液。
    7. 同时移除 µDG 从装置中移除单元。
    8. 更换样品容器（玻璃小瓶）的 µDG 带有盛有稀释酸溶液（如 3.5% HNO₃）容器的装置3）以清洁 µDG 单位
      1. 用空气填充一支10 mL注射器。
      2. 将注射器连接至注射端口 µDG 单位，并排空注射器，直至液体喷射流出 µDG 头部并保持压力30秒。
      3. 制备 µDG 如步骤5.2所述，使用NP样品并连接 µDG 将装置单元重新连接至510秒处的初始设置。
    9. 点击 开/关 810 秒后终止 µDG.
    10. 将PN处的稀酸溶液更换为NP样品，并继续测量300秒。
    11. 大约 1,200 秒后停止测量。
    12. 清洁 µDG 步骤5.5.8中指定的单位

figure-protocol-1
图2：多模式纳米材料定量的测量策略。 请点击此处查看此图的放大版本。

6. 数据分析

注意：为简化所有计算步骤，已准备相应的电子表格（见补充文件）。

  1. 使用电子表格或能够处理数据框的软件来处理数据并导入测量数据。将整个测量的强度值粘贴到电子表格软件（包含在电子补充材料中）的 A 列中，数据将被可视化。将所有必要的实验参数输入到“输入参数”表格中。
  2. 定义感兴趣区域（ROI） µDG 离子型（I），PN 离子型（II） µDG 通过选择适当的电子表格单元格来确定NP（III）和PN NP（IV）。利用准备好的表格中的图表定义感兴趣区域（ROI）的边界，并将数值输入“感兴趣区域的确定”表格（单元格C1:E7）。
  3. 将每个数据集复制并粘贴到单独的列中。按下按钮 复制感兴趣区域 在准备好的表格中，将测量结果按四个 ROI 分区（M 至 P 列）。
  4. 计算 I 和 II 的算术平均值。
  5. 对 III 和 IV 采用迭代方法分离颗粒或液滴信号与背景。
    1. 计算所有测量值的算术平均数和标准差。
    2. 通过均值 + 5×标准差计算出一个极限值或截断值。
    3. 使用限值III和IV去除所有小于该限值的信号 切割 对已识别的粒子信号执行命令。使用 粘贴 将它们粘贴到单独的一列中。
    4. 重复步骤1-3，直至平均值和标准差保持恒定。
      注意：在已准备好的表格的 Q 至 BD 列中，对背景信号与颗粒信号的迭代分离方法共执行五次。
  6. 计算所识别的III和IV颗粒信号的算术平均值。
  7. 计算可检测的最小颗粒尺寸（LOD）大小 - nm）用于 µDG NP 和 PN NP 通过使用分析物的仪器检出限（LOD - 计数）、分析物灵敏度（SC,离子 – 计数/(µg/L），样品摄取速率（qs – 毫升/分钟），转运效率（η – 相对单位）和块体材料密度（ρ – 克/立方厘米³):
    1. figure-protocol-2
    2. figure-protocol-3
  8. 计算质量（ma,p）以及已识别颗粒信号的粒径（d – nm，假设颗粒为球形） µDG NP 和 PN NP 根据所采用的三种分析模式，以标准溶液中的离子金属浓度（ca - µg/L）以及等离子体中的离子通量（计数/秒）：
    1. 质量： figure-protocol-4
    2. 大小： figure-protocol-5
  9. 通过检测到的粒子数（q）计算分析模式的特异性转运效率p），样品的粒子浓度（cp，已使用 - 1/mL），PN 和 MDG 的分析物灵敏度（Sm,离子,PN，Sm,离子,MDG – 计数/(µg/L），液滴的体积（V滴 – pL），停留时间（td – 毫秒），PN的转运效率（ηPN），转运效率的 µDG (ηµDG)，通过PN测量的离子溶液的强度以及 µDG ( I离子通道，PN，I离子的µDG – 计数）以及两种注射系统所用离子溶液的浓度（c离子型，PN，c离子的µDG - µg/L):
    1. 模式一： figure-protocol-6
    2. 模式 II： figure-protocol-7
    3. figure-protocol-8
    4. figure-protocol-9
    5. figure-protocol-10
    6. figure-protocol-11
  10. 假设转运效率 µDG 等于 1:19
    1. figure-protocol-12
  11. 根据测量过程中注入的样品体积（V），计算所分析纳米颗粒溶液的粒子数浓度注射):
    figure-protocol-13
    注意：在准备好的表格中，所有计算在分割后会自动完成。结果展示在“输出参数”表中（单元格 BH7:BR35），包含上述公式及各个计算步骤。

结果

figure-results-1
图3：使用CCD相机测定液滴尺寸。 使用直径为150 µm的铜丝对CCD相机进行校准（A），并将所获得的液滴图像转换为二值图像后测定液滴尺寸（B）。请点击此处查看该图的放大版本。

figure-results-2
图4：双进样系统的验证。  µDG（A）和PN（B）进样系统对金（Au）、银（Ag）和铈（Ce）的多点校准。浓度范围为0.2 – 20 µg mL-1，根据实验条件的不同转换为每次检测事件中的质量。所示数据为三次独立重复实验的平均值。 请点击此处查看该图的放大版本。

figure-results-3
图5：双进样口装置的测量结果示意图。 采用彩色柱状图对不同进样步骤中CeO2 NP的定量结果进行表示，方法同图2。请点击此处查看该图的放大版本。

样本分析模式 / 纳米颗粒样品入口校准标准品进样口η ma, p 纳米颗粒尺寸（d） #NPs 恢复红细胞 (%)
ηPN 测定(%)（fg）（纳米）（mL-1 x103)
Au 56 nm模式-I /PNPN：金离子 & AuNP 标准品1.8 (0.1)1.9 (0.5)57.2 (4.3)28.1 (0)100
NIST 8013计数方法
模式-II /PNPN/µDG: 1.9 (0.1)2 (0.4)58 (3.6)25.6 (1.6)91
灵敏度比金离子标准品
模式III /µDGµDG: 1001.7 (0.2)55 (2.4)394.4 (29.3)70
ηµDG = 1金离子标准品
预期大小（nm）56.0 (0.5) 
Ag 75 nm 模式-I /PNPN：银离子 & AgNP 标准品2.3 (0.2)1.9 (0.2)70.2 (2.3)21.6 (0)100
NIST 8017计数方法
模式-II /PNPN/µDG: 2.5 (0.2)2 (0.2)71.5 (2.1)20.5 (1.9)95
灵敏度比 银离子标准品
模式III /µDGµDG: 1002.5 (0.2)76.7 (2.3)757.1 (68.7)88
ηµDG = 1Ag 离子标准品
预期大小（nm）74.6 (3.8) 
CeO2 JRC NM212模式I /PNPN：Ce 离子 & AuNP 标准品1.7 (0)0.90 (0.09)61.9 (2.0)7.59 (0.32)-
10-100 nm计数方法
模式-II /PNPN/µDG: 4.9 (1.4)1.36 (0.35)70.6 (5.9)5.42 (1.7)- 
灵敏度比Ce离子标准品
模式III /µDGµDG: 1001.63 (0.62)74.4 (9.2)590 (168)-
ηµDG = 1Ce离子标准品

表3：双入口装置的实验结果。 使用三种分析模式和三种传输效率测定方法，对Au NIST 8013、Ag NIST 8017和CeO2 JRC NM 212（n=3）纳米颗粒材料测得的传输效率、金属质量分数、粒径及纳米颗粒数浓度。%回收率定义为测定的纳米颗粒数量与预期纳米颗粒数量的比值。本表格经参考文献14许可重新印制。

本文所述方案可用于测定颗粒的质量浓度和数量浓度。µDG液滴的形成（包括液滴尺寸（图3））已预先表征（表3）。

在完成装置组装（图1）并确定液滴尺寸后，使用离子标准物质对两种进样系统进行了验证（图4）。对于所有被测元素，两种进样系统均能达到 r² > 0.99 的准确度。然而，由于引入和传输的分析物量不同，两种系统之间存在差异。由于 µDG 具有极高的传输效率（高达100%），在相同低质量进样条件下，其分析物灵敏度高于 PN。但 µDG 所测得的浓度需分为两个线性范围。对于 Ag，第一个线性范围为 0 至 0.5 fg event-1，第二个范围为 0.5 至 fg event-1。相比之下，Ce 的第一个线性范围为 0 至 0.25 fg event-1，第二个范围为 0.25 至 3 fg event-1。PN 的测量浓度线性范围似乎更宽，这很可能与每次检测事件中引入 ICP-MS 的质量差异有关。µDG 每次液滴和检测事件均以低体积注入恒定的绝对物质量，因此与 PN 进样相比，检测到的质量较低。

成功验证后，可按照图2所述进行实验。图图5展示了用于测定CeO2纳米颗粒粒径和粒子数浓度的实验结果示例。图中可识别通过µDG和PN引入的离子溶液和纳米颗粒溶液的信号。所有被研究的颗粒均进行了三次重复测定。

所获数据的评估按上述方法进行，结果总结于表3中。对于用于验证双进样系统及三种分析模式的金和银纳米颗粒，所有分析模式均成功测得其认证的粒径和颗粒数浓度。测得的二氧化铈（CeO2）颗粒的平均粒径在10至100 nm之间，处于制造商规定的范围内。

figure-results-4
图1：双入口接口装置的设计。 第1部分—连接单元，第2部分—常规引入系统，第3部分—微液滴传输单元，第4部分—微液滴生成单元，第5部分—微液滴控制单元，以及用于液滴尺寸测量的开放式配置，包括频闪灯和CCD相机。 请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

开发该双通道进样系统的目的在于，通过使用不同的分析模式，尽可能准确地表征和量化纳米颗粒（NP）的粒径和数量浓度，且不受待测分析物的影响。通过将低体积（pL级）和高质荷传输效率（高达100%）的进样系统（µDG）与传统的进样系统（PN）相结合，可实现上述目标。利用本研究中所展示的装置，可通过离子标准物质、独立于纳米颗粒标准参考物质，确定用于颗粒质量定量的元素特异性传输效率。此外，使用µDG将纳米颗粒引入ICP-MS时，AuNP的粒径分布更窄，AgNP的粒径分布相似。而对于CeO2，µDG表现出更宽的粒径分布，这可归因于所分析样品本身具有较高的多分散性。由于进样体积小，两个纳米颗粒可被分别检测，而在传统装置中则会被误判为单个纳米颗粒14。

µDG传输单元的优势在于其采用柔性硅胶管，具有高度灵活性，可简化装置的对准。在系统组装过程中，即使与ICP-MS保持连接，仍可调节带有进样器的炬管。额外施加的He气流可防止µDG喷头产生的液滴与管壁发生碰撞20。此外，即使ICP-MS仍在运行，He气流也允许在更换样品时移除µDG喷头。保持ICP处于工作状态对于实现稳定且可靠的测量至关重要。由于每次更换样品或标准溶液时都必须清洗和冲洗µDG喷头，因此He气流对于本研究中引入的进样系统的运行至关重要。此外，双进样系统的所有部件必须正确连接，以防止氧气进入系统。为了降低本装置中的氧气含量，在点燃等离子体之前，需使用雾化气和液滴传输气体对系统冲洗至少5至10分钟。

当形成的液滴到达连接单元时，会通过雾化液流被引入等离子体中，这种情况也称为湿等离子体条件。与使用干等离子体条件相比，这会导致等离子体中的液体含量增加。因此，信号强度降低，同时信号波动增大，即平均测量信号的标准偏差更高13。然而，通过使用µDG以及浓度在0.2 µg/L范围内的样品，仍可检测到高于背景的信号。每个液滴注入的质量所含金属量较低，接近某些元素（如Au、Ag、Ce）的检测限。若在该检测限附近使用不同浓度进行校准，可观察到两个线性区域，其中Ce在约0.05 µg/L处、Ag在2 µg/L处出现重叠。在重叠区域以下，观测到的信号接近元素特异性背景21。在该限值以上，则可确定µDG的线性工作范围。尽管能够测量低浓度样品，但如果离子与相同分析物的纳米颗粒（NP）在同一液滴中同时存在，则无法将其区分开来。然而，通过使用传统的引入系统，可测定平均离子背景，并从所有信号中扣除该背景，从而仅获得颗粒信号。

基于MDG的系统也存在若干局限性，这些局限性可通过采用所提出的双通道进样系统部分克服。然而，如果µDG的液滴频率超过50 Hz，则无法形成稳定的液滴模式。生成的液滴可能发生碰撞，从而导致分析物发生交换。气体流速的正确调节对于将液滴稳定输送至ICP-MS系统以及PN的正常运行也至关重要。目前，所提出的双通道进样系统尚不支持测量过程的自动化，仍需手动更换样品溶液。

未来，µDG 可用于复杂基质和环境样品中纳米颗粒的表征与定量。为防止因溶液黏度较高、成分复杂以及表面张力等因素导致 µDG 堵塞，应采用合适的设计的 µDG 头部结构。根据 µDG 头部结构的设计及电源操作方式，有可能生成包含类颗粒体系（如细胞、胶束或脂质载体）的液滴，而这些体系目前尚无可用的标准参考物质。

披露

所有作者均声明无利益冲突。

致谢

本工作获得了BfR SFP 1322-642项目对F.L.K和P.R.的资助，BfR SFP 1322-724项目对D.R.的资助，以及BfR高级科学家奖学金对S.A.P.的资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
金离子（1000 mg L-1 储备液）VWR, 英国85550.18E
银离子（1000 mg L-1 储备液）Ultra Scientific, 罗德岛, 美国ICM-103
银纳米颗粒（75 nm, NIST 8017）NIST, 盖瑟斯堡, 马里兰州, 美国已不再提供
金纳米颗粒（60 nm, NIST 8013）NIST, 盖瑟斯堡, 马里兰州, 美国已不再提供
铈离子（1000 mg L-1 储备液）VWR, 英国85557.18E
CeO2（10–100 nm, NM212）欧盟联合研究中心NM212
Excel 2016Microsoft
FijiImageJ
玻璃雌性球形接头 + 玻璃雄性球形接头Fisher Scientific12499016
HCl（emprove bio）Merck, 德国100317
ICP-MS 喷雾室（带 ipact 珠）LabKingsLK6-45013 (OEM 3600170)
球形玻璃接头用金属夹具Fisher Scientific11322015
金属 T 型接头SwagelokSS-4-VCR-T
微滴分配头（非加热型）microdrop Technologies944
微滴分配系统 MD-E-3000microdrop Technologies
MilliQ 水（MilliPore 梯度）Merck MilliPore, 达姆施塔特, 德国
无 O 型圈石英炬管Analytical West450-301
PFA-ST 同轴雾化器Elemental ScientificES-2042
硅橡胶管 - 60° 邵氏硬度 - 铂金固化 - 黑色Silex
XIMEA 相机工具XIMEA

参考文献

  1. Linsinger, T. P. J., Peters, R., Weigel, S. International interlaboratory study for sizing and quantification of Ag nanoparticles in food simulants by single-particle ICPMS. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 406 (16), 3835-3843 (2014).
  2. Krystek, P., et al. Method development and inter-laboratory comparison about the determination of titanium from titanium dioxide nanoparticles in tissues by inductively coupled plasma mass spectrometry. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 406 (16), 3853-3861 (2014).
  3. Degueldre, C., Favarger, P. Y., Bitea, C. Zirconia colloid analysis by single particle inductively coupled plasma-mass spectrometry. Analytica Chimica Acta. 518 (1-2), 137-142 (2004).
  4. Degueldre, C., Favarger, P. Y. Colloid analysis by single particle inductively coupled plasma-mass spectroscopy: a feasibility study. Colloid Surface A. 217 (1-3), 137-142 (2003).
  5. Pace, H. E., et al. Determining transport efficiency for the purpose of counting and sizing nanoparticles via single particle inductively coupled plasma mass spectrometry. Analytical Chemistry. 83 (24), 9361-9369 (2011).
  6. Verboket, P. E., Borovinskaya, O., Meyer, N., Gunther, D., Dittrich, P. S. A new microfluidics-based droplet dispenser for ICPMS. Analytical Chemistry. 86 (12), 6012-6018 (2014).
  7. Shigeta, K., et al. Application of a micro-droplet generator for an ICP-sector field mass spectrometer - optimization and analytical characterization. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 28 (5), 646-656 (2013).
  8. Gschwind, S., Hagendorfer, H., Frick, D. A., Gunther, D. Mass quantification of nanoparticles by single droplet calibration using inductively coupled plasma mass spectrometry. Analytical Chemistry. 85 (12), 5875-5883 (2013).
  9. Gschwind, S., et al. Capabilities of inductively coupled plasma mass spectrometry for the detection of nanoparticles carried by monodisperse microdroplets. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 26 (6), 1166-1174 (2011).
  10. Zarrln, F., K, S. L., Socha, J. R. Droplet size measurements of various nebulizers using differential electrical mobluty particle sizer. Journal of Aerosol Science. 22, 343-346 (1991).
  11. Geertsen, V., Lemaitre, P., Tabarant, M., Chartier, F. Influence of design and operating parameters of pneumatic concentric nebulizer on micro-flow aerosol characteristics and ICP-MS analytical performances. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 27 (1), 146-158 (2012).
  12. Mehrabi, K., Günther, D., Gundlach-Graham, A. Single-particle ICP-TOFMS with online microdroplet calibration for the simultaneous quantification of diverse nanoparticles in complex matrices. Environmental Science. Nano. 6, 3349-3358 (2019).
  13. Ramkorun-Schmidt, B., Pergantis, S. A., Esteban-Fernandez, D., Jakubowski, N., Gunther, D. Investigation of a combined microdroplet generator and pneumatic nebulization system for quantitative determination of metal-containing nanoparticles using ICPMS. Analytical Chemistry. 87 (17), 8687-8694 (2015).
  14. Rosenkranz, D., et al. Improved validation for single particle ICP-MS analysis using a pneumatic nebulizer/microdroplet generator sample introduction system for multi-mode nanoparticle determination. Analytica Chimica Acta. 1099, 16-25 (2020).
  15. National Institute of Standards and Technology. Report of investigation reference material. Reference material 8017. National Institute of Standards and Technology. , (2015).
  16. Tavares, A. M., et al. Genotoxicity evaluation of nanosized titanium dioxide, synthetic amorphous silica and multi-walled carbon nanotubes in human lymphocytes. Toxicology In Vitro. 28 (1), 60-69 (2014).
  17. Au-Kaur, I., et al. Dispersion of Nanomaterials in Aqueous Media: Towards Protocol Optimization. Journal of Visualized Experiments. (130), e56074(2017).
  18. Nanotechnologies. Size distribution and concentration of inorganic nanoparticles in aqueous media via single particle inductively coupled plasma mass spectrometry. ISO/TS19590 Nanotechnologies. , (2017).
  19. Shigeta, K., et al. Application of a micro-droplet generator for an ICP-sector field mass spectrometer - optimization and analytical characterization. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 28, 646-656 (2013).
  20. Koch, J., et al. Accelerated evaporation of microdroplets at ambient conditions for the on-line analysis of nanoparticles by inductively-coupled plasma mass spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 28 (11), 1707-1717 (2013).
  21. Tuoriniemi, J., Cornelis, G., Hassellov, M. A new peak recognition algorithm for detection of ultra-small nano-particles by single particle ICP-MS using rapid time resolved data acquisition on a sector-field mass spectrometer. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 30 (8), 1723-1729 (2015).

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

ICP MS ICP MS
视频即将推出

相关文章