Ein praktischer Leitfaden zur Kopplung eines Scanning Mobility Sizer und induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometers (SMPS-ICPMS)

Das übergeordnete Ziel dieses praktischen Leitfadens ist es, die verschiedenen Schritte zur Kopplung eines Scanning Mobility Particle Sizers an ein Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma zu beschreiben und die Verwendung dieses Analysewerkzeugs zu erklären. Die ICPMS-Messgeräte von SMPS können bei der Beantwortung von Fragen in verschiedenen Umwelt- und Technologieanwendungen helfen, z. B. bei der Überwachung von Partikeln in der Luft oder bei der Verbrennung. Wir können nun synthetisierte, manipulierte Nanoobjekte charakterisieren und ihr Schicksal untersuchen.

Der Hauptvorteil dieser Kopplungsstrategie besteht darin, Informationen über die Größe und die chemische Zusammensetzung von Partikeln gleichzeitig und online mit einer Zeitauflösung von wenigen Minuten zu gewinnen. Basierend auf früheren Versuchen, die SMPS-ICPMS-Kombination einzurichten, haben wir begonnen, diese Technik für verschiedene Aerosolquellen zu entwickeln, wobei ein rotierender Scheibenverdünner als Einführungssystem verwendet wird. Diese visuelle Demonstration beschrieb den Hauptschritt der Kopplungsstrategie der beiden Instrumente sowie die unterschiedlichen Einstellungen.

Um die verschiedenen Instrumente zu koppeln und die unterschiedlichen Gasflüsse zu steuern, sind einige Modifikationen in den instrumentellen Anordnungen erforderlich. Die wichtigsten Schritte des Kopplungskonzepts sind hier zusammengefasst. Verwenden Sie leitfähige Schläuche mit einem Innendurchmesser von 6,0 Millimetern und einem Außendurchmesser von 12,0 Millimetern, um die verschiedenen instrumentellen Teile zu verbinden.

Installieren Sie den rotierenden Scheibenverdünner zwischen der Aerosolquelle und dem Differentialmobilitätsanalysator (DMA), wo die Partikelgrößenklassifizierung stattfindet. Teilen Sie das klassifizierte Aerosol am DMA-Auslass in zwei Fraktionen, eine wird vom Kondensationspartikelzähler (CPC) angesaugt, die andere wird zum Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICPMS) geleitet. Verwenden Sie einen Massendurchflussregler und einen HEPA-Filter, um dem Rotationsscheibenverdünner partikelfreies Verdünnungsargon zuzuführen.

Setzen Sie einen weiteren Filter auf den überschüssigen Rohgasauslass des Verdünners. Verwenden Sie einen zusätzlichen Massendurchflussregler und Filter, um den in den DMA eingeleiteten Mantelgasstrom einzustellen. Um den DMA-Gasüberschuss einzustellen, montieren Sie einen Filter, einen Massendurchflussregler und eine Vakuumpumpe in Reihe am DMA-Auslass.

Schließen Sie schließlich einen zusätzlichen Massendurchflussregler und einen Filter an, um dem CPC partikelfreie Luft als Nachlaufstrom hinzuzufügen und so die Menge des klassifizierten Aerosols zu reduzieren, die vom CPC verbraucht wird. Als Beispiel für die Verwendung eines Aerosolgenerators für eine Suspension bereiten Sie eine Zinkoxidsuspension aus einem handelsüblichen Zinkoxid-Nanopulver und Polyacrylsäure als Stabilisator für die Nanopartikel her. Die vorbereitete Suspension wird verdünnt, um eine Zinkoxidkonzentration von etwa 30 Mikrogramm pro Milliliter zu erhalten.

Verwenden Sie den Aerosolgenerator, der mit einer Düse und einem Kieselgeltrockner ausgestattet ist, um ein Aerosol aus der Partikelsuspension zu erzeugen und das Wasser aus den Partikeln im Kieselgeltrockner zu entfernen. Füllen Sie dazu zunächst die Suspension oder Lösung in die Flasche und montieren Sie sie auf den Aerosolgenerator. Stellen Sie dann das Druckluftventil des Aerosolgenerators etwas über einem Balken ein.

Daraus ergibt sich ein Aerosolstrom hinter dem Diffusionstrockner von ca. einem Liter pro Minute. Verbinden Sie abschließend den Trocknerauslass mit dem Einlass des rotierenden Scheibenverdünners. Massendurchflussregler sind unter Standardbedingungen auf Gasmassenströme kalibriert.

Da für diese Art von Messungen Volumenströme relevant sind, müssen alle Durchflüsse manuell überprüft werden, z. B. mit Hilfe eines primären Durchflusskalibrators. Stellen Sie zunächst den Argonfluss am DMA-Mantelgaseinlass auf 3 Liter pro Minute ein. Stellen Sie dann die Temperatur des Rotationsscheibenverdünners auf 80 Grad Celsius und die Temperatur des Verdampfungsrohrs auf 350 Grad Celsius ein.

Die Durchflussrate des klassifizierten Aerosols, das den DMA verlässt, ergibt sich aus allen anderen Strömen in den DMA hinein und aus ihm heraus. Der gewünschte klassifizierte Aerosolstrom kann durch sorgfältiges Einstellen des überschüssigen Gases definiert werden. Passen Sie den Verdünnungs-Argon-Durchfluss manuell an, um 0,6 Liter pro Minute als Durchfluss der verdünnten Probe am Auslass des rotierenden Scheibenverdünners zu erhalten.

Stellen Sie dann den Massendurchflussregler für überschüssiges Gas vorsichtig ein, um einen klassifizierten Aerosolstrom von 0,6 Litern pro Minute zu erreichen, die gleiche Durchflussrate wie die des verdünnten polydispergierten Aerosols am DMA-Einlass. Platzieren Sie als Nächstes den Durchflusskalibrator zwischen dem DMA und dem CPC. Passen Sie den CPC-Zusatzluftstrom an, um die Durchflussrate des klassifizierten Aerosols, das vom CPC angesaugt wird, auf 0,18 Liter pro Minute zu reduzieren.

Überprüfen Sie den verbleibenden Fluss des klassifizierten Aerosols, um sicherzustellen, dass 0,42 Liter pro Minute zum ICPMS geleitet werden. Berechnen Sie als Nächstes die dynamische Viskosität und den mittleren freien Weg von Argon bei Umgebungstemperatur und -druck. Geben Sie beide Werte in die SMPS-Software ein.

Legen Sie in der SMPS-Software die Auf- und Ab-Scandauer des DMA-Scanzyklus auf 150 Sekunden und 30 Sekunden fest. Stellen Sie die maximale DMA-Spannung auf 4,5 Kilovolt ein, um eine elektrische Wölbung im DMA zu verhindern, was zu einem abgedeckten Partikelgrößenbereich von etwa 14 bis 340 Nanometern führt. Entfernen Sie das herkömmliche Einführsystem für flüssige Proben, um das trockene Aerosol direkt in das ICPMS einzubringen.

Fügen Sie ein leitfähiges Rohr zwischen dem jeweiligen Anschluss des DMA-Ausgangs und dem ICPMS hinzu. Halten Sie den Xenonfluss für alle Messungen konstant. Stimmen Sie die anderen Parameter in der ICPMS-Software ab, einschließlich des ICP-Verdünnungsgases und der Probenahmetiefe, um eine feste Xenonintensität zu erreichen.

Stellen Sie die SMPS- und ICPMS-Erfassungszeit so ein, dass sie die gewünschte Gesamtdauer der Aerosolmessung abdeckt. Nachdem Sie die Gasflüsse in den Parametern SMPS und ICPMS eingestellt haben, führen Sie die Messung in den beiden Geräten gleichzeitig manuell durch. Erfassen Sie leere Signale während zwei Scans von sechs Minuten, wobei die Drehzahl der Disc auf Null eingestellt ist.

Stellen Sie dann die Geschwindigkeit auf den gewünschten Wert ein. Hier zeigen wir das ICPMS-Signal des Zinkisotops 66. Zusätzlich sehen wir hier die volumenbasierte Partikelgrößenverteilung.

Dies zeigt die starke Korrelation zwischen den ICPMS- und SMPS-Signalen. Sehen Sie sich schließlich das Textprotokoll an, um zu erfahren, wie Sie bei der Datenanalyse vorgehen müssen. Repräsentative Ergebnisse einer Zinkoxidsuspension zeigen, dass die volumenbasierte Partikelgrößenverteilung gut mit dem ICPMS-Signal korreliert.

SMPS-Daten werden ursprünglich im Anzahlkonzentrationsbereich gemessen. Die Partikelgrößenverteilung scheint im Vergleich zur zahlenbasierten Partikelgrößenverteilung zu größeren Partikeln verschoben zu sein. Dies liegt daran, dass die Umwandlung von zahlenbasiert in volumenbasierte Ergebnisse und eine stärkere Gewichtung großer Partikel im Volumenbereich resultiert.

Die Messung von Partikeln, die aus einer wässrigen Natriumchloridlösung erzeugt werden, zeigt, dass die konstanten Versuchsbedingungen zu stationären, zeitaufgelösten, SMPS- und ICPMS-Signalen führen. Der Beitrag jedes Elements zur volumenbasierten Partikelgrößenverteilung wird durch die ICPMS-Signale bestimmt. Für die Messung von Partikeln, die aus der thermisch behandelten Kupferchloridprobe mit Hilfe eines thermogravimetrischen Analysators erzeugt werden, ist die Korrelation zwischen dem zeitaufgelösten ICPMS-Signal von Kupfer und der volumenbasierten Partikelgrößenverteilung offensichtlich.

Chlorsignale sowohl von partikulären Spezies, die als Peaks aufgezeichnet werden, als auch von gasförmigen Spezies, die als konstantes Signal über den gesamten gemessenen Partikelgrößenbereich aufgezeichnet werden, können mit SMPS ICPMS unterschieden werden. Bei diesem Messverfahren ist zu beachten, dass je nach Probe die Aerosolpartikel und die Gasmetriken zwischen der RDD-Verdünnung und dem ICPMS beeinträchtigt sind, muss die Empfindlichkeit gegenüber dem interessierenden Isotop ermittelt werden. Es gibt einen Kompromiss zwischen einer hohen Anzahl von überwachten Elementen und ihren Isotopen, niedrigen Nachweisgrenzen, einer hohen Größenauflösung und dem breiten abgedeckten Partikelgrößenbereich auf einer Seite und der kurzen Scandauer bzw. der hohen zeitlichen Messauflösung.

Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher, Nanoobjekte hinsichtlich ihres Verbleibs, ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer Größenverteilung zu erforschen. Dies ist sowohl für die Untersuchung der Gasqualität als auch der Partikelemissionen oder der Exposition relevant. Diese Informationen nutzen wir für die Weiterentwicklung umweltverträglicher Bioenergie- und Abfallbehandlungstechnologien.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie eine robuste Kopplung von SMPS- und ICPMS-Instrumenten einrichten und eine genaue Messung durchführen können.