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

Das übergeordnete Ziel dieses Praktikumsleitfadens besteht darin, die verschiedenen Schritte zur Kopplung eines Scanning Mobility Particle Sizers an ein induktiv gekoppeltes Plasma-Massenspektrometer zu beschreiben und zu erläutern, wie dieses Analysegerät verwendet wird. Die SMPS-ICPMS-Messtechnik kann dabei helfen, Fragestellungen in verschiedenen umweltrelevanten und technologischen Anwendungen zu beantworten, beispielsweise bei der Überwachung von luftgetragenen oder bei Verbrennungsprozessen emittierten Partikeln. Wir können nun synthetisierte, technisch hergestellte Nanoobjekte charakterisieren und ihr Verhalten untersuchen.

Der Hauptvorteil dieser Kopplungsstrategie besteht darin, gleichzeitig und online mit einer Zeitauflösung von wenigen Minuten Informationen über die Größe und die chemische Zusammensetzung von Partikeln zu erhalten. Ausgehend von früheren Versuchen, die Kombination aus SMPS und ICP-MS aufzubauen, begannen wir, diese Technik für verschiedene Aerosolquellen unter Verwendung eines rotierenden Scheibendilutors als Einführsystem zu entwickeln. Diese visuelle Demonstration beschreibt den wichtigsten Schritt der Kopplungsstrategie der beiden Instrumente sowie die verschiedenen Einstellungen.

Um die verschiedenen Instrumente zu koppeln und die verschiedenen Gasströme zu steuern, sind einige Modifikationen an der instrumentellen Anordnung erforderlich. Die wichtigsten Schritte des Kopplungskonzepts werden hier zusammengefasst. Verwenden Sie leitfähiges Schlauchmaterial mit einem Innendurchmesser von 6,0 Millimetern und einem Außendurchmesser von 12,0 Millimetern, um die verschiedenen instrumentellen Komponenten miteinander zu verbinden.

Installieren Sie den rotierenden Scheibendilutor zwischen der Aerosolquelle und dem differentiellen Mobilitätsanalysator, oder DMA, in dem die Partikelgrößenklassifizierung stattfindet. Teilen Sie das klassifizierte Aerosol am DMA-Auslass in zwei Fraktionen auf, wobei die eine von einem Kondensationspartikelzähler, oder CPC, angesaugt wird, während die andere zum induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometer, oder ICPMS, geleitet wird. Verwenden Sie einen Massendurchflussregler und einen HEPA-Filter, um partikelfreies Verdünnungs-Argon für den rotierenden Scheibendilutor bereitzustellen.

Fügen Sie einen weiteren Filter an den Überdruck-Rohgas-Auslass des Verdünners an. Verwenden Sie einen zusätzlichen Massendurchflussregler und Filter, um den Mantelgasstrom, der der DMA zugeführt wird, einzustellen. Um den Überdruck-Gasstrom der DMA einzustellen, schließen Sie einen Filter, einen Massendurchflussregler und eine Vakuumpumpe in Reihe am DMA-Ausgang an.

Schließen Sie abschließend einen zusätzlichen Massendurchflussregler und ein Filter an, um partikelfreie Luft als Zusatzstrom zum CPC bereitzustellen, wodurch die Menge des vom CPC verbrauchten klassifizierten Aerosols verringert wird. Als Beispiel für die Verwendung eines Aerosolgenerators für eine Suspension stellen Sie eine Zinkoxidsuspension aus einem kommerziellen Zinkoxiddonanopulver und Polyacrylsäure als Stabilisator für die Nanopartikel her. Verdünnen Sie die hergestellte Suspension, um eine Zinkoxidkonzentration von etwa 30 Mikrogramm pro Milliliter zu erhalten.

Verwenden Sie den Aerosolgenerator mit Düse und Silicagel-Trockner, um ein Aerosol aus der Partikelsuspension zu erzeugen und die Feuchtigkeit der Partikel im Silicagel-Trockner zu entfernen. Füllen Sie dazu zunächst die Suspension oder Lösung in die Flasche und montieren Sie diese am Aerosolgenerator. Stellen Sie anschließend das Druckluftventil des Aerosolgenerators etwas über einen bar ein.

Dadurch entsteht hinter dem Diffusionsentfeuchter ein Aerosolstrom von etwa einem Liter pro Minute. Schließen Sie abschließend den Auslass des Entfeuchters an den Eingang des rotierenden Scheibendilutors an. Die Massedurchflussregler sind auf Gas-Massendurchflüsse unter Standardbedingungen kalibriert.

Da für diese Art von Messungen volumetrische Ströme relevant sind, müssen alle Ströme manuell überprüft werden, zum Beispiel mithilfe eines primären Durchflusskalibrators. Stellen Sie zunächst den Argonstrom am Einlass des DMA-Ummantelungsgases auf 3 Liter pro Minute ein. Danach stellen Sie die Temperatur des rotierenden Scheibendilutors auf 80 Grad Celsius ein und die Temperatur der Verdampfungsstrecke auf 350 Grad Celsius.

Die Durchflussgeschwindigkeit des klassifizierten Aerosols, das die DMA verlässt, ergibt sich aus allen anderen Strömen in und aus der DMA. Der gewünschte Durchfluss des klassifizierten Aerosols kann durch sorgfältige Einstellung des Überschussgases definiert werden. Stellen Sie den Verdünnungs-Argonstrom manuell so ein, dass am Auslass des rotierenden Scheibendilutors ein Durchfluss von 0,6 Litern pro Minute für die verdünnte Probe erreicht wird.

Danach stellen Sie den Überschuss-Gasmassendurchflussregler sorgfältig ein, um einen klassifizierten Aerosolstrom von 0,6 Litern pro Minute zu erreichen, was der gleichen Durchflussrate entspricht wie die des verdünnten polydispersen Aerosols am DMA-Einlass. Anschließend platzieren Sie den Durchflusskalibrator zwischen dem DMA und dem CPC. Stellen Sie den Zusatzluftstrom des CPC so ein, dass die Durchflussrate des vom CPC angesaugten klassifizierten Aerosols auf 0,18 Liter pro Minute reduziert wird.

Überprüfen Sie den verbleibenden Durchfluss des klassifizierten Aerosols, um sicherzustellen, dass 0,42 Liter pro Minute zum ICP-MS geleitet werden. Berechnen Sie anschließend die dynamische Viskosität und die mittlere freie Weglänge von Argon bei Umgebungstemperatur und -druck. Geben Sie beide Werte in der SMPS-Software ein.

Stellen Sie in der SMPS-Software die Auf- und Ab-Scan-Dauer des DMA-Scanzyklus auf 150 Sekunden bzw. 30 Sekunden ein. Stellen Sie die maximale DMA-Spannung auf 4,5 Kilovolt ein, um elektrische Überschläge im DMA zu vermeiden, wodurch ein Partikelgrößenbereich von etwa 14 bis 340 Nanometern abgedeckt wird. Entfernen Sie das konventionelle Einführsystem für flüssige Proben, um das trockene Aerosol direkt in das ICP-MS einzuleiten.

Fügen Sie einen leitfähigen Schlauch zwischen dem entsprechenden Anschluss des DMA-Ausgangs und dem ICPMS ein. Halten Sie den Xenon-Fluss für alle Messungen konstant. Optimieren Sie die anderen Parameter in der ICPMS-Software, einschließlich ICP-Verdünnungsgas und Probentiefe, um eine konstante Xenon-Intensität zu erreichen.

Stellen Sie die Erfassungszeit des SMPS und des ICPMS so ein, dass die gewünschte Gesamtdauer der Aerosolmessung abgedeckt wird. Nachdem die Gasströme im SMPS und die ICPMS-Parameter eingestellt wurden, führen Sie die Messung manuell gleichzeitig in beiden Geräten durch. Erfassen Sie die Blindsignale während zweier Scans mit einer Dauer von jeweils sechs Minuten bei einer Scheibenrotationsgeschwindigkeit von null.

Danach die Geschwindigkeit auf den gewünschten Wert einstellen. Hier zeigen wir das ICP-MS-Signal des Zinkisotops 66. Zusätzlich sehen wir hier die volumenbasierte Partikelgrößenverteilung.

Dies zeigt die starke Korrelation zwischen den ICP-MS- und SMPS-Signalen. Im Textprotokoll finden Sie Angaben dazu, wie die Datenanalyse durchgeführt wird. Repräsentative Ergebnisse einer Zinkoxid-Suspension zeigen, dass die volumenbasierte Partikelgrößenverteilung gut mit dem ICP-MS-Signal korreliert.

SMPS-Daten werden ursprünglich im Bereich der Anzahlkonzentration gemessen. Die Partikelgrößenverteilung erscheint im Vergleich zur zahlenbasierten Partikelgrößenverteilung in Richtung größerer Partikel verschoben. Dies liegt an der Umrechnung von der zahlenbasierten zur volumenbasierten Darstellung und der stärkeren Gewichtung großer Partikel im volumenbasierten Bereich.

Die Messung von Partikeln, die aus einer wässrigen Natriumchloridlösung erzeugt werden, zeigt, dass bei konstanten experimentellen Bedingungen stationäre, zeitlich aufgelöste SMPS- und ICP-MS-Signale erhalten werden. Der Beitrag jedes Elements an der volumenbasierten Partikelgrößenverteilung wird anhand der ICP-MS-Signale bestimmt. Bei der Messung von Partikeln, die aus der thermisch behandelten Kupferchloridprobe mittels einer thermogravimetrischen Analyse erzeugt werden, ist der Zusammenhang zwischen dem zeitlich aufgelösten ICP-MS-Signal von Kupfer und der volumenbasierten Partikelgrößenverteilung offensichtlich.

Chlorsignale von beiden partikulären Spezies, die als Peaks erfasst werden, und gasförmigen Spezies, die als konstantes Signal über den gesamten gemessenen Partikelgrößenbereich erfasst werden, können mittels SMPS-ICP-MS unterschieden werden. Bei der Durchführung dieses Messverfahrens ist zu beachten, dass je nach Proben-Aerosolpartikel ein Kompromiss zwischen der RDD-Verdünnung und der Empfindlichkeit des ICP-MS gegenüber dem Isotop von Interesse gefunden werden muss. Es besteht ein Kompromiss zwischen einer hohen Anzahl überwachter Elemente und deren Isotope mit niedrigen Nachweisgrenzen, einer hohen Größenauflösung und einem breiten abgedeckten Partikelgrößenbereich auf der einen Seite sowie einer kurzen Scan-Dauer beziehungsweise einer hohen zeitlichen Messauflösung auf der anderen Seite.

Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Forschern den Weg, um nanoskalige Objekte hinsichtlich ihres Verbleibs, ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer Größenverteilung zu untersuchen. Dies ist von Bedeutung für die Untersuchung der Gasqualität sowie von Partikelemissionen oder Expositionen. Wir nutzen diese Informationen für die Weiterentwicklung umweltverträglicher Technologien zur Bioenergiegewinnung und Abfallbehandlung.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine robuste Kopplung von SMPS- und ICP-MS-Geräten aufbaut und wie man eine genaue Messung durchführt.