Una guida pratica sul collegamento di un dispositivo di scansione della mobilità e dello spettrometro di massa al plasma (SMPS-ICPMS)

L'obiettivo generale di questa guida pratica è descrivere le diverse fasi per l'accoppiamento di un analizzatore granulometrico a mobilità a uno spettrometro di massa con plasma accoppiato induttivamente, e spiegare come utilizzare questo strumento analitico. La strumentazione SMPS-ICPMS può aiutare a rispondere a domande in diversi ambiti applicativi ambientali e tecnologici, come il monitoraggio di particelle emesse nell'aria o da processi di combustione. Ora possiamo caratterizzare nanooggetti ingegnerizzati sintetizzati e studiarne il destino.

Il principale vantaggio di questa strategia di accoppiamento è ottenere informazioni simultanee e in tempo reale sulla dimensione e sulla composizione chimica delle particelle, con una risoluzione temporale di pochi minuti. Sulla base di precedenti tentativi di configurare la combinazione SMPS-ICPMS, abbiamo iniziato a sviluppare questa tecnica per diverse sorgenti di aerosol, utilizzando un diluitore a disco rotante come sistema di introduzione. Questa dimostrazione visiva illustra i passaggi principali dell'accoppiamento dei due strumenti, nonché le diverse impostazioni.

Per accoppiare gli strumenti diversi e controllare i flussi gassosi, sono necessarie alcune modifiche alle configurazioni strumentali. Di seguito sono riassunti i passaggi principali del concetto di accoppiamento. Utilizzare un tubo conduttivo con un diametro interno di 6,0 millimetri e un diametro esterno di 12,0 millimetri per collegare le diverse parti strumentali.

Installare il diluitore a disco rotante tra la sorgente dell’aerosol e l’analizzatore di mobilità differenziale, o DMA, dove avviene la classificazione delle particelle in base alle dimensioni. Suddividere l’aerosol classificato all’uscita del DMA in due frazioni: una verrà aspirata dal contatore di particelle a condensazione, o CPC, mentre l’altra verrà indirizzata verso lo spettrometro di massa con plasma accoppiato induttivamente, o ICPMS. Utilizzare un regolatore di portata massica e un filtro HEPA per fornire argon di diluizione privo di particelle al diluitore a disco rotante.

Aggiungere un altro filtro all'uscita del gas grezzo in eccesso del diluitore. Utilizzare un ulteriore controller di flusso massico e un filtro per regolare il flusso del gas di sheath introdotto nel DMA. Per regolare il flusso del gas in eccesso del DMA, montare in serie un filtro, un controller di flusso massico e una pompa a vuoto all'uscita del DMA.

Infine, collegare un ulteriore controller di portata massica e un filtro per aggiungere aria priva di particelle al CPC come flusso di compensazione, riducendo così la quantità di aerosol classificato consumato dal CPC. Come esempio di utilizzo di un generatore di aerosol per una sospensione, preparare una sospensione di ossido di zinco a partire da una polvere nano di ossido di zinco commerciale e acido poliacrilico come stabilizzante per le nanoparticelle. Diluire la sospensione ottenuta per raggiungere una concentrazione di ossido di zinco di circa 30 microgrammi per millilitro.

Utilizzare il generatore di aerosol dotato di un ugello e di un essiccatore a gel di silice per generare un aerosol dalla sospensione di particelle e per rimuovere l'acqua dalle particelle nell'essiccatore a gel di silice. A tale scopo, riempire innanzitutto la bottiglia con la sospensione o la soluzione e montarla sul generatore di aerosol. Successivamente, impostare la valvola dell'aria compressa del generatore di aerosol leggermente superiore a un bar.

Ciò genera un flusso di aerosol a valle dell'essiccatore a diffusione di circa un litro al minuto. Infine, collegare l'uscita dell'essiccatore all'ingresso del diluitore a disco rotante. I regolatori di portata massica sono calibrati per portate gassose in condizioni standard.

Poiché i flussi volumetrici sono rilevanti per questo tipo di misurazioni, tutti i flussi devono essere verificati manualmente, ad esempio utilizzando un calibratore di flusso primario. Impostare innanzitutto il flusso di argon all'ingresso del gas di guaina del DMA a 3 litri al minuto. Successivamente, impostare la temperatura del diluitore a disco rotante a 80 gradi Celsius e la temperatura del tubo di evaporazione a 350 gradi Celsius.

La portata dell'aerosol classificato in uscita dal DMA deriva da tutte le altre portate entranti e uscenti dal DMA. La portata desiderata dell'aerosol classificato può essere definita regolando attentamente il gas in eccesso. Regolare manualmente la portata dell'argon di diluizione per ottenere 0,6 litri al minuto come portata del campione diluito all'uscita del diluitore a disco rotante.

Quindi, regolare con attenzione il flusso massico del gas in eccesso tramite il regolatore di flusso per ottenere un flusso di aerosol classificato pari a 0,6 litri al minuto, lo stesso valore del flusso dell'aerosol polidisperso diluito all'ingresso del DMA. Successivamente, posizionare il calibratore di flusso tra il DMA e il CPC. Regolare il flusso d'aria di compensazione del CPC in modo da ridurre il flusso di aerosol classificato aspirato dal CPC a 0,18 litri al minuto.

Verificare il flusso residuo dell'aerosol classificato per assicurarsi che 0,42 litri al minuto siano inviati all'ICPMS. Successivamente, calcolare la viscosità dinamica e il cammino libero medio dell'argon a temperatura e pressione ambiente. Inserire entrambi i valori nel software SMPS.

Nel software SMPS, impostare la durata della scansione ascendente e discendente del ciclo di scansione del DMA rispettivamente a 150 secondi e 30 secondi. Impostare la tensione massima del DMA a 4,5 kilovolt per evitare archi elettrici nel DMA, ottenendo un intervallo di dimensioni delle particelle coperto di circa 14–340 nanometri. Rimuovere il sistema di introduzione convenzionale per campioni liquidi per introdurre direttamente l'aerosol secco nell'ICPMS.

Aggiungere un tubo conduttivo tra la rispettiva porta dell'uscita DMA e l'ICPMS. Mantenere costante il flusso di xenon per tutte le misurazioni. Regolare gli altri parametri nel software dell'ICPMS, inclusi il gas di diluizione ICP e la profondità di campionamento, per ottenere un'intensità fissa del xenon.

Impostare il tempo di acquisizione dello SMPS e dell'ICPMS per coprire la durata totale desiderata della misurazione dell'aerosol. Dopo aver impostato i flussi di gas nello SMPS e i parametri dell'ICPMS, eseguire manualmente la misurazione simultaneamente sui due strumenti. Acquisire i segnali di bianco durante due scansioni di sei minuti con la velocità di rotazione del disco impostata a zero.

Quindi impostare la velocità al valore desiderato. Qui mostriamo il segnale ICPMS dell'isotopo di zinco 66. Inoltre, qui osserviamo la distribuzione dimensionale delle particelle basata sul volume.

Questo mostra la forte correlazione tra i segnali ICPMS e SMPS. Infine, consultare il protocollo testuale per procedere con l'analisi dei dati. I risultati rappresentativi di una sospensione di ossido di zinco dimostrano che la distribuzione dimensionale delle particelle in base al volume si correla bene con il segnale ICPMS.

I dati SMPS sono inizialmente misurati in regime di concentrazione numerica. La distribuzione dimensionale delle particelle appare spostata verso particelle di dimensioni maggiori quando viene confrontata con la distribuzione dimensionale basata sul numero. Questo perché la conversione da regime numerico a regime volumetrico comporta un peso maggiore attribuito alle particelle più grandi nel regime volumetrico.

La misurazione delle particelle generate da una soluzione acquosa di cloruro di sodio mostra che mantenere costanti le condizioni sperimentali porta a segnali stazionari, risolti nel tempo, provenienti da SMPS e ICPMS. Il contributo di ciascun elemento nella distribuzione granulometrica delle particelle basata sul volume è determinato dai segnali ICPMS. Per la misurazione delle particelle generate dal campione di cloruro di rame sottoposto a trattamento termico, mediante l'utilizzo di un analizzatore termogravimetrico, la correlazione tra il segnale ICPMS risolto nel tempo del rame e la distribuzione granulometrica delle particelle basata sul volume risulta evidente.

I segnali di cloro provenienti sia dalle specie particellate, registrate come picchi, sia dalle specie gassose, registrate come un segnale costante che copre l'intero intervallo di dimensioni delle particelle misurate, possono essere discriminati mediante SMPS ICPMS. Durante il tentativo di questa procedura di misura, è importante ricordare che, a seconda del campione di aerosol, è necessario trovare un compromesso tra la diluizione RDD e la sensibilità dell'ICPMS all'isotopo di interesse. Esiste un compromesso tra un elevato numero di elementi monitorati e i loro isotopi con bassi limiti di rilevamento, un'elevata risoluzione dimensionale e un ampio intervallo di dimensioni delle particelle coperto da un lato, e la breve durata della scansione, ovvero un'elevata risoluzione temporale di misura, dall'altro.

Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori per esplorare oggetti nano riguardo al loro destino, composizione chimica e distribuzione dimensionale. Ciò risulta rilevante per lo studio della qualità dell'aria, delle emissioni di particolato o dell'esposizione. Utilizziamo queste informazioni per lo sviluppo ulteriore di tecnologie per la produzione di bioenergia e il trattamento dei rifiuti ecocompatibili.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come stabilire un'accoppiatura solida tra strumenti SMPS e ICPMS e di come eseguire una misurazione accurata.