Name: Praktyczny przewodnik na temat sprzężenia skanera mobilności skanera i spektrometru mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (SMPS-ICPMS) (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-11T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 18 s
Description: Poznaj metodę sprzężenia SMPS z ICPMS do analizy aerozoli w czasie rzeczywistym. Ten przewodnik pokazuje krok po kroku konfigurację instrumentów, kalibrację przepływów gazów oraz zastosowanie w monitorowaniu cząstek nanometrycznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Wsparcie finansowe zostało zapewnione przez Centrum Kompetencji dla Materiałoznawstwa i Technologii (CCMX, Projekt NanoAir), Szwajcarską Narodową Fundację Nauki (Projekt 139136), Szwajcarski Instytut Nanonauki (Argovia, Projekt NanoFil) oraz Szwajcarskie Centrum Kompetencji Badań Bioenergetycznych (SCCER BIOSWEET). Autorzy dziękują Albertowi Schulerowi za jego wsparcie w prowadzeniu TGA oraz Adelaide Calbry-Muzyka za zrecenzowanie tego rękopisu.

1. Ustawienia RDD-SMPS-ICPMS
<ol>
	<li>Strategia sprzęgania RDD-SMPS-ICPMS setup 
	UWAGA: W celu sprzężenia różnych instrumentów, tj. RDD, SMPS i ICPMS, oraz w celu kontrolowania różnych przepływów gazów, konieczne są pewne modyfikacje w układach instrumentów. Główne etapy koncepcji sprzęgania są podsumowane tutaj:
	<ol>
		<li>Użyj rurki przewodzącej o średnicach wewnętrznych/zewnętrznych 6.0/12.0 mm (rurki silikonowe impregnowane węglem), aby połączyć różne części instrumentalne.</li>
		<li>Zainstalować rozcieńczalnik z obrotowym dyskiem między źródłem aerozolu a analizatorem ruchliwości różnicowej lub DMA, w którym odbywa się klasyfikacja wielkości cząstek. Podzielić sklasyfikowany aerozol na wylocie DMA na dwie frakcje. Jeden z nich będzie zasysany przez licznik cząstek kondensacji (CPC). Drugi jest skierowany w stronę spektrometru mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICPMS) (rysunek 1).</li>
		<li>Użyj regulatora przepływu masowego (MFC) i filtra, takiego jak wysokowydajny filtr cząstek stałych (HEPA), aby zapewnić RDD argon rozcieńczający bez cząstek.</li>
		<li>Dodaj kolejny filtr na wylocie RDD dla nadmiaru gazu surowego (QRDD na wyjściu). Sprawdź wydajność wszystkich filtrów używanych od czasu do czasu podczas korzystania z CPC.</li>
		<li>Użyj innego MFC i filtra, aby wyregulować przepływ gazu w osłonie (osłona Q) wprowadzony do DMA.</li>
		<li>Aby wyregulować nadmiar przepływu gazu DMA (QDMA exc), zamontuj szeregowo filtr, MFC i pompę próżniową na wylocie DMA.</li>
		<li>Podłącz dodatkowy MFC i filtr, aby dodać powietrze wolne od cząstek stałych (powietrze Q CPC) do CPC, jako przepływ uzupełniający w celu zmniejszenia ilości sklasyfikowanego aerozolu (klasa Q CPC), zużywanego przez CPC. 
		UWAGA: Dzieje się tak, ponieważ CPC aktywnie zasysa przepływ zdefiniowany przez krytyczną kryzę i zewnętrzną pompę, który wynosi około 1 l/min. Sklasyfikowane natężenie przepływu na wlocie ICP (QICP in) jest różnicą między natężeniem przepływu na wylocie DMA (klasa Q) aklasą Q CPC.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Protokół pomiarowy dla RDD-SMPS-ICPMS
UWAGA: Przed dostrojeniem parametrów SMPS-ICPMS, należy ustawić przepływy używane dla generatora aerozolu. W tym miejscu opisano procedurę wykorzystania próbek ciekłych i stałych.
<ol>
	<li>Przykłady źródeł aerozoli
	<ol>
		<li>Korzystanie z generatora aerozoli do cieczy i zawiesin
		<ol>
			<li>Jako przykład zastosowania generatora aerozolu do zawiesiny należy przygotować zawiesinę tlenku (ZnO) z dostępnego w handlu nanoproszku ZnO (np. o średnicy nominalnej 50 nm) i kwasu poliakrylowego jako stabilizatora nanocząstek. Przygotowaną zawiesinę rozcieńczyć do uzyskania stężenia ZnO ok. 30 μg/ml. To stężenie jest wybierane, ponieważ doprowadzi do późniejszego dobrego sygnału ICPMS, przy zastosowaniu wszystkich przepływów gazu.</li>
			<li>Do drugiego pomiaru przygotować wodny roztwór chlorku sodu (NaCl) o stężeniu 200 μg/ml.
			<ol>
				<li>Najpierw wlej zawiesinę lub roztwór do butelki i zamontuj ją na generatorze aerozolu.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Użyj generatora aerozolu, aby wytworzyć aerozol z roztworu soli lub zawiesiny cząstek oraz usunąć wodę z cząstek w suszarce do żelu krzemionkowego.
			<ol>
				<li>Ustawić zawór sprężonego powietrza generatora aerozoli nieco powyżej 1 bara. Wyreguluj Powoduje to przepływ aerozolu za osuszaczem dyfuzyjnym do około 1 l/min. Na koniec podłącz wylot osuszacza do wlotu RDD.</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Za pomocą termograwimetru lub pieca rurowego 
		UWAGA: Jako przykład zastosowania RDD-SMPS-ICPMS do pomiaru emisji z procesów termicznych analizowana jest próbka chlorku miedzi (CuCl2). Stosowane są dwa źródła aerozolu, a mianowicie TGA i piec rurowy. W obu przypadkach gaz reaktywny (np. O2), który jest używany w procesie termicznym, miesza się z argonem w odpowiednim stosunku, aby zapobiec zarodkowaniu i kondensacji. W niniejszej pracy przedstawiono jedynie procedurę pomiarową i reprezentatywne dane z eksperymentu TGA.
		<ol>
			<li>Najpierw wytaruj pusty tygiel TGA. Odważyć 50 mg proszku CuCl2 i umieścić go w tyglu.</li>
			<li>Dostosuj jeden MFC dla gazu reaktywnego (O2) na około 20 ml/min.</li>
			<li>Ustawić przepływ gazu ochronnego (argonu) na około 80 ml/min. Na wylocie TGA dodać przepływ argonu około 900 ml/min, aby uzyskać całkowity przepływ około 1 l/min (tj. sumę przepływówO2, argonu ochronnego i dodanego argonu). Jeśli używana jest pompa RDD, wyreguluj MFC, aby osiągnąć wymagany przepływ.</li>
			<li>Ustaw żądany program temperatury (25 °C przez 18 min i 450 °C przez 15 min).</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ustawianie przepływów 
	UWAGA: Aby osiągnąć stabilne działanie konfiguracji RDD-SMPS-ICPMS, wszystkie przepływy gazów i aerozoli należy dokładnie wyregulować, jak opisano poniżej. W tej sekcji podano przykład zestawu wartości parametrów do regulacji RDD, SMPS i ICPMS. Możliwy jest inny zestaw parametrów; Procedura pozostanie jednak taka sama. Stosowane skróty przepływu są wymienione na rysunku 1. W poniższych krokach użyj przepływomierza, takiego jak kalibrator przepływu, aby zmierzyć różne przepływy gazów i aerozoli przed rozpoczęciem pomiaru.
	<ol>
		<li>Najpierw ustaw przepływ osłony argonowej na wlocie DMA na 3 l/min.</li>
		<li>Ustawić temperaturę bloku grzewczego RDD na 80 °C, a rurki parownika na 350 °C.</li>
		<li>Wyregulować regulator przepływu masowego rozcieńczanego argonu w celu uzyskania 0,6 l/min jako przepływu rozcieńczonej próbki na wylocie rozcieńczalnika z obracającym się dyskiem (próbka Q). Stosunek 0,6/3 gazu w osłonie do próbki gazu dobiera się tak, aby pokryć cząstki o wielkości od około 14 do około 340 nm.</li>
		<li>Następnie ostrożnie wyreguluj regulator masowego przepływu nadmiaru gazu (QDMA exc), aby uzyskać sklasyfikowany przepływ aerozolu 0,6 l/min (klasa Q), takie samo natężenie przepływu, jak rozcieńczony polirozproszony aerozol na wlocie DMA (Qpoly).</li>
		<li>Następnie umieść kalibrator przepływu między DMA i CPC i wyreguluj przepływ powietrza uzupełniającego CPC, aby zmniejszyć natężenie przepływu sklasyfikowanego aerozolu zasysanego przez CPC do 0,18 l / min. Odpowiada to 30%klasy Q.</li>
		<li>Sprawdź pozostały przepływ sklasyfikowanego aerozolu, aby upewnić się, że 0,42 litra na minutę jest kierowane do ICPMS, tj. 70% sklasyfikowanego aerozolu (klasa Q). Nieznaczna zmiana tego przepływu może być skorygowana poprzez ponowne dostrojenie MFC nadmiaru gazu DMA.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ustawianie oprogramowania SMPS
	<ol>
		<li>Następnie oblicz lepkość dynamiczną i średnią drogę swobodną argonu w temperaturze i ciśnieniu otoczenia23. Wprowadź obie wartości w oprogramowaniu SMPS.</li>
		<li>W oprogramowaniu SMPS ustaw czas skanowania w górę i w dół cyklu skanowania DMA na 150 s i 30 s (tj. 1 cykl DMA = 1 skanowanie = 180 s).</li>
		<li>W oprogramowaniu SMPS ustaw maksymalne napięcie DMA na 4,5 kV, aby pokryć interwał PSD w zakresie od około 14 do około 340 nm. 
		UWAGA: W pneumatycznych zasilaczach impulsowych zwykle stosuje się napięcie o maksymalnym napięciu 10 kV. Ze względu na niższą wytrzymałość dielektryczną argonu w stosunku do natężenia powietrza, limit powinien być ustawiony niżej w tym zastosowaniu, ponieważ w przeciwnym razie wystąpiłoby wyładowanie łukowe, prowadzące do uszkodzenia przyrządu i błędów sygnału.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ustawianie protokołu ICPMS
	<ol>
		<li>Usunąć konwencjonalny system wprowadzania próbek ciekłych, aby wprowadzić suchy aerozol bezpośrednio do ICPMS. Dodaj rurkę przewodzącą między odpowiednim portem wylotu DMA a ICPMS. Użyj tej rurki do ksenonu (Xe), o stężeniu około 100 ppmv w matrycy argonowej, aby zoptymalizować plazmę ICPMS przed każdym pomiarem i kontrolować stabilność plazmy podczas pomiaru.</li>
		<li>Utrzymuj stały przepływ Xe dla wszystkich pomiarów (np. przy 4 ml/min) i dostosuj inne parametry w oprogramowaniu ICPMS, w tym gaz rozcieńczający ICP i głębokość pobierania próbek, aby osiągnąć stałą intensywność Xe. 
		UWAGA: Główne parametry strojenia ICPMS są wymienione w Tabeli 1. Parametry, które należy dostroić przed każdym pomiarem, są wskazane w ostatniej kolumnie.</li>
		<li>Ustaw czas akwizycji SMPS i ICPMS tak, aby obejmował żądany całkowity czas pomiaru aerozolu (np. w przypadku 10 skanów SPMS ustaw czas akwizycji ICPMS na co najmniej 30 minut).</li>
		<li>Po ustawieniu przepływów gazu oraz parametrów SMPS i ICPMS, uruchom oba instrumenty ręcznie w tym samym czasie. W przypadku TGA odbieraj ślepe sygnały SMPS i ICPMS w temperaturze 25 °C przez 18 minut (6 skanów). W przypadku próbki zawiesiny lub cieczy należy uzyskać ślepe sygnały podczas 2 skanów trwających 6 minut przy prędkości obrotowej dysku ustawionej na zero. Następnie ustaw współczynnik rozcieńczenia RDD na żądaną wartość, ręcznie regulując prędkość obrotową dysku. Przy obecnej konfiguracji 100% prędkość obrotowa odpowiada współczynnikowi rozcieńczenia wynoszącemu 14,9.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza danych 
	UWAGA: ICPMS mierzy intensywność jonów na jednostkę czasu (jednostka: liczba na sekundę lub cps) dla każdego m/z. Intensywność ta jest proporcjonalna do masy analitu. Dane SMPS reprezentują ważony liczbowo PSD sklasyfikowanego aerozolu (PSDn) wprowadzanego do DMA (jednostka: 1/cm3), w oparciu o stężenia liczbowe określone przez CPC za DMA. Aby porównać sygnały ICP i SMPS, należy obliczyć PSD ważony głośnością (PSDv). Należy dokonać następujących obliczeń i poprawek:
	<ol>
		<li>Eksportuj surowe intensywności sygnału w funkcji czasu dla każdego m/z z danych ICPMS oraz PSDn- wyznaczone przez oprogramowanie SMPS - jako funkcję średnicy cząstek (dp). Z surowych danych SMPS wyeksportuj średnicę cząstek i odpowiadający jej czas skanowania. Użyj tego ostatniego, aby skorelować czas pomiaru ICPMS ze średnicą cząstek (patrz poniżej). 
		UWAGA: Oprogramowanie SMPS musi uwzględniać, że przepływ aerozolu na wylocie DMA jest podzielony i tylko 30% sklasyfikowanych cząstek dociera do CPC. Można to osiągnąć, mnożąc wartości efektywności zliczania – zapisane w osobnej tabeli jako cechy CPC specyficzne dla typu – przez współczynnik 0,3.</li>
		<li>Ponieważ pożądaną informacją nie jest przede wszystkim stężenie cząstek między RDD i DMA, ale stężenie na wlocie RDD, należy pomnożyć zmierzone stężenia przez współczynnik rozcieńczenia RDD, tj. 14,9 w obecnej konfiguracji.</li>
		<li>Aby obliczyć dane ważone objętościowo na podstawie oryginalnych danych SMPS ważonych liczbami, pomnóż zarejestrowane stężenia PSDn przez objętość V(dP) mierzonych cząstek6 (V(dP)= (π/6)∙dP3).</li>
		<li>Oblicz sygnał netto ICPMS, odejmując sygnał tła od sygnału jonów surowych dla każdego izotopu. Następnie pomnóż sygnał netto przez odwrotne prawdopodobieństwo pojedynczego ładunku 1/p+1(dp), aby uzyskać skorygowaną intensywność ICP, która jest w przybliżeniu proporcjonalna do stężenia na wlocie DMA, a tym samym na wlocie RDD (przy założeniu braku strat cząstek między wlotem RDD a wlotami ICPMS lub CPC).
		<ol>
			<li>Oblicz prawdopodobieństwo, że cząstki przeniosą jeden elementarny ładunek dodatni, korzystając z aproksymacji Wiedensohlera class<="xref">24. W przypadku danych SMPS przetwarzanych przez oprogramowanie SMPS poprawka na to prawdopodobieństwo naładowania jest zwykle implementowana w oprogramowaniu.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Dla danego skanu SMPS należy wykreślić stężenie cząstek SMPS lub intensywność ICPMS w funkcji średnicy cząstek na wykresie x-y. W przypadku aerozolu w stanie ustalonym należy użyć tego samego rodzaju wykresu, aby przedstawić stężenie lub intensywność uśrednione z kilku skanów.</li>
		<li>W przypadku serii skanów użyj wykresów powierzchni 2D lub diagramów 3D, aby wykreślić stężenie SMPS lub intensywność ICPMS w funkcjach średnicy i czasu. W przypadku procesów termicznych, jeśli używany jest program temperatury, czas należy zastąpić odpowiednimi wartościami temperatury. 
		UWAGA: Co więcej, obliczenia potrzebne do uzyskania danych ICPMS i SMPS do wykonania takich wykresów można zautomatyzować za pomocą oprogramowania obliczeniowego, takiego jak MATLAB lub Igor Pro, co pozwala na uzyskanie solidnych wyników końcowych w krótkim czasie.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Chen, B. T., Crow, D. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021850286900224">Use of an aerodynamic particle sizer as a real-time monitor in generation of ideal solid aerosols.</a> J Aerosol Sci. 17 (6), 963-972 (1986).</li>
<li>Intra, P., Tippayawong, N. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/26517300_An_overview_of_differential_mobility_analyzers_for_size_classification_of_nanometer-sized_aerosol_particles">An overview of differential mobility analyzers for size classification of nanometer-sized aerosol particles.</a> Songklanakarin J. Sci. Technol. 30 (2), 243-256 (2008).</li>
<li>Itoh, M., Takahashi, K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/002185029190076T">Measurement of aerosol particles by dynamic light scattering-I, effects of non-Gaussian concentration fluctuation in real time photon correlation spectroscopy.</a> J Aerosol Sci. 22 (7), 815-822 (1991).</li>
<li>Nickel, C., et al. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s11051-014-2260-2">Dynamic light-scattering measurement comparability of nanomaterial suspensions.</a> J Nanopart Res. 16 (2), 2260(2014).</li>
<li>Hagendorfer, H., et al. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s11051-009-9816-6">Size-fractionated characterization and quantification of nanoparticle release rates from a consumer spray product containing engineered nanoparticles.</a> J Nanopart Res. 12 (7), 2481-2494 (2010).</li>
<li>Flagan, R. C. <a target="_blank" href="https://www.jstage.jst.go.jp/article/kona/26/0/26_2008023/_pdf">Differential mobility analysis of aerosols: A tutorial.</a> KONA Powder Part J. 26, 254-268 (2008).</li>
<li>Salgueiro-González, N., López de Alda, M. J., Muniategui-Lorenzo, S., Prada-Rodríguez, D., Barceló, D. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165993614002593">Analysis and occurrence of endocrine-disrupting chemicals in airborne particles.</a> Trends Anal Chem. 66, 45-52 (2015).</li>
<li>Pröfrock, D., Prange, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inductively+coupled+plasma-mass+spectrometry+%28ICP-MS%29+for+quantitative+analysis+in+environmental+and+life+sciences%3A+A+review+of+challenges%2C+solutions%2C+and+trends%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Spectrosc%22%5BJournal%5D)">Inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) for quantitative analysis in environmental and life sciences: A review of challenges, solutions, and trends.</a> Appl Spectrosc. 66 (8), 843-868 (2012).</li>
<li>Gerdes, K., Carter, K. E. <a target="_blank" href="https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:43110364">Calibration strategy for semi-quantitative direct gas analysis using inductively coupled plasma mass spectrometry.</a> Spectrochim Acta B. 66 (9-10), 712-725 (2011).</li>
<li>Wellinger, M., Wochele, J., Biollaz, S. M. A., Ludwig, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Online+elemental+analysis+of+process+gases+with+ICP-OES%3A+A+case+study+on+waste+wood+combustion%5BTitle%5D)+AND+%22Waste+Manage%22%5BJournal%5D)">Online elemental analysis of process gases with ICP-OES: A case study on waste wood combustion.</a> Waste Manage. 32 (10), 1843-1852 (2012).</li>
<li>Edinger, P., Tarik, M., Hess, A., Testino, A., Ludwig, C. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.energyfuels.5b02608">Online Detection of Selenium and Its Retention in Reducing Gasification Atmosphere.</a> Energy Fuels. 30 (2), 1237-1247 (2016).</li>
<li>Bouyssiere, B., Szpunar, J., Lobinski, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gas+chromatography+with+inductively+coupled+plasma+mass+spectrometric+detection+in+speciation+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Spectrochimica+Acta+B%22%5BJournal%5D)">Gas chromatography with inductively coupled plasma mass spectrometric detection in speciation analysis.</a> Spectrochimica Acta B. 57 (5), 805-828 (2002).</li>
<li>Pace, H. E., Rogers, N. J., Jarolimek, C., Coleman, V. A., Higgins, C. P., Ranville, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determining+transport+efficiency+for+the+purpose+of+counting+and+sizing+nanoparticles+via+single+particle+inductively+coupled+plasma+mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Determining transport efficiency for the purpose of counting and sizing nanoparticles via single particle inductively coupled plasma mass spectrometry.</a> Anal. Chem. 83 (24), 9361-9369 (2011).</li>
<li>Laborda, F., Jiménez-Lamana, J., Bolea, E., Castillo, J. R. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2011/JA/c0ja00098a">Selective identification, characterization and determination of dissolved silver (i) and silver nanoparticles based on single particle detection by inductively coupled plasma mass spectrometry.</a> J. Anal. At Spectrom. 26 (7), 1362-1371 (2011).</li>
<li>Pease, R. F. W. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S107656700700002X">Significant advances in scanning electron microscopes.</a> Adv Imag Elect Phys. 150, 53-86 (2008).</li>
<li>Dax, M. Advancements in scanning electron microscopes. Semiconductor International. 20 (2), 60-68 (1997).</li>
<li>Kawamoto, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transmission+electron+microscope+as+an+ultimate+tool+for+nanomaterial+property+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy%22%5BJournal%5D)">Transmission electron microscope as an ultimate tool for nanomaterial property studies.</a> Microscopy. 62 (1), 157-175 (2013).</li>
<li>Weber, A. P., Baltensperger, U., Gäggeler, H. W., Tobler, L., Keil, R., Schmidt-Ott, A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021850205800849">Simultaneous in-situ measurements of mass, surface and mobility diameter of silver agglomerates.</a> J Aerosol Sci. 22, Suppl 1. S257-S260 (1991).</li>
<li>Hess, A., Tarik, M., Ludwig, C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021850215000890">A hyphenated SMPS-ICPMS coupling setup: Size-resolved element specific analysis of airborne nanoparticles.</a> J Aerosol Sci. 88, 109-118 (2015).</li>
<li>Hess, A., Tarik, M., Losert, S., Ilari, G., Ludwig, C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021850215300215">Measuring air borne nanoparticles for characterizing hyphenated RDD-SMPS-ICPMS instrumentation.</a> J Aerosol Sci. 92, 130-141 (2016).</li>
<li>Hess, A., Tarik, M., Foppiano, D., Edinger, P. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.energyfuels.6b00174">Online Size and Element Analysis of Aerosol Particles Released from Thermal Treatment of Wood Samples Impregnated with Different Salts.</a> Energy Fuels. 30, 4072-4084 (2016).</li>
<li>Hueglin, C. h, Scherrer, L., Burtscher, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021850296004855">An accurate, continuously adjustable dilution system (1:10 to 1:104) for submicron aerosols.</a> J Aerosol Sci. 28 (6), 1049-1055 (1997).</li>
<li>Kulkarni, P., Baron, P. A., Willeke, K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKulkarni%2C+P+%22Aerosol+Measurement%3A+Principles%2C+Techniques%2C+and+Applications%22">Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications</a>. , 3rd ed, 18-19 (2011).</li>
<li>Wiedensohler, A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021850288902789">An approximation of the bipolar charge distribution for particles in the submicron size range.</a> J Aerosol Sci. 19 (3), 387-389 (1988).</li>
<li>Ludwig, C., Wochele, J., Jörimann, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+evaporation+rates+of+metal+compounds+from+solid+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Measuring evaporation rates of metal compounds from solid samples.</a> Anal Chem. 79 (7), 2992-2996 (2007).</li>
<li>Kovacs, R., Nishiguchi, K., Utani, K., Günther, D. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2010/JA/b924425e">Development of direct atmospheric sampling for laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry.</a> J. Anal. At. Spectrom. 25 (2), 142-147 (2010).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.

W porównaniu z najnowocześniejszymi istniejącymi metodami analitycznymi dla aerozoli, takimi jak sortowniki do sortowania cząstek, kombinacja RDD-SMPS-ICPMS jest nie tylko w stanie jednocześnie pozyskiwać informacje chemiczne i o wielkości, ale także czasowo rozdzielczy sygnał ICPMS umożliwia również określenie udziału każdego pierwiastka w ogólnym PSD. Jednak tylko cząstki o średnicy poniżej 500 nm mogą być mierzone przez obecny SMPS-ICPMS zasilany argonem. Ponadto, aby uzyskać pełną charakterystykę cząstek aerozolu, potrzebne są inne techniki offline w celu określenia innych właściwości, w tym morfologii i struktury molekularnej.
Pomiar NaCl jest prostym przykładem pokazującym, że proces w stanie ustalonym może być dobrze kontrolowany/monitorowany za pomocą sprzężonego systemu SMPS-ICPMS. Konfiguracja ta może być również wykorzystana w takich eksperymentach jako narzędzie analityczne online do ujawnienia wpływu różnych parametrów eksperymentalnych na właściwości generowanych cząstek. Wszelkie zmiany wielkości cząstek oraz stężenia cząstek lub pierwiastków, takie jak w przypadku obróbki termicznej próbki CuCl2 , mogą być śledzone online przez SMPS-ICPMS.
Z drugiej strony, kombinacja SMPS-ICPMS pozwala nie tylko na pomiar, ale także na rozróżnienie gatunków gazów i cząstek. Rzeczywiście, część sygnału odnosząca się do cząstek stałych może być łatwo odróżniona od części sygnałów związków gazowych, ponieważ sygnał ICPMS tych ostatnich obejmuje cały zakres rozmiarów i nie ma kształtu rozkładu, takiego jak w przypadku sygnału związanego z cząstkami. Wynika to z faktu, że skanowanie SMPS nie ma wpływu na związki gazowe, a ICPMS mierzy całkowitą intensywność danego izotopu. Zachowanie to demonstruje pomiar Cl, który paruje nie tylko w postaci cząstek, ale także w postaci gazów (Rysunek 4D-4E). Rzeczywiście, obliczenia termodynamiczne pokazują, że w warunkach utleniania CuCl2 jest odparowywany w temperaturze około 450 °C jako gaz Cl2 i jako substancje kondensujące CuCl2, Cu3Cl3 i Cu4Cl4 (danych nie pokazano).
Co więcej, korzystanie z ICPMS bez SMPS daje możliwość pomiaru całkowitego sygnału ICPMS pochodzącego zarówno z postaci gazowych, jak i cząstek stałych. Zastosowanie tego układu do pomiaru parowania CuCl2 (rysunek 4F) pokazuje, na przykład, że stechiometria między odparowanym Cu i Cl nie zmienia się w okresie grzewczym ze względu na podobny kształt sygnału. Ponadto substancje gazowe mogą być mierzone wyłącznie za pomocą tej samej konfiguracji poprzez zamontowanie filtra cząstek stałych na wylocie RDD.
W protokole pomiarowym znajdują się dwa punkty krytyczne. Z jednej strony niższą krzywą intensywności ICPMS, w porównaniu z PSDv w dużym zakresie średnic cząstek (np. na rysunku 2B), można wytłumaczyć faktem, że uwzględnienie wielu ładunków cząstek nie zostało jeszcze uwzględnione w procedurze oceny danych (prace trwają). Podczas gdy korekcja pojedynczego ładunku zapewnia dobrą korelację między danymi SMPS i ICPMS podczas pomiaru małych cząstek (do 200 nm), należy ustanowić i wdrożyć poprawkę na wielokrotne ładunki dla dużych cząstek, aby poprawić jakość uzyskanych informacji dla cząstek powyżej 200 nm. Innym wyjaśnieniem tego efektu może być to, że większe cząstki nie są całkowicie rozkładane i jonizowane w plazmie.
Drugim krytycznym punktem jest wybór odpowiedniego współczynnika rozcieńczenia RDD. Rzeczywiście, podobnie jak w przypadku analizy próbek cieczy, poziom intensywności ICPMS różnych izotopów zależy od odpowiedniej czułości. Na przykład sygnał Cu jest o około trzy rzędy wielkości wyższy niż sygnał Cl. W związku z tym należy ustalić odpowiednią wartość rozcieńczenia aerozolu, biorąc pod uwagę czułość mierzonych elementów na ICPMS. Stanowi to ograniczenie analizy wielopierwiastkowej dla aerozoli. Jednakże wartość rozcieńczenia aerozolu może zostać zmieniona podczas tego samego doświadczenia, jeżeli znany jest proces wytwarzania aerozolu. Na przykład współczynnik rozcieńczenia może być obniżony w okresie, w którym generowana jest niewielka ilość cząstek. Niemniej jednak należy unikać wprowadzania do DMA aerozoli o dużym ładunku cząstek stałych w celu ochrony CPC i oprzyrządowania ICPMS. Podsumowując, w zależności od próbki aerozolu należy znaleźć kompromis między rozcieńczeniem RDD, obciążeniem matrycy i czułością ICPMS na izotopy będące przedmiotem zainteresowania. Co więcej, rozdzielczość czasowa konfiguracji SMPS-ICPMS jest ograniczona czasem trwania skanowania SMPS, który mieści się w zakresie kilku minut. Jednak w przypadku stałego lub wąskiego zakresu wielkości cząstek rozdzielczość czasowa może zostać zwiększona.
Nadal potrzebne jest opracowanie metod kwantyfikacji dla całej konfiguracji (prace w toku). W przypadku procesów termicznych TGA może być używany jako narzędzie do oznaczania ilościowego25. Oznaczanie ilościowe cieczy lub zawiesin można przeprowadzić przy użyciu odpowiednich roztworów wzorcowych. Ponadto opracowanie koncepcji recyrkulacji argonu, wykorzystującej DMA z powietrzem i zamianę go na argon – np. za pomocą urządzenia do wymiany gazowej26 – pozwoliłoby na zastosowanie wyższego napięcia DMA, a tym samym na zwiększenie mierzonego zakresu cząstek. Wreszcie, automatyzacja ustawiania różnych parametrów i połączenie potrzeb SMPS i ICPMS w jedną koncepcję dotyczącą warunków pracy znacznie zmniejszy liczbę etapów protokołu pomiarowego. Kroki te pomagają uczynić SMPS-ICPMS potężnym zestawem online do ilościowych lub jakościowych analiz różnych rodzajów aerozoli generowanych ze źródeł cieczy, zawiesin lub emisji.

W wielu dziedzinach charakterystyka cząstek w aerozolach i zawiesinach - w tym określanie składu chemicznego i rozkładu wielkości - jest ważnym zagadnieniem. Różnorodne techniki analityczne do określania właściwości cząstek są wykorzystywane w różnych zastosowaniach środowiskowych, przemysłowych i badawczych, takich jak pomiar/monitorowanie cząstek emitowanych przez powietrze lub spalanie, charakteryzowanie zsyntetyzowanych nanoobiektów inżynieryjnych oraz badanie ich wpływu na zdrowie i środowisko.
Informacje o rozmiarach cząstek gazowych i cząstek w zawiesinach są tradycyjnie analizowane przez różne mierniki wielkości cząstek, takie jak Aerodynamic Particle Sizer (APS), Dynamic Light Scattering devices (DLS) lub Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS)1,2,3,4,5. Ten ostatni – sprawdzone narzędzie do pomiaru aerozoli – składa się z dwóch części: analizatora ruchliwości różnicowej (DMA) i licznika cząstek kondensacji (CPC). Oba instrumenty są montowane szeregowo. Pierwsza z nich pozwala na klasyfikację cząstek aerozolu według ich średnic ruchliwości w strumieniu powietrza poprzez zmianę napięcia między dwiema elektrodami6. W CPC wchodzące nanocząstki działają jak jądra kondensacji, tworzą się "duże" kropelki, które następnie są optycznie zliczane6. Dane wyjściowe SMPS reprezentują informacje liczbowe o mierzonych cząstkach i są podawane jako rozkłady wielkości cząstek (PSD).
Z drugiej strony, charakterystyka chemiczna cząstek gazowych i cząstek w zawiesinach jest zwykle wykonywana offline7. Przed analizą wymagana jest odpowiednia procedura pobierania i przygotowania próbki. Takie badania offline zwykle obejmują zastosowanie techniki spektroskopowej, takiej jak spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICPMS). Jest to sprawdzona metoda analizy pierwiastków i pierwiastków śladowych w próbkach cieczy o bardzo wysokiej czułości i niskich granicach wykrywalności8. W ICPMS plazma argonowa służy do suszenia i rozkładu wprowadzonych próbek na jony atomowe. Są one następnie klasyfikowane według ich stosunku masy do ładunku (m/z) i ostatecznie liczone w trybie analogowym lub impulsowym. Oprócz próbek ciekłych technika ta jest również stosowana do analizy gazów i cząstek. Na przykład gaz może być bezpośrednio wprowadzany do ICPMS i analizowany9,10,11. W analizie specjacji chromatograf gazowy (GC) sprzężony z ICPMS służy do rozdzielania i wykrywania związków lotnych12. ICPMS został następnie rozwinięty do tzw. pojedynczej cząstki ICPMS (sp-ICPMS) w celu scharakteryzowania cząstek monodyspersyjnych w zawiesinach13,14. Inne techniki analityczne powierzchni i/lub objętości są stosowane w celu uzyskania pełnej charakterystyki i/lub uzyskania większej ilości informacji o charakterystyce cząstek. Techniki obrazowania, takie jak skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) i transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), są szeroko stosowane w tym celu15,16,17.
Aby jednocześnie uzyskać informacje o substancji chemicznej i rozmiarze w czasie, dwie różne techniki analityczne, takie jak SMPS i technika spektrometrii plazmy, mogą być połączone w jednym ustawieniu18. Ta koncepcja pomiaru online pozwala uniknąć problemów związanych z pobieraniem próbek, przygotowaniem i procedurą analizy offline. Krótki przegląd poprzednich prób opracowania takiego połączonego układu został zgłoszony przez Hess et al.19.
W tej pracy podano szczegółowy opis połączonego układu i procedury pomiarowej SMPS-ICPMS. Jako interfejs wprowadzający używany jest rozcieńczalnik z obrotowym dyskiem (RDD). Rozwój tej techniki z łącznikiem i trzy badania zastosowania można znaleźć w literaturze19,20,21. Dane liczbowe dotyczące zasług podane przez Hessa i wsp.20 pokazują, że wydajność opracowanego oprzyrządowania SMPS-ICPMS jest porównywalna do wydajności oddzielnych systemów najnowocześniejszych. To badanie jest komplementarne z poprzednimi publikacjami19,20,21 i przedstawia praktykę laboratoryjną opisującą, jak można wykorzystać tę konfigurację. Pokrótce opisano przykładowe zastosowania aerozoli z dwóch różnych źródeł, aby pokazać wszechstronność sprzężonego systemu.
Zanim opiszesz protokół pomiaru, warto podsumować poszczególne komponenty i strategię sprzęgania konfiguracji z łącznikiem. Bardziej szczegółowy opis można znaleźć gdzie indziej19. Głównymi elementami sprzężonego układu są: źródło aerozolu, RDD, DMA, CPC i ICPMS.
Aby wytworzyć wysuszone cząstki aerozolu z zawiesiny lub płynnego roztworu, stosuje się generator aerozolu wyposażony w dyszę i suszarkę do żelu krzemionkowego. Szczegółowy opis można znaleźć w innym miejscu19. Do badania procesów termicznych wykorzystuje się analizator termograwimetryczny TGA (lub piec rurowy).
RDD jest używany do wprowadzania próbki aerozolu22. Składa się z podgrzewanego stalowego bloku wyposażonego w dwa kanały oraz obracającego się dysku z kilkoma wnękami. Kanały są przepłukiwane gazem rozcieńczającym i surowym aerozolem ze źródła aerozolu. W zależności od przepływu gazu i prędkości obrotowej dysku, do gazu rozcieńczającego dodaje się pewną ilość surowego aerozolu, co daje określony stosunek rozcieńczenia. Argon jest stosowany jako gaz rozcieńczający, ze względu na niską tolerancję ICPMS na powietrze. Jednak limit napięcia DMA powinien być niższy niż w przypadku DMA sterowanego powietrzem, aby uniknąć wyładowania łukowego. Ponieważ przepływ rozcieńczonego aerozolu próbki na wylocie RDD może być precyzyjnie kontrolowany niezależnie od przepływu aerozolu surowego, koncepcja pobierania próbek RDD może być stosowana dla różnych źródeł aerozolu. Pomiędzy RDD i SMPS instaluje się podgrzewaną rurkę (do 400 °C) w celu odparowania lotnych cząstek i/lub dalszego rozcieńczenia aerozolu. Ten etap jest potrzebny, aby osiągnąć dobrą odtwarzalność podczas przetwarzania próbek zawierających materię organiczną. Może to jednak również wywołać reakcje chemiczne. Na przykład piroliza rozpoczyna się w znacznie niższych temperaturach i może rozkładać nie tylko cząsteczki, ale także wywoływać pewne reakcje chemiczne. Zasilacz impulsowy używany w tej pracy składa się z rurki DMA (podobnej do długiej DMA; patrz tabela materiałów) i komercyjnego CPC. Przed wejściem do DMA, rozcieńczony aerozol musi przejść przez źródło radioaktywne, zwane neutralizatorem aerozolu, w celu ustalenia znanej równowagi ładunku (zakładając rozkład ładunku Boltzmanna)6. Cząstki są następnie klasyfikowane zgodnie z ich średnicą ruchliwości poprzez zmianę napięcia przy danej osłonie DMA i przepływach gazów aerozolowych. Podział przepływu na wylocie DMA odbywa się w taki sposób, że 30% aerozolu jest kierowane do CPC, a pozostałe 70% do ICPMS. Stężenie liczbowe sklasyfikowanych cząstek jest określane przez CPC. Druga część aerozolu jest analizowana przez komercyjny instrument ICPMS, co pozwala na analizę pierwiastkową cząstek obciążonych aerozolem. Ponieważ nie są badane żadne ciecze, konwencjonalny system wprowadzania próbek jest usuwany, a wylot DMA jest bezpośrednio podłączony do ICPMS. Drugi RDD i inny komercyjny zasilacz impulsowy typu SMPS jest używany jako przyrządy referencyjne do walidacji PSD mierzonego przez sprzężoną konfigurację SMPS-ICPMS. System odniesienia RDD-SMPS jest podłączony do wylotu nieprzetworzonego aerozolu RDD sprzężonego systemu.

<table><tbody><tr><td>ICPMS</td><td>Agilent Technologies, USA</td><td>7700x</td><td>Indukcyjnie sprzężony spektrometr masowy </td></tr><tr><td>DMA Rura</td><td></td><td></td> podobna <td>do 3081 DMA firmy TSI</td></tr><tr><td>Aerozole Neutralizer</td><td>TSI Inc., USA</td><td></td><td>Źródło promieniowania 85Kr</td></tr><tr><td>CPC</td><td>TSI Inc., USA</td><td>3010</td><td>Licznik cząstek kondensacyjnych RDD</td></tr><tr><td></td><td>Matter Aerosol AG, Szwajcaria</td><td>MD193E</td><td>Rozcieńczalnik z obrotowym dyskiem;</td></tr><tr><td>Eparation</td><td>Tube Matter Aerosol AG, Szwajcaria</td><td>ASET 15-1</td> Generator aerozoli <td>z podgrzewaną</td></tr><tr><td></td><td>rurką Topas GmbH, Niemcy</td><td>Generator aerozoli</td><td>ATM 220</td></tr><tr><td>Suszarka do żelu krzemionkowego</td><td>Topas GmbH, Niemcy</td><td>DDU570/H</td><td>Osuszacz dyfuzyjny z żelem krzemionkowym</td></tr><tr><td>TGA</td><td>Mettler-Toledo Internat. Inc., CH</td><td>TGA/DCS1</td><td>Analizator termograwimetryczny</td></tr><tr><td>Gilibrator 2</td><td>Sensidyne, Stany Zjednoczone</td><td></td><td>Pierwotny kalibrator przepływu</td></tr><tr><td>MFC</td><td>Sierra Instruments Inc., Stany Zjednoczone</td><td>Regulator przepływu masowego</td><td>Smart-Trak 50</td></tr><tr><td>MFC</td><td>Brooks Instrument, Holandia</td><td>Regulator przepływu</td><td>masowego 4850</td></tr><tr><td>MFC</td><td>Bronkhorst AG, Holandia</td><td>Regulator przepływu masowego</td><td>F-201C-FAC-33-V</td> Filtr</tr> liniowy <tr><td></td><td>Filtry nagłówkowe, Wielka Brytania</td><td>DIF-LN30</td><td>jednorazowy filtr liniowy</td></tr><tr><td>Filtr HEPA</td><td>MSA (Mine Safety Appliances), wkład USA</td><td>H #95302</td><td>Wysokowydajny pył stały Air &nbsp;</td></tr><tr><td>Rurki przewodzące</td><td>Advanced Polymers Ltd Worthing, Wielka Brytania.</td><td></td><td>Rurka silikonowa impregnowana węglem , wewnętrzna/zewnętrzna średnice 6,0/12,0 mm</td></tr><tr><td><mocny>Nazwa</td><td>Firma</td><td>Numer katalogowy</td><td>Uwagi</td></tr><tr><td>ZnO</td><td>Auer-Remy</td><td>5810MR, 1314-13-2</td><td>Nanopowder, 50 nm</td></tr><tr><td>NaCl</td><td>Merck</td><td>106406</td><td>Powder (> 99,99%)</td></tr><tr><td>CuCl2</td><td>Merck</td><td>102733</td><td>Powder (>99,0%)</td></tr><tr><td>Kwas poliakrylowy</td><td>SigmaAldrich</td><td></td><td>535931 roztwór (50% wag. % w H2O)</td></tr></tbody></table>

praktyczny przewodnik na temat sprzężenia skanera mobilności skanera i spektrometru mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (smps-icpms)

A Practical Guide on Coupling a Scanning Mobility Sizer and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (SMPS-ICPMS)

Dostępna jest duża różnorodność metod analitycznych do charakteryzowania cząstek w aerozolach i zawiesinach. Wybór odpowiedniej techniki zależy od właściwości, które należy określić. W wielu dziedzinach duże znaczenie mają informacje o wielkości cząstek i składzie chemicznym. Podczas gdy w technikach aerozolowych rozkład wielkości cząstek przenoszonych przez gaz jest określany online, ich skład pierwiastkowy jest zwykle analizowany offline po odpowiedniej procedurze pobierania próbek i przygotowania. Aby uzyskać oba rodzaje informacji online i jednocześnie, opracowano niedawno konfigurację z łącznikami, w tym Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) i Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICPMS). Pozwala to najpierw sklasyfikować cząstki ze względu na ich średnicę ruchliwości, a następnie równolegle określić ich liczbę, stężenie i skład pierwiastkowy. Jako system wprowadzający stosowany jest rozcieńczalnik z obrotowym dyskiem (RDD), co zapewnia większą elastyczność w zakresie stosowania różnych źródeł aerozolu. W tej pracy przedstawiono praktyczny przewodnik opisujący różne etapy tworzenia tego oprzyrządowania oraz sposób korzystania z tego narzędzia analitycznego. Wszechstronność tej techniki z łącznikiem wykazano w przykładowych pomiarach trzech różnych aerozoli generowanych z a) roztworu soli, b) zawiesiny i c) emitowanych w procesie termicznym.

W pierwszym przykładzie układ został wykorzystany jako narzędzie do pomiaru w czasie rzeczywistym cząstek generowanych z zawiesiny ZnO (Rysunek 2). Jak widać na Rysunkach 2A-2B, PSDv wydaje się przesunięta w stronę większych cząstek w porównaniu do PSDn. Ponadto, przy dużych średnicach cząstek, krzywa intensywności ICPMS znajduje się nieco poniżej krzywej wykrytej przez SMPS. W drugim przykładzie cząstki generowano z wodnego roztworu NaCl (200 µg/mL) przy użyciu tego samego generatora aerozolu (Rysunki 3A-3C). Sygnały ICPMS i SMPS nie wykazują istotnych zmian w czasie, a sygnał sodu rozdzielony w czasie dobrze koreluje z PSDv przez cały okres pomiarowy. W przeciwieństwie do Zn w poprzednim przykładzie, Na wykazuje stosunkowo wysoki sygnał tła ICPMS, co skutkuje większym poziomem szumów sygnału w porównaniu do stężeń zarejestrowanych przez SMPS. Podobnie jak w próbce zawiesiny ZnO, moda PSDn znajduje się przy mniejszej średnicy cząstek niż moda PSDv. Ponieważ wygenerowane cząstki są cząstkami NaCl, zachowanie sygnału Cl jest analogiczne do zachowania Na i dobrze koreluje z danymi SMPS dotyczącymi objętości (dane nie przedstawiono).
W ostatnim przykładzie przedstawiono wyniki obróbki termicznej próbki CuCl2 z wykorzystaniem TGA. Rysunek 4A pokazuje PSDn zarejestrowaną dla cząstek o rozmiarach do 20 nm na początku ogrzewania w TGA (około 21 min na osi czasu, t.j. na początku 7go skanu SMPS). Następnie stężenie cząstek w PSDn osiąga stan stacjonarny przy stałej temperaturze, a cząstki obejmują zakres wielkości od 60 do 250 nm. Lekki wzrost rozmiaru cząstek obserwuje się po 11tym skanie SMPS (około 30 min na osi czasu). Rozważając PSDv (Rysunek 4B), wkład różnych rozmiarów cząstek jest znacznie inny niż w przypadku PSDn, a wartości PSDv stają się wysokie głównie w zakresie od 150 do 330 nm. Sygnał ICPMS dla Cu pokazany na Rysunku 3C dobrze koreluje z PSDv. Rysunki 4D-4E przedstawiają odpowiednio skorygowaną i surową intensywność 35Cl podczas skanów w górę i w dół. Po punkcie rozpoczęcia okresu ogrzewania, obok intensywności odpowiadającej cząstkom związków chloru, zmierzono stałą intensywność Cl obejmującą zakres wielkości cząstek (w przedziale czasowym od 18 do 33 min, t.j. od 7go do 11go skanu SMPS). Jest to spowodowane odparowaniem gazowych związków Cl. Cząstki chloru są rejestrowane w tym samym zakresie wielkości co miedź, mianowicie dla cząstek o średnicach powyżej 150 nm. Inny eksperyment z użyciem tej samej próbki (CuCl2) przeprowadzono bez SMPS, wykorzystując jedynie układ TG-RDD-ICPMS. Tutaj mierzony jest sygnał ICPMS nieklasyfikowanych cząstek aerozolu (Rysunek 4F). Podobnie jak w przypadku SMPS-ICPMS, w ostatnich skanach można zaobserwować wzrost obu sygnałów (Cl i Cu).
Wyniki przedstawione w niniejszej pracy demonstrują wszechstronność zastosowania układu SMPS-ICPMS sprzężonego z różnymi źródłami aerozoli. W zaprezentowanych przykładach korelacja między sygnałem ICPMS miedzi (Cu) rozdzielonym w czasie a rozkładem wielkości cząstek (PSD)v jest oczywisty. W przypadku aerozolu zawierającego różne cząstki, wkład każdego elementu w całkowity rozkład wielkości cząstek (PSD)v jest określany przez sygnały ICPMS. Co więcej, przykład NaCl pokazuje, że utrzymanie stałych warunków eksperymentalnych prowadzi do uzyskania stabilnego sygnału rozdzielczego w czasie. Układ SMPS-ICPMS pozwala monitorować każdą zmianę stężenia pierwiastkowego i/lub wielkości generowanego aerozolu. Na przykład, wyższy sygnał PSDn w CuCl2 eksperyment (Rysunek 4C) mogą być spowodowane gwałtownym rozpoczęciem procesu nagrzewania. Tymczasem wzrost sygnałów SMPS i ICPMS podczas końcowych skanów można wyjaśnić zmianą gradientu temperatury CuCl2 próbka w funkcji czasu, co zmienia całkowitą ilość materiału osiągającego temperaturę odparowania. Ostatecznie, biorąc pod uwagę dane wyjściowe z SMPS, stężenie w PSDv jest przesunięty w stronę większych rozmiarów cząstek niż w PSDnDzieje się tak, ponieważ sygnał jest mnożony przez 3rd potęga średnicy cząstek do konwersji PSDn do PSDvco skutkuje silniejszym obciążeniem dużych cząstek w pomiarze objętościowym niż w pomiarze liczbowym.
<img alt="Schemat konfiguracji CPC i ICP-MS do analizy aerozolu, przedstawiający ścieżki przepływu i pomiary danych." src="/files/ftp_upload/55487/55487fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Strategia sprzężenia różnych elementów instrumentalnych w konfiguracji RDD-SMPS-ICPMS. Nomenklatura: Qsample: przepływ z generatora aerozolu; Qdilut: przepływ argonu rozcieńczającego w RDD, QRDD out: przepływ surowego aerozolu z RDD; Qpoly: przepływ rozcieńczonego aerozolu polidyspersyjnego na wlocie do DMA; Qsheath: przepływ gazu osłonowego DMA; Qclass: przepływ sklasyfikowanego aerozolu na wylocie z DMA; QDMA exc: nadmiarowy przepływ gazu w DMA; QCPC class: frakcja Qclass kierowana do CPC; QCPC air: dodatkowy przepływ powietrza do CPC; QCPC in: całkowity przepływ wchodzący do CPC; QICP in: frakcja Qclass kierowana do ICPMS; QXe: przepływ ksenonu; MFC: kontroler przepływu masowego. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55487/55487fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Rozkład wielkości cząstek; wykresy przedstawiające PSDn w funkcji dp dla metod SMPS i ICPMS." src="/files/ftp_upload/55487/55487fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Dane SMPS-ICPMS zawiesiny ZnO. (A) Rozkład wielkości cząstek oparty na liczbie (PSDn), zarejestrowany za pomocą SMPS. (B) Odpowiadający mu rozkład wielkości cząstek oparty na objętości (PSDv) oraz skorygowany sygnał 66Zn, wykryty za pomocą ICPMS. Trzy sygnały stanowią średnią z 4 skanów SMPS. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55487/55487fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Analiza rozkładu wielkości cząstek; ICPMS, PSDv, PSDn; wykresy średnicy zmiennej w czasie; dane badawcze." src="/files/ftp_upload/55487/55487fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Dane SMPS-ICPMS z pomiaru roztworu NaCl. (A) Sygnał ICP skorygowany dla 23Na. (B) PSDv. (C) Odpowiadający mu PSDn. Stężenia SMPS i intensywności ICPMS przedstawiono jako funkcje średnicy i czasu. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55487/55487fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykresy rozkładu wielkości i wykresy ICP średnicy cząstek w czasie; PSDN, PSVD, poziomy ICP." src="/files/ftp_upload/55487/55487fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Dane SMPS-ICPMS z pomiaru odparowania CuCl2 przy użyciu TGA. (A) Wykres 2D PSDn (B) Wykres 2D PSDv. (C) Wykres 2D sygnału ICPMS 63Cu. (D) Wykres 2D sygnału ICPMS 35Cl. (E) Niepoprawiony surowy sygnał ICPMS 35Cl w funkcji czasu. (F) Sygnał ICPMS 65Cu i 35Cl zarejestrowany podczas obróbki termicznej CuCl2 przy użyciu układu TG-RDD-ICPMS (bez SMPS). W obu eksperymentach (z SMPS i bez SMPS) sygnały tła w 25 °C mierzono przez około 18 min (6 skanów SMPS), przed rozpoczęciem i utrzymaniem okresu nagrzewania (przez 15 min) w 450 °C. Rejestrację sygnałów SMPS-ICPMS rozpoczęto w tym samym czasie co rejestrację sygnałów TGA i zakończono 1 skan po jej wyłączeniu (co dało łącznie 12 skanów SMPS). <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55487/55487fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Parametr</td>
			<td>Wartość</td>
			<td>Do dostrojenia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Moc</td>
			<td>1350 W</td>
			<td>Tak</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>gaz rozcieńczający ICP (argon)</td>
			<td>0,58 l/min</td>
			<td>Tak</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Głębokość poboru próbek</td>
			<td>8 mm</td>
			<td>Tak</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gaz zderzeniowy</td>
			<td>2 ml/min</td>
			<td>Tak (dla tego samego zestawu pomiarów nie należy zmieniać tej wartości po jej dostrojeniu)  </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Czas integracji </td>
			<td>0,2 s na izotop</td>
			<td>Tak, jeśli należy zmienić rozdzielczość czasową ICP </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>przepływ Xe</td>
			<td>4 mL/min</td>
			<td>Nie (aby zachować tę samą czułość ICP)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Typowe ustawienia głównych parametrów ICPMS stosowanych do pomiaru cząstek aerozolu metodą RDD-SMPS-ICPMS.

W tej pracy znajduje się praktyczny przewodnik, opisujący różne kroki do ustanowienia sprzężenia systemów SMPS i ICPMS oraz jak z nich korzystać. Przedstawiono trzy przykłady opisowe.

Praktyczny przewodnik na temat sprzężenia skanera mobilności skanera i spektrometru mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (SMPS-ICPMS)

A large variety of analytical methods are available to characterize particles in aerosols and suspensions. The choice of the appropriate technique depends ...

Ogólnym celem niniejszego przewodnika praktycznego jest opisanie poszczególnych etapów łączenia skaningowego analizatora wielkości cząstek (SMPS) ze spektrometrem mas z jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICPMS) oraz wyjaśnienie sposobu korzystania z tego narzędzia analitycznego. Aparatura SMPS ICPMS może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na pytania w różnych zastosowaniach środowiskowych i technologicznych, takich jak monitorowanie cząstek przenoszonych przez powietrze lub emitowanych podczas spalania. Dzięki temu możemy obecnie charakteryzować syntetyzowane nanobiekty inżynieryjne oraz badać ich losy.Główną zaletą tej strategii sprzęgania jest możliwość jednoczesnego i online pozyskiwania informacji o rozmiarze oraz składzie chemicznym cząstek, z rozdzielczością czasową rzędu kilku minut. W oparciu o wcześniejsze próby konfiguracji połączenia SMPS ICPMS, rozpoczęliśmy opracowywanie tej techniki dla różnych źródeł aerozoli, wykorzystując rotacyjny rozcieńczalnik tarczowy jako system wprowadzania. Niniejsza demonstracja wizualna opisuje główny etap strategii sprzęgania obu instrumentów, a także poszczególne ustawienia.W celu połączenia różnych urządzeń i kontroli poszczególnych przepływów gazów konieczne są modyfikacje w układzie aparatury. Poniżej podsumowano główne etapy koncepcji połączenia. Do połączenia poszczególnych części aparatury należy użyć przewodów przewodzących o średnicy wewnętrznej 6,0 mm i średnicy zewnętrznej 12,0 mm.Zainstaluj rozcieńczalnik z obrotową tarczą pomiędzy źródłem aerozolu a analizatorem mobilności różnicowej (DMA), w którym odbywa się klasyfikacja wielkości cząstek. Podziel sklasyfikowany aerozol na wylocie DMA na dwie frakcje: jedna zostanie zasysana przez kondensacyjny licznik cząstek (CPC), a druga zostanie skierowana do spektrometru mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICPMS). Użyj kontrolera przepływu masy i filtra HEPA, aby dostarczyć wolny od cząstek argon rozcieńczający do rozcieńczalnika z obrotową tarczą.Dodaj kolejny filtr do wylotu nadmiarowego gazu surowego rozcieńczalnika. Użyj dodatkowego kontrolera przepływu masowego i filtra, aby dostosować przepływ gazu osłonowego wprowadzanego do DMA. Aby uregulować przepływ nadmiarowego gazu z DMA, zamontuj szeregowo filtr, kontroler przepływu masowego oraz pompę próżniową przy wylocie DMA.Na koniec podłącz dodatkowy kontroler przepływu masy oraz filtr, aby doprowadzić do CPC powietrze wolne od cząstek jako przepływ uzupełniający, co pozwoli zmniejszyć ilość zużywanego przez CPC aerozolu sklasyfikowanego. Jako przykład wykorzystania generatora aerozolu dla zawiesiny, przygotuj zawiesinę tlenku cynku z komercyjnego nanoproszku tlenku cynku i kwasu poliakrylowego jako stabilizatora nanocząstek. Rozcieńcz przygotowaną zawiesinę, aby uzyskać stężenie tlenku cynku wynoszące około 30 µg/mL.Użyj generatora aerozolu wyposażonego w dyszę i suszarkę z żelem krzemionkowym, aby wytworzyć aerozol z zawiesiny cząstek oraz usunąć wodę z cząstek w suszarce z żelem krzemionkowym. W tym celu najpierw nalej zawiesinę lub roztwór do butelki i zamontuj ją w generatorze aerozolu. Następnie ustaw zawór sprężonego powietrza generatora aerozolu nieco powyżej 1 bar.Skutkuje to przepływem aerozolu za osuszaczem dyfuzyjnym wynoszącym około jednego litra na minutę. Na koniec należy połączyć wylot osuszacza z wlotem rozcieńcznika z dyskiem obrotowym. Kontrolery przepływu masy są kalibrowane do masowych przepływów gazu w warunkach standardowych.Ponieważ przepływy objętościowe są istotne dla tego typu pomiarów, wszystkie przepływy muszą zostać zweryfikowane ręcznie, na przykład przy użyciu podstawowego kalibratora przepływu. Najpierw ustaw przepływ argonu na wlocie gazu osłaniającego DMA na 3 liters per minute. Następnie ustaw temperaturę rotacyjnego rozcieńczalnika na 80 °C oraz temperaturę rurki odparowującej na 350 °C.Przepływ sklasyfikowanego aerozolu opuszczającego DMA wynika ze wszystkich pozostałych przepływów wlotowych i wylotowych DMA. Pożądany przepływ sklasyfikowanego aerozolu można zdefiniować poprzez dokładną regulację nadmiaru gazu. Ręcznie dostosuj przepływ argonu rozcieńczającego, aby uzyskać przepływ rozcieńczonej próbki wynoszący 0,6 litrów na minutę na wylocie rotacyjnego rozcieńczalnika tarczowego.Następnie ostrożnie wyreguluj regulator przepływu masy gazu nadmiarowego, aby uzyskać przepływ sklasyfikowanego aerozolu wynoszący 0,6 litrów na minutę, co odpowiada prędkości przepływu rozcieńczonego aerozolu polydispersyjnego na wlocie do DMA. Następnie umieść kalibrator przepływu pomiędzy DMA a CPC. Wyreguluj przepływ powietrza uzupełniającego w CPC, aby zmniejszyć prędkość przepływu sklasyfikowanego aerozolu zasysanego przez CPC do 0,18 litrów na minutę.Sprawdź pozostały przepływ sklasyfikowanego aerozolu, aby upewnić się, że do ICPMS kierowane jest 0,42 litrów na minutę. Następnie oblicz lepkość dynamiczną oraz średnią drogę swobodną argonu w temperaturze i ciśnieniu otoczenia. Wprowadź obie wartości do oprogramowania SMPS.W oprogramowaniu SMPS ustaw czas trwania skanowania w górę i w dół cyklu skanowania DMA na 150 sekund i 30 sekund. Ustaw maksymalne napięcie DMA na 4,5 kilowoltów, aby zapobiec łukom elektrycznym w DMA, co pozwoli na objęcie zakresu wielkości cząstek od około 14 do 340 nanometrów. Usuń konwencjonalny system wprowadzania próbek ciekłych, aby bezpośrednio wprowadzić suchy aerozol do ICPMS.Podłącz rurkę przewodzącą pomiędzy odpowiedni port wylotowy DMA a ICPMS. Przez cały czas trwania pomiarów utrzymuj stały przepływ ksenonu. Dostrój pozostałe parametry w oprogramowaniu ICPMS, w tym gaz rozcieńczający ICP oraz głębokość próbkowania, aby uzyskać stałą intensywność ksenonu.Ustaw czas akwizycji SMPS i ICPMS tak, aby obejmował pożądany całkowity czas pomiaru aerozolu. Po ustawieniu przepływów gazów w SMPS oraz parametrów ICPMS, uruchom pomiar w obu urządzeniach ręcznie w tym samym czasie. Zbierz sygnały tła podczas dwóch skanów trwających po sześć minut, przy ustawionej na zero prędkości obrotowej tarczy.Następnie ustaw prędkość na pożądaną wartość. Tutaj przedstawiamy sygnał ICPMS dla izotopu cynku 66. Dodatkowo widzimy tutaj rozkład wielkości cząstek w zależności od objętości.Wykazano tutaj silną korelację między sygnałami ICPMS i SMPS. W celu przeprowadzenia analizy danych należy zapoznać się z tekstem protokołu. Reprezentatywne wyniki dla zawiesiny tlenku cynku wykazują, że rozkład wielkości cząstek w oparciu o objętość dobrze koreluje z sygnałem ICPMS.Dane z SMPS są pierwotnie mierzone w reżimie koncentracji liczbowej. Rozkład wielkości cząsteczek wydaje się przesunięty w stronę większych cząsteczek w porównaniu z rozkładem wielkości cząsteczek opartym na liczbie. Wynika to z konwersji wyników z liczbowych na objętościowe oraz silniejszego ważenia dużych cząsteczek w reżimie objętościowym.Pomiar cząstek generowanych z wodnego roztworu chlorku sodu wykazuje, że utrzymanie stałych warunków eksperymentalnych prowadzi do uzyskania stabilnych, rozdzielonych w czasie sygnałów SMPS oraz ICPMS. Wkład każdego pierwiastka w całkowity rozkład wielkości cząstek oparty na objętości jest określany przez sygnały ICPMS. W przypadku pomiaru cząstek generowanych z próbki chlorku miedzi poddanej obróbce termicznej przy użyciu analizatora termograwimetrycznego, korelacja między rozdzielonym w czasie sygnałem ICPMS miedzi a rozkładem wielkości cząstek opartym na objętości jest oczywista.Sygnały chloru pochodzące zarówno z frakcji cząstkowej, rejestrowane jako piki, jak i z frakcji gazowej, rejestrowane jako stały sygnał obejmujący cały pomiarowy zakres wielkości cząstek, mogą zostać rozróżnione za pomocą SMPS ICPMS. Podczas próby zastosowania tej procedury pomiarowej należy pamiętać, że w zależności od próbki aerozolu konieczne jest znalezienie kompromisu między rozcieńczeniem RDD a czułością ICPMS na interesujący nas izotop, gdyż parametry cząstek i gazów są wzajemnie od siebie zależne. Istnieje kompromis między wysoką liczbą monitorowanych pierwiastków i ich izotopów, niskimi granicami detekcji, wysoką rozdzielczością wielkości oraz szerokim zakresem wielkości cząstek z jednej strony, a krótkim czasem skanowania lub wysoką rozdzielczością czasową pomiaru z drugiej.Po opracowaniu technika ten utorował drogę badaczom do analizy obiektów nano pod kątem ich losów, składu chemicznego oraz rozkładu wielkości. Ma to istotne znaczenie dla badania jakości gazów, a także emisji cząstek lub ekspozycji na nie. Informacje te wykorzystujemy do dalszego rozwoju ekologicznych technologii bioenergii i przetwarzania odpadów.Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze rozumieć, jak stworzyć stabilne połączenie aparatury SMPS i ICPMS oraz jak przeprowadzić dokładny pomiar.

a-practical-guide-on-coupling-scanning-mobility-sizer-inductively

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Prezentujemy dyskretny system wprowadzania próbek kropel do spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICPMS). Opiera się na tanim i jednorazowym chipie mikroprzepływowym, który generuje wysoce monodyspersyjne kropelki w zakresie wielkości 40−60 μm przy częstotliwościach od 90 do 7 000 Hz.

Układ mikroprzepływowy do próbki ICPMS Wprowadzenie

Integracja hodowli mikroalg z przemysłowymi gazami spalinowymi ostatecznie wprowadzi metale ciężkie i inne związki nieorganiczne do podłoża wzrostowego. W pracy przedstawiono procedurę zastosowaną do określenia końcowego losu i wpływu metali ciężkich i zanieczyszczeń nieorganicznych na wzrost Nannochloropsis salina hodowanych w fotobioreaktorach.

Kwantyfikacja metali ciężkich i innych zanieczyszczeń nieorganicznych na produktywność mikroglonów

Chromatografia wykluczania wielkości z łącznikiem plazmy sprzężonej indukcyjnie - spektrometria mas (ICP-MS) to potężne narzędzie do pomiaru zmian w obfitości metaloprotein bezpośrednio z próbek biologicznych. W tym miejscu opisujemy zestaw wzorców metaloprotein używanych do szacowania masy cząsteczkowej i ilości metalu związanego z nieznanymi białkami.

Standardy ilościowej analizy metaloproteomicznej z wykorzystaniem wykluczenia wielkości ICP-MS

Ta metoda specjacji żelaza redoks opiera się na elektroforezie kapilarnej - spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie z układaniem próbek połączonym z krótką analizą w jednym przebiegu. Metoda szybko analizuje i zapewnia niskie limity oznaczalności dla form redoks żelaza w różnych próbkach tkanek i płynów biologicznych.

Konfiguracja spektrometrii mas z elektroforezą kapilarną i indukcyjnie sprzężoną plazmą (CE-ICP-MS) do oznaczania ilościowego gatunków redoks żelaza (Fe(II), Fe(III))

Spektrometria ruchliwości jonów (IMS) jest interesującym uzupełnieniem spektrometrii mas do charakterystyki biomolekuł, szczególnie dlatego, że jest wrażliwa na izomerię. Protokół ten opisuje tandemowy eksperyment IMS (IMS/IMS), który pozwala na izolację cząsteczki i wygenerowanie profili ruchliwości jej fragmentów.

Wykorzystanie spektrometru cyklicznej ruchliwości jonów do eksperymentów z ruchliwością jonów w tandemie

Ten protokół przedstawia zweryfikowaną metodę chromatografii cieczowej, mobilności jonów i spektrometrii mas o wysokiej rozdzielczości, do określania obecności alkaloidów sporyszu w żywności, zgodnie z niedawno wydanym rozporządzeniem Komisji (UE) 2023/915.

Wykrywanie regulowanych alkaloidów sporyszu w matrycach spożywczych za pomocą chromatografii cieczowej - spektrometria ruchliwości jonów uwięzionych w elektronice - spektrometria mas czasu przelotu

Nieukierunkowana metabolomika dostarcza hipotezy generującej migawkę profilu metabolicznego.  Protokół ten zademonstruje ekstrakcję i analizę metabolitów z komórek, surowicy lub tkanki.  Szereg metabolitów jest badany za pomocą ekstrakcji ciecz-faza cieczowa, ultraprzepływowej chromatografii cieczowej/spektrometrii mas o wysokiej rozdzielczości (UPLC-HRMS) w połączeniu z oprogramowaniem do analizy różnicowej.

Nieukierunkowana metabolomika ze źródeł biologicznych przy użyciu ultrasprawnej chromatografii cieczowej ze spektrometrią mas o wysokiej rozdzielczości (UPLC-HRMS)

Przedstawiono dynamiczny pomiar jonów chlorkowych. Czas przejścia elektrody Ag/AgCl, podczas techniki chronopotencjometrycznej, może dać stężenie jonów chlorkowych w elektrolicie. Ta metoda nie wymaga stabilnej konwencjonalnej elektrody referencyjnej.

Dynamiczny pomiar elektrochemiczny jonów chlorkowych

Ten artykuł przedstawia protokół wizualizacji strumieni gazowych źródła jonizacji otoczenia za pomocą fotografii Schlierena i spektrometrii mas.

Wizualizacja spektrometrii mas otoczenia z wykorzystaniem fotografii Schlierena

Pokazano protokół charakteryzujący skład chemiczny wydychanego powietrza w czasie rzeczywistym za pomocą wtórnej jonizacji nanoelectrospray sprzężonej ze spektrometrią mas o wysokiej rozdzielczości.

Analiza oddechu w czasie rzeczywistym przy użyciu wtórnej jonizacji nanoelektronizacyjnej sprzężonej ze spektrometrią mas o wysokiej rozdzielczości

Poznaj metodę sprzężenia SMPS z ICPMS do analizy aerozoli w czasie rzeczywistym. Ten przewodnik pokazuje krok po kroku konfigurację instrumentów, kalibrację przepływów gazów oraz zastosowanie w monitorowaniu cząstek nanometrycznych.

Praktyczny przewodnik na temat sprzężenia skanera mobilności skanera i spektrometru mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (SMPS-ICPMS) (Wideo) | JoVE Journal

Praktyczny przewodnik na temat sprzężenia skanera mobilności skanera i spektrometru mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (SMPS-ICPMS)

Przeglądaj więcej filmów