Um guia prático sobre o acoplamento de um analisador de mobilidade de varredura e um espectrômetro de massa plasmática acoplado de forma indutível (SMPS-ICPMS)

O objetivo geral deste guia prático é descrever as diferentes etapas para acoplar um analisador de mobilidade e tamanho de partículas a um espectrômetro de massas com plasma acoplado indutivamente e explicar como utilizar esta ferramenta de análise. A instrumentação SMPS ICPMS pode auxiliar a responder questões em diversas aplicações ambientais e tecnológicas, como o monitoramento de partículas emitidas ao ar ou provenientes de combustão. Atualmente, podemos caracterizar nanoobjetos sintetizados e estudar seu destino.

A principal vantagem dessa estratégia de acoplamento é obter informações sobre o tamanho e a composição química de partículas simultaneamente e em tempo real, com uma resolução temporal de alguns minutos. Com base em tentativas anteriores de configurar a combinação SMPS-ICPMS, iniciamos o desenvolvimento dessa técnica para diversas fontes de aerossóis, utilizando um diluidor de disco rotativo como sistema de introdução. Esta demonstração visual descreve os principais passos da estratégia de acoplamento dos dois instrumentos, bem como as diferentes configurações.

Para acoplar os diferentes instrumentos e controlar os diversos fluxos de gás, são necessárias algumas modificações nos arranjos instrumentais. Os principais passos do conceito de acoplamento são resumidos aqui. Utilize tubos condutivos com diâmetro interno de 6,0 milímetros e diâmetro externo de 12,0 milímetros para conectar as diferentes partes instrumentais.

Instale o diluidor rotativo de disco entre a fonte de aerossol e o analisador de mobilidade diferencial, ou DMA, onde ocorre a classificação do tamanho das partículas. Divida o aerossol classificado na saída do DMA em duas frações, sendo que uma será aspirada pelo contador de partículas por condensação, ou CPC, e a outra será direcionada ao espectrômetro de massas com plasma acoplado indutivamente, ou ICPMS. Utilize um controlador de fluxo mássico e um filtro HEPA para fornecer argônio de diluição livre de partículas ao diluidor rotativo de disco.

Adicione outro filtro à saída de gás bruto em excesso do diluidor. Utilize um controlador adicional de fluxo de massa e um filtro para ajustar o fluxo de gás de envolvimento introduzido no DMA. Para ajustar o fluxo de gás em excesso do DMA, instale em série um filtro, um controlador de fluxo de massa e uma bomba de vácuo na saída do DMA.

Finalmente, conecte um controlador adicional de fluxo de massa e um filtro para adicionar ar livre de partículas ao CPC como fluxo de reposição, reduzindo assim a quantidade de aerossol classificado consumido pelo CPC. Como exemplo de uso de um gerador de aerossol para uma suspensão, prepare uma suspensão de óxido de zinco a partir de um pó nano de óxido de zinco comercial e ácido poliacrílico como estabilizador para as nanopartículas. Dilua a suspensão preparada para obter uma concentração de óxido de zinco de aproximadamente 30 microgramas por mililitro.

Use o gerador de aerossol equipado com um bico e um desidratador de gel de sílica para gerar um aerossol a partir da suspensão de partículas e remover a água das partículas no desidratador de gel de sílica. Para isso, primeiro preencha o frasco com a suspensão ou solução e fixe-o no gerador de aerossol. Em seguida, ajuste a válvula de ar comprimido do gerador de aerossol ligeiramente acima de uma bar.

Isso resulta em um fluxo de aerossol após o secador por difusão de aproximadamente um litro por minuto. Por fim, conecte a saída do secador à entrada do diluidor rotativo. Os controladores de fluxo mássico são calibrados para fluxos mássicos de gás sob condições padrão.

Como os fluxos volumétricos são relevantes para este tipo de medição, todos os fluxos devem ser verificados manualmente, por exemplo, utilizando um calibrador de fluxo primário. Primeiro, ajuste o fluxo de argônio na entrada do gás de blindagem do DMA para 3 litros por minuto. Em seguida, ajuste a temperatura do diluidor com disco rotativo para 80 graus celsius e defina a temperatura do tubo de evaporação para 350 graus celsius.

A vazão do aerossol classificado que sai do DMA resulta de todas as outras correntes de entrada e saída do DMA. A vazão desejada do aerossol classificado pode ser definida ajustando cuidadosamente o gás em excesso. Ajuste manualmente a vazão de argônio de diluição para obter 0,6 litros por minuto como vazão da amostra diluída na saída do diluidor com disco rotativo.

Em seguida, ajuste cuidadosamente o controlador de fluxo de massa de gás excedente para obter um fluxo de aerossol classificado de 0,6 litros por minuto, a mesma taxa de fluxo do aerossol polidisperso diluído na entrada do DMA. A seguir, posicione o calibrador de fluxo entre o DMA e o CPC. Ajuste o fluxo de ar de compensação do CPC para reduzir a taxa de fluxo do aerossol classificado aspirado pelo CPC para 0,18 litros por minuto.

Verifique o fluxo restante do aerossol classificado para garantir que 0,42 litros por minuto sejam direcionados ao ICPMS. Em seguida, calcule a viscosidade dinâmica e o caminho livre médio do argônio na temperatura e pressão ambientes. Insira ambos os valores no software SMPS.

No software SMPS, defina as durações de varredura ascendente e descendente do ciclo de varredura do DMA como 150 segundos e 30 segundos. Ajuste a tensão máxima do DMA para 4,5 quilovolts para evitar arco elétrico no DMA, resultando em uma faixa de tamanho de partículas coberta de aproximadamente 14 a 340 nanômetros. Remova o sistema de introdução convencional para amostras líquidas para introduzir diretamente o aerossol seco no ICPMS.

Adicione um tubo condutivo entre a respectiva porta da saída do DMA e o ICPMS. Mantenha o fluxo de xenônio constante para todas as medições. Ajuste os outros parâmetros no software do ICPMS, incluindo o gás de diluição do ICP e a profundidade de amostragem, para obter uma intensidade fixa de xenônio.

Defina o tempo de aquisição do SMPS e do ICPMS para cobrir a duração total desejada da medição do aerossol. Após ajustar os fluxos de gás no SMPS e os parâmetros do ICPMS, execute a medição simultaneamente nos dois instrumentos manualmente. Adquira os sinais em branco durante dois varreduras de seis minutos com a velocidade de rotação do disco ajustada em zero.

Em seguida, ajuste a velocidade ao valor desejado. Aqui mostramos o sinal de ICPMS do isótopo de zinco 66. Além disso, aqui observamos a distribuição de tamanho de partículas baseada em volume.

Isso mostra a forte correlação entre os sinais do ICPMS e do SMPS. Por fim, consulte o protocolo textual para saber como proceder com a análise de dados. Os resultados representativos de uma suspensão de óxido de zinco demonstram que a distribuição do tamanho de partículas baseada em volume apresenta boa correlação com o sinal do ICPMS.

Os dados do SMPS são originalmente medidos no regime de concentração numérica. A distribuição do tamanho das partículas aparece deslocada para partículas maiores quando comparada à distribuição do tamanho das partículas baseada em número. Isso ocorre porque há uma conversão de resultados baseados em número para resultados baseados em volume, com maior ponderação das partículas maiores no regime de volume.

A medição de partículas geradas a partir de uma solução aquosa de cloreto de sódio mostra que manter as condições experimentais constantes resulta em sinais no estado estacionário, resolvidos no tempo, do SMPS e do ICPMS. A contribuição de cada elemento na distribuição do tamanho de partículas com base no volume total é determinada pelos sinais do ICPMS. Para a medição de partículas geradas a partir da amostra de cloreto de cobre submetida a tratamento térmico, utilizando um analisador termogravimétrico, a correlação entre o sinal do ICPMS resolvido no tempo para cobre e a distribuição do tamanho de partículas com base no volume é evidente.

Sinais de cloro provenientes de ambas as espécies particuladas, registradas como picos, e espécies gasosas, registradas como um sinal constante que abrange toda a faixa de tamanho de partículas medida, podem ser discriminados por SMPS ICPMS. Ao tentar este procedimento de medição, é importante lembrar que, dependendo do aerossol da amostra, uma compensação entre a diluição do RDD e a sensibilidade do ICPMS ao isótopo de interesse precisa ser encontrada. Existe um compromisso entre um grande número de elementos e seus isótopos monitorados com baixos limites de detecção, alta resolução de tamanho e ampla faixa de tamanho de partículas coberta, de um lado, e curta duração de varredura ou alta resolução temporal de medição, de outro.

Após seu desenvolvimento, esta técnica abriu caminho para que pesquisadores explorassem nanoobjetos quanto ao seu destino, composição química e distribuição de tamanho. Isso é relevante para o estudo da qualidade do ar, bem como das emissões de partículas ou da exposição. Utilizamos essas informações para o aprimoramento de tecnologias de bioenergia e tratamento de resíduos ambientalmente sustentáveis.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como estabelecer um acoplamento robusto entre os instrumentos SMPS e ICPMS e de como realizar uma medição precisa.