Практическое руководство по соединению сканирующего мобильщика и масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой (SMPS-ICPMS)

Общая цель данного практического руководства — описать последовательные этапы сопряжения сканирующего анализатора подвижности частиц с масс-спектрометром с индуктивно-связанной плазмой, а также объяснить принципы использования данного аналитического инструмента. Система SMPS ICPMS может быть полезна для решения задач в различных областях экологии и технологий, например, при мониторинге частиц в атмосферном воздухе или продуктов сгорания. С её помощью можно характеризовать синтезированные инженерные нанообъекты и изучать их поведение в окружающей среде.

Основным преимуществом данной стратегии сопряжения является возможность одновременно и в режиме онлайн получать информацию о размере и химическом составе частиц с временным разрешением в несколько минут. Опираясь на предыдущие попытки создания комбинации SMPS ICPMS, мы начали разработку этого метода для различных источников аэрозолей, используя систему ввода с разбавляющим вращающимся диском. В данной визуальной демонстрации описан основной этап стратегии сопряжения двух приборов, а также различные варианты настроек.

Для сопряжения различных приборов и управления потоками газов требуются некоторые модификации в схеме размещения оборудования. Основные этапы концепции сопряжения обобщены ниже. Для соединения различных частей установки используйте электропроводящие трубки с внутренним диаметром 6,0 мм и внешним диаметром 12,0 мм.

Установите разбавляющий вращающийся диск между источником аэрозоля и анализатором дифференциальной подвижности (DMA), где происходит классификация частиц по размеру. Разделите классифицированный аэрозоль на выходе из DMA на две фракции: одна будет всасываться счетчиком конденсационных частиц (CPC), а другая будет направляться в масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой (ICPMS). Используйте регулятор массового расхода и HEPA-фильтр для подачи очищенного от частиц аргона для разбавления в разбавляющий вращающийся диск.

Установите еще один фильтр на выходе избыточного сырого газа разбавителя. Используйте дополнительный регулятор массового расхода и фильтр для настройки потока обтекающего газа, подаваемого в DMA. Для регулировки потока избыточного газа DMA последовательно установите фильтр, регулятор массового расхода и вакуумный насос на выходе из DMA.

Наконец, подключите дополнительный регулятор массового расхода и фильтр для подачи очищенного от частиц воздуха в CPC в качестве подпиточного потока, чтобы уменьшить расход классифицированного аэрозоля, потребляемого CPC. В качестве примера использования генератора аэрозоля для суспензии приготовьте суспензию оксида цинка из коммерческого нанопорошка оксида цинка, используя полиакриловую кислоту в качестве стабилизатора наночастиц. Разбавьте приготовленную суспензию так, чтобы получить концентрацию оксида цинка приблизительно 30 µg/mL.

Используйте генератор аэрозоля, оснащенный соплом и осушителем с силикагелем, чтобы создать аэрозоль из суспензии частиц и удалить воду из частиц в осушителе с силикагелем. Для этого сначала залейте суспензию или раствор в бутыль и закрепите ее на генераторе аэрозоля. Затем установите клапан сжатого воздуха генератора аэрозоля чуть выше одного бара.

В результате создается поток аэрозоля после диффузионного осушителя с расходом приблизительно один литр в минуту. Наконец, соедините выход осушителя со входом разбавителя с вращающимся диском. Регуляторы массового расхода откалиброваны по массовым расходам газа при стандартных условиях.

Поскольку для данного типа измерений важны объемные расходы, все потоки должны быть проверены вручную, например, с помощью первичного калибратора расхода. Сначала установите расход аргона на входе газа-оболочки DMA на 3 liters per minute. Затем установите температуру вращающегося дискового разбавителя на 80 degrees celsius и температуру испарительной трубки на 350 degrees celsius.

Скорость потока классифицированного аэрозоля, выходящего из DMA, зависит от всех остальных потоков, входящих в DMA и выходящих из него. Желаемую скорость потока классифицированного аэрозоля можно задать, тщательно отрегулировав избыточный газ. Вручную отрегулируйте поток аргона для разбавления, чтобы получить 0,6 литров в минуту в качестве потока разбавленного образца на выходе из вращающегося дискового разбавителя.

Затем осторожно отрегулируйте регулятор массового расхода избыточного газа, чтобы достичь потока классифицированного аэрозоля 0,6 литров в минуту, что соответствует скорости потока разбавленного полидисперсного аэрозоля на входе в DMA. Далее установите калибратор потока между DMA и CPC. Отрегулируйте поток компенсирующего воздуха CPC, чтобы снизить скорость потока классифицированного аэрозоля, засасываемого CPC, до 0,18 литров в минуту.

Проверьте оставшийся поток классифицированного аэрозоля, чтобы убедиться, что в ИСП-МС направляется 0,42 литра в минуту. Затем рассчитайте динамическую вязкость и длину свободного пробега аргона при температуре и давлении окружающей среды. Введите оба значения в программном обеспечении SMPS.

В программном обеспечении SMPS установите длительность циклов сканирования DMA «вверх» и «вниз» на 150 секунд и 30 секунд соответственно. Установите максимальное напряжение DMA на 4,5 киловольт, чтобы предотвратить возникновение электрического пробоя в DMA, что обеспечит охват диапазона размеров частиц примерно от 14 до 340 нанометров. Удалите стандартную систему ввода жидких проб, чтобы подавать сухой аэрозоль непосредственно в ICPMS.

Установите проводящую трубку между соответствующим портом выхода DMA и ICPMS. Поддерживайте постоянный поток ксенона при всех измерениях. Настройте остальные параметры в программном обеспечении ICPMS, включая газ разбавления ICP и глубину пробоотбора, для достижения фиксированной интенсивности ксенона.

Установите время сбора данных SMPS и ICPMS так, чтобы оно охватывало весь необходимый период измерения аэрозоля. После настройки потоков газа в SMPS и параметров ICPMS запустите измерения на обоих приборах вручную одновременно. Зарегистрируйте холостые сигналы в течение двух сканирований по шесть минут при установленной скорости вращения диска, равной нулю.

Затем установите скорость на нужное значение. Здесь мы демонстрируем сигнал ИСП-МС для изотопа цинка 66. Кроме того, здесь представлено распределение частиц по размеру на основе объема.

Это демонстрирует сильную корреляцию между сигналами ICPMS и SMPS. Наконец, ознакомьтесь с текстовым протоколом, чтобы узнать, как проводить анализ данных. Репрезентативные результаты для суспензии оксида цинка показывают, что распределение частиц по размеру на основе объема хорошо коррелирует с сигналом ICPMS.

Данные SMPS изначально измеряются в режиме концентрации по числу. Распределение частиц по размерам выглядит смещенным в сторону более крупных частиц по сравнению с распределением по количеству. Это обусловлено пересчетом результатов из количественного выражения в объемное, а также более значительным весом крупных частиц в объемном режиме.

Измерение частиц, образующихся из водного раствора хлорида натрия, показывает, что поддержание постоянных экспериментальных условий приводит к стационарным сигналам SMPS и ICP-MS с временным разрешением. Вклад каждого элемента в общее распределение частиц по размеру на основе объема определяется сигналами ICP-MS. При измерении частиц, образующихся из термически обработанного образца хлорида меди с использованием термогравиметрического анализатора, наблюдается явная корреляция между сигналом меди в ICP-MS с временным разрешением и распределением частиц по размеру на основе объема.

С помощью SMPS ICPMS можно дифференцировать сигналы хлора как от твердых частиц, которые регистрируются в виде пиков, так и от газообразных веществ, которые фиксируются в виде постоянного сигнала во всем измеренном диапазоне размеров частиц. При выполнении этой процедуры измерения важно помнить, что в зависимости от состава аэрозоля образца и характеристик газа необходимо найти компромисс между разбавлением RDD и чувствительностью ICPMS к интересующему изотопу. Существует определенный компромисс между, с одной стороны, большим количеством контролируемых элементов и их изотопов, низкими пределами обнаружения, высоким разрешением по размеру и широким охватом диапазона размеров частиц, а с другой стороны — малой длительностью сканирования или высоким временным разрешением измерений.

После разработки этот метод позволил исследователям изучать нанообъекты с точки зрения их дальнейшей судьбы, химического состава и распределения по размерам. Это имеет значение для изучения качества газа, а также выбросов частиц или степени воздействия. Мы используем эту информацию для дальнейшей разработки экологически безопасных технологий биоэнергетики и переработки отходов.

После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как обеспечить надежное сопряжение приборов SMPS и ICPMS, а также о том, как проводить точные измерения.