Tarama Hareketlilik Cetvelini ve İndüktif olarak Birleştirilmiş Plazma Kütle Spektrometresini (SMPS-ICPMS) birleştiren Pratik Bir Kılavuz

Summary

Bu çalışmada, SMPS ve ICPMS sistemlerinin bağlantısının kurulması için farklı adımları anlatan ve bunları nasıl kullanacağınızı anlatan pratik bir rehber sunulmaktadır. Üç açıklayıcı örnek sunulmuştur.

Abstract

Aerosoller ve süspansiyonlardaki partikülleri karakterize etmek için çok çeşitli analitik yöntemler mevcuttur. Uygun tekniğin seçimi, belirlenecek özelliklere bağlıdır. Birçok alanda parçacık boyutu ve kimyasal bileşimi hakkında bilgi büyük önem taşımaktadır. Aerosol tekniklerinde gazla taşınan parçacıkların partikül büyüklüğü dağılımları çevrimiçi olarak belirlenirken, element kompozisyonları uygun bir örnekleme ve hazırlama prosedürünün ardından çevrimdışı olarak analiz edilir. Hem çevrimiçi hem de eşzamanlı olarak her iki bilgiyi elde etmek için, Tarama Hareketi Parçacık Boyutlandırıcısı (SMPS) ve İndüktif Olarak Eşleştirilmiş Plazma Kütle Spektrometresi (ICPMS) de dahil olmak üzere kısa bir süre önce tirelili bir kurulum geliştirildi. Bu, önce parçacıkların hareketlilik çaplarına göre sınıflandırılmasına, ardından sayı konsantrasyonunun ve elemental bileşiminin paralel olarak belirlenmesine izin verir. Giriş sistemi olarak bir Dönen Disk Diluteri (RDD) kullanılır, bu da daha fazla flFarklı aerosol kaynaklarının kullanımı ile ilgili esneklik. Bu çalışmada, bu enstrümantasyonun kurulması için farklı adımları ve bu analiz aracının nasıl kullanılacağını anlatan pratik bir rehber sunulmaktadır. Bu tirelili tekniğin çok yönlülüğü, a) bir tuz çözeltisi, b) bir süspansiyon ve c) bir termal işlemden çıkan üç farklı aerosol üzerinde örnek ölçümlerde gösterilmiştir.

Introduction

Çeşitli alanlarda, aerosollerdeki ve süspansiyonlardaki parçacıkların karakterizasyonu - kimyasal bileşim ve boyut dağılımının belirlenmesi dahil - önemli bir konudur. Parçacık özelliklerini belirlemek için kullanılan çeşitli analitik teknikler, hava kaynaklı veya yanmalı parçacıkları ölçme / izleme, sentezlenmiş mühendislik nano nesnelerini karakterize etme ve sağlık ve çevresel etkilerini inceleme gibi farklı çevresel, endüstriyel ve araştırma uygulamalarında kullanılır.

Süspansiyonlarda gazdan taşınan parçacıkların ve parçacıkların boyut bilgisi, geleneksel olarak, bir Aerodinamik Parçacık Boyutlayıcı (APS), Dinamik Işık Saçılma aygıtları (DLS) veya bir Tarama Hareketi Parçacık Boyutlayıcı (SMPS) ^{1 , 2} gibi farklı parçacık ölçücüler tarafından analiz edilir ^{; 3 , 4 , 5} .İkinci olarak - iyi kurulmuş aerosol ölçüm aracı - Diferansiyel Hareketlilik Analiz Cihazı (DMA) ve Yoğuşma Parçacıkları Sayacı (CPC) olmak üzere iki bölümden oluşur. Her iki alet de seri halinde monte edilmiştir. İlki, aerosol partiküllerinin, hava akımı içindeki hareketlilik çaplarına göre iki elektrod arasındaki voltajı değiştirerek sınıflandırmasına izin verir ⁶ . CPC'de, giren nanopartiküller yoğunlaşma çekirdeği olarak hareket eder, "büyük" damlacıklar oluşur ve daha sonra optik olarak sayılırlar ⁶ . SMPS çıktı verileri ölçülen parçacıklar hakkında boyuta çözümlenmiş sayı bilgilerini temsil eder ve Parçacık Boyutu Dağılımları (PSD) olarak verilir.

Öte yandan, süspansiyonlarda gazdan taşınan parçacıkların ve parçacıkların kimyasal karakterizasyonu genellikle çevrimdışı yapılır ⁷ . Analizden önce uygun bir toplama ve numune hazırlama prosedürü gereklidir. Böyle çevrimdışıSoruşturmalar genellikle Endüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometresi (ICPMS) gibi bir spektroskopik teknik uygulanmasını içerir. Bu, çok yüksek hassasiyet ve düşük algılama limitleri olan sıvı örneklerin element ve eser element analizinde kurulmuş bir yöntemdir ⁸ . ICPMS'de, bir argon plazma, kurutulan örnekleri atomik iyonlara kurutmak ve parçalamak için kullanılır. Bunlar daha sonra kütle yüklenme oranlarına (m / z) göre sınıflandırılır ve en sonunda analog veya darbeli modda sayılır. Sıvı numunelerin yanı sıra bu teknik gaz ve partikül analizi için de kullanılmaktadır. Örneğin, gaz direkt olarak ICPMS'ye dahil edilebilir ve ^{9 , 10 , 11} analiz edilebilir. Türleşme analizinde, uçucu bileşiklerin ayrılması ve algılanması için ICPMS'e bağlanmış bir Gaz Kromatografısı (GC) kullanılır ¹² . ICPMS, tek parçacıklı ICPMS (sp-ICPMS) olarak adlandırılacak şekilde geliştirildi. Süspansiyonlarda monodispers partikülleri cterize ¹³ . Diğer yüzey ve / veya bulk analitik teknikler ya tam bir karakterizasyon elde etmek ve / veya parçacık özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için kullanılır. Tarama Elektron Mikroskobu (SEM) ve İletim Elektron Mikroskopisi (TEM) gibi görüntüleme teknikleri bu amaçla yaygın olarak kullanılır 15,16,17.

Zamanla çözülen kimyasal ve boyut bilgisini aynı anda elde etmek için, SMPS ve bir plazma spektrometrik tekniği gibi iki farklı analitik tekniği bir kurulumda birleştirmek mümkündür ¹⁸ . Bu çevrimiçi ölçüm konsepti örnek toplama, hazırlama ve çevrimdışı analiz prosedürüyle ilgili problemleri önleyebilir. Böyle bir kombine bir düzenek geliştirmek için önceki girişimlerin kısa bir özeti, Hess ve ark. Tarafından bildirilmiştir."Xref"> 19.

Bu çalışmada, kombine bir SMPS-ICPMS ölçüm düzenleme ve prosedürünün ayrıntılı bir açıklaması verilmektedir. Giriş ara yüzü olarak bir Döner Disk Diluteri (RDD) kullanılır. Bu tireleme tekniğinin gelişimi ve üç uygulama çalışması literatürde ^{19 , 20 , 21 bulunabilir} . Hess ve diğ. ^{2 0} , geliştirilmiş SMPS-ICPMS enstrümantasyonunun performansının ayrı en son teknoloji sistemlerin performansıyla karşılaştırılabilir olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, önceki yayınlar ^{19 , 20 , 21'i} tamamlayıcı olup, bu kurulumun nasıl kullanılabileceğini açıklayan bir laboratuar uygulaması vermektedir. İki farklı kaynaktan aerosoller üzerine yapılan örnek uygulamalar kısa sürede tarif edilmiş olup, birleşmiş olanların sının çok yönlülüğünü göstermek içinistem.

Ölçüm protokolünü tanımlamadan önce, tek tek bileşenleri ve tirelendirilmiş kurulumun bağlantı stratejisini özetlemeye değer. Daha ayrıntılı bir açıklama başka yerde bulunabilir ¹⁹ . Birleşmiş kurulumun ana bileşenleri şunlardır: aerosol kaynağı, RDD, DMA, CPC ve ICPMS.

Bir süspansiyon veya sıvı çözeltiden kurutulmuş aerosol parçacıkları oluşturmak için bir meme ve bir silis jel kurutucu ile donatılmış bir aerosol üreteci kullanılır. Ayrıntılı bir açıklama başka yerlerde bulunabilir ¹⁹ . Termal prosesleri araştırmak için bir Termogravimetrik Analiz Cihazı TGA (veya bir boru şeklinde fırın) kullanılır.

RDD, aerosol numunesi girişi ²² için kullanılır. İki kanalla donatılmış, ısıtılabilir çelik bir bloktan ve birkaç boşluktan oluşan döner diskten oluşur. Kanallar, seyreltme gazı ve aerosoldan çıkan ham aerosol ile yıkanırkaynak. Gaz akışlarına ve disk dönme hızına bağlı olarak, belirli bir miktarda ham aerosol seyreltme gazına eklenerek belirlenmiş bir seyreltme oranı elde edilir. Argon, ICPMS'nin düşük hava toleransından dolayı seyreltme gazı olarak kullanılır. Bununla birlikte, elektrik arzını önlemek için DMA voltaj sınırı, hava ile çalışan DMA'nınkinden daha düşük olarak ayarlanmalıdır. RDD çıkışındaki seyreltilmiş numune aerosolünün akışı, ham aerosol akışından bağımsız olarak tam olarak kontrol edilebildiğinden, RDD örnekleme konsepti farklı aerosol kaynakları için kullanılabilir. Uçucu partikülleri buharlaştırmak ve / veya aerosolü daha da inceltmek için RDD ve SMPS arasında ısıtılmış bir tüp (400 ° C'ye kadar) takılmıştır. Organik madde içeren örnekleri işlerken iyi bir tekrarlanabilirlik sağlamak için bu adım gerekir. Bununla birlikte, bu da kimyasal reaksiyonları tetikleyebilir. Örneğin, piroliz çok daha düşük sıcaklıklarda başlar ve sadece parçacıkları parçalayabilir, aynı zamanda bazı kimyasal reaksiyonlara neden olabilir. Kullanılan SMPS iBu çalışma, bir DMA tüpünden (uzun DMA'ya benzer; bkz. Malzeme tablosu) ve ticari bir TBM'den oluşur. DMA'ya girmeden önce, seyreltilmiş aerosol, bilinen bir yük dengesini kurmak için (Boltzmann yük dağılımı varsayılarak) aerosol nötrleştirici olarak adlandırılan bir radyoaktif kaynağı geçmelidir ⁶ . Parçacıklar daha sonra verilen DMA kılıfındaki voltajı ve aerosol gaz akışlarını değiştirerek hareketlilik çaplarına göre sınıflandırılır. DMA çıkışındaki akış ayrımı aerosolün% 30'u TBM'ye, diğer% 70'i ICPMS'ye yönlendirilecek şekilde yapılır. Sınıflandırılmış parçacıkların sayı konsantrasyonu CPC tarafından belirlenir. Diğer aerosol kısmı ticari bir ICPMS cihazı ile analiz edilir ve aerosol yüklü parçacıkların element analizi yapılır. Sıvıların hiçbiri araştırılmadığından geleneksel numune giriş sistemi kaldırılır ve DMA çıkışı doğrudan ICPMS'ye bağlanır. İkinci bir RDD ve başka bir hava ile çalışan ticari SMPS, SMPS-ICPMS bağlantılı kurulum ile ölçülen PSD'yi doğrulamak için referans araçlar olarak kullanılır. RDD-SMPS referans sistemi, birleştirilmiş sistemin RDD'sinin ham aerosol çıkışına bağlanmıştır.

Protocol

1. RDD-SMPS-ICPMS Kurulumu

1. RDD-SMPS-ICPMS kurulumunun birleştirme stratejisi
   NOT: RDD, SMPS ve ICPMS gibi farklı cihazları birleştirmek ve farklı gaz akışlarını kontrol etmek için, cihaz düzenlemelerinde bazı değişiklikler yapılması gerekir. Kaplin kavramının ana adımları burada özetlenmiştir:
   1. Farklı alet parçalarını birbirine bağlamak için iç / dış çapları 6.0 / 12.0 mm olan (iletken karbon emdirilmiş silikon boru ile) iletken boruyu kullanın.
   2. Döner Disk Diluteri'ni, partikül boyutu sınıflandırmasının gerçekleştiği aerosol kaynağı ile Diferansiyel Hareketlilik Analiz Cihazı (DMA) arasına takın. Sınıflandırılmış aerosolü DMA çıkışında iki fraksiyon halinde bölün. Birisi Yoğuşma Parçacıkları Sayacı (CPC) tarafından aspire edilecek. Diğeri İndüktif Olarak Eşleştirilmiş Plazma Kütle Spektrometresi veya ICPMS'ye yönlendirilir ( Şekil 1 ).
   3. Bir kütle akış kontrolörü (MFC) kullanınVe bir Yüksek Verimlilikli Partikül Hava Filtresi (HEPA) gibi bir filtreyle, parçacık içermeyen seyreltme argonunu RDD'ye sağlamaktadır.
   4. Fazla ham gaz için RDD çıkışına başka bir filtre ekleyin (Q _{RDD çıkışı} ). TBM'yi kullanırken zaman zaman kullanılan tüm filtrelerin performansını kontrol edin.
   5. DMA'ya getirilen kılıf gaz akışını (Q _kılıfı ) ayarlamak için başka bir MFC ve filtre kullanın.
   6. DMA fazla gaz akışını ayarlamak için (Q _{DMA exc} ), DMA çıkışında seri olarak bir filtre, MFC ve vakum pompası takın.
   7. _CPC tarafından tüketilen sınıflandırılmış aerosol (Q _{CPC sınıfı} ) miktarını azaltmak için makyaj akışı olarak partikül serbest hava (Q _{CPC hava} ) ekleyerek ilave bir MFC ve filtre bağlayın.
      NOT: Bunun nedeni, CPC'nin, kritik bir delik ve harici pompa tarafından tanımlanan yaklaşık 1 L / dak'lık bir akış aktif olarak aspire etmesidir. ICP girişindeki (Q _{ICP in} ) sınıflandırılmış akış hızı, floW oranı DMA çıkışında (Q _sınıfı ) ve Q _{CPC sınıfında} .

2. RDD-SMPS-ICPMS için Ölçüm Protokolü

NOT: SMPS-ICPMS parametrelerini ayarlamadan önce, aerosol jeneratörü için kullanılan akışlar ayarlanmalıdır. Burada sıvı ve katı numunelerin kullanılması prosedürü anlatılmıştır.

1. Aerosol kaynakları örneği
   1. Sıvılar ve süspansiyonlar için aerosol jeneratörü kullanma
      1. Bir süspansiyon için bir aerosol jeneratörü kullanmanın bir örneği için, nanoparçacıklar için stabilize edici olarak ticari bir ZnO nanoparderinden ( örneğin nominal çap 50 nm olan) ve poli akrilik asitten bir çinko oksit (ZnO) süspansiyonu hazırlayın. Hazırlanan süspansiyonu yaklaşık olarak bir ZnO konsantrasyonu elde etmek için seyreltin. 30 ug / mL. Bu konsantrasyon seçilir çünkü daha sonra tüm gaz akışı uygulanmış şekilde iyi bir ICPMS sinyali elde edilir.
      2. İkinci ölçüm için sulu sodyum200 μg / mL'lik bir konsantrasyona sahip klorid (NaCl) çözeltisi.
         1. Önce süspansiyonu veya solüsyonu şişeye doldurun ve aerosol üreteci üzerine monte edin.
      3. Tuz solüsyonundan veya partikül süspansiyonundan aerosol üretmek için aerosol jeneratörünü kullanın ve silika jel kurutucu içindeki partiküllerden suyu çıkarın.
         1. Aerosol jeneratörünün sıkıştırılmış hava valfini 1 bar'ın biraz üzerine ayarlayın. Düzeltme kurutucusunun arkasındaki aerosol akışını Yaklaşık 1 L / dak.'ya ayarlayın. Son olarak, kurutucunun çıkışını RDD girişine bağlayın.
   2. Termogravimetre veya borusal bir fırın kullanma
      NOT: Termal proseslerden gelen emisyonların ölçülmesinde RDD-SMPS-ICPMS'nin uygulanmasına bir örnek olarak bakır klorür (CuCl2) numunesi analiz edilir. İki aerosol kaynağı, yani bir TGA ve bir boru şekilli fırın kullanılır. Her iki durumda da, reaktif gaz ( örn., O 2), nükleasyon ve yoğunlaşmayı önlemek için argon ile uygun orana karıştırılır. Bu çalışmada sadece ölçüm işlemi ve bir TGA denemesinden temsili veriler sunulmuştur.
      1. İlk olarak, boş TGA tozu kabuğunu koyun. 50 mg CuCl ₂ tozu tartılır ve bir pota içine yerleştirilir.
      2. Reaktif gazı (O ₂ ) için bir MFC'yi yaklaşık 20 mL / dk'ya ayarlayın.
      3. Koruyucu gazın akışını (argon) yaklaşık 80 mL / dk'ya ayarlayın. TGA çıkışında yaklaşık 1 L / dak toplam akış elde etmek için yaklaşık 900 mL / dak'lık bir argon akışı ekleyin ( yani O2, koruyucu argon ve ilave edilen argon akışlarının toplamı). RDD pompası kullanılırsa, gerekli debiye ulaşmak için MFC'yi ayarlayın.
      4. İstenen sıcaklık programını ayarlayın (18 dakika için 25 ° C ve 15 dakika boyunca 450 ° C).
2. Akışları ayarlama
   NOT: İsteğe bağlı olarakRDD-SMPS-ICPMS kurulumu, tüm gaz ve aerosol akışları aşağıda açıklandığı gibi dikkatlice ayarlanmalıdır. Bu bölümde RDD, SMPS ve ICPMS'i ayarlamak için bir dizi parametre değeri örneği verilmektedir. Başka bir parametre seti de mümkündür; Prosedür yine de aynı kalacaktır. Kullanılan akış kısaltmaları Şekil 1'de listelenmiştir. Aşağıdaki basamaklarda, ölçüm başlatmadan önce farklı gaz ve aerosol akışlarını ölçmek için bir akış kalibratörü gibi bir akış ölçer kullanın.
   1. Önce DMA girişindeki argon kılıf akışını 3 L / dk'ya ayarlayın.
   2. RDD ısıtma bloğunun sıcaklığını 80 ° C'ye, buharlaştırma borusunun sıcaklığını 350 ° C'ye ayarlayın.
   3. Dönen diskli seyrelticinin (Q _numunesi ) çıkışındaki seyreltilmiş numunenin akışı olarak 0,6 L / dak elde etmek için seyreltme argonunun kütle akış kontrolcüsünü ayarlayın. Kılıf gazının numune gazına oranının 0.6 / 3'ü, yaklaşık 14 ilaYaklaşık 340 nm.
   4. Ardından, DMA girişindeki (Q _poli ) seyreltilmiş polidispersed aerosol ile aynı akış hızı, 0,6 L / dk (Q _sınıfı ) sınıflandırılmış bir aerosol akışı elde etmek için fazladan gaz kütle akış kontrol cihazını dikkatlice ayarlayın (Q _{DMA exc} ) .
   5. Ardından, CPC tarafından asfire edilen sınıflandırılmış aerosol akış oranını 0,18 L / dk'ya düşürmek için akış kalibratörünü DMA ve TBM arasına yerleştirin ve TBM makyaj hava akışını ayarlayın. Bu, Q _{sınıfının} % 30'una karşılık gelir.
   6. Dakikada 0,42 Litre'nin ICPMS'ye, yani sınıflandırılmış aerosolün% 70'ine (Q _sınıfı ) yönlendirildiğinden emin olmak için kalan aerosol akışını kontrol edin. Bu akışın biraz değişmesi, DMA aşırı gazın MFC'sini tekrar ince ayara getirerek düzeltilebilir.
3. SMPS yazılımının ayarlanması
   1. Ardından dinamik viskozite ve ortam sıcaklığında ve basıncında argonun ortalama serbest yolunu hesaplayın ²³ . ENps her iki değeri de SMPS yazılımında.
   2. SMPS yazılımında, DMA tarama çevriminin yukarı ve aşağı tarama sürelerini 150 s ve 30 s'ye ayarlayın ( yani 1 DMA devri = 1 tarama = 180 s).
   3. SMPS yazılımında, yaklaşık 14 ila yaklaşık 340 nm arasında değişen PSD aralığını kaplayacak şekilde DMA maksimum voltajını 4,5 kV olarak ayarlayın.
      NOT: Havalı SMPS'de maksimum 10 kV'luk bir voltaj normal olarak kullanılır. Argonun havaya göre daha düşük dielektrik dayanımına sahip olması nedeniyle, bu uygulamada limit sınırlandırılmalıdır, aksi halde elektrik arızası meydana gelir ve cihaz hasarına ve sinyal hatalarına neden olur.
4. ICPMS'yi ayarlama
   1. ICPMS'ye doğrudan kuru aerosol uygulamak için sıvı numunelerin geleneksel giriş sistemini kaldırın. DMA çıkışının ilgili portu ile ICPMS arasında iletken bir boru ekleyin. ICPMS plazmayı optimize etmek için argon matrisinde yaklaşık 100 ppmv konsantrasyonda xenon (Xe) için bu tüp kullanınHer ölümden önce ve ölçüm sırasında plazma stabilitesini kontrol etmek için kullanılır.
   2. Tüm ölçümler için ( örn . 4 mL / dakika'da) Xe akış sabitini koruyun ve sabit bir Xe yoğunluğunu elde etmek için ICPMS yazılımındaki diğer parametreleri (ICP seyreltme gazı ve numune alma derinliği dahil olmak üzere) ayarlayın.
      NOT: Ana ICPMS ayar parametreleri Tablo 1'de listelenmiştir. Her ölçümden önce ayarlanacak parametreler son sütunda gösterilir.
   3. İstenilen toplam aerosol ölçüm süresini kapsayacak şekilde SMPS ve ICPMS edinme zamanını ayarlayın ( örn. , 10 SPMS tarama için, ICPMS edinme süresini en az 30 dakika olarak ayarlayın).
   4. Gaz akışlarını ayarladıktan sonra, SMPS ve ICPMS parametreleri, iki cihazı aynı anda manuel olarak çalıştırır. TGA durumunda, SMPS ve ICPMS boş sinyalleri 25 ° C'de 18 dakika (6 tarama) elde edin. Süspansiyon veya sıvı numunede 6 m'lik 2 tarama esnasında boş sinyaller alınDisk dönüş hızı sıfır olarak ayarlanır. Ardından, disk rotasyon hızını manuel olarak ayarlayarak RDD'nin seyreltme faktörünü istenilen değere ayarlayın. Mevcut konfigürasyonda% 100 dönme hızı, 14,9 seyreltme faktörüne karşılık gelir.
5. Veri analizi
   NOT: ICPMS, her m / z için birim zaman (birim: saniyedeki sayım veya cps) başına iyon yoğunluğunu ölçer. Bu yoğunluk analit kütlesi ile orantılıdır. SMPS verileri, DMA'nın arkasındaki CPC tarafından belirlenen sayı konsantrasyonlarına dayanarak DMA'ya giren (birim: 1 / cm3) sınıflandırılmış aerosolun (PSD _n ) sayısına göre ağırlıklandırılmış PSD'sini temsil eder. ICP ve SMPS sinyallerini karşılaştırmak için hacim ağırlıklı PSD (PSD _v ) hesaplanmalıdır. Aşağıdaki hesaplamalar ve düzeltmeler yapılmalıdır:
   1. Her bir m / z için ham sinyal yoğunluklarını ICPMS verilerinden ve PSD _n'den - SMPS yazılımı tarafından belirlenen - pa'nın bir fonksiyonu olarak verin Malzeme çapı (dp). SMPS ham verilerinden parçacık çapını ve ilgili tarama süresini verin. İkincisini, ICPMS ölçüm süresini parçacık çapıyla ilişkilendirmek için kullanın (aşağıya bakın).
      NOT: SMPS yazılımı, DMA çıkışındaki aerosol akışının bölünmüş olduğunu ve sınıflandırılmış parçacıkların yalnızca% 30'unun TBM'ye ulaştığını düşünmelidir. Bu, TYC'ye özgü TBM karakteristikleri olarak ayrı bir tabloda saklanan sayım etkinliği değerlerini 0.3 faktör ile çarparak elde edilebilir.
   2. Arzulanan bilgi öncelikle RDD ve DMA arasındaki partikül konsantrasyonu değil, RDD girişindeki çözünürlük konsantrasyonunu değil, ölçülen konsantrasyonları RDD seyreltme faktörü, yani mevcut konfigürasyonda 14.9 ile çarparsın.
   3. Orjinal sayı ağırlıklı SMPS verilerinden hacim ağırlıklı verileri hesaplamak için PSD _n'nin kaydedilen konsantrasyonlarını ölçülen partiküllerin hacmi V ( _dP ) ile çarpınClass = "xref"> 6 (V (d _P ) = (π / 6) ∙ d _P ³ ).
   4. Her bir izotop için ham iyon sinyalinden arka plan sinyalini çıkararak ICPMS net sinyalini hesaplayın. Daha sonra DMA girişi ve dolayısıyla RDD girişindeki konsantrasyona yaklaşık orantılı olan düzeltilmiş ICP yoğunluğunu elde etmek için net sinyali ters tek şarj olasılığı 1 / p ⁺¹ ( _dp ) ile çarpın (hiçbir parçacık kayıpu olmadığı varsayılarak RDD giriş ve ICPMS veya CPC girişleri arasında).
      1. Parçacıkların Wiedensohler yaklaşımı kullanılarak bir elemental pozitif yük taşıması ihtimalini hesaplayın ²⁴ . SMPS yazılımı tarafından işlenen SMPS verileri için, bu şarj olasılığı için düzeltme normalde yazılımda uygulanır.
   5. Belli bir SMPS taraması için, bir xy diyagramında partikül çapının bir fonksiyonu olarak SMPS parçacık konsantrasyonunu veya ICPMS yoğunluğunu çizin. İstikrarlı bir şekilde hareket etmesi durumunda,Birden fazla tarama için ortalamanın yoğunluğunu veya yoğunluğunu sunmak için aynı tip diyagramı kullanın.
   6. Bir dizi tarama için, çap ve süre fonksiyonları olarak SMPS yoğunluğunu veya ICPMS yoğunluğunu çizmek için 2D yüzey veya 3B diyagramları kullanın. Isıl işlemlerde, bir sıcaklık programı kullanılıyorsa, zamanı ilgili sıcaklık değerleriyle değiştirin.
      NOT: Üstelik, ICPMS ve SMPS verileri için bu tür çizimler yapmak için gereken hesaplamalar MATLAB veya Igor Pro gibi kısa bir sürede sağlam son sonuçların elde edilmesini sağlayan hesaplama yazılımı kullanılarak otomatikleştirilebilir.

Results

İlk örnekte, kurulum, bir ZnO süspansiyonundan üretilen çevrimiçi parçacıkları ölçmek için bir araç olarak kullanılır ( Şekil 2 ). Şekil 2A-2B'den görülebileceği gibi, PSD _v , PSD _{n ile} karşılaştırıldığında daha büyük parçacıklara kaydırılmıştır. Dahası, büyük parçacık çaplarında, ICPMS yoğunluk eğrisi, SMPS tarafından tespit edilen eğrinin biraz altındadır. İkinci örnekte, partiküller aynı aerosol üreteci ( Şekil 3A-3C ) kullanılarak sulu bir NaCl çözeltisinden (200 μg / mL) üretildi. ICPMS ve SMPS sinyalleri zamanla önemli bir değişiklik göstermez ve sodyumun zamanla çözümlenmiş sinyali, tüm ölçüm süresince PSD _{v ile} iyi ilişkilidir. Önceki örnekteki Zn'den farklı olarak, Na, göreceli olarak yüksek bir ICPMS arka plan sinyaline sahiptir ve SMPS tarafından kaydedilen konsantrasyonlardan daha gürültülü bir sinyal üretir. Zn'de olduğu gibiO süspansiyon örneğinde, PSD _n modu, PSD v'den daha düşük parçacık çapındadır. Üretilen parçacıklar NaCl parçacıkları olduğundan, Cl sinyalinin davranışı Na'ya benzer ve hacim ile ilişkili SMPS verileriyle iyi ilişkilidir (veriler gösterilmemiştir).

Son örnekte, bir CuCl2 numunesinin TGA kullanılarak ısıl işleminin sonuçları sunulmuştur. Şekil 4A , TGA ısıtmasının başlangıcında (zaman ekseninde yaklaşık 21 dakika, yani 7. SMPS taramasının başlangıcında) 20 nm'ye kadar parçacıklar için kaydedilen PSD'yi göstermektedir. Daha sonra sıcaklık sabit tutulduğunda PSD _n'deki partikül konsantrasyonu sabit bir duruma gelir ve partiküller 60 ve 250 nm arasında bir boyut aralığını kaplar. 11 ^inci SMPS taramasından sonra parçacık boyutunda hafif bir artış gözlemlenmiştir (zaman ekseninde yaklaşık 30 dakika). aleyhte( Şekil 4B ), farklı parçacık boyutlarının katkısı, PSD n'ninkinden oldukça farklıdır ve PSD _v, esasen 150 ila 330 nm arasında yüksek olarak görülmektedir. Şekil 3C'de gösterilen Cu'nin ICPMS sinyali, PSD _v ile iyi korelasyon göstermektedir. Şekil 4D-4E sırasıyla yukarı ve aşağı taramalar sırasında düzeltilmiş ve ham ³⁵ Cl yoğunluğunu göstermektedir. Isıtma süresinin başlangıç ​​noktasından sonra, klor türündeki partiküllerin yoğunluğunun yanında, sabit Cl yoğunluğu ölçülen partikül boyutu aralığını (18 ila 33 dakika arasındaki zaman aralığında, yani 7. ila ^11. SMPS taramaları arasında) kapsar ). Bunun nedeni, Cl gaz türlerinin buharlaşmasıdır. Klor partikülleri, bakır ile aynı boyut aralığında, yani çapları 150 nm üzerindeki partiküllerde kaydedilir. Aynı numuneyi (CuCl ₂ ) kullanan bir başka deney, SMPS ve yalnızca TG-RDD-ICPMS kurulumu kullanılarak. Burada, sınıflandırılmamış aerosol parçacıklarının ICPMS sinyali ölçülür (Şekil 4F). SMPS-ICPMS durumunda olduğu gibi, son taramalarda her iki sinyalin de (Cl ve Cu) artışı gözlemlenebilir.

Bu çalışmada bildirilen sonuçlar, farklı aerosol kaynaklarıyla bağlanmış SMPS-ICPMS sisteminin çok yönlü kullanımını göstermektedir. Sunulan örneklerde Cu'nun zaman çözümlenmiş ICPMS sinyali ve PSD _v arasındaki korelasyon açıktır. Farklı partiküller yüklü bir aerosol için, her elemanın genel PSDv'ye katkısı ICPMS sinyalleri ile belirlenir. Üstelik, NaCl örneği, deneysel koşulların sabit tutulmasının kararlı bir durum zaman çözümlenmiş sinyal ile sonuçlandığını göstermektedir. SMPS-ICPMS kurulumu, üretilen aerosolün elemental ve / veya boyut konsantrasyonundaki herhangi bir değişikliği izlemenize izin verir. Örneğin, PSD _n'nin yüksek sinyaliCuCl ₂ deneyinde ( Şekil 4C ) ısıtma işleminin aniden başlaması neden olabilir. Bu arada, son taramalar sırasında SMPS ve ICPMS sinyallerindeki artış, CuCl ₂ numunesinin sıcaklık gradyanının zamanla değişmesiyle açıklanabilir; bu da, buharlaşma sıcaklığına ulaşan toplam maddenin miktarını değiştirir. Son olarak, SMPS çıktı verisi göz önüne alındığında, PSD _v konsantrasyonu PSD _n'den daha büyük parçacık boyutuna kaydırılmıştır. Bunun nedeni, PSD _n'yi PSD v'e dönüştürmek için sinyalin partikül çapının ^3. gücüyle çarpılmasıdır, bu da hacim içindeki rejim sayısından daha büyük partiküllerin daha kuvvetli bir şekilde ağırlıklandırılmasına neden olur.

Şekil 1: RDD-SMPS-ICPMS Kurulumunda Farklı Enstrümantal Parçalar İçin Birleştirme Stratejisi. numunesi : aerosol jeneratöründen gelen akış; Q _dilut : RDD seyreltme argon akışı, Q _{RDD çıkışı} : _{RDD'nin dışındaki} ham aerosol akışı ; Q _poli : DMA girişinde seyreltilmiş polidispers aerosolun akışı; Q _kılıf : DMA kılıf gaz akışı; Q _sınıfı : DMA çıkışındaki sınıflandırılmış aerosol akışı; Q _{DMA exc} : DMA gaz fazla akış; Q _{TBM sınıfı} : _TBM'ye yönlendirilen Q _{sınıfının bir} kısmı; Q _{CPC hava} : CPC için ek hava akışı; Q _{TBM girişi} : TBM'ye giren toplam akış; Q _{ICP in} : Q _{sınıfının bir} kısmı ICPMS'ye rehberlik eder; Q _Xe : ksenon akışı; MFC: kütle akış kontrolörü. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 2: ZnO Süspansiyonunun SMPS-ICPMS Verileri. ( A ) SMPS tarafından kaydedilen sayı temelli PSD (PSD _n ). ( B ) ICPMS tarafından saptanan ilgili hacim bazlı PSD (PSD _v ) ve düzeltilmiş ⁶⁶ Zn sinyali. Üç sinyal ortalama 4 SMPS taramasından oluşur. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 3: NaCl Çözeltisinin Ölçümünün SMPS-ICPMS Verileri. ( A ) ICP düzeltilmiş ²³ Na sinyali. ( B ) PSD _v . ( C ) İlgili PSD _n . SMPS konsantrasyonları ve ICPMS yoğunlukları çap ve zaman fonksiyonları olarak çizilmiştir.55487fig3large.jpg "target =" _ blank "> Bu figürden daha büyük sürümünü görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 4: TGA Kullanarak CuCl2 Buharlaştırma Ölçümünden SMPS-ICPMS Verileri. ( A ) PSD'nin 2D çizimi _n ( B ) PSD'nin 2D çizimi _v . ( C ) ⁶³ Cu ICPMS sinyalinin 2D çizimi. ( D ) ³⁵ Cl ICPMS sinyalinin 2B çizimi. ( E ) Düzeltilmemiş ham ³⁵ Cl ICPMS sinyali vs. zamanı. ( F ) TG-RDD-ICPMS kurulumu (SMPS olmadan) kullanılarak CuCl2'nin ısıl işlemi sırasında ⁶⁵ Cu ve ³⁵ Cl'nin ICPMS sinyali kaydedildi. Her iki deneyde de (SMPS'li ve SMPS'siz) 25 ° C'deki boş sinyaller, 450 ° C'de ısıtma periyodu (15 dakika boyunca) çalıştırılmadan ve sürdürülmeden önce, yaklaşık 18 dakika boyunca (6 SMPS taramaları) ölçülür76 ° C. SMPS-ICPMS sinyallerinin kaydı, TGA sinyalleriyle aynı zamanda başlatıldı ve kapatıldıktan sonra 1 taramada durduruldu (toplam 12 SMPS taramaya neden oldu). Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Parametre	değer	Ayarlanacak
Güç	1350 W	Evet
ICP seyreltme gazı (argon)	0,58 L / dak	Evet
Örnekleme derinliği	8 mm	Evet
Çarpışma gazı	2 mL / dakika	Evet (aynı ölçümler seti ayarlandıktan sonra bu değeri değiştirmez)
integrAtion süresi	Izotop başına 0.2 sn	Evet, ICP zaman çözünürlüğünün değiştirilmesi gerekiyorsa
Xe akışı	4 mL / dak	Hayır (aynı ICP hassasiyetini korumak için)

Tablo 1: RDD-SMPS-ICPMS Aerosol Parçacıklarının Ölçümü için kullanılan Ana ICPMS Parametrelerinin Tipik Ayarı.

Discussion

Parçacık ölçücüler gibi aerosoller için mevcut mevcut analitik yöntemlerle karşılaştırıldığında, RDD-SMPS-ICPMS kombinasyonu sadece kimyasal ve boyut bilgisi edinmeyi mümkün kılmakla kalmaz, aynı zamanda zaman çözümlenmiş ICPMS sinyali aynı zamanda PSD genelindeki her elemanın katkısının belirlenmesi. Bununla birlikte, sadece 500 nm'nin altında bir çapa sahip parçacıklar, mevcut argonla çalıştırılan SMPS-ICPMS ile ölçülebilir. Ayrıca, aerosol parçacıklarının tam bir karakterizasyonu için, morfoloji ve moleküler yapı da dahil olmak üzere diğer özellikleri belirlemek için başka çevrimdışı teknikler gereklidir.

NaCl ölümü, sabit bir durum sürecinin kuplajlı SMPS-ICPMS sistemi ile iyi kontrol edilebileceğini / izlenebileceğini gösteren basit bir örnektir. Bu kurulum ayrıca, farklı deneysel parametrelerin üretilen partilerin özelliklerine etkilerini ortaya çıkarmak için bir çevrimiçi analitik araç gibi deneylerde de kullanılabilirkartılması. Parçacık boyutunda ve parçacık veya elemental konsantrasyonda CuCl ₂ numunesinin ısıl işlemi durumunda olduğu gibi herhangi bir değişiklik, SMPS-ICPMS tarafından çevrimiçi izlenebilir.

Öte yandan, SMPS-ICPMS kombinasyonu yalnızca gaz ve parçacık türlerini ölçmek için değil, aynı zamanda ayırt etmeye de olanak tanır. Gerçekten de partikül madde ile ilgili sinyalin bir kısmı, gaz halindeki bileşiklerin işaretinden kolaylıkla ayırt edilebilir, çünkü ICPMS sinyali tüm boyut aralığını kapsar ve parçacıklarla ilgili sinyalin dağılım şekli takip etmez . Bunun nedeni, SMPS taramasının gaz türleri üzerinde herhangi bir etkisi bulunmaması ve ICPMS, belirli bir izotopun toplam yoğunluğunu ölçmesidir. Bu davranış, sadece parçacıklar olarak değil gaz halindeki türler halinde de buharlaşan Cl ölçümü ile gösterilmiştir ( Şekil 4D-4E ). Nitekim, termodinamik hesaplamalar oksitleyici koşullar altındaCuCl2 yaklaşık 450 ° C'de Cl2 gazı ve yoğunlaşabilir tür CuCl2, Cu3Cl3 ve Cu4Cl4 olarak buharlaştırılır (veriler gösterilmemiştir).

Dahası, SMPS'siz ICPMS'yi kullanmak, hem gaz halindeki hem de partikülat türe ait toplam ICPMS sinyalini ölçme imkanı sunar. Örneğin CuCl buharlaşmasının ölçülmesi için bu düzeneğin kullanılması ( Şekil 4F ), benzer sinyal biçiminden dolayı buharlaşan Cu ve Cl arasındaki stokiyometrinin ısıtma periyodu boyunca değişmediğini gösterir. Buna ek olarak, gaz türleri, RDD çıkışına bir partikül filtresi monte ederek, aynı kurulum ile münhasıran ölçülebilir.

Ölçüm protokolünde iki önemli nokta vardır. Bir yandan, daha düşük ICPMS yoğunluk eğrisi, büyük parçacık çap aralığında PSD _v ile karşılaştırıldığında ( örn .Şekil 2B), çoklu parçacık yüklerinin dikkate alınmasının, veri değerlendirme prosedüründe (devam eden çalışma) henüz uygulanmadığı gerçeği ile açıklanabilir. Tekli şarj düzeltme küçük parçacıkları (200 nm'ye kadar) ölçerken SMPS ve ICPMS verileri arasında iyi bir korelasyon verirken büyük parçacıklardaki çoklu yüklemeler için düzeltme oluşturulmalı ve 200'den büyük parçacıklar için elde edilen bilgilerin kalitesini artırmak için uygulanmalıdır mil. Bu etkinin başka bir açıklaması, daha büyük parçacıkların plazmada tamamen ayrışmadığı ve iyonize olmadığı olabilir.

İkinci kritik nokta, uygun RDD seyreltme faktörünün seçilmesidir. Nitekim, sıvı örneklerin analizi gibi, farklı izotopların ICPMS yoğunluk seviyesi, ilgili duyarlığa bağlıdır. Cu sinyali örneğin Cl'den yaklaşık üç derece büyüklüktedir. Bu nedenle, aerosol seyreltmesinin uygun bir değeriÖlçülen unsurların ICPMS duyarlılığı dikkate alınarak ayarlanır. Bu, aerosoller için çok elementli analizin bir sınırlamasını ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, aerosol seyreltme değeri, aerosol üretimi süreci biliniyorsa aynı deney sırasında değiştirilebilir. Örneğin, seyreltme faktörü, düşük parçacık miktarının üretildiği dönemde azaltılabilir. Bununla birlikte, CPC'yi ve ICPMS enstrümantasyonunu korumak için partikül yüklü aerosolleri DMA'ya beslemekten kaçınılmalıdır. Özet olarak, örneklenen aerosole bağlı olarak, RDD seyrelmesi, matris yüklemesi ve ilgi izotoplarına ICPMS duyarlılığı arasında bir uzlaşma bulunmalıdır. Dahası, SMPS-ICPMS kurulumunun zaman çözünürlüğü, birkaç dakika aralığında olan SMPS tarama süresi ile sınırlanır. Bununla birlikte, parçacık boyutunun sabit veya dar aralığı için zaman çözünürlüğü artırılabilir.

Genel kurulum için niceleme yöntemleri geliştirilmesi hala gereklidir (sürmekte olan work). Isıl işlemler için, bir TGA, miktar tespiti için bir araç olarak kullanılabilir ²⁵ . Sıvıların veya süspansiyonların tayini, uygun standart çözeltiler kullanılarak yapılabilir. Dahası, argon için bir devridaim konsepti tasarlamak, DMA'yı hava ile çalıştırmak ve bunu argon ile değiştirmek - örneğin bir gaz değişim cihazı ²⁶ vasıtasıyla - daha yüksek DMA voltajının kullanılmasına ve dolayısıyla ölçülen partikül aralığında bir artışa izin verecekti. Son olarak, farklı parametrelerin ayarını otomatikleştirmek ve SMPS ve ICPMS'in ihtiyaçlarını çalışma koşullarıyla ilgili tek bir konsepte birleştirmek ölçüm protokolünün adımlarını büyük ölüde azaltacaktır. Bu adımlar, SMPS-ICPMS'yi, sıvı, süspansiyon veya emisyon kaynaklarından üretilen farklı aerosol türlerinin kantitatif veya nitel analizleri için güçlü bir çevrimiçi kurulum haline getirmeye yardımcı olur.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ICPMS	Agilent Technologies, ABD	7700x	Endüktif Olarak Bağlanmış Plazma Kütle Spektrometresi
Aerosol Nötrleştirici	TSI Inc., ABD'den		DMA
tüpü
CPC	TSI Inc., ABD	3010	Yoğuşma Parçacık Sayacı
RDD	Matter Aerosol AG, İsviçre	MD193E	Döner Disk Seyreltici;
Buharlaşma Tüpü	Maddesi Aerosol AG, İsviçre	ASET 15-1	Isıtmalı Tüp
Aerosol Jeneratörü	Topas GmbH, Almanya	ATM 220	aerosol jeneratörü
Silika Jel Kurutucu	Topas GmbH, Almanya	DDU570/H	silika jel difüzyon kurutucu
TGA	Mettler-Toledo Internat. Inc., CH	TGA/DCS1	Termogravimetrik analizör
Gilibrator 2	Sensidyne, ABD		birincil akış kalibratörü
MFC	Sierra Instruments Inc., ABD	Smart-Trak 50	kütle akış kontrolörü
MFC	Brooks Instrument, Hollanda	4850	kütle akış kontrolörü
MFC	Bronkhorst AG, Hollanda	F-201C-FAC-33-V	kütle akış kontrolörü
Hat	İçi Filtre Başlık Filtreleri, Birleşik Krallık	DIF-LN30	tek kullanımlık hat içi filtre
HEPA Filtre	MSA (Maden Güvenlik Cihazları), ABD	H kartuşu #95302	Yüksek Verimli Partikül Hava
İletken boru	Advanced Polymers Ltd Worthing, İngiltere.		karbon emdirilmiş silikon boru, iç/dış çapları 6.0/12.0 mm
İsim	güçlüŞirket<>	güçlüKatalog numarası	güçlüYorumlar
ZnO	Auer-Remy	5810MR, 1314-13-2	Nanopowder, 50 nm
NaCl	Merck	106406	Tozu (> %99,99)
CuCl2	Merck	102733	Tozu (%>99,0)
Poli-Akrilik Asit	SigmaAldrich	535931	çözeltisi (ağırlıkça %50 H2O içinde)