10 nm Au纳米颗粒中粒径和数量检测方案(等离子体质谱)

结论 利用 NexION 2000 ICP-MS 的高灵敏度精确测定 10 nm Au纳米颗粒的粒径和数量 简介 纳米材料在许多消费产品领域的快速发展和应用要求我们必须快速和准确地对不同粒径和成分的纳米 颗粒 (NP) 进行表征。 有多种技术可用来表征由金属组成的和含有金属成分的纳米颗粒，但均受技术所限无法大规模应用1。相比于这些技术，单颗粒 ICP-MS技术(SP-ICP-MS)具有明显的优势和更广的应用范围，已有大量资料证明它可以快速对金属纳米颗粒和/或纳米材料的组成和数量进行表征28.。欧盟委员会 (EC) (2011/696/EU)对"纳米材料”的建议定义为：纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一维或多维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。一般而言， SP-ICP-MS纳米颗粒(NP)分析的挑战之一就是准确地表征粒径小于20 nm的颗粒的特征1。 为了检测到尺寸小于20 nm的纳米颗粒， SP-ICP-MS方法必须具备高灵敏度、快速数据采集速率(<75us驻留时间)和低本底等特点。另外，具有自动阈值检测和实时本底扣除功能的数据处理软件也是至关重要的。我们在本次工作中发现，搭载了独特射频发生器和离子透镜技术的珀金埃尔默公司 NexION@ 2000ICP-MS 配合 Syngistix TM纳米应用软件模块可以准确地测量单一粒径或混合粒径纳米颗粒样品中粒径小于和等于10 nm 的纳米颗粒并对其进行表征。 实验 样品及前处理 这项工作采用的金纳米颗粒标准物质是 NIST 8011 ((10nm)、8012 (30nm) 和8013 (60 nm) (美国，马里兰州，罗克维尔市， NIST)。所有样品和标准物质是在去离子水中采用含2%异丙醇(美国，密苏里州，圣路易斯市， IPA Sigma-Aldrich@)和0.01%磷酸盐缓冲溶液(美国，马萨诸塞州，比勒利卡， EMD Chemicals 公司，PBS) 的稀释溶液进行稀释； IPA和 PBS用于保持金(Au)纳米颗粒的稳定性。 方法 所有分析均是在表1列出的条件下采用 NexlON 2000ICP-MS(美国，康乃狄克州，谢尔顿市，珀金埃尔默公司)进行的。采用自动化智能调谐 (SmartTune) TM程序对方法进行了优化，灵敏度以Au 的灵敏度最高为依据对雾化气流量进行了调谐。反应气使用纯氨气，在反应模式下测量Au 信号，这得益于独特的碰撞聚焦效应-它是 NexlON 2000 获得专利的通用池技术 (UniversalCell Technology) TM (UCT) 的众多优势之一。使用 NIST8013测定传输效率，结果为9.82%。使用 Syngisitix 纳米应用模块(珀金埃尔默公司)采集和处理所有数据，这是当前市场上最简单、最智能的SP-ICP-MS软件处理包，对于离子和颗粒标准样品都具有自动化阈值检测、实时本底扣除和多点校准的特征。 表1. NexION 2000 ICP-MS 操作条件 参数 数值 雾化器 同心雾化器 (MEINHARD+玻璃，C型) 雾室 玻璃旋流雾室，温度：2℃ 中心管 内径：2.5毫米 雾化气流速 1.14升/分钟 辅助气流速 18升/分钟 射频发生器功率 1600W 驻留驻留时间 50us 分析时间 10-120秒 反应气 氨气流速：0.45毫升/分钟 结果与讨论 为了获得最高的Au 灵敏度，实验在反应模式下进行。此模式允许用户利用 NexlON 2000 通用池技术 (UCT) 提供的碰撞聚焦效应。与非反应模式相比， Au灵敏度增加了两倍。根据实验得知，当氨气流速等于0.45毫升/分钟时可获得最高的Au 灵敏度。 完成了系统优化和确定了传输效率后，纳米颗粒分析的下一个步骤就是进行溶解浓度校准和颗粒粒径校准。图1和图2给出了两种校准曲线。分别采用0.080、0.125和0.275ug/L的Au 标准绘制溶解浓度校准曲线(图1)，得到的线性相关系数是0.99955，证明在低浓度条件下线性良好。用 NIST 8011、8012和8013绘制颗粒粒径校准曲线，采用透射电子显微镜(TEM)进行表征，粒径分别为8.927.6和56nm。图2A给出的是全尺寸下的颗粒校准，但只有两个点可见，即30和60 nm 纳米颗粒标准点。放大曲线的下段(图2B)，则10 nm Au 纳米颗粒可见，与30 nm 纳米颗粒处于一条直线上。进一步放大10 nm 纳米颗粒周围的校准曲线(图2C)可清晰的看到该点在原点的上方。综上诉述，利用 NexlON 2000 可以清晰地检测10nm Au 纳米颗粒，并证明了10 至60 nm 纳米颗粒之间颗粒粒径校准曲线线性良好。 图2.10、30和 60 nmAu 纳米颗粒的粒径校准曲由(A)； 10和 30nmAu 纳米颗粒的放大粒径校准曲线(B)； 10 nm Au 纳米颗粒和原点的放大粒径校准曲线(C) 图3显示了空白(A)和10 nm Au 纳米颗粒(B)的实时信号。在两张图中，x方向被放大，从而显示了个别峰值。比较两张图可以清楚地发现：可以轻易地检测出10 nm 纳米颗粒。利用这种算法空白中没有检测出任何纳米颗粒，说明可以将微小颗粒从本底上区分开来。 图4给出的是 NIST 8011 10 nm Au 纳米颗粒的粒径分布，符合高斯分布。参考值列出了 TEM确定的实际粒径(8.9nm)和原子力显微镜确定的实际粒径(8.5nm)。这两个数值分别吻合最常见粒径和粒径中值的SP-ICP-MS数值8和8.92。该数据表明 NexlON 2000可以准确地测量粒径小于10 nm 的纳米颗粒，粒径定量限(MQS)可以达到4nm，该定量限是将高于阈值一个信号计数换算成粒径得到的。图3还显示，粒径增加1nm信号计数就有定量的增加，表明可以准确地测定小至1nm的粒径偏差。只有采用峰面积积分(而非峰高)才能达到这种高选择性。反过来，它强调了快速数据采集的必要性，如此一来每个峰才能有足够的信号点构成，用来对20 nm 以下的颗粒进行积分运算。基于峰宽，必须达到最低数据采集速度50 us/点才能获得相应的数据点。 图3.空白(A) 和 10nm Au 纳米颗粒(B)的实时信号，x轴被放大，从而能够看清个别采集点。 图4. NIST 8011 10 nm Au 纳米颗粒的粒径分布，符合高斯分布。 为了进一步论证该方法，在10-120秒范围内对五个不同的数据采集时间进行测量(每个时间测量三次)。表2的结果说明，当采集时间为10秒时可以生成准确的数据：平均粒径、平均强度和平均颗粒浓度均相等，RSD等于或小于3%。测定的平均粒径为8.9 nm， 与TEM 值8.9 nm 吻合。 为了进一步验证结果和检验计数的精度，我们连续稀释 NIST 8011 10 nm 并进行分析。表3的结果表明，即使颗粒浓度相对较低(2500 part/mL)也可以获得高质量的数据。无论是否使用稀释因子都可以准确地测定粒径。这些数据进一步验证了该方法，并为NexION 2000 ICP-MS可以准确测定10 nm以下纳米颗粒的粒径和精确计数提供了确凿的证据。 平均粒径 (um) 平均强度 (计数) 平均颗粒浓度 (PART/mL) %RSD (n=3) 时间(秒) 10 9.02 6.75 21307 2.91 20 9.04 6.80 21502 4.09 30 8.94 6.69 21229 2.92 60 8.78 6.26 20319 2.45 120 8.83 6.46 20467 3.76 均值 8.92 6.59 20695 %RSD 0.90 3.25 2.33 表3.以 NIST 8011 10 nm Au 纳米颗粒的颗粒浓度为函数的实测粒径 初始颗粒浓度=20，000 part/mL 预期浓度 实测浓度 %RSD %偏差 实测粒径 % RSD 稀释因子 (PART/mL) 【PART/mL) (n=3) (绝对值) (nm) 1 20，000 20，681 2.51 3.29 8.8 0.90 2 10，000 9，759 3.50 2.55 8.9 0.77 4 5，000 5，015 2.55 0.29 8.8 0.56 8 2，500 2，431 3.74 2.84 8.9 0.14 利用离子浓度对粒径进行校准 表4.用颗粒和溶解校准测定的粒径结果 图5.采用溶解离子浓度校准(A)和粒径校准(B)NIST 8011 10 nmAu 纳米颗粒的粒径分布柱状图 颗粒混合物的分析 由于可以准确地测量小于10 nm 的 Au纳米颗粒，所以可以用来表征不同粒径的纳米颗粒混合物当中的纳米颗粒粒径和浓度。混合物成分如表5所示，总纳米颗粒浓度限定为100，000 part/mL，从而避免颗粒信号重合。图6显示的是混合物的粒径分布柱状图，以及每个峰值的积分区域。由实验获得的数据列于表6，表明结果均为准确和精确的。结果说明可以测量由不同粒径的纳米颗粒组成的混合物，并测量每个成分的粒径和浓度(part/mL)。峰值之间的分辨率足够区分不同粒径，这是一项重要的功能，因为纳米颗粒混合物很少只含有单一粒径的颗粒。图6显示的不同峰宽强调了为每个峰值规定积分窗口，从而从纳米颗粒混合物中获得正确结果的重要性。每个纳米颗粒数据处理软件都必须具备这个功能，否则需要反复多次分析样品。 表 5. Au 纳米颗粒混合物的组成 成分 浓度((Part/mL) 10nm Au纳米颗粒 20，000 30 nm Au 纳米颗粒 50，000 60 nm Au 纳米颗粒 30，000 图6. 10、30和60 nm Au 纳米颗粒混合物的粒径分布柱状图：通过求每个峰值的积分面积测定的平均粒径列于柱状图中。 NIST 8011-10 nm NIST 8012-30 nm NIST 8013-60 nm 同样的样品 标称粒径(nm) 平均粒径 (nm) 颗粒浓度(PART/mLY 标称粒径(nm) 平均粒径 (nm) 颗粒浓度PART/mL) 标称粒径(nm) 平均粒径 (nm) 颗粒浓度(PART/mL) 1 9 8.9 20，058 28 28.3 49，411 57 56.6 31，295 2 9 8.9 20，622 28 28.3 49，391 57 56.7 31，007 3 9 8.7 21，327 28 28.2 49，763 57 57.0 31，585 均值 9 8.8 20，669 28 28.3 49，522 57 56.8 31，296 % RSD 0.0 1.3 3.1 0.0 0.2 0.4 0.0 0.4 0.9 该报告证明珀金埃尔默公司的 NexlON 2000 ICP-MS 配合Syngistix纳米应用软件模块可以采用溶解离子或粒径校准准确地测量小于 10 nm 的纳米颗粒。方法定量限为4nm， 粒径分布柱状图的分辨率为1nm，因此可以以1nm 为粒径增量实现准确的测量。分析不同粒径纳米颗粒混合物时，每一种粒径分布均清晰可见并可单独求积分，无需反复多次分析样品即可获得每个成分的信息。 ( 参 考 文献 ) ( 1 . Montano， M.D.， Lo w ry， G.V.， vo n der Kam m er， F.， Blue ， J.，Ranville， J. F . Environmental Chemistry ， 2014， 11(4)351 . ) ( 2. Laborda， F .， Bolea， E . ， Jimenez-Lamana， J . Anal. Chem.， 2 014，86，2270. ) ( 3 . 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