纳米材料中SiO2 纳米颗粒检测方案(等离子体质谱)

使用 Agilent 8900 ICP-MS/MS 在MS/MS模式下对 SiO，纳米颗粒进行高灵敏度分析 应用简报材料、环境与食品 作者 Michiko Yamanaka 和Takayuki Itagaki 安捷伦科技公司，日本 Steve Wilbur安捷伦科技公司，美国 前言 纳米材料正越来越多地用于工业过程、制成品、药品以及化妆品、防晒霜和食品等消费品领域。由于纳米颗粒(NP)的环境行为以及被人体吸收后可能产生的毒性作用尚不明确，因此对NP 的测量是人们关注的重点。 ICP-MS 是一种测量材料元素含量的成熟技术；近期发展起来的单颗粒采集模式(spICP-MS) 目前可提供一种表征样品中NP含量的强大方法。采用 spICP-MS记录所分析溶液中单单 NP 产生的目标元素信号，从而对所含颗粒的数量、浓度和粒径，以及溶解元素浓度实现同步测量。多位研究人员已对这种方法进行了开发[1-4]，如今现代 ICP-MS 仪器也能够提供支持 NP 表征的自动采集与校准方法。当前 ICP-MS 系统具有较短的驻留时间，分析单一同位素时测量间无需稳定时间即可连续采集数据。在驻留期间总背景计数成比例下降时，来自颗粒羽流 的信号并不会降低，因此这一系统可检测更小的颗粒。然而，如果驻留时间比羽流持续时间(通常在 0.5 ms 左右)短，分析物的信号也会随驻留时间的缩短而降低。这就增加了计数统计的误差。使用最高灵敏度(信噪比)和合适的驻留时间对维持计数率的统计有效性至关重要。 通过传统四极杆ICP-MS实现 NP的准确测量面临着诸多挑战，特别是区分背景信号与小颗粒产生的信号的能力方面。因此，迄今为止报道的许多研究仍集中于银和金等相对易于通过 ICP-MS 测量的元素也不足为奇。这些元素有较高的灵敏度，通常不易受到干扰物的影响，一般也不存在于天然样品中，这使仪器能够更轻松地测量较小颗粒。 然而在现实情况下，多数天然和人为加工的 NP 均基于难以通过 ICP-MS 进行测量的元素，如铁、硫、钛和硅型 NP.对这些元素而言，样品基质或等离子体背景有可能对其产生强烈的多原子干扰，在某些情况下灵敏度也会因较低的离子化程度或需要测量次要同位素而降低。二氧化硅 (SiO2) NP广泛应用于油漆、涂料、粘合剂、食品添加剂、抛光微电子设备等多种应用，因此对其监测有明确的要求。然而，通过ICP-MS并不能轻松实现 Si的测量，因为Si 的主同位素(”Si，丰度为92.23%)会受到背景多原子离子CO 和N2的干扰。可采用 ICP-MS碰撞/反应池中的化学反应解决干扰问题，为获得可控而一致的反应过程，需要使用 Agilent8900 串联四极杆 ICP-MS (ICP-MS/MS)等串联质谱仪器。 8900 ICP-MS/MS 采用两个四极杆质量过滤器(Q1和Q2)以及一个位于二者之间的八极杆反应池来实现双重质量选择功能，这种功能通常称为 MS/MS。MS/MS提供的完美方法能够解决最具挑战性的谱图重叠问题，并可清楚了解池内的反应过程。ICP-MS/MS可对硅等最难分析的元素实现成功测定。 本研究采用配备单纳米颗粒应用模立软件的 Agilent 8900ICP-MS/MS 在 splCP-MS 模式下对 SiO2 NP 进行测量。文中对该仪器测量 Si0z 的性能进行了讨论。 实验部分 标准物质和样品前处理 标称直径为50 nm、60 nm、100 nm 和200 nm 的 Sioz NP标准物质购自 nanoComposix (San Diego，USA)。用去离子水(DI)将所有标准物质稀释至颗粒浓度为40-1000 ng/L，随后超声处理5分钟以确保样品的均匀性。为检查 CO 干扰对2Si信号的潜在影响，采用相同步骤制备出含有1%Z醇享基质的 SiOz NP溶液。使用去离子水配制 5 pg/L Si离子标样并用于测定元素响应因子。 仪器 整个实验均使同一台 Agilent 8900 ICP-MS/MS (#100，高级应用配置)。这款仪器配备标准镍采样锥和截取锥、玻璃同心雾化器、石英雾化室以及带1mm 中心管的石英炬管。通过标准蠕动泵及泵管(内径1.02mm) 将样品直接引入 ICP-MS 中。通过在快速时间分辨分析模式下测量Si来完成分析，驻留时间为每个数据点 0.1 ms (100 ps)，测定之间无需稳定时间。在 MS/MS 模式下对2Si 信号进行原位质量测量，其中将两个四极杆(Q1和Q2)均设定为m/z 28。采用氢气作为反应池气体以消除1c10 和4Nz等所有原位质量多原子干扰。 Agilent 8900 ICP-MS/MS的常规设置详见表1。 图1.单纳米颗粒应用模块软件的数据视图 表1.ICP-MS/MS 运行参数 参数 值 RF功率 1550 W 取样深度 7 mm 载气 0.76 L/min 样品提升速率 0.35 mL/min 雾化室温度 2°C 驻留时间 0.1 ms 稳定时间 0 ms 采集的质谱数 Q1和Q2均为28 反应池气体 氢气 反应池气体流速 2.0 mL/min (水样) 3.0 mL/min (1%乙醇样品) 研究采用 ICP-MS MassHunter 软件的可选单纳米颗粒应用模块进行方法设置和数据分析。整个批次样品的汇总结果列于“Batch at a Glance”(批处理数据概览)中，其中详细显示选定样品的图形结果，必要时可对颗粒阈值和方法设置进行目测确认和优化(图1)。 结果与讨论 雾化效率 为将 splCPMS 的信号测量值转化为原始样品的颗粒含量，雾化效率的计算或测量必不可少。雾化效率是进入等离子体的分析物数量与输送至雾化器的分析物数量的比值，通常通过测量粒径已知的标准物质计算得出。然而，得到明确表征的CRM 通常十分昂贵，不适合用于常规分析。本研究通过两种方式获得了雾化效率。首先，测量进入雾化器的样品提升质量(g/min)以及排出雾化室的排出质量 (g/min)。二者的差值对应输送至炬管的样品气溶胶质量，由输送至炬管的质量除以样品提升质量即可得出雾化效率。另一种方法是通过计算 Au NP 标准物质的粒径得出雾化效率。采用表1中的运行条件，以上两种方法均可得到相同的雾化效率值(0.065)。 图2.使用快速 TRA 模莫以 0.1 ms 驻留时间采集到的 SiOz 单纳米颗粒事件。A去离子水， B 50nm， C 60 nm， D 100nm。插图：A和B的放大图 Si02 NP的时间分辨言号 通过 ICP-MS 对NP 的 TRA 测量为穿过等离子体的每个颗粒产生了窄信号峰，其峰强度与颗粒质量成正比。分别在去离子水(不含颗粒)和含有 50 nm、60 nm 和100 nm直径 SiOz粒子的溶液中测得的典型信号如图2所示。快速TRA 模式允许在单颗粒的信号峰中进行多次测量，因此可对每个 NP离子羽流的形状和持续时间进行鉴定。 ICP-MSMassHunter 的单纳米颗粒应用模块可通过计算将信号强度转换为颗粒直径(假定粒子呈球形)。由于 Agilent 8900ICP-MS/MS 具有高灵敏度与有效的干扰去除功能，因此可将50 nm 的较小 SiOz 颗粒获得的清晰峰(图2B)与基线信号以及去离子水中观测到的较低背景信号轻松加以区分(图2A)。 SiO2 NP的分析 SiOz 纳米颗粒获得的信号频率分布如图3所示。50 nm、60 nm 和100 nm 颗粒制备出的颗粒浓度分别为 40 ng/L、40 ng/L 和100 ng/L。尽管50nm 颗粒的背景与颗粒信号发生了部分重叠(如图3B所示)，但颗粒信号仍可与背景(溶解组分或离子组分)信号得到明确区分。从以上结果可推断出，颗粒直径的实际检测限应低于 50 nm。50 nm 颗粒分析中的背景当量直径(BED) 为 22 nm。 单纳米颗粒产生的脉冲强度是纳米颗粒质量的函数，因此也是粒径的函数。假设 SiOz 颗粒为球形，直径为d的颗粒质量m，贝表示为： 其中p为Si0 的密度。这一公式表明颗粒质量或单单 NP的信号与颗粒直径的立方成正比。 标称粒径(nm) 粒径测量值 *通过 TEM 获得的参比粒径(nm) 颗粒浓度配制值(ng/L) 颗粒浓度测量值(ng/L) 中值 (nm) 众数 (nm) 均值 (nm) 50 49 50 50 46.3±3.1 40 49 60 61 62 62 57.8±3.5 40 45 100 99 100 102 97.0±4.8 100 92 200 200 204 200 198.5±10.5 1000 956 nanoComposix 提供的认证值 不同SiOz NP 溶液的粒径分析结果如图4所示。该图表明所有 SiOz 的粒径均可得到准确测定，包括 50 nm NP 在内，通过具有 H2 反应池也体的 MS/MS模式结合8900 ICP-MS/MS 的高敏敏度可去除这种颗粒的多原子干扰，因此可将其信号可与背景信号区分开来。所有粒径分布结果均呈高斯分布，与 Si0 NP供应商的描述一致。粒径的中值、众数和均值与通过 TEM 获得的参比粒径高度一致(表2)。另外，尽管与背景信号的重叠使 50 nm颗粒的结果略微偏高，但颗粒浓度测量值与颗粒浓度配制值仍具有高度-致性。 图 5 显示了 spICP-MS/MS 测得的平均信号强度与 TEM测得的颗粒直径之间的关系图。对数图的斜率为2.84，这与之前公式[1]所示的直径和质量之间的理论立方关系高度一致。 图3.Si02纳米颗粒信号的频率分布。A去离子水， B50nm (40 ng/L)，C 60 nm (40 ng/L)， D 100 nm (100 ng/L) 图4.Si0z 纳米颗粒计算出算粒径分布。A 50 nm， B 60nm， C 100 nm，D 200nm 图5.颗粒直径(通过TEM测得)和平均信号强度(通过 spICP-MS/MS测得)之间的关系 碳干扰的去除 生物体液和组织、食品基质、活性药物成分、有机溶剂等实际样品中含有的碳基质会对2Si产生c o的多原子离子干扰。在 MS/MS 模式下以氢气作为反应池气体的8900ICP-MS/MS可有效消除这种干扰。含1%乙醇的样品中 测得的100 nm 和200 nm SiO2 NP混合溶液的粒径分布如图6所示。尽管碳浓度较高，但每组颗粒的粒径分布均与TEM 测得的结果一致，且不同粒径的分离获得了优异的分离度。结果表明 spICP-MS/MS 技术可通过消除基质干扰实现实际样品基基质 Si02纳米颗粒的准确粒径测定。 图6.1%乙醇中 100 nm 和200 nm Si02 NP的粒径分布结果 结论 以Hz作为反应池气体， 在MS/MS模式下运行的 Agilent 8900ICP-MS/MS 可成功用于 SiO2 纳米颗粒的测定和表征。MS/MS 操作即使在碳基质含量较高时也可有效消除 m/z 28处 Si 分析的多原子离子干扰，从而获得较低的背景信号和优异的灵敏度。 ICP-MS MassHunter 软件专有的单纳米颗粒应用模块软件可通过计算粒径为单个 NP标准物质和混合溶液提供准确结果。 spICP-MS/MS 方法可为粒径小于100 nm 的SiO2 颗粒提供较快的分析速度、粒径和浓度的优异检测限以及准确的结果。 查找当地的安捷伦客户中心： www.agilent.com/chem/contactus-cn 免费专线： 800-820-3278，400-820-3278(手机用户) 联系我们： LSCA-China_800@agilent.com 在线询价： www.agilent.com/chem/erfq-cn ( 1. C. Degueldre and P. -Y. Favarger， Colloids Surf.， A. 2003，217，137-142 ) ( 2. H.E. Pace，N. J.R o gers， C. Jarolimek， V. A. Coleman，C. P. Higgins and J. F. Ranville， Anal. Chem.， 2011， 83， 9361-9369 ) ( 3. J. W. Olesik and P. J. Gray， J. Anal. At. Spectrom.， 2012，27，1143- 1 155 ) ( 4. F. Laborda， J. Jimenez-Lamana， E . Bolea and J. R. Castillo， J. Anal. At. Spectrom.， 2011.26， 1362-1371 ) Agilent Technologies 前言纳米材料正越来越多地用于工业过程、制成品、药品以及化妆品、防晒霜和食品等消费品领域。由于纳米颗粒 (NP) 的环境行为以及被人体吸收后可能产生的毒性作用尚不明确，因此对 NP 的测量是人们关注的重点。ICP-MS 是一种测量材料元素含量的成熟技术；近期发展起来的单颗粒采集模式(spICP-MS) 目前可提供一种表征样品中 NP 含量的强大方法。采用 spICP-MS 记录所分析溶液中单个 NP 产生的目标元素信号，从而对所含颗粒的数量、浓度和粒径，以及溶解元素浓度实现同步测量。多位研究人员已对这种方法进行了开发，如今现代 ICP-MS 仪器也能够提供支持 NP 表征的自动采集与校准方法。当前 ICP-MS 系统具有较短的驻留时间，分析单一同位素时测量间无需稳定时间即可连续采集数据。在驻留期间总背景计数成比例下降时，来自颗粒羽流的信号并不会降低，因此这一系统可检测更小的颗粒。然而，如果驻留时间比羽流持续时间（通常在 0.5 ms 左右）短，分析物的信号也会随驻留时间的缩短而降低。这就增加了计数统计的误差。使用最高灵敏度（信噪比）和合适的驻留时间对维持计数率的统计有效性至关重要。通过传统四极杆 ICP-MS 实现 NP 的准确测量面临着诸多挑战，特别是区分背景信号与小颗粒产生的信号的能力方面。因此，迄今为止报道的许多研究仍集中于银和金等相对易于通过 ICP-MS 测量的元素也不足为奇。这些元素有较高的灵敏度，通常不易受到干扰物的影响，一般也不存在于天然样品中，这使仪器能够更轻松地测量较小颗粒。然而在现实情况下，多数天然和人为加工的 NP 均基于难以通过 ICP-MS 进行测量的元素，如铁、硫、钛和硅型 NP。对这些元素而言，样品基质或等离子体背景有可能对其产生强烈的多原子干扰，在某些情况下灵敏度也会因较低的离子化程度或需要测量次要同位素而降低。二氧化硅 (SiO2) NP 广泛应用于油漆、涂料、粘合剂、食品添加剂、抛光微电子设备等多种应用，因此对其监测有明确的要求。然而，通过 ICP-MS 并不能轻松实现 Si 的测量，因为 Si 的主同位素（ 28Si，丰度为92.23%）会受到背景多原子离子 CO 和 N2 的干扰。可采用 ICP-MS 碰撞/反应池中的化学反应解决干扰问题，为获得可控而一致的反应过程，需要使用 Agilent 8900 串联四极杆 ICP-MS (ICP-MS/MS) 等串联质谱仪器。8900 ICP-MS/MS 采用两个四极杆质量过滤器（Q1 和 Q2）以及一个位于二者之间的八极杆反应池来实现双重质量选择功能，这种功能通常称为 MS/MS。MS/MS 提供的完美方法能够解决最具挑战性的谱图重叠问题，并可清楚了解池内的反应过程。ICP-MS/MS 可对硅等最难分析的元素实现成功测定。本研究采用配备单纳米颗粒应用模块软件的 Agilent 8900ICP-MS/MS 在 spICP-MS 模式下对 SiO2 NP 进行测量。文中对该仪器测量 SiO2 的性能进行了讨论。结论以 H2 作为反应池气体，在 MS/MS 模式下运行的 Agilent 8900 ICP-MS/MS 可成功用于 SiO2 纳米颗粒的测定和表征。MS/MS 操作即使在碳基质含量较高时也可有效消除 m/z 28处 Si 分析的多原子离子干扰，从而获得较低的背景信号和优异的灵敏度。ICP-MS MassHunter 软件专有的单纳米颗粒应用模块软件可通过计算粒径为单个 NP 标准物质和混合溶液提供准确结果。spICP-MS/MS 方法可为粒径小于 100 nm 的 SiO2 颗粒提供较快的分析速度、粒径和浓度的优异检测限以及准确的结果。