07 Sep Introducción al Nanomundo
FFF-ICP-MS y sp-ICP-MS: caracterización de nanopartículas
El propósito de este artículo es demostrar el potencial de FFF-ICP-MS y sp-ICP-MS para la caracterización de nanopartículas. El FFF se acopló a un ICP-Q-MS con líquidos impulsados por un sistema de cromatografía inerte. Para sp-ICP-MS las muestras fueron directamente aspiradas. El FFF demostró la separación de nanopartículas de Au según sus diámetros; el sp-ICP-MS fue utilizado para determinar el diámetro promedio de nanopartículas de Ag.
Introducción
La necesidad de caracterizar nanopartículas (NP) ha crecido en años recientes debido al continuo incremento de nanopartículas manufacturadas (NM) en varias industrias y a los subsecuentes estudios que investigan el riesgo al ambiente y a los consumidores.
De los métodos desarrollados con este objetivo, Field Flow Fractionation (FFF) acoplado a ICP-MS ha probado ser uno de los más promisorios. El principio de separación del FFF está basado en la diferencia de movilidad de diferentes tamaños de partículas en un líquido de flujo laminar. Las partículas más pequeñas fluyen con mayor rapidez a través del canal, permitiendo la separación en base a tamaño. FFF es compatible para tamaños de partículas en el rango de bajos nm a bajos µm y es por lo tanto perfectamente aplicable a la separación de nanopartículas.
Otro enfoque para la caracterización de NP es sp-ICP-MS. A través del análisis directo de una solución apropiadamente diluida conteniendo NPs, se pueden contar las NP. Si las NPs consisten solamente en un elemento, la altura del pico es proporcional al tamaño de la NP, y la frecuencia de las señales individuales puede ser usada para determinar la concentración de NPs.
Si bien ambas técnicas se benefician de la elevada sensibilidad de la detección por ICP-MS, el límite del enfoque de detección de partícula única está gobernado por la relación señal/ruido. Cuanto más sensible un instrumento, menor es la partícula que puede detectar.
Figura 1: Wyatt Technology Eclipse AF4 con SC acoplado a un Thermo Scientific iCAP Qc ICP-MS.
Métodos
Preparación de muestras
En general los estándares de NP fueron diluidos en agua y sonicados de 5 a 15 minutos justo antes del análisis.
Field Flow Fractionation
Un Wyatt Technology Eclipse equipado con un canal corto se acopló a un Thermo Scientific iCAP Qc ICP-MS (ver Figura 1). La fase móvil se entregó al chassis del Eclipse usando un sistema HPIC ICS-5000 de Thermo Scientific y las inyecciones fueron efectuadas usando el loop de muestra del ICS-5000 AS-AP Autosampler. El chassis del Eclipse divide el flujo en forma apropiada con una serie de válvulas configuradas especialmente. Las membranas FFF usadas y los parámetros de separación se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1: Condiciones de Field Flow Fractionation.
sp-ICP-MS
Se utilizó un ICP-MS iCAP Qc para todas las determinaciones sp-ICP-MS. Se prepararon y analizaron nanopartículas de Ag de diferentes tamaños. Todas las soluciones fueron preparadas en citrato de amonio 2 mmol L⁻¹. Se obtuvo una muestra local de agua corriente y se diluyó 3:1 en citrato de amonio antes del análisis.
Análisis de datos
Se usó el software Thermo Scientific Qtegra Intelligent Scientific Data Solution (ISDS) para el control y adquisición de datos del iCAP Qc ICP-MS. Se utilizó el plug-in Thermo Scientific Dionex Chromeleon Chromatography Data System para controlar el sistema Wyatt Eclipse y el ICS-5000 HPIC en un mismo método. Se utilizó el software Eclipse ISIS (Intelligent Separation Improvement Software) para optimizar las condiciones de separación del FFF.
Resultados
Field Flow Fractionation
Fueron utilizados NPs de oro certificados de 30 nm (NIST 8012) y 60 nm (NIST 8013) de diámetro para evaluar el potencial de separación del FFF.
La Tabla 1 resume el canal, membrana y condiciones usadas. La Figura 2 muestra los perfiles de elución de las NPs de oro de 30 nm y 60 nm.
La optimización de las condiciones de separación basadas en el flujo del detector (Vd), flujo cruzado (Vx) y gradiente de flujo cruzado fueron efectuados usando ISIS, software dedicado para predecir la separación en base al input de tasas de flujo y geometría de canal.
Figura 2: Fractogramas ¹⁹⁷Au FFF-ICP-MS de NPs de oro de 30 nm y 60 nm.
Single Particle ICP-MS
sp-ICP-MS requiere la medición de eventos de monopartículas (SPE) en un análisis con resolución de tiempo (TRA). El principio subyacente reside en que el tamaño de la NP es directamente proporcional a la intensidad del SPE. Esto se presenta en la figura 4, donde las NPs más pequeñas (20 y 40 nm) generan menores intensidades de SPE que las NPs mayores (60 y 100 nm).
Para sp-ICP-MS, las muestras deben diluirse de modo que solamente un número apropiado de partículas por volumen sea aspirado directamente hacia el plasma. Los datos del barrido rápido a través de un solo isótopo en una ventana de tiempo predeterminada (p. ej. 5 ms de espera para 60 s) se exportan a una planilla de cálculo para calcular el tamaño de partícula y diferenciar entre las NPs y las señales de background.
La correlación entre el tiempo de espera (dwell time) y los eventos de partículas se ilustra en la figura 3. La duración típica de un evento de nanopartícula es de 300 µs.
Figura 3: Relación entre eventos de monopartículas y tiempo de espera.
Solo se debería registrar un (1) evento de NP por data point (A). Tiempos de espera menores llevan a un registro incompleto de eventos de partículas, con subestimación del tamaño (B). Tiempos de espera superiores llevan al registro de dos o más eventos, con sobreestimación del tamaño (C).
Para sp-ICP-MS, el límite de detección instrumental está expresado como el tamaño de nanopartícula que ya no puede discriminarse del background instrumental. Es, por lo tanto, dependiente de la sensibilidad de detección del instrumento y no del factor de dilución de la muestra.
La figura 4 muestra el análisis resuelto en el tiempo de cuatro nanopartículas de Ag de diferentes tamaños, cada solución conteniendo la misma cantidad total de Ag (5 ng kg⁻¹).
La determinación de tamaño de NP es graficada contra el valor teórico en la figura 5. Ambos valores están en buena concordancia. El límite de detección determinado es de aproximadamente 20 nm para NPs de Ag.
Como prueba final, se diluyó agua corriente obtenida localmente 3:1 en citrato de amonio 2 mmol L⁻¹ y se analizó antes y después de la adición de NPs de Ag (40 nm, 5 ng kg⁻¹ total Ag). El tamaño de NP determinado en el agua corriente fue de 41 ± 1 nm, en excelente concordancia con el valor esperado.
Figura 4: Medición resuelta en el tiempo para NPs de Ag de 20, 40, 60 y 100 nm @ 5 ng kg⁻¹ total de Ag.
Figura 5: Correlación del tamaño teórico y medido de NPs de Ag.
Figura 6: Análisis de agua corriente sin enriquecer (arriba) y enriquecida (abajo) con sp-ICP-MS.
Conclusión
FFF-ICP-MS y sp-ICP-MS aportan ventajas analíticas complementarias a la caracterización de NPs.
El paquete integrado FFF-ICP-MS es totalmente automatizado con control bidireccional y funciones de shut-off para emergencias. El sistema FFF/IC completamente libre de metal opera con una sola bomba y ofrece una opción de switch que permite al usuario cambiar rápidamente de FFF a IC. La elevada sensibilidad base y los bajos niveles de background del ICP-MS iCAP Qc ofrecen una ventaja particular en sp-ICP-MS.
Referencias
1. P. Krystek et al. J Anal. At. Spectrom. 26 (2011); 1701-1721.
Reconocimientos
Agradecemos al equipo de Wyatt Technology Europe, Dernbach, Alemania, por el soporte técnico y de aplicaciones.
Daniel Kutscher,(1) Jörg Bettmer,(2) Torsten Lindemann,(1) Shona McSheehy-Ducos,(1) Lothar Rottmann (1) — (1) Thermo Fisher Scientific, Germany; (2) University of Oviedo, Department for Physical and Analytical Chemistry, Oviedo, Spain
Mayor información:
Tel.: 011-4704-0865
info@sol-analiticas.com
www.sol-analiticas.com
¿Necesitás cotizar un analizador de nanopartículas? Buscá proveedores:
Cotizá sin cargo→