نظام إدخال عينة مزدوج المدخل متعدد الاستخدامات لتحليل قياس الطيف الكتلي للبلازما المقترن بالحث متعدد الأوضاع والتحقق من صحته

Summary

نقدم هنا بروتوكولا لاستخدام نظام مدخل مزدوج لقياس الطيف الكتلي المقترن بالحث لجسيم واحد والذي يسمح بتوصيف قياسي مستقل للجسيمات النانوية.

Abstract

يمكن تمييز الجسيمات النانوية المحتوية على المعادن (NP) بمطياف كتلة البلازما المقترن بالحث (ICP-MS) من حيث حجمها وتركيزها العددي باستخدام وضع الجسيم الفردي للأداة (spICP-MS). تعتمد دقة القياس على الإعداد والظروف التشغيلية للأداة والمعلمات المحددة التي يحددها المستخدم. تعد كفاءة نقل ICP-MS أمرا بالغ الأهمية لتقدير NP وعادة ما تتطلب مادة مرجعية ذات توزيع متجانس للحجم وتركيز معروف لعدد الجسيمات.

حاليا ، تتوفر المواد المرجعية NP لعدد قليل فقط من المعادن وبأحجام محدودة. إذا تم تمييز الجسيمات بدون معيار مرجعي ، فقد تكون نتائج كل من الحجم وعدد الجسيمات متحيزة. لذلك ، تم تطوير إعداد مزدوج المدخل لتوصيف الجسيمات النانوية باستخدام spICP-MS للتغلب على هذه المشكلة. يعتمد هذا الإعداد على نظام إدخال تقليدي يتكون من البخاخات الهوائية (PN) لمحاليل الجسيمات النانوية ومولد القطرات الدقيقة (μDG) لمحاليل المعايرة الأيونية. تم تطوير واجهة جديدة ومرنة لتسهيل اقتران μDG و PN ونظام ICP-MS. وتتألف الواجهة من مكونات المختبر المتاحة وتسمح بالمعايرة وتوصيف الجسيمات النانوية (NP) وتنظيف الترتيب، بينما لا يزال جهاز التصنيف الدولي للجسيمات النانوية (ICP-MS) قيد التشغيل.

تتوفر ثلاثة أوضاع تحليل مستقلة لتحديد حجم الجسيمات وتركيز عددها. يعتمد كل وضع على مبدأ معايرة مختلف. في حين أن الأسلوب الأول (العد) والأسلوب الثالث (μDG) معروفان من الأدبيات، فإن الأسلوب II (الحساسية) يستخدم لتحديد كفاءة النقل بواسطة المحاليل المعيارية الأيونية غير العضوية فقط. إنه مستقل عن المواد المرجعية NP. يضمن نظام المدخل القائم على μDG الموصوف هنا حساسيات تحليلية فائقة ، وبالتالي حدود الكشف المنخفضة (LOD). وتكون LODs المعتمدة على الحجم التي تم تحقيقها أقل من 15 نانومتر لجميع NP (Au، Ag،_{CeO 2}) التي تم فحصها.

Introduction

تستخدم مطياف كتلة البلازما المقترنة بالحث على نطاق واسع لتحديد حجم وعدد NP في عينات ومصفوفات مختلفة في ما يسمى بوضع الجسيم الفردي^1،2،3. وضع الجسيم الفردي هو تشغيل لنظام الحصول على البيانات مع تكامل قصير أو وقت مكوث. ينتج كل NP تم قياسه إشارة متكاملة في هذا الفاصل الزمني (الحدث المقاس بالعدد في الثانية: cps) إذا تم استخدام تخفيف مناسب لتعليق NP لتجنب الأحداث المزدوجة. عادة ما يتم إدخال معيار المعايرة ، وكذلك العينة ، في ICP-MS عبر نظام إدخال العينة التقليدي القائم على البخاخات الهوائية (PN) ⁴. ومع ذلك ، كشرط أساسي ، يجب تحديد معدل تدفق إدخال العينة وكفاءة النقل (η) لتحديد الكتلة المعدنية بدقة لكل NP وتحديد تركيزها العددي في المعلق. تصف كفاءة النقل نسبة الكتلة أو عدد الجسيمات المحقون إلى الكتلة (طريقة جمع النفايات)) أو رقم الجسيمات (طريقة العد) التي اكتشفها ICP-MS⁵. يتم تحديد كفاءة النقل بشكل متكرر باستخدام المواد المرجعية القائمة على الجسيمات^{النانوية 5}. ومع ذلك ، تعتمد خصائص النقل على بنية NP ، وتتضمن خصائص مثل التركيب ومشتت العينة. العوامل المؤثرة الأخرى هي المعلمات المفيدة ، مثل معدل امتصاص العينة ، ومعدل تدفق غاز البخاخات ، ووقت السكون ، ووقت القياس الإجمالي.

نظرا لتوفر مواد مرجعية محدودة فقط للجسيمات النانوية ، يمكن أن تكون نتائج تحليل NP التي تم الحصول عليها متحيزة بسبب الاختلافات في تكوين العناصر بين الجسيمات المرجعية والعينة. إلى جانب توافر مجموعة محدودة من المواد المرجعية ، يمثل اكتشاف أحداث الجسيمات المتعددة لكل وقت مكوث للكاشف تحديا إضافيا. وقد يؤثر ذلك أيضا على دقة كفاءة النقل المراد تحديدها.

لكي تكون مستقلا عن المواد المرجعية ، من الناحية المثالية ، يفضل نظام إدخال العينة بكفاءة نقل تقارب 100٪. في نفس الوقت الذي يتم فيه استخدام حجم منخفض مقارنة بأنظمة الإدخال التقليدية ، يمكن استخدام تركيزات أعلى لعدد الجسيمات. حتى لو كان الجسيمان قريبين من بعضهما البعض ، فيمكن اكتشاف كلاهما بشكل منفصل باستخدام النظام القائم على μDG.

μDG قادر على توليد قطرات أحادية التشتت بحجم ثابت في نطاق pL وهي مناسبة تماما لهذا الغرض^6،7،8،9. يسهل μDG حقن كل من العينات الأيونية والجسيمات في مذيبات مختلفة في ICP-MS. في حالة عينات المعادن الأيونية ، يفترض أن القطرات المتولدة قد حلت تماما في الطريق إلى برنامج المقارنات الدولية. وفقا لذلك ، تفقد القطرة كل الماء ويتكون جسيم من الملح المتبقي. يتناسب قطر هذا الجسيم طرديا مع التركيز المستخدم. وبالتالي ، يمكن إنتاج معايير مرجعية محلية الصنع من نفس المصفوفة والكتلة والحجم ، مع تركيز متفاوت للمحلول الأيوني ل NP المراد فحصه ، داخليا. يمكن حساب حجم القطرة بسهولة بناء على قطر القطرة المقاسة بواسطة μDG. هذا غير ممكن مع PN الذي ينتج توزيعا واسعا للقطرات بأقطار مختلفة^10،11. نظرا لإدخال العينة الموحدة بكفاءة نقل عالية تبلغ 100٪ من μDG ، يمكن تحقيق حساسية عالية للتحليل الخاص بالجهاز. اعتمادا على المصفوفة المستخدمة ، يؤدي هذا إلى حدود أقل للكشف (LOD) لكتلة الجسيمات وحجمها عند مقارنتها بنتائج أنظمة الإدخال التقليدية القائمة على PN¹². ومع ذلك، ونظرا لتصميم μDG، لا يمكن تبادل العينات بسهولة عندما لا يزال نظام ICP-MS يعمل. بين قياسات العينات المختلفة ، يجب تنظيف μDG وبعد ذلك بمحلول العينة لتثبيت النظام. بالإضافة إلى ذلك ، لم يتم اختبار تحملها لعينات المصفوفة الثقيلة إلى حد كبير. علاوة على ذلك ، نظرا لمعدلات التدفق المنخفضة للغاية ، فإن وقت التحليل لتحقيق إحصاءات جيدة سيكون طويلا للغاية ، مما يحد من استخدامه العملي ، إذا كان يجب تحليل العينات "الحقيقية" ، مثل المياه البيئية على سبيل المثال.

للتغلب على هذه القيود ، تم تشغيل μDG مسبقا بالاشتراك مع نظام تقليدي قائم على البخاخات الهوائية ، والذي أطلق عليه اسم نظام المدخل^{المزدوج 13}. من خلال إدخال معايير المعايرة مع μDG وتعليق NP عبر البخاخات الهوائية في ICP-MS ، Ramkorun-Schmidt et al. تمكنت من الاستفادة من كلا^{النظامين 13}. تم تحقيق تحديد دقيق للغاية لجزء الكتلة المعدنية ل Au و Ag NP ، دون الحاجة إلى تحديد كفاءة النقل. ومع ذلك ، لم يتم تحديد تركيزات عدد الجسيمات باستخدام نظام المدخل المزدوج هذا. كما أن تنظيف ومحاذاة نظام μDG كان يعقد قابلية تطبيق التحليل الروتيني.

في هذه الورقة ، نقترح واجهة مدخل مزدوجة مرنة لتحديد حجم جسيمات NP وتركيز عدد الجسيمات وتوضيح التجميع والاستخدام العملي لها. مثل نظام Ramkorun-Schmidt et al. يتكون من كل من μDG بالإضافة إلى نظام إدخال عينة PN. نوضح أن نظام المدخل المزدوج ، في مرحلته الحالية من التطوير ، يسمح بتطبيق ثلاثة أنماط مستقلة للتحليل للتحقيق في NPs المحتوية على المعادن وتوصيفها. يعمل نظام المدخل المزدوج الخاص بنا على تبسيط إجراء المعايرة لتحديد NP ويحسن الأرقام التحليلية ذات الجدارة ولا سيما الدقة¹⁴. تسمح أنظمة المدخل بتبادل العينات وتنظيف μDG بشكل مريح حتى عندما لا يزال ICP-MS قيد التشغيل ، وبالتالي تقليل وقت التحليل الإجمالي وخطر المحاذاة الخاطئة. من أجل اختبار أداء النظام ، يتم استخدام NP المرجعي المميز جيدا (60 نانومتر AuNP - NIST 8013 ، 75 نانومتر AgNP - NIST 8017) للتحقق من صحة الطريقة وقابلية المقارنة.

Protocol

1. تجميع إعداد مقدمة عينة المدخل المزدوج

ملاحظة: يتم عرض تفاصيل حول الأجزاء المختلفة في الجدول 1.

	مكونات
الجزء 1	مفصل كروي زجاجي أنثوي بطول ساق 10 مم تقريبا
	وصلة كروية زجاجية ذكرية بطول ساق 10 مم تقريبا
	قطعة معدنية على شكل حرف T (الأبعاد: 1/4 بوصة)
	لاصق من الزجاج إلى المعدن
	اثنين من المشابك للمفاصل الزجاجية الكروية
الجزء 2	غرفة الرش ICP-MS (النوع المقترح: غرفة رش الخرزة الصدمية ، غرفة الرش الإعصاري أو ما شابه ذلك)
	البخاخات الهوائية (النوع المقترح: البخاخات متحدة المركز)
	المشبك
الجزء 3	شعلة الكوارتز الحرة الدائرية
	موصل خط الغاز مغلق النهاية
	موصل خط الغاز مفتوح النهاية
	أنبوب سيليكون موصل ومرن
الجزء 4	وحدة توليد القطرات الدقيقة الكهرضغطية
الجزء 5	وحدة التحكم في القطرات الدقيقة

الجدول 1: قائمة المكونات المستخدمة لإنشاء إعداد المدخل المزدوج.

1. بناء وحدة موصل من قطعة T (الشكل 1 الجزء 1).
   ملاحظة: يربط هذا الجزء نظام إدخال العينة التقليدي (الخطوة 1.2) ووحدة النقل μDG (الخطوة 1.3).
   1. أدخل مفاصل كروية من الذكور والإناث إلى الفتحات المقابلة لموصل T-piece.
   2. قم بتأمين مفاصل الكرة من الذكور والإناث باستخدام مادة لاصقة من الزجاج إلى المعدن (على سبيل المثال ، غراء السيليكون).
   3. قم بتوصيل المفصل الكروي الأنثوي بحاقن ICP-MS باستخدام مشبك.
2. إرفاق نظام إدخال العينة التقليدي (الشكل 1 الجزء 2)
   ملاحظة: هذا الجزء متصل بوحدة موصل قطعة T (الخطوة 1.1)
   1. اجمع بين غرفة الرش ICP-MS مع البخاخات الهوائية (PN) ، والتي تتناسب مع غرفة الرش المستخدمة.
   2. استخدم مشبكا لتوصيل مخرج غرفة الرش بالمفصل الكروي الذكري لموصل القطعة T (الموصوف في الخطوة 1.1).
      ملاحظة: عادة ما يكون مخرج غرفة الرش مزودا بموصل مفصل كروي أنثوي. تتكون المجموعة الموضحة في الشكل 1 من البخاخات وغرفة رش الخرزة الصدمية. بدلا من غرفة رش الخرزة الصدمية ، يمكن استخدام غرف الرش الأخرى ذات كفاءة النقل في حدود 2 إلى 10٪ أو أعلى.
3. بناء وحدة نقل القطرات الدقيقة (الشكل 1 الجزء 3)
   ملاحظة: يربط هذا الجزء وحدة موصل القطعة T (الخطوة 1.1) ووحدة μDG (الخطوة 1.4).
   1. قم بتوصيل شعلة كوارتز قابلة للفك ، مع إزالة أنبوب الحاقن الخاص بها ، بحامل مختبر مع مدخل الشعلة في الأعلى باستخدام المشابك المناسبة.
   2. قم بسد مدخل بلازما الشعلة / الغاز الإضافي بواسطة موصلات الغاز المغلقة.
      ملاحظة: يتم نقل العينة باستخدام مضخة تمعجية إلى البخاخات. يستخدم غاز الأرجون لإدخال البخاخات على العينة في غرفة الرش والنقل الإضافي إلى البلازما.
   3. قم بتوصيل خط غاز الهيليوم بالشعلة عبر مدخل غاز التبريد باستخدام موصل غاز مناسب.
      ملاحظة: يستخدم غاز الهيليوم المطبق لإزالة القطرات المتولدة ويعمل كغاز غمد يمنع القطرة من الاصطدام بجدران الإعداد وفي منع جهاز ICP-MS من إدخال الأكسجين في الغلاف الجوي بينما يجب إزالة رأس مدخل العينة من μDG للتنظيف وتبادل العينات.
   4. قم بتوصيل أنبوب سيليكون موصل ومرن بطول 30 سم (معرف 0.75 سم) ، باستخدام محول ، بطرف الخروج من الشعلة (أسفل الشعلة).
   5. قم بتوصيل الطرف السفلي لأنبوب السيليكون بوحدة موصل القطعة T عن طريق تمديد أنبوب السيليكون المرن فوق وصلة المعدن الرأسية المتبقية.
      ملاحظة: تسمح أنابيب السيليكون المرنة بضبط x-y-z لأداة ICP-MS مع الإعداد المتصل.
4. توصيل وحدة توليد القطرات الدقيقة ووحدة التحكم في توليد القطرات الدقيقة (الشكل 1 الجزء 4 ، الجزء 5)
   ملاحظة: هذا الجزء متصل بوحدة النقل μDG (الخطوة 1.3)
   1. قم بتوصيل وحدة μDG المحضرة بوحدة نقل القطرات الدقيقة عن طريق إدخال رأس μDG في نهاية مدخل العينة للشعلة.
   2. قم بتوصيل مصدر الطاقة بوحدة التحكم μDG.
      ملاحظة: يتكون الإعداد الموضح هنا من رأس μDG متوفر تجاريا ومصدر طاقة μDG. اعتمادا على رأس μDG المستخدم ، يجب تكييف الإعداد وفقا لذلك.

2. القياس الكمي لحجم القطرات

1. استخدم ضوء ستروبوسكوب وكاميرا CCD (على سبيل المثال ، في تكوين مفتوح ، انظر تكوين قياس الحجم الشكل 1 ) لالتقاط صور للقطرات المنتجة بواسطة μDG.
2. قم بمعايرة كاميرا CCD عن طريق التقاط صور لجسم بحجم معروف في نطاق ميكرومتر (على سبيل المثال ، الأسلاك النحاسية التي يبلغ قطرها 150 ميكرومتر).
3. التقط صورا لما لا يقل عن 000 1 قطرة في الإعدادات المستخدمة للتجربة (انظر الجدول 2).
4. استخدم برنامجا رسوميا مناسبا (انظر جدول المواد) لتقييم الصور المتعلقة بالكائن وحجم الإسقاط في الخطوات التالية:
   1. انقر فوق ملف وفتح لتحميل صورة الكائن.
   2. انقر فوق صورة | ضبط | Threshold لتحديد مساحة الكائن عن طريق تحريك أشرطة التمرير.
   3. انقر فوق تطبيق لتطبيق الإعدادات.
   4. انقر فوق الزر "مقطع مستقيم ".
   5. انقر مع الاستمرار فوق زر الماوس الأيسر لرسم خط بجانب الكائن.
   6. اضغط على Ctrl + M لقياس حجم الكائن.
   7. قم بقياس قطر الجسم عند 5 نقاط مختلفة.
   8. انسخ والصق جدول "النتائج" في برنامج جدول بيانات.
   9. احسب المتوسط الحسابي للعمود "الطول".
   10. احسب نسبة العرض إلى الارتفاع للبكسل (PAR): حجم الكائن الفعلي (ميكرومتر)/متوسط حجم الكائن في الصورة (بكسل).
   11. انقر فوق ملف | استيراد | تسلسل الصورة لاستيراد وتحميل صور القطرات.
   12. انقر مستطيل وحدد قطرة الصورة الأولى.
   13. قم بالنقر بزر الماوس الأيمن على لوحة الماوس واختر تكرار لفصل قطرات تسلسل الصورة عن بقية الصورة.
   14. افصل القطرات عن الخلفية كما هو محدد في الخطوة 2.4.2.
   15. انقر فوق عملية | ثنائي | تآكل لإزالة انعكاسات الضوء على سطح القطرة.
   16. انقر فوق عملية | ثنائي | قم بالتوسيع لعكس خطوة "التآكل".
   17. انقر فوق تحليل | تحليل الجسيمات | حسنا لقياس جميع القطرات.
   18. انسخ الجدول "الملخص" أو "النتيجة" والصقه في برنامج جدول بيانات.
   19. احسب المتوسط الحسابي لقطر النمس بالبكسل.
   20. استخدم PAR لتحويل القطر بالميكرومتر: قطر النمس بالبكسل / PAR.
       ملاحظة: يختلف حجم القطرات التي يتكون منها μDG اعتمادا على الطول والمدة المحددين للنبضة الحالية المطبقة على عنصر^{بيزو 7}.

3. تحضير العينة

1. قم بإعداد محلول معايرة أيوني للمادة المراد قياسه في نطاق تركيز من 0.2 إلى 20 ميكروغرام / لتر في حمض مخفف (على سبيل المثال ، حمض الهيدروكلوريك (0.5 فولت / حجم) ، HNO₃ (3.5 فولت / حجم)).
2. قم بإعداد محلول أيوني للمعايرة أحادية النقطة في نطاق التركيز بين 1 و 10 ميكروغرام / لتر في الحمض المخفف.
3. قم بإعداد أنظمة التعليق القياسية NP وفقا لتعليمات الشركة المصنعة أو البروتوكولات الداخلية.
   ملاحظة: تشرح الخطوات 3.3.1 - 3.3.4 إعداد معلقات معيار NP مع الأخذ في الاعتبار Ag و Au و CeO₂ NPs كمثال.
   1. قم بإعداد 10 مل من محلول AuNP 0.05 ميكروغرام / لتر ل PN و 1 ميكروغرام / لتر محلول AuNP في ماء فائق النقاء ل μDG. دوامة لمدة 20-60 ثانية قبل الاستخدام.
   2. قم بإعداد محلول AgNP 0.05 ميكروغرام / لتر لمحلول PN و 2 ميكروغرام / لتر AgNP ، كلاهما في الماء فائق النقاء ، من أجل μDG. يرج جيدا لمدة 20-60 ثانية قبل استخدام¹⁵.
   3. قم بإعداد محاليل CeO₂ NP لاستخدامها كما هو موضح سابقا لأكاسيد المعادن^16،17.
   4. قم بإعداد محلول 0.05 ميكروغرام / لتر CeO₂ NP للمحلول PN و 1 ميكروغرام / لتر ل μDG.
      1. يزن 25.6 مجم / مل CeO₂ NP في وعاء زجاجي بسعة 15 مل - 20 مل إجمالا وأضف 10 مل من محلول BSA 0.05 (حجم / حجم) المحضر في ماء فائق النقاء.
      2. استخدم سونيكاتير بأطراف الأصابع بقوة 7.35 واط لتجانس محلول الجسيمات لمدة 309 ثانية.

4. ضبط الآلات والمعلمات

1. تأكد من إيقاف تشغيل مولد الأهداف الإنمائية للألفية وقم بتوصيل إعداد مقدمة العينة مزدوج المدخل الذي تم تضمينه في الخطوة 1 مع حاقن أداة ICP-MS بمشبك. اغسل نظام المدخل لمدة 5-10 دقائق بغاز البخاخات (Ar) وغاز نقل القطرات (He).
   ملاحظة: يجب حماية جهاز ICP-MS من تغلغل مستويات عالية من الأكسجين في غرفة البلازما.
2. قم بإيقاف تشغيل غاز نقل القطرات (He) وبدء تشغيل نظام ICP-MS
3. قم بضبط الأداة في وضع القياس الذي يريد المرء استخدامه باستخدام حل الضبط القياسي للأداة الذي تحدده الشركة المصنعة لنظام ICP-MS.
   ملاحظة: يتكون محلول الضبط القياسي ، على سبيل المثال ، من الباريوم والسيريوم والإنديوم واليورانيوم والبزموت والكوبالت والليثيوم (كل 1 ميكروغرام / لتر) في خليط من 2.5٪ (حجم / حجم) حمض النيتريك و 0.5٪ (حجم / حجم) حمض الهيدروكلوريك.
4. تحديد معدل امتصاص العينة ل PN.
   1. املأ إناء ب 15 مل من الماء.
   2. وزن الوعاء.
   3. قم بتوصيل الوعاء بأنبوب PN.
   4. ابدأ تشغيل المضخة التمعجية بالنقر فوق زر بدء تشغيل المضخة التمعجية في برنامج الجهاز.
   5. ابدأ مؤقتا مدته 5 دقائق.
   6. قم بإزالة خط الامتصاص من الوعاء بعد 5 دقائق بالضبط. وزن الوعاء مرة أخرى.
   7. احسب معدل امتصاص العينة (مل / دقيقة) باستخدام الصيغة: وزن الوعاء قبل - وزن السفينة بعد / مدة الوقت.
5. تحسين المعلمات الآلية لتحسين حساسية التحليل إذا لزم الأمر ، على سبيل المثال ، معدل تدفق غاز البخاخات ، وعمق أخذ العينات ، وطاقة البلازما.
   ملاحظة: انظر الجدول 2 كمثال على المعلمات الآلية التي يمكن تحسينها في نظام ICP-MS.
6. اضبط تدفق الغاز He حتى يمكن اكتشاف معدل إشارة ثابت كدالة لمعدل تكوين السقوط.

البارامتر	قيمة
برنامج المقارنات الدولية - التصلب العصبي المتعدد:
طاقة البلازما (واط)	1600
عمق أخذ العينات (مم)	4
معدلات التدفق (لتر دقيقة -1):
الغاز الإضافي	0.65
غاز التبريد	14
مرات (ق)
تجميع البيانات (ق)	1200
وقت (زمن) المكوث	0.01
واجهه:
معدل امتصاص عينة PN (مل دقيقة -1)	0.21
غاز البخاخات (لتر دقيقة -1)	0.92
μDG:
قطر الشعيرات الدموية (ميكرومتر)	75
معدل السقوط (هرتز)	10
ال غاز المكياج (L min-1)	0.27
وضع التشغيل	النبض الثلاثي
	المجموعة 1	مجموعة 2	المجموعة 3
الجهد (V)	53	51	47
عرض النبضة (μs)	20	25	12
تأخر النبض (μs)	4	2	1

الجدول 2: قيم المعلمات الآلية المستخدمة.

5. قياس متعدد الأوضاع لعينات الجسيمات النانوية

1. تحضير وحدة التحكم μDG
   1. قم بتشغيل مفتاح إمداد الطاقة لوحدة التحكم μDG.
   2. انقر فوق ابدأ في الشاشة الأولى لبدء تشغيل وحدة التحكم.
   3. انقر فوق الإعدادات العامة لاختيار وضع النبض المراد استخدامه.
   4. انقر فوق الزر الرسومي الأيمن في وضع النبض لاختيار وضع النبض الثلاثي.
      ملاحظة: ترد إعدادات وضع النبض الثلاثي في الجدول 2.
2. تحضير وحدة μDG
   1. انقر فوق تشغيل/إيقاف لبدء تشغيل μDG.
   2. املأ وعاء العينة بمحلول العينة المراد قياسه.
   3. قم بتوصيل وعاء العينة بوحدة μDG.
   4. استخدام حقنة سعة 10 مل لتطهير الهواء عبر الوعاء ووحدة μDG.
   5. قم بتوصيل المحقنة بمنفذ الحقنة الموجود على وعاء حاوية العينة.
   6. ادفع مكبس المحقنة حتى يلاحظ تدفق سائل ثابت يخرج من رأس μDG.
   7. حافظ على الضغط لمدة 10 ثوان.
   8. قم بإزالة المحقنة.
   9. ضع وحدة μDG في منطقة التركيز البؤري لكاميرا CCD لمراقبة القطرات المتكونة.
   10. قم بتوصيل كاميرا CCD بجهاز كمبيوتر شخصي أو كمبيوتر محمول.
   11. ابدأ تشغيل برنامج كاميرا CCD لمراقبة القطرات المتكونة
   12. انقر فوق ابدأ للحصول على عرض مباشر للقطرات.
   13. لاحظ تكوين القطرات المستمر.
   14. ضع رأس μDG على الشعلة المقلوبة على نظام إدخال العينة مزدوج المدخل.
3. التحقق من صحة كل من وحدة μDG و PN لكل عنصر ذي أهمية عن طريق قياس المعايرة المتكررة متعددة النقاط.
   ملاحظة: للحصول على بيانات ICP-MS، استخدم البرنامج المقترن بالجهاز.
4. حدد النطاق الخطي للمعايرة متعددة النقاط عن طريق استيراد البيانات التجريبية إلى برنامج جدول بيانات.
   1. احسب المتوسط الحسابي لكل نقطة معايرة.
   2. تحديد معامل التقاطع والميل والارتباط.
      ملاحظة: بالنسبة ل sp-ICP-MS ينبغي أن يكون معامل الارتباط >^{0.99 18}.
5. اختر تركيزا ضمن النطاق الخطي لمنحنيات المعايرة لمعايرة نقطة واحدة لاحقا.
6. باتباع الخطوات أدناه للقياس والتحقق من الصحة (باستخدام المواد المرجعية مثل NIST 8012 أو NIST 8013 أو NIST 8017 أو ما شابه ذلك) للقياس الكمي للمواد النانوية متعددة الأوضاع (الشكل 2).
   1. حدد جسيما نانويا ومعيارا أيونيا وفقا للتحليل محل الاهتمام.
   2. قم بإعداد وحدة μDG وفقا للمعيار 5.2 بمحلول قياسي أيوني.
   3. أضف محلول حمضي مخفف (على سبيل المثال ، 0.5٪ من حجم / حجم حمض الهيدروكلوريك) عبر PN.
   4. ابدأ قياس نظام ICP-MS في وضع الحل بالوقت
   5. انقر فوق تشغيل / إيقاف بعد 120 ثانية لإيقاف μDG واستبدال محلول الحمض المخفف في PN بالمعيار الأيوني.
   6. بعد 330 ثانية ، استبدل المعيار الأيوني مرة أخرى في PN بمحلول حمض مخفف.
   7. وفي الوقت نفسه ، قم بإزالة وحدة μDG من الإعداد.
   8. استبدل وعاء العينة (القارورة الزجاجية) لوحدة μDG بوعاء يحتوي على محلول حمضي مخفف (على سبيل المثال ، 3.5٪ HNO₃) من أجل تنظيف وحدة μDG.
      1. املأ حقنة سعة 10 مل بالهواء.
      2. قم بتوصيل المحقنة بمنفذ الحقن لوحدة μDG وأفرغ المحقنة حتى تظهر نفاثة من السائل من رأس μDG وحافظ على الضغط لمدة 30 ثانية.
      3. قم بإعداد μDG كما هو محدد في الخطوة 5.2 مع عينة NP وقم بتوصيل وحدة μDG مرة أخرى بالإعداد عند 510 ثانية.
   9. انقر فوق تشغيل/إيقاف بعد 810 ثانية لإيقاف μDG.
   10. استبدل محلول الحمض المخفف في PN بعينة NP وقم بالقياس لمدة 300 ثانية أخرى.
   11. أوقف القياس بعد حوالي 1,200 ثانية.
   12. قم بتنظيف وحدة μDG كما هو محدد في الخطوة 5.5.8.

الشكل 2: استراتيجية القياس للقياس الكمي للمواد النانوية متعددة الأوضاع. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

6. تحليل البيانات

ملاحظة: لتبسيط جميع خطوات الحساب، تم إعداد جدول بيانات مطابق (راجع الملف التكميلي).

1. استخدم جدول بيانات أو برنامجا يمكنه التعامل مع إطارات البيانات لمعالجة البيانات واستيراد البيانات المقاسة. الصق قيم شدة القياس بأكمله في برنامج جدول البيانات (المضمن في الملحق الإلكتروني) في العمود أ ، وسيتم تصور البيانات. أدخل جميع المعلمات التجريبية اللازمة للحساب في جدول "معلمة الإدخال".
2. حدد مناطق الاهتمام (ROI) ل μDG الأيوني (I) و PN الأيوني (II) و μDG NP (III) و PN NP (IV) عن طريق تحديد خلايا جداول البيانات المناسبة. استخدام الرسم البياني في الورقة المعدة لتحديد حدود عائد الاستثمار وإدخال القيم في جدول "تحديد منطقة الاهتمام" (الخلايا C1: E7).
3. انسخ كل مجموعة بيانات والصقها في عمود منفصل. اضغط على الزر نسخ عائد الاستثمار في الورقة المعدة لتقسيم القياس إلى عائد الاستثمار الأربعة (العمود M: P).
4. احسب المتوسط الحسابي الأول والثاني.
5. تطبيق النهج التكراري لفصل إشارات الجسيمات أو القطرات والخلفية للجسيمين الثالث والرابع.
   1. احسب المتوسط الحسابي والانحراف المعياري لجميع القيم المقاسة.
   2. احسب الحد أو القيمة النهائية بالقيمة المتوسطة + 5 * الانحراف المعياري.
   3. قم بإزالة جميع الإشارات الأصغر من القيمة الحدية III و IV باستخدام الأمر Cut على إشارات الجسيمات المحددة. استخدم لصق لصقها في عمود منفصل.
   4. كرر الخطوات من 1 إلى 3 حتى يصبح متوسط القيمة والانحراف المعياري ثابتين.
      ملاحظة: في الأعمدة من Q إلى BD من الورقة المعدة ، يتم تنفيذ النهج التكراري لفصل إشارات الخلفية والجسيمات خمس مرات.
6. احسب المتوسط الحسابي لإشارات الجسيمات المحددة للجسيمين الثالث والرابع.
7. احسب الحد الأدنى لحجم الجسيمات القابلة للاكتشاف (_حجم LOD - نانومتر) ل μDG NP و PN NP باستخدام الحد الآلي للكشف عن المادة المراد تحليلها (LOD - تعداد) ، وحساسية المادة المراد تحليلها (S_{C ، الأيوني} - العدد / (μg / L)) ، ومعدل امتصاص العينة (q_s - mL / min) ، وكفاءة النقل (η - الوحدة النسبية) وكثافة المواد السائبة (ρ - g / cm³):
   1. 
   2. 
8. احسب الكتلة (m_a,p) وحجم الجسيمات (d - nm ، بافتراض أن الجسيمات كروية) لإشارات الجسيمات المحددة ل μDG NP و PN NP وفقا لأوضاع التحليل الثلاثة المطبقة عن طريق أخذ تركيز المعدن الأيوني لمحلول قياسي (c_a - μg / L) وتدفق الأيونات في البلازما (العدد / ثانية) في الاعتبار:
   1. قداس:
   2. حجم:
9. احسب كفاءة النقل المحددة لأساليب التحليل باستخدام عدد الجسيمات المكتشفة (q_p) ، وتركيز الجسيمات في العينة (c_{p ، مستخدم} - 1 / مل) ، وحساسية التحليل للشبكة PN و MDG (S_{m ، أيوني ، PN} ، S_{m ، أيوني ، MDG} - عدد / (ميكروغرام / لتر)) ، حجم القطرة (_قطرة V - pL) ، زمن السكون (t_d - ms) ، وكفاءة نقل PN (η_PN) ، وكفاءة نقل μDG (η_μDG) ، وشدة المحاليل الأيونية المقاسة بواسطة PN و μDG (I_{ionc ، PN} ، I_{ionic ، μDG} - تعداد) وتركيز المحلول الأيوني المستخدم لكل من أنظمة الحقن (c_{أيوني ، PN} ، ج_{أيوني ، μDG} - ميكروغرام / لتر):
   1. الوضع الأول:
   2. الأسلوب الثاني:
   3. 
   4. 
   5. 
   6. 
10. افترض أن كفاءة النقل ل μDG تساوي 1:¹⁹
    1. 
11. احسب تركيز عدد الجسيمات لمحلول NP الذي تم تحليله من خلال مراعاة حجم العينة المحقون أثناء القياس (_حقن V):
    
    ملاحظة: في الورقة المعدة ، يتم إجراء جميع العمليات الحسابية تلقائيا بعد التقسيم. تظهر النتائج في جدول "معلمات الإخراج" (الخلايا BH7: BR35) وتحتوي على الصيغ الموضحة أعلاه بما في ذلك خطوات الحساب الفردية.

النتائج

الشكل 3: تحديد حجم القطرة باستخدام كاميرا CCD. معايرة كاميرا CCD بسلك نحاسي 150 ميكرومتر (A) وتحديد حجم القطرة بعد تحويل صور القطرات المحققة إلى صورة ملونة ثنائية (B). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: التحقق من صحة إعداد المدخل المزدوج. معايرة متعددة النقاط لنظام مدخل μDG (A) و PN (B) للذهب (Au) والفضة (Ag) والسيريوم (Ce). يتم تحويل التركيز المستخدم في حدود 0.2 - 20 ميكروغرام ^{مل -1} ، اعتمادا على الظروف التجريبية المستخدمة في الكتلة لكل حدث تم اكتشافه. البيانات المعروضة هي متوسط قيم ثلاث نسخ مكررة مستقلة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: تمثيل القياس لإعداد المدخل المزدوج. القياس الكمي ل CeO₂ NP مع القضبان الملونة كما هو موضح في الشكل 2 لخطوات الحقن المختلفة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

عينة	وضع التحليل /	مدخل لعينة NP	مدخل لمعايير المعايرة	η	مأ ، ع	حجم NP (د)	#NPs		الاستعادة (٪)
	η تحديدPN			(%)	(FG)	(نانومتر)	(مل -1 × 103)
الاتحاد الافريقي 56 نانومتر	الوضع الأول /	PN	PN: معايير Au الأيونية و AuNP	1.8 (0.1)	1.9 (0.5)	57.2 (4.3)	28.1 (0)		100
NIST 8013	طريقة العد
	الوضع الثاني /	PN	PN / μDG:	1.9 (0.1)	2 (0.4)	58 (3.6)	25.6 (1.6)		91
	نسبة الحساسية		معايير الاتحاد الافريقي الأيونية
	الوضع الثالث /	μDG	μDG:	100	1.7 (0.2)	55 (2.4)	394.4 (29.3)		70
	ηميكروDG = 1		معيار الاتحاد الافريقي الأيوني
الحجم المتوقع (نانومتر)						56.0 (0.5)
Ag 75 نانومتر	الوضع الأول /	PN	PN: معايير Ag الأيونية و AgNP	2.3 (0.2)	1.9 (0.2)	70.2 (2.3)	21.6 (0)		100
NIST 8017	طريقة العد
	الوضع الثاني /	PN	PN / μDG:	2.5 (0.2)	2 (0.2)	71.5 (2.1)	20.5 (1.9)		95
	نسبة الحساسية		المعايير الأيونية Ag
	الوضع الثالث /	μDG	μDG:	100	2.5 (0.2)	76.7 (2.3)	757.1 (68.7)		88
	ηميكروDG = 1		معيار Ag الأيوني
الحجم المتوقع (نانومتر)						74.6 (3.8)
سيأو 2 JRC NM212	الوضع الأول /	PN	PN: معايير Ce الأيونية و AuNP	1.7 (0)	0.90 (0.09)	61.9 (2.0)	7.59 (0.32)		-
10-100 نانومتر	طريقة العد
	الوضع الثاني /	PN	PN / μDG:	4.9 (1.4)	1.36 (0.35)	70.6 (5.9)	5.42 (1.7)		-
	نسبة الحساسية		معايير CE الأيونية
	الوضع الثالث /	μDG	μDG:	100	1.63 (0.62)	74.4 (9.2)	590 (168)		-
	ηميكروDG = 1		معيار CE الأيوني

الجدول 3: نتائج إعداد المدخل المزدوج. كفاءة النقل ، وكسر الكتلة المعدنية ، والقطر وتركيز رقم NP ل Au NIST 8013 و Ag NIST 8017 و CeO₂ JRC NM 212 (n = 3) مواد NP باستخدام ثلاثة أوضاع تحليل وثلاث طرق لتحديد كفاءة النقل. وتعرف النسبة المئوية للاسترداد بأنها نسبة #NPs المحددة إلى #NPs المتوقعة. أعيد طبع الجدول بإذن من المرجع¹⁴.

يسمح البروتوكول المقدم هنا بتحديد كتلة الجسيمات وتركيز العدد. تم تمييز تكوين قطرات μDG ، بما في ذلك حجم القطرة (الشكل 3) مسبقا (الجدول 3).

بعد تجميع الإعداد (الشكل 1) وتحديد حجم القطرة ، تم التحقق من صحة كلا نظامي الحقن بالمعايير الأيونية (الشكل 4). يمكن تحقيق دقة r² > 0.99 مع كلا نظامي الحقن لجميع العناصر التي تم فحصها. ومع ذلك ، هناك اختلافات في كلا النظامين بسبب كمية المادة التحليلية التي يتم إدخالها ونقلها. نظرا لأن μDG يتمتع بكفاءة نقل عالية جدا (تصل إلى 100٪) ، فقد لوحظت حساسيات تحليلية أعلى مقارنة ب PN مع مدخلات كتلة منخفضة في نفس الوقت. ومع ذلك ، يجب فصل التركيزات المقاسة التي أدخلها μDG إلى نطاقين خطيين. بالنسبة إلى Ag ، يمكن ملاحظة المدى الخطي الأول بين 0 و 0.5 fg ^event-1 والثاني بين 0.5 و fg ^event-1. في المقابل ، يتراوح النطاق الخطي الأول ل Ce بين 0 و 0.25 fg ^event-1 والثاني بين 0.25 و 3 fg ^event-1. يبدو أن المدى الخطي ل PN للتركيزات المقاسة أعلى. يرتبط هذا على الأرجح باختلاف الكتلة التي تم إدخالها في ICP-MS لكل حدث كشف. يقوم μDG بحقن كمية مطلقة ثابتة في حجم منخفض لكل قطرة وحدث كشف مما يؤدي إلى انخفاض الكتلة المكتشفة مقارنة بإدخال العينات باستخدام PN.

بعد التحقق الناجح ، يمكن إجراء التجارب كما هو موضح في الشكل 2. يتم توضيح نتيجة هذه التجارب في الشكل 5 لتحديد حجم الجسيمات وتركيز عدد CeO₂ NP. هنا يمكن تحديد إشارات المحاليل الأيونية و NP المقدمة عبر μDG و PN. تم إجراء تحديد ثلاثي لجميع الجسيمات التي تم فحصها.

تم إجراء تقييم البيانات التي تم الحصول عليها على النحو الموضح أعلاه وتم تلخيصه في الجدول 3. بالنسبة للوحدة النووية Au و Ag المستخدمة للتحقق من صحة إعداد مدخل المبارزة وأنماط التحليل الثلاثة ، يمكن تحقيق حجم الجسيمات المعتمدة وتركيز العدد مع جميع أوضاع التحليل التي يتم إجراؤها. يتراوح متوسط أحجام الجسيمات التي تم الحصول عليها ل CeO₂ بين 10 و 100 نانومتر ، وهو النطاق المحدد من قبل الشركة المصنعة.

الشكل 1: تصميم إعداد واجهة المدخل المزدوج. الجزء 1 - وحدة الموصل ، الجزء 2 - نظام الإدخال التقليدي ، الجزء 3 - وحدة نقل القطرات الدقيقة ، الجزء 4 - وحدة توليد القطرات الدقيقة ، الجزء 5 - وحدة التحكم في القطرات الدقيقة ، والتكوين المفتوح لقياس حجم القطرات بما في ذلك ضوء ستروبوسكوب وكاميرا CCD. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

الهدف من إعداد المدخل المزدوج المطور هو توصيف وقياس NP بأكبر قدر ممكن من الدقة فيما يتعلق بحجمها وتركيزها العددي باستخدام طرق تحليل مختلفة ، بغض النظر عن المادة المراد التحقيق فيها. من خلال الجمع بين نظام إدخال منخفض الحجم (pL) ونقل الكتلة العالي (حتى 100٪) مع نظام إدخال تقليدي (PN) ، يمكن تحقيق ذلك. باستخدام الإعداد المقدم في هذا العمل ، يمكن تحديد كفاءة النقل القائمة على العناصر الخاصة بالمطلوبة للقياس الكمي لكتلة الجسيمات بناء على المعايير الأيونية وبشكل مستقل عن المواد المرجعية NP. بالإضافة إلى ذلك ، فإن NPs التي تم إدخالها في ICP-MS مع μDG لها توزيع أضيق لحجم الجسيمات (AuNP) أو ما شابه ذلك (AgNP). خلاف ذلك ، بالنسبة ل CeO₂ ، لوحظ توزيع أوسع للحجم ل μDG ويمكن أن يعزى إلى التشتت المتعدد للعينة التي تم تحليلها. نظرا لإدخال الحجم المنخفض ، يمكن اكتشاف اثنين من NPs بشكل منفصل عن بعضهما البعض ، والتي يمكن تفسيرها على أنها NP واحد في الإعداد^{التقليدي 14}.

تتمثل المزايا الناتجة عن وحدة النقل μDG في الدرجة العالية من المرونة بسبب أنابيب السيليكون المرنة ، مما يبسط محاذاة الإعداد. يمكن أيضا ضبط الشعلة المزودة بالحاقن أثناء الإعداد بينما لا تزال متصلة ب ICP-MS. يمنع تدفق الغاز He الإضافي المطبق تصادم القطرات التي يتكون منها رأس μDG مع جدران الأنابيب²⁰. علاوة على ذلك ، يسمح غاز He بإزالة رأس μDG أثناء تبادل العينة حتى عندما لا يزال ICP-MS يعمل. يعد الحفاظ على برنامج المقارنات الدولية في حالة تشغيلية أمرا بالغ الأهمية لقياس مستقر وقوي. نظرا لأنه يجب تنظيف رأس μDG وشطفه مع كل عينة أو معيار جديد ، فإن تدفق He أمر حيوي لتشغيل نظام المدخل الذي تم تقديمه في هذا العمل. علاوة على ذلك ، يجب توصيل جميع أجزاء إعداد المدخل المزدوج بشكل صحيح لمنع تغلغل الأكسجين في النظام. من أجل تقليل الأكسجين في الإعداد المقدم ، يتم شطف النظام باستخدام البخاخات وغاز نقل القطرات قبل اشتعال البلازما لمدة 5 إلى 10 دقائق على الأقل.

عندما تصل القطرات المتكونة إلى وحدة الموصل ، يتم نقلها إلى البلازما عن طريق تيار سائل بخاخ ، يشار إليه أيضا باسم حالة البلازما الرطبة. بالمقارنة مع استخدام ظروف البلازما الجافة ، يؤدي ذلك إلى زيادة المحتوى السائل في البلازما. وبالتالي ، تنخفض شدة الإشارة وكذلك تذبذب زيادة الإشارة ، أي انحراف معياري أعلى لإشارة القياس المتوسطة¹³. ومع ذلك ، باستخدام μDG وتركيزات في نطاق 0.2 ميكروغرام / لتر يمكن الكشف عن إشارات فوق الخلفية. تحتوي الكتلة المحقونة المقابلة لكل قطرة على محتوى معدني منخفض ، وهو قريب من حدود الكشف لبعض العناصر (مثل Au و Ag و Ce). إذا تم استخدام تركيزات مختلفة للمعايرة على طول هذا الحد ، يمكن ملاحظة منطقتين خطيتين مع تداخل عند حوالي 0.05 ميكروغرام / لتر ل Ce و 2 ميكروغرام / لتر ل Ag. أسفل المنطقة المتداخلة ، تكون الإشارات المرصودة قريبة من الخلفية الخاصة^{بالعنصر 21}. فوق هذه الحدود ، يمكن تحديد نطاق العمل الخطي ل μDG. حتى مع القدرة على قياس التركيزات المنخفضة ، من المستحيل التمييز بين الأيونات و NP من نفس المادة المراد تحليلها داخل قطرة إذا كانت موجودة في وقت واحد. خلاف ذلك ، باستخدام نظام الإدخال التقليدي ، يمكن تحديد متوسط الخلفية الأيونية وطرحها من جميع الإشارات للحصول على إشارات الجسيمات فقط.

وللنظام القائم على الأهداف الإنمائية للألفية أيضا العديد من القيود التي يمكن التحايل عليها جزئيا بتطبيق نظام المدخل المزدوج المقترح. ومع ذلك ، إذا تجاوز تردد القطرات ل μDG 50 هرتز ، فلا يمكن إنشاء نمط قطرة ثابت. قد تصطدم القطرات المتكونة ، وبالتالي يحدث تبادل التحليل يعد الضبط الصحيح لمعدلات تدفق الغاز مهما أيضا لنقل القطرة بشكل موثوق به إلى نظام ICP-MS وكذلك للتشغيل الصحيح ل PN. لا يدعم نظام المدخل المزدوج المقترح حاليا أتمتة إجراء القياس حيث يوجد شرط لتغيير حلول العينة يدويا.

في المستقبل ، يمكن استخدام μDG لتوصيف وقياس NPs في المصفوفات المعقدة والعينات البيئية. لمنع انسداد μDG بسبب لزوجة المحلول العالية والتعقيد والتوتر السطحي ، يجب استخدام تصميم رأس مناسب. اعتمادا على تصميم رأس μDG وتشغيل مصدر الطاقة ، قد يكون من الممكن توليد قطرات تحتوي على أنظمة شبيهة بالجسيمات مثل الخلايا أو المذيلات أو ناقلات الدهون التي لا تتوفر لها مواد مرجعية قياسية على الإطلاق.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Au ionic (1000 mg L-1 stock)	VWR, UK	85550.18E
Ag ionic (1000 mg L-1 stock)	Ultra Scientific, RI, USA	ICM-103
Ag NP (75nm, NIST 8017)	NIST, Gaithersburg, MD, USA		no longer available
Au NP (60nm, NIST 8013)	NIST, Gaithersburg, MD, USA		no longer available
Ce ionic (1000 mg L-1 stock)	VWR, UK	85557.18E
CeO2 (10-100nm, NM212)	EU Joint Research Centre	NM212
Excel 2016	Microsoft
Fiji	ImageJ
Glass female spherical ball + Glass male ball	Fisher Scientific	12499016
HCl (emprove bio)	Merck, Germany	100317
ICP-MS spray chamber with ipact bead	LabKings	LK6-45013 (OEM 3600170)
Metal clamps for spherical glass joint	Fisher Scientific	11322015
Metal T-Piece	Swagelok	SS-4-VCR-T
Microdrop Dispenser Head, non heated	microdrop Technologies	944
Microdrop Dispensing System MD-E-3000	microdrop Technologies
MilliQ water (MilliPore gradient)	Merck MilliPore, Darmstadt, Germany
O-ring free quartz torch	Analytical West	450-301
PFA-ST concentric nebulizer	Elemental Scientific	ES-2042
Silicone Rubber Tubing - 60° Shore - Platinum Cured - Black	Silex
XIMEA Cam Tool	XIMEA