Çok Modlu Tek Parçacıklı Endüktif Eşleştirilmiş Plazma Kütle Spektrometresi Analizi ve Validasyonu için Çok Yönlü Çift Girişli Numune Tanıtım Sistemi

Özet

Burada, standart bir bağımsız nanoparçacık karakterizasyonuna izin veren tek parçacıklı endüktif olarak eşleştirilmiş kütle spektrometresi için çift girişli bir sistemin kullanımı için bir protokol sunuyoruz.

Özet

Metal içeren nanopartiküller (NP), cihazın tek partikül modu (spICP-MS) kullanılarak boyut ve sayı konsantrasyonları açısından endüktif olarak eşleştirilmiş plazma kütle spektrometreleri (ICP-MS) ile karakterize edilebilir. Ölçümün doğruluğu, cihazın kurulumuna, çalışma koşullarına ve kullanıcı tarafından ayarlanan belirli parametrelere bağlıdır. ICP-MS'nin taşıma verimliliği, NP'nin miktar tayini için çok önemlidir ve genellikle homojen boyut dağılımına ve bilinen bir parçacık sayısı konsantrasyonuna sahip bir referans malzeme gerektirir.

Şu anda, NP referans malzemeleri yalnızca birkaç metal için ve sınırlı boyutlarda mevcuttur. Parçacıklar bir referans standardı olmadan karakterize edilirse, hem boyut hem de parçacık sayısı sonuçları önyargılı olabilir. Bu nedenle, bu sorunun üstesinden gelmek için nanopartikülleri spICP-MS ile karakterize etmek için çift girişli bir kurulum geliştirilmiştir. Bu kurulum, nanopartikül çözeltileri için bir pnömatik nebülizör (PN) ve iyonik kalibrasyon çözeltileri için bir mikro damlacık jeneratöründen (μDG) oluşan geleneksel bir giriş sistemine dayanmaktadır. μDG, PN ve ICP-MS sisteminin bağlanmasını kolaylaştırmak için yeni ve esnek bir arayüz geliştirilmiştir. Arayüz, mevcut laboratuvar bileşenlerinden oluşur ve ICP-MS cihazı hala çalışırken kalibrasyona, nanopartikül (NP) karakterizasyonuna ve düzenlemenin temizlenmesine izin verir.

Partikül boyutunu ve sayı konsantrasyonunu belirlemek için üç bağımsız analiz modu mevcuttur. Her mod farklı bir kalibrasyon prensibine dayanır. Mod I (sayma) ve mod III (μDG) literatürden bilinirken, mod II (duyarlılık), sadece inorganik iyonik standart çözeltilerle taşıma verimliliğini belirlemek için kullanılır. NP referans malzemelerinden bağımsızdır. Burada açıklanan μDG tabanlı giriş sistemi, üstün analit hassasiyetlerini ve dolayısıyla daha düşük algılama limitlerini (LOD) garanti eder. Elde edilen boyuta bağlı LOD'ler, araştırılan tüm NP (Au, Ag, CeO₂) için 15 nm'den azdır.

Giriş

Endüktif olarak eşleştirilmiş plazma kütle spektrometreleri, tek parçacık modu ^1,2,3 olarak adlandırılan çeşitli numunelerde ve matrislerde NP'nin boyutunu ve sayısını ölçmek için yaygın olarak kullanılır. Tek parçacık modu, veri toplama sisteminin kısa bir entegrasyon veya bekleme süresi ile çalışmasıdır. Ölçülen her NP, çifte olayları önlemek için NP süspansiyonunun yeterli bir seyreltilmesi kullanılmışsa, bu zaman aralığında (saniyedeki sayım olarak ölçülen olay: cps) entegre bir sinyal üretir. Kalibrasyon standardı ve numune genellikle pnömatik nebulizasyona (PN) dayalı geleneksel bir numune giriş sistemi aracılığıyla ICP-MS'ye ^{tanıtılır4}. Bununla birlikte, bir ön koşul olarak, NP başına metal kütlesini doğru bir şekilde ölçmek ve süspansiyondaki sayı konsantrasyonlarını belirlemek için numune giriş akış hızı ve taşıma verimliliği (η) belirlenmelidir. Taşıma verimliliği, ICP-MS⁵ tarafından tespit edilen kütleye (atık toplama yöntemi)) veya partikül sayısına (sayma yöntemi) enjekte edilen kütle veya partikül sayısının oranını tanımlar. Taşıma verimliliği en sık nanopartikül bazlı referans malzemeleri⁵ kullanılarak belirlenir. Bununla birlikte, taşıma özellikleri NP'nin yapısına bağlıdır ve bileşim ve numune dağıtıcı gibi özellikleri içerir. Etkileyen diğer faktörler, numune alım hızı, nebulizatör gazı akış hızı, bekleme süresi ve toplam ölçüm süresi gibi enstrümantal parametrelerdir.

Yalnızca sınırlı nanopartikül referans malzemeleri mevcut olduğundan, elde edilen NP analiz sonuçları, referans ve numune parçacıkları arasındaki element bileşimindeki farklılıklar nedeniyle önyargılı olabilir. Sınırlı sayıda referans malzemesinin mevcudiyetinin yanı sıra, dedektörün bekleme süresi başına birden fazla parçacık olayının tespiti başka bir zorluğu temsil eder. Bu aynı zamanda belirlenecek nakliye verimliliğinin doğruluğunu da etkileyebilir.

Referans materyallerden bağımsız olması için, ideal olarak, neredeyse %100 taşıma verimliliğine sahip bir numune yerleştirme sistemi tercih edilir. Aynı zamanda, konvansiyonel giriş sistemlerine göre düşük bir hacim kullanıldığında, daha yüksek partikül sayısı konsantrasyonları kullanılabilir. İki parçacık birbirine yakın olsa bile, μDG tabanlı sistemle her ikisi de ayrı ayrı tespit edilebilir.

μDG, pL aralığında sabit bir hacme sahip monodispers damlacıklar üretebilir ve bu amaç için çok uygundur 6,7,8,9. μDG, hem iyonik hem de partikül numunelerin farklı çözücüler içinde ICP-MS'ye enjeksiyonunu kolaylaştırır. İyonik metal numuneler söz konusu olduğunda, üretilen damlacıkların ICP'ye giderken tamamen çözüldüğü varsayılmaktadır. Buna göre, damlacık tüm suyu kaybeder ve kalan tuzdan bir parçacık oluşur. Bu parçacığın çapı, kullanılan konsantrasyon ile doğru orantılıdır. Böylece, araştırılacak NP'nin iyonik çözeltisinin değişen konsantrasyonuna sahip aynı matris, kütle ve boyuta sahip ev yapımı referans standartları şirket içinde üretilebilir. Bir damlacığın hacmi, μDG tarafından ölçülen damlacık çapına bağlı olarak kolayca hesaplanabilir. Bu, farklı çaplarda^10,11 geniş bir damlacık dağılımı üreten bir PN ile mümkün değildir. μDG'nin %100'ü kadar yüksek taşıma verimliliğinde tek tip numune girişi sayesinde, cihaza özgü yüksek analit hassasiyeti elde edilebilir. Kullanılan matrise bağlı olarak, bu, PN^12'ye dayalı geleneksel giriş sistemlerinin sonuçlarına kıyasla partikül kütlesi ve boyutunun daha düşük tespit sınırlarına (LOD) yol açar. Bununla birlikte, μDG'nin tasarımı nedeniyle, ICP-MS sistemi hala çalışır durumdayken numuneler kolayca değiştirilemez. Farklı numunelerin ölçümleri arasında, μDG'nin temizlenmesi ve ardından sistem stabilizasyonu için numune çözeltisi ile yıkanması gerekir. Ek olarak, ağır matris numunelerine toleransı büyük ölçüde test edilmemiştir. Ayrıca, son derece düşük akış hızları nedeniyle, iyi istatistikler elde etmek için analiz süresi son derece uzun olacaktır, bu da örneğin çevresel sular gibi "gerçek" numunelerin analiz edilmesi gerekiyorsa, pratik kullanımını sınırlar.

Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için, μDG daha önce çift girişli sistem¹³ adı verilen geleneksel bir pnömatik nebulizatör tabanlı sistemle birlikte çalıştırılmıştır. μDG ve NP süspansiyonu ile kalibrasyon standartlarını pnömatik bir nebülizör aracılığıyla ICP-MS'ye ekleyerek, Ramkorun-Schmidt ve ark. her iki sistemden de yararlanabildiler¹³. Au ve Ag NP'nin metal kütle fraksiyonunun, taşıma verimliliği tayinine gerek kalmadan son derece hassas bir şekilde belirlenmesi sağlandı. Bununla birlikte, bu ikili giriş sistemi ile partikül sayısı konsantrasyonları belirlenmemiştir. Ayrıca, μDG sisteminin temizlenmesi ve hizalanması, rutin analizler için uygulanabilirliği zorlaştırıyordu.

Bu yazıda, NP partikül boyutunu ve partikül sayısı konsantrasyonunu belirlemek için esnek bir çift girişli arayüz öneriyoruz ve bunun montajını ve pratik kullanımını gösteriyoruz. Ramkorun-Schmidt ve ark. sistemi gibi, hem μDG hem de PN numune giriş sisteminden oluşur. Çift girişli sistemin, mevcut geliştirme aşamasında, metal içeren NP'leri araştırmak ve karakterize etmek için üç bağımsız analiz modunun uygulanmasına izin verdiğini gösteriyoruz. Çift girişli sistemimiz, NP tayini için kalibrasyon prosedürünü basitleştirir ve liyakat analitik rakamlarını, özellikle de doğruluğu^{iyileştirir 14}. Giriş sistemleri, ICP-MS hala çalışıyorken bile μDG'nin uygun şekilde numune değişimine ve temizlenmesine olanak tanır, böylece genel analiz süresini ve yanlış hizalama riskini azaltır. Sistem performansını test etmek için, yöntem doğrulama ve karşılaştırılabilirlik için iyi karakterize edilmiş referans NP (60 nm AuNP – NIST 8013, 75 nm AgNP – NIST 8017) kullanılır.

Protokol

1. Çift girişli numune giriş kurulumunun montajı

NOT: Farklı parçalarla ilgili ayrıntılar Tablo 1'de gösterilmektedir.

	Bileşen
Bölüm 1	Yaklaşık 10 mm şaft uzunluğuna sahip cam dişi küresel bilyeli mafsal
	Yaklaşık 10 mm şaft uzunluğuna sahip cam erkek rotil
	Metal T parçası (boyutlar: 1/4 inç)
	Camdan metale yapıştırıcı
	Küresel cam bağlantılar için iki kelepçe
Bölüm 2	ICP-MS püskürtme odası (önerilen tip: darbe boncuk püskürtme odası, siklonik püskürtme odası veya benzeri)
	Pnömatik nebulizatör (önerilen tip: konsantrik nebulizatör)
	Kelepçe
Bölüm 3	O-ring içermeyen kuvars meşale
	Gaz hattı konektörü kapalı uçlu
	Gaz hattı konektörü açık uçlu
	İletken ve esnek silikon tüp
Bölüm 4	Piezoelektrik Mikro damlacık üretim ünitesi
Bölüm 5	Mikro damlacık kontrol ünitesi

Tablo 1: Çift girişli kurulumu oluşturmak için kullanılan Bileşenlerin Listesi.

1. T parçalı bir konektör ünitesinin yapısı (Şekil 1, Bölüm 1).
   NOT: Bu bölüm, geleneksel numune giriş sistemini (adım 1.2) ve μDG taşıma ünitesini (adım 1.3) birbirine bağlar.
   1. T parçalı bir konektörün zıt açıklıklarına bir erkek ve dişi bilyeli mafsallar yerleştirin.
   2. Erkek ve dişi bilyeli mafsalları camdan metale yapıştırıcı (örn. silikon yapıştırıcı) kullanarak sabitleyin.
   3. Dişi bilyeli mafsalı bir cl kullanarak ICP-MS enjektörüne bağlayın.amp.
2. Konvansiyonel bir numune giriş sisteminin eklenmesi (Şekil 1, Bölüm 2)
   NOT: Bu parça T parçası konektör ünitesine bağlıdır (adım 1.1)
   1. Bir ICP-MS püskürtme odasını, kullanılan püskürtme odasına uyan bir pnömatik nebulizatör (PN) ile birleştirin.
   2. Püskürtme haznesi çıkışını T parçası konektörünün erkek bilyeli mafsalına bağlamak için bir cl kullanın (adım 1.1'de açıklanmıştır).
      NOT: Püskürtme haznesi çıkışı genellikle bir dişi bilyeli mafsal konektörü ile donatılmıştır. Şekil 1'de gösterilen kombinasyon, bir nebulizatör ve bir darbeli boncuk püskürtme odasından oluşur. Darbe boncuklu püskürtme odası yerine, taşıma verimliliği %2 ila %10 veya daha yüksek olan diğer püskürtme odaları kullanılabilir.
3. Mikro damlacık taşıma ünitesinin yapısı (Şekil 1, Bölüm 3)
   NOT: Bu parça, T parçası konektör ünitesini (adım 1.1) ve μDG ünitesini (adım 1.4) birbirine bağlar.
   1. Sökülebilir bir kuvars meşaleyi, enjektör borusu çıkarılmış olarak, uygun cl'leri kullanarak torç girişi üstte olacak şekilde bir laboratuvar standına takın.amps.
   2. Torç plazma/yardımcı gaz girişini kapalı uçlu gaz konektörleri ile bloke edin.
      NOT: Numune, peristaltik bir pompa kullanılarak nebulizatöre taşınır. Argon gazı, numunenin püskürtme odasına nebulizasyonu ve plazmaya daha fazla taşınması için kullanılır.
   3. Uygun bir gaz konektörü kullanarak soğutma gazı girişi aracılığıyla torca bir helyum gazı hattı bağlayın.
      NOT: Uygulanan helyum gazı, üretilen damlacıkların çözülmesi için kullanılır ve damlacığın kurulumun duvarlarıyla çarpışmasını önleyen ve ICP-MS cihazının atmosferik oksijen girmesini önleyen bir kılıf gazı görevi görür. μDG'nin numune giriş kafasının temizlik ve numune değişimi için çıkarılması gerekir.
   4. 30 cm uzunluğunda iletken ve esnek bir silikon tüpü (iç 0,75 cm) bir adaptör kullanarak torcun çıkış ucuna (torcun alt kısmı) bağlayın.
   5. Esnek silikon boruyu kalan dikey metal bağlantısının üzerine gererek silikon borunun aşağı ucunu T parçası konektör ünitesine bağlayın.
      NOT: Esnek silikon boru, bağlı kurulumla ICP-MS cihazının x-y-z ayarına izin verir.
4. Mikro damlacık üretim ünitesi ile mikro damlacık üretim kontrol ünitesinin bağlantısı (Şekil 1 Bölüm 4, Bölüm 5)
   NOT: Bu parça μDG taşıma ünitesine bağlıdır (adım 1.3)
   1. μDG kafasını torcun numune giriş ucuna sokarak hazırlanan μDG ünitesini mikro damlacık taşıma ünitesine bağlayın.
   2. Güç kaynağını μDG kontrol ünitesine bağlayın.
      NOT: Burada açıklanan kurulum, piyasada bulunan bir μDG kafası ve μDG güç kaynağından oluşur. Kullanılan μDG kafasına bağlı olarak, kurulum buna göre uyarlanmalıdır.

2. Damlacık boyutunun ölçülmesi

1. μDG tarafından üretilen damlacıkların görüntülerini çekmek için bir stroboskop ışığı ve bir CCD kamera (örneğin, açık bir konfigürasyonda, Şekil 1 boyut ölçüm konfigürasyonuna bakın) kullanın.
2. μm aralığında boyutu bilinen bir nesnenin (örn. 150 μm çapında bakır tel) görüntülerini çekerek CCD kamerayı kalibre edin.
3. Deney için kullanılan ayarlarda en az 1.000 damlanın görüntülerini alın (bakınız Tablo 2).
4. Aşağıdaki adımlarda nesne ve damla boyutu ile ilgili görüntüleri değerlendirmek için uygun bir grafik yazılım programı kullanın (Malzeme Tablosuna bakın):
   1. Nesnenin görüntüsünü yüklemek için Dosya ve Aç'a tıklayın.
   2. Resme Tıklayın | Ayarla | Kaydırma çubuklarını hareket ettirerek nesnenin alanını tanımlamak için kullanılan eşik.
   3. Ayarları uygulamak için Uygula'ya tıklayın.
   4. Düz segment düğmesine tıklayın.
   5. Nesnenin yanına bir çizgi çizmek için farenin sol düğmesini tıklayın ve basılı tutun.
   6. Nesne boyutunu ölçmek için Ctrl + M tuşlarına basın.
   7. Cismin çapını 5 farklı noktada ölçün.
   8. "Sonuçlar" tablosunu bir elektronik tablo yazılımına kopyalayıp yapıştırın.
   9. "Uzunluk" sütununun aritmetik ortalamasını hesaplayın.
   10. Piksel en boy oranını (PAR) hesaplayın: gerçek nesne boyutu (μm)/görüntüdeki ortalama nesne boyutu (px).
   11. Dosya | İthalat | Damlacıkların görüntülerini içe aktarmak ve yüklemek için Görüntü Sırası.
   12. Dikdörtgen'e tıklayın ve ilk görüntünün damlacığını işaretleyin.
   13. Mouse pad'e sağ tıklayın ve görüntü dizisinin damlacıklarını görüntünün geri kalanından ayırmak için Çoğalt'ı seçin.
   14. Damlacıkları adım 2.4.2'de belirtildiği gibi arka plandan ayırın.
   15. İşlem | İkili | Damlacık yüzeyindeki ışık yansımalarını gidermek için aşındırın.
   16. İşlem | İkili | "Aşındırma" adımını tersine çevirmek için genişletin.
   17. Analiz Et | Parçacıkları Analiz Edin | Tüm damlacıkları ölçmek için Tamam.
   18. "Özet" veya "Sonuç" tablosunu kopyalayıp bir elektronik tablo yazılımına yapıştırın.
   19. Gelincik çapının aritmetik ortalamasını piksel cinsinden hesaplayın.
   20. Çapı μm cinsinden dönüştürmek için PAR'ı kullanın: px/PAR cinsinden gelincik çapı.
       NOT: μDG tarafından oluşturulan damlacıkların boyutu, piezo elemanına⁷ uygulanan akım darbesinin seçilen uzunluğuna ve süresine bağlı olarak değişir.

3. Numune hazırlama

1. Seyreltik asitte 0,2 ila 20 μg/L konsantrasyon aralığında ölçülecek analitin iyonik bir kalibrasyon çözeltisini hazırlayın (örn., HCl (0,5 v/v), HNO₃ (3,5 v/v)).
2. Seyreltik asitte 1 ila 10 μg/L arasındaki konsantrasyon aralığında tek noktalı kalibrasyon için iyonik bir çözelti hazırlayın.
3. NP standart süspansiyonlarını üreticinin talimatlarına veya şirket içi protokollere göre hazırlayın.
   NOT: Adım 3.3.1 – 3.3.4, Ag, Au, CeO₂ NP'leri örnek olarak dikkate alarak NP standart süspansiyonlarının hazırlanmasını açıklar.
   1. PN için 10 mL 0.05 μg/L AuNP çözeltisi ve μDG için ultra saf suda 1 μg/L AuNP çözeltisi hazırlayın. Kullanmadan önce 20-60 saniye boyunca girdap.
   2. PN için 0.05 μg/L AgNP çözeltisi ve μDG için her ikisi de ultra saf suda 2 μg/L AgNP çözeltisi hazırlayın. ¹⁵ kullanmadan önce 20-60 saniye iyice çalkalayın.
   3. Metal oksitler^16,17 için daha önce tarif edildiği gibi kullanılacak CeO₂ NP çözeltilerini hazırlayın.
   4. PN için 0,05 μg/L CeO,₂ NP çözeltisi ve μDG için 1 μg/L çözelti hazırlayın.
      1. Toplam 15 mL - 20 mL'lik bir cam kapta 25.6 mg / mL CeO₂ NP tartın ve ultra saf suda hazırlanan 10 mL 0.05 (h / v) BSA çözeltisi ekleyin.
      2. Parçacık çözeltisini 309 saniye boyunca homojenize etmek için 7,35 W gücünde bir parmak ucu sonikatör kullanın.

4. Enstrümantal ayar ve parametreler

1. MDG jeneratörünün kapalı olduğundan emin olun ve 1. adımda yerleşik olan çift girişli numune giriş kurulumunu bir cl ile ICP-MS cihazının enjektörüne bağlayın.amp. Giriş sistemini nebulizatör gazı (Ar) ve damlacık taşıma gazı (He) ile 5 – 10 dakika yıkayın.
   NOT: ICP-MS cihazı, plazma odasına yüksek seviyelerde oksijenin girmesine karşı korunmalıdır.
2. Damlacık taşıma gazını (He) kapatın ve ICP-MS sistemini başlatın
3. ICP-MS sisteminin üreticisi tarafından belirtilen cihaz standart akort çözümünü kullanarak kullanmak istediğiniz ölçüm modunda cihazı ayarlayın.
   NOT: Standart bir ayarlama çözeltisi, örneğin %2,5 (h/h) nitrik asit ve %0,5 (h/h) hidroklorik asit karışımı içinde baryum, seryum, indiyum, uranyum, bizmut, kobalt, lityumdan (tümü 1 μg/L) oluşur.
4. PN'nin numune alım oranının belirlenmesi.
   1. Bir kabı 15 mL su ile doldurun.
   2. Gemiyi tartın.
   3. Kabı PN'nin borusuna bağlayın.
   4. Cihaz yazılımındaki peristaltik pompa başlatma düğmesine tıklayarak peristaltik pompayı çalıştırın.
   5. 5 dakikalık bir zamanlayıcı başlatın.
   6. Alım hattını tam olarak 5 dakika sonra kaptan çıkarın. Kabı tekrar tartın.
   7. Aşağıdaki formülü kullanarak numune alım oranını (mL/dk) hesaplayın: önce gemi ağırlığı - sonra gemi ağırlığı / zaman süresi.
5. Gerekirse analit hassasiyetini iyileştirmek için enstrümantal parametreleri optimize edin, örneğin nebulizatör gaz akış hızı, örnekleme derinliği, plazma gücü.
   NOT: Bir ICP-MS sisteminde optimize edilebilecek enstrümantal parametrelerin bir örneği olarak Tablo 2'ye bakın.
6. Damla oluşum hızının bir fonksiyonu olarak sabit bir sinyal hızı tespit edilene kadar He gaz akışını ayarlayın.

Parametre	Değer
ICP – MS:
Plazma Gücü (W)	1600
Örnekleme Derinliği (mm)	4
Akış hızları (L dk-1):
Yardımcı Gaz	0.65
Soğutma Gazı	14
Kez (s)
Veri edinme (ler)	1200
Bekleme süresi (s)	0.01
Arayüz:
PN Numune alım oranı (mL min-1)	0.21
Nebulizatör Gazı (L dk-1)	0.92
μDG:
Kılcal damar çapı (μm)	75
Düşme hızı (Hz)	10
O makyaj gazı (L dk-1)	0.27
Çalışma modu	Üçlü nabız
	Set1	Set2	Set3
Gerilim (V)	53	51	47
Darbe genişliği (μs)	20	25	12
Nabız gecikmesi (μs)	4	2	1

Tablo 2: Kullanılan enstrümantal parametrelerin değerleri.

5. Nanopartikül numunelerinin çok modlu ölçümü

1. μDG kontrol ünitesini hazırlayın
   1. μDG kontrol ünitesinin güç kaynağı anahtarını açın.
   2. Kontrol ünitesini başlatmak için ilk ekranda Başlat'a tıklayın.
   3. Kullanılacak darbe modunu seçmek için Genel Ayarlar'a tıklayın.
   4. Üçlü darbe modunu seçmek için darbe modunda sağ grafik düğmesine tıklayın.
      NOT: Üçlü darbe modu için ayarlar Tablo 2'de verilmiştir.
2. μDG ünitesini hazırlayın
   1. μDG'yi başlatmak için Açık/Kapalı öğesine tıklayın.
   2. Numune kabını ölçülecek numune çözeltisi ile doldurun.
   3. Numune kabını μDG ünitesine bağlayın.
   4. Kap ve μDG ünitesinden havayı boşaltmak için 10 mL'lik bir şırınga kullanarak.
   5. Şırıngayı, numune kabı kabındaki şırınga portuna bağlayın.
   6. Şırınga pistonunu, μDG kafasından çıkan sabit bir sıvı akışı gözlemlenene kadar itin.
   7. Basıncı 10 saniye koruyun.
   8. Şırıngayı çıkarın.
   9. Oluşan damlacıkları gözlemlemek için μDG ünitesini CCD kameranın odak alanına yerleştirin.
   10. CCD kamerayı bir PC veya dizüstü bilgisayara bağlayın.
   11. Oluşan damlacıkları gözlemlemek için CCD kamera yazılımını başlatın
   12. Damlacıkların canlı görüntüsünü almak için Başlat'a tıklayın.
   13. Sürekli damlacık oluşumunu gözlemleyin.
   14. μDG başlığını, çift girişli numune giriş sistemindeki ters çevrilmiş torç üzerine yerleştirin.
3. Tekrarlanan çok noktalı kalibrasyonları ölçerek ilgilenilen her bir eleman için hem μDG birimini hem de PN'yi doğrulayın.
   NOT: ICP-MS veri alımı için, cihazla ilişkili yazılımı kullanın.
4. Deneysel verileri bir elektronik tablo yazılımına aktararak çok noktalı kalibrasyonun doğrusal aralığını belirleyin.
   1. Her kalibrasyon noktasının aritmetik ortalamasını hesaplayın.
   2. Kesişme, eğim ve korelasyon katsayısını belirleyin.
      NOT: SP-ICP-MS için korelasyon katsayısı >0.99¹⁸ olmalıdır.
5. Daha sonra tek noktalı kalibrasyonlar için kalibrasyon eğrilerinin doğrusal aralığı içinde bir konsantrasyon seçin.
6. Çok modlu nanomalzeme nicelemesinin ölçümü ve doğrulanması için (NIST 8012, NIST 8013 veya NIST 8017 veya benzeri gibi referans malzemeleri kullanılarak) aşağıdaki adımların izlenmesi (Şekil 2).
   1. İlgilenilen analite göre bir nanoparçacık ve bir iyonik standart seçin.
   2. μDG ünitesini iyonik standart bir çözelti ile 5.2'ye göre hazırlayın.
   3. PN yoluyla seyreltilmiş bir asit çözeltisi (örn.% 0.5 v / v HCl) ekleyin.
   4. ICP-MS sisteminin ölçümünü zaman çözümlü modda başlatın.
   5. μDG'yi durdurmak ve PN'deki seyreltik asit çözeltisini iyonik standartla değiştirmek için 120 saniye sonra Aç/Kapat'a tıklayın.
   6. 330 s sonra, PN'deki iyonik standardı bir kez daha seyreltik bir asit çözeltisi ile değiştirin.
   7. Bu sırada μDG ünitesini kurulumdan çıkarın.
   8. μDG ünitesini temizlemek için μDG ünitesinin numune kabını (cam şişe) seyreltilmiş bir asit çözeltisi (örn. %3,5 HNO₃) içeren bir kapla değiştirin.
      1. 10 mL'lik bir şırıngayı hava ile doldurun.
      2. Şırıngayı μDG ünitesinin enjeksiyon portuna bağlayın ve μDG kafasından bir sıvı jeti görünene kadar şırıngayı boşaltın ve basıncı 30 saniye koruyun.
      3. μDG'yi NP ile adım 5.2'de belirtildiği gibi hazırlayınamp ve μDG ünitesini 510 s'de kuruluma geri takın.
   9. μDG'yi durdurmak için 810 s sonra Açık/Kapalı'ya tıklayın.
   10. PN'deki seyreltik asit çözeltisini NP numunesi ile değiştirin ve 300 s daha ölçün.
   11. Yaklaşık 1.200 saniye sonra ölçümü durdurun.
   12. μDG ünitesini adım 5.5.8'de belirtildiği gibi temizleyin.

Şekil 2: Çok modlu nanomalzeme miktar tayini için ölçüm stratejisi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

6. Veri analizi

NOT: Tüm hesaplama adımlarını basitleştirmek için ilgili bir elektronik tablo hazırlanmıştır (Ek Dosyaya bakınız).

1. Verileri işlemek ve ölçülen verileri içe aktarmak için veri çerçevelerini işleyebilen bir elektronik tablo veya yazılım kullanın. Tüm ölçümün yoğunluk değerlerini elektronik tablo yazılımına (elektronik ekte yer alır) A sütununa yapıştırın, veriler görselleştirilecektir. Hesaplama için gerekli tüm deneysel parametreleri "Giriş Parametresi" tablosuna girin.
2. Uygun elektronik tablo hücrelerini seçerek μDG iyonik (I), PN iyonik (II), μDG NP (III) ve PN NP (IV) için ilgi alanlarını (ROI) tanımlayın. ROI'lerin sınırlarını tanımlamak için hazırlanan sayfadaki grafiği kullanın ve değerleri "İlgi Bölgesinin Belirlenmesi" tablosuna (C1:E7 hücreleri) girin.
3. Her veri kümesini kopyalayıp ayrı bir sütuna yapıştırın. Ölçümü dört ROI'ye bölmek için hazırlanan sayfadaki ROI'yi Kopyala düğmesine basın (M:P sütunu).
4. I ve II'nin aritmetik ortalamasını hesaplayın.
5. III ve IV için ayrı parçacık veya damlacık sinyallerine ve arka plana yinelemeli yaklaşımı uygulayın.
   1. Ölçülen tüm değerlerin aritmetik ortalamasını ve standart sapmasını hesaplayın.
   2. Ortalama değer + 5*standart sapma ile bir limit veya kesme değeri hesaplayın.
   3. Tanımlanan parçacık sinyalleri üzerinde Kes komutunu kullanarak III ve IV sınır değerinden daha küçük tüm sinyalleri kaldırın. Bunları ayrı bir sütuna yapıştırmak için Yapıştır'ı kullanın.
   4. Ortalama değer ve standart sapma sabit olana kadar 1-3 arasındaki adımları tekrarlayın.
      NOT: Hazırlanan sayfanın Q ila BD sütunlarında, arka plan ve parçacık sinyallerini ayırmak için yinelemeli yaklaşım beş kez gerçekleştirilir.
6. III ve IV'ün tanımlanan parçacık sinyallerinin aritmetik ortalamasını hesaplayın.
7. Analitin enstrümantal tespit limitini (LOD - sayımlar), analit duyarlılığını (S_{C, iyonik} - sayımlar/(μg/L)), numune alım oranını (q_s - mL / dak), taşıma verimliliğini (η - bağıl birim) ve dökme malzeme yoğunluğunu (ρ - g/cm³) kullanarak μDG NP ve PN NP için minimum algılanabilir partikül boyutunu (LOD_boyutu - nm) hesaplayın:
   1. 
   2. 
8. Standart bir çözeltinin iyonik metal konsantrasyonunu_(c a - μg/L) ve plazmadaki iyon akısını (sayım/sn) dikkate alarak uygulanan üç analiz moduna göre μDG NP ve PN NP için tanımlanan parçacık sinyallerinin kütlesini (m_a,p) ve parçacık boyutunu (parçacık büyüklüğünde – nm, parçacıkların küresel olduğu varsayılarak) hesaplayın:
   1. Kütle:
   2. Boyut:
9. Tespit edilen partikül sayısını (q_p), numunenin partikül konsantrasyonunu (c_{p,kullanılan} - 1/mL), PN ve MDG'nin analit hassasiyetini (S_{m,iyonik,PN, SMiyonik,MDG} – sayım/(μg/L)), damlacık hacmini (V_damla – pL) kullanarak analiz modlarının spesifik taşıma verimliliğini hesaplayın, bekleme süresi (t_d – ms), PN'nin taşıma verimliliği (η_PN), μDG'nin taşıma verimliliği (η_{μDG), PN ve μDG} tarafından ölçülen iyonik çözeltilerin yoğunluğu ( I_{iyonc, PN,} I_{iyonik, μDG} – sayımlar) ve her iki enjeksiyon sistemi için kullanılan iyonik çözeltinin konsantrasyonu (c_iyonik,PN, c_iyonik,μDG - μg/L):
   1. Mod I:
   2. Mod II:
   3. 
   4. 
   5. 
   6. 
10. μDG'nin taşıma verimliliğinin 1:^19'a eşit olduğunu varsayalım
    1. 
11. Ölçüm sırasında enjekte edilen numune hacmini (V enjekte edilen) dikkate alarak analiz edilen NP çözeltisinin partikül sayısı konsantrasyonunu_hesaplayın:
    
    NOT: Hazırlanan paftada tüm hesaplamalar bölme işleminden sonra otomatik olarak yapılır. Sonuçlar "Çıkış Parametreleri" tablosunda (BH7:BR35 hücreleri) gösterilir ve bireysel hesaplama adımları da dahil olmak üzere yukarıda açıklanan formülleri içerir.

Sonuçlar

Şekil 3: CCD kamera ile damlacık boyutunun belirlenmesi. CCD kameranın 150 μm bakır tel (A) ile kalibrasyonu ve elde edilen damlacık resimlerini ikili renkli resme (B) dönüştürdükten sonra damlacık boyutunun belirlenmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Çift giriş kurulumunun doğrulanması. Altın (Au), gümüş (Ag) ve seryum (Ce) için μDG (A) ve PN (B) giriş sisteminin çok noktalı kalibrasyonu. 0.2 – 20 μg ^mL-1 aralığında kullanılan konsantrasyon, tespit edilen olay başına kütle olarak kullanılan deney koşullarına bağlı olarak dönüştürülür. Sunulan veriler, üç bağımsız kopyanın ortalama değerleridir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Çift girişli kurulum için temsili ölçüm. Farklı enjeksiyon adımları için Şekil 2'de yapıldığı gibi CeO₂ NP'nin renkli çubuklarla miktar tayini. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Örnek	Analiz Modu /	NP numunesi için giriş	Kalibrasyon standartları için giriş	η	ma, p	NP boyutu (d)	#NPs		Geri Kazanım (%)
	ηPN tayini			(%)	(fg)	(nm)	(mL-1 x103)
Au 56 deniz mili	Modu-I /	PN	PN: Au iyonik ve AuNP standartları	1.8 (0.1)	1.9 (0.5)	57.2 (4.3)	28.1 (0)		100
NIST 8013 (İngilizce)	Sayma Yöntemi
	Modu-II /	PN	PN/μDG:	1.9 (0.1)	2 (0.4)	58 (3.6)	25.6 (1.6)		91
	Hassasiyet Oranı		Au iyonik standartlar
	Mod-III /	μDG (μDG)	μDG:	100	1.7 (0.2)	55 (2.4)	394.4 (29.3)		70
	ημDG = 1		Au iyonik standart
Beklenen boyut (nm)						56.0 (0.5)
Ag 75 deniz mili	Modu-I /	PN	PN: Ag iyonik ve AgNP standartları	2.3 (0.2)	1.9 (0.2)	70.2 (2.3)	21.6 (0)		100
NIST 8017 (İngilizce)	Sayma Yöntemi
	Modu-II /	PN	PN/μDG:	2.5 (0.2)	2 (0.2)	71.5 (2.1)	20.5 (1.9)		95
	Hassasiyet Oranı		Ag iyonik standartları
	Mod-III /	μDG (μDG)	μDG:	100	2.5 (0.2)	76.7 (2.3)	757.1 (68.7)		88
	ημDG = 1		Ag iyonik standardı
Beklenen boyut (nm)						74.6 (3.8)
CeO2 JRC NM212	Modu-I /	PN	PN: Ce iyonik ve AuNP standartları	1.7 (0)	0.90 (0.09)	61.9 (2.0)	7.59 (0.32)		-
10-100 deniz mili	Sayma Yöntemi
	Modu-II /	PN	PN/μDG:	4.9 (1.4)	1.36 (0.35)	70.6 (5.9)	5.42 (1.7)		-
	Hassasiyet Oranı		Ce iyonik standartlar
	Mod-III /	μDG (μDG)	μDG:	100	1.63 (0.62)	74.4 (9.2)	590 (168)		-
	ημDG = 1		Ce iyonik standart

Tablo 3: Çift girişli kurulumun sonuçları. Au NIST 8013, Ag NIST 8017 ve CeO₂ JRC NM 212 (n=3) NP malzemeleri için üç analiz modu ve üç taşıma verimliliği belirleme yöntemi kullanılarak taşıma verimliliği, metal kütle fraksiyonu, çap ve NP sayısı konsantrasyonu. Geri kazanım yüzdesi, belirlenen #NPs beklenen #NPs oranı olarak tanımlanır. Tablo, referans^14'ün izniyle yeniden basılmıştır.

Burada sunulan protokol, parçacık kütlesinin ve sayı konsantrasyonunun belirlenmesine izin verir. Damlacık boyutu (Şekil 3) dahil olmak üzere μDG damlacık oluşumu önceden karakterize edilmiştir (Tablo 3).

Kurulum monte edildikten (Şekil 1) ve damlacık boyutu belirlendikten sonra, her iki enjeksiyon sistemi de iyonik standartlarla doğrulandı (Şekil 4). İncelenen tüm elemanlar için her iki enjeksiyon sistemi ile r² > 0.99'luk bir doğruluk elde edilebilir. Bununla birlikte, tanıtılan ve taşınan analit miktarı nedeniyle her iki sistemde de farklılıklar vardır. μDG çok yüksek bir taşıma verimliliğine (%100'e kadar) sahip olduğundan, aynı anda düşük kütle girişi ile PN'ye kıyasla daha yüksek analit hassasiyetleri gözlenir. Bununla birlikte, μDG tarafından verilen ölçülen konsantrasyonların iki doğrusal aralığa ayrılması gerekir. Ag için, ilk doğrusal aralık 0 ile 0.5 fg ^olay-1 arasında ve ikincisi 0.5 ile fg ^olay-1 arasında gözlemlenebilir. Buna karşılık, Ce için ilk doğrusal aralık 0 ile 0.25 fg ^olay-1 arasındadır ve ikincisi 0.25 ile 3 fg ^olay-1 arasındadır. Ölçülen konsantrasyonlar için PN için doğrusal aralık daha yüksek görünmektedir. Bu, büyük olasılıkla, algılama olayı başına ICP-MS'ye sokulan kütlenin farkı ile ilgilidir. μDG, damla ve algılama olayı başına düşük bir hacimde sabit bir mutlak miktar enjekte eder ve bu da PN ile numunelerin eklenmesine kıyasla daha düşük tespit edilen kütle ile sonuçlanır.

Başarılı doğrulamadan sonra, deneyler Şekil 2'de açıklandığı gibi gerçekleştirilebilir. Bu tür deneylerin bir sonucu, CeO₂ NP'nin partikül boyutunun ve sayı konsantrasyonunun belirlenmesi için Şekil 5'te örneklendirilmiştir. Burada, μDG ve PN aracılığıyla tanıtılan iyonik ve NP çözeltileri için sinyaller tanımlanabilir. İncelenen tüm parçacıklar için üçlü bir belirleme gerçekleştirildi.

Elde edilen verilerin değerlendirilmesi yukarıda anlatıldığı şekilde gerçekleştirilmiş ve Tablo 3'te özetlenmiştir. Düello giriş kurulumunun ve üç analiz modunun doğrulanması için kullanılan Au ve Ag NP için, gerçekleştirilen tüm analiz modlarıyla sertifikalı partikül boyutu ve sayısı konsantrasyonu elde edilebilir. CeO₂ için elde edilen ortalama partikül boyutları, üretici tarafından belirtilen aralık olan 10 ile 100 nm arasındadır.

Şekil 1: Çift girişli arayüz kurulumunun tasarımı. Bölüm 1 - konektör ünitesi, Bölüm 2 - geleneksel giriş sistemi, Bölüm 3 - mikro damlacık taşıma ünitesi, Bölüm 4 - mikro damlacık üretim ünitesi, Bölüm 5 - mikro damlacık kontrol ünitesi ve bir stroboskop ışığı ve bir CCD kamera dahil olmak üzere damlacık boyutu ölçümü için açık konfigürasyon. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışmalar

Geliştirilen çift girişli kurulumun amacı, araştırılacak analitten bağımsız olarak, farklı analiz modları kullanılarak NP'nin boyut ve sayı konsantrasyonlarına göre mümkün olduğunca doğru bir şekilde karakterizasyonu ve miktarının belirlenmesidir. Düşük hacimli (pL) ve yüksek kütle taşıma (%100'e kadar) giriş sistemini (μDG) geleneksel bir giriş sistemi (PN) ile birleştirerek bu başarılabilir. Bu çalışmada sunulan kurulum kullanılarak, parçacık kütlesinin miktar tayini için gerekli olan elemente özgü tabanlı taşıma verimliliği, iyonik standartlara dayalı olarak ve NP referans malzemelerinden bağımsız olarak belirlenebilir. Ek olarak, μDG ile ICP-MS'ye eklenen NP'ler, daha dar (AuNP) veya benzer (AgNP) partikül boyutu dağılımına sahiptir. Aksi takdirde, CeO₂ için μDG için daha geniş bir boyut dağılımı gözlenmiştir ve analiz edilen numunenin daha yüksek polidispersitesine atfedilebilir. Düşük hacmin piyasaya sürülmesi nedeniyle, iki NP birbirinden ayrı olarak algılanabilir, aksi takdirde geleneksel kurulumda bir NP olarak yorumlanır¹⁴.

μDG taşıma ünitesinden elde edilen avantajlar, kurulumun hizalanmasını basitleştiren esnek silikon boru sayesinde yüksek derecede esnekliktir. Enjektörlü torç, kurulum sırasında ICP-MS'ye bağlıyken de ayarlanabilir. İlave uygulanan He gaz akışı, μDG kafası tarafından oluşturulan damlacıkların boru duvarları²⁰ ile çarpışmasını önler. Ayrıca, He gazı, ICP-MS hala çalışıyor olsa bile, numune değişimi sırasında μDG kafasının çıkarılmasına izin verir. ICP'yi çalışır durumda tutmak, kararlı ve sağlam ölçüm için çok önemlidir. μDG kafasının her yeni numune veya standartla temizlenmesi ve durulanması gerektiğinden, He akışı, bu çalışmada tanıtılan giriş sisteminin çalışması için hayati önem taşır. Ayrıca, oksijenin sisteme girmesini önlemek için çift girişli kurulumun tüm parçalarının doğru şekilde bağlanması gerekir. Sunulan kurulumda oksijeni azaltmak için, plazmanın tutuşmasından önce sistem en az 5 ila 10 dakika boyunca nebulizatör ve damlacık taşıma gazı ile yıkanır.

Oluşan damlacıklar konektör ünitesine ulaştığında, ıslak plazma durumu olarak da adlandırılan nebulize bir sıvı akışı ile plazmaya taşınırlar. Kuru plazma koşullarının kullanımıyla karşılaştırıldığında, bu, plazmanın sıvı içeriğinin artmasına neden olur. Sonuç olarak, sinyal yoğunluğu azalır ve sinyalin dalgalanması artar, yani ortalama ölçüm sinyalinin¹³ daha yüksek bir standart sapması olur. Bununla birlikte, μDG ve 0,2 μg/L aralığındaki konsantrasyonlar kullanılarak arka planın üzerindeki sinyaller tespit edilebilir. Damlacık başına karşılık gelen enjekte edilen kütle, bazı elementler (yani Au, Ag, Ce) için tespit sınırlarına yakın olan düşük metal içeriğine sahiptir. Bu sınır boyunca kalibrasyon için farklı konsantrasyonlar kullanılırsa, Ce için yaklaşık 0,05 μg/L ve Ag için 2 μg/L'de bir örtüşme ile iki doğrusal bölge gözlemlenebilir. Üst üste binen bölgenin altında, gözlemlenen sinyaller elemana özgü arka plana^{yakındır 21}. Bu sınırın üzerinde, μDG'nin doğrusal çalışma aralığı tanımlanabilir. Düşük konsantrasyonları ölçme kabiliyetine sahip olsa bile, aynı anda mevcutlarsa, bir damlacık içinde aynı analitin iyonlarını ve NP'sini ayırt etmek imkansızdır. Aksi takdirde, geleneksel giriş sistemi kullanılarak, yalnızca parçacık sinyallerini elde etmek için ortalama iyonik arka plan belirlenebilir ve tüm sinyallerden çıkarılabilir.

Binyıl Kalkınma Hedefleri (MDG) tabanlı sistemin, önerilen çift girişli sistemin uygulanmasıyla kısmen ortadan kaldırılabilecek çeşitli sınırlamaları da vardır. Bununla birlikte, μDG'nin damlacık frekansı 50 Hz'i aşarsa, tutarlı bir damlacık modeli oluşturmak mümkün değildir. Oluşan damlacıklar çarpışabilir ve bu nedenle analit değişimi meydana gelir. Gaz akış hızlarının doğru ayarlanması, damlacığın ICP-MS sistemine güvenilir bir şekilde taşınması ve PN'nin doğru çalışması için de önemlidir. Önerilen çift giriş sistemi, numune çözeltilerinin manuel olarak değiştirilmesi gerekliliği nedeniyle şu anda ölçüm prosedürünün otomasyonunu desteklememektedir.

Gelecekte, μDG, karmaşık matrislerde ve çevresel numunelerde NP'leri karakterize etmek ve miktarını belirlemek için kullanılabilir. Daha yüksek çözelti viskozitesi, karmaşıklığı ve yüzey gerilimi nedeniyle μDG'nin tıkanmasını önlemek için uygun bir kafa tasarımı kullanılmalıdır. μDG kafa tasarımına ve güç kaynağının çalışmasına bağlı olarak, standart referans malzemelerinin hiç bulunmadığı hücreler, miseller veya lipid taşıyıcılar gibi parçacık benzeri sistemler içeren damlacıklar oluşturmak mümkün olabilir.

Malzemeler

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