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Nuevos retos para el análisis en ICP-MS: Nanopartículas y especiación de metales.
Fernando Tobalina
Especialista de Espectroscopía
Agilent Technologies
Análisis de nanopartículas y Especiación de metales ¿Qué es? ¿Por qué es necesario hacer análisis elemental?
No solo las especies orgánicas están reguladas en las normas y reglamentos de seguridad alimentaria, medioambiental y de salud pública, sino que también muchas especies inorgánicas pueden alterar la salud de las personas, cultivos y ecosistemas: As, Cd, Hg, Pb, Cr, Se, Sb, Tl, U, Sn, V, Ag.
La Mobilidad, Absorción por los Organismos y la Toxicidad de estos elementos puede variar notablemente en función de:
La forma química en la que se encuentre. Especiación de metales Ej: CrIII vs CrVI
Ej: As inorg vs. As orgánico
Ej: Metaloproteínas, Complejos húmicos, etc.
El tamaño de los agregados de esos elementos. Análisis de nanopartículas Ej: Nanopartículas de Ag, Au, TiO2
Ej: Quantum dots.
Al contener un componente inorgánico, este podría ser usado para la detección específica de la molécula mediante técnicas de análisis elemental.
Requisitos instrumentales para análisis de especiación y nanopartículas.
- Es necesario que el sistema de detección sea compatible con el mayor abanico posible entre las técnicas de separación habituales de especies orgánicas: GC, LC, GPC, IC, EC, FFF.
- Sensibilidad. Las concentraciones a medir están a valores inferiores a 1 mg/Kg en alimentos, fármacos, o tejidos biológicos. 10 mg/l en fluidos biológicos y 1 mg/l en aguas.
- Selectividad. Interesa la determinación específica inequívoca de uno o varios elementos químicos en muestras que contienen muchas otras especies químicas en cantidades variables, sin que estas interfieran en las determinaciones.
- Velocidad. Para poder realizar el análisis de señales transientes cortas. Por ejemplo en el tiempo en que eluye un pico cromatográfico.
- Estabilidad – Para poder analizar secuencias largas desatendidas
- Integración. Interfase correcta y transvase sencillo de los datos generados por el detector al soft de cuantificación y control integrado de ambos sistemas, cromatográfico y detector.
Detectores ICP-MS basados en
cuadrupolos acoplados a una técnica de
separación adecuada
Detectores ICP-MS para especiación de metales
ICP-MS 7700
Especiación en rutina ICP-MS 7900
Especiación en alta sensibilidad
Señales transientes muy rápidas
Nanopartículas. ICP-MS QQQ 8800
Especiación en alta sensibilidad
Operación en modo MS_MS
Especiación de P y S a bajos
niveles de concentración
La potencia de 10!
Acoplamientos con ICP-MS para especiación metálica
Todas las combinaciones posibles
Plataformas integradas
Software Mass Hunter
GC-ICP-MS
LC-ICP-MS (IC, RP-LC, SEC, FFF)
CE-ICP-MS
Page 6
Requisitos del acoplamiento LC-ICP-MS
•Capacidad para trabajar con un amplio rango de flujos
desde 20 µL (LC capilar) a 2 mL por minuto
•Capacidad para trabajar con fases móviles orgánicas
e.g. gradiente de MeOH, Acetonitrilo
El plasma ICP debe ser capaz de soportar matrices orgánicas de forma rutinaria
•Capacidad para trabajar con altas concentraciones salinas en “buffers”
Interfase y nebulizador deben poder trabajar con altas concentraciones de sales durante largos periodos de tiempo sin obturarse
•Transferencia del eluyente al ICP-MS rápida y eficaz
para minimizar la degradación de la resolución cromatográfica
•Rápida adquisición de datos – múltiples medidas dentro de un mismo pico
Aunque no tan rápido como CE o GC, debido a la mayor anchura de picos en LC
•Software para controlar LC e ICP-MS
Máxima automatización para análisis de rutina
•Software que permita combinar cromatogramas de LC-UV e ICP-MS
Especiación de Cr(III) y Cr(VI)
RT(min)
1.0 2.0 3.0
4x10
0.5
1
0.885
2.405
1.0 µg/L STD , inyección 100 µL
Esta determinación es de gran importancia debido a las propiedades tóxicas del Cr (VI) y al carácter esencial del Cr (III).
Injection Volumne Noise
52Cr(III) 52Cr(VI) 52Cr(III) 52Cr(VI) 52Cr(III) 52Cr(VI)
100μL 632808 475244 273.5 10204281 9796463 0.13 0.17
Peak Height/counts Area/counts DL (conc. /ul/L)
G3268-80001 (30mm x 4.6 mm id)
Condiciones Columna G3268B (30 mm x 4.6 mm i.d.)
Fase móvil 5mM EDTA(2Na)/5mM NaH 2 PO 4 / 15mM
Na 2 SO 4 pH 7.0 ajustado con NaOH
Flujo 1.2 mL/min
Temp. Ambiente
Volumen inyección 100 µL
LC Modelo 1200 con Biocompatibility kit
ICP-MS Modelo 7700x
Preparación Muestra Incubación con 5 mM EDTA (pH 7.00)
Temperatura incubación 40℃
Tiempo incubación 3h
Especiación de Cr – agua mineral adicionada y no adicionada
Estudio de recuperaciones Componentes mayoritarios en la muestra estudiada (ppm)
Na 9.4
Ca 468
Mg 74.5
K 2.8
Sulfate 1121.0
Mineral Water C + 10ppb de Cr (III), Cr (VI)
Mineral Water C original
Found (ppb)
Element Original Water C Spike Amount Spike Found Recovery (%)
Cr (III) DL 10.0 10.18 101.8
Cr (VI) 0.09 10.0 9.20 92.0
RT(min)
1.0 2.0 3.0
4x10
0
2
100SMPL
001SMPL
Test de reproducibilidad 8H(n=100) Height Area Conc. [ ug/l ] Height Area Conc. [ ug/l ]
Average 28672 395084 5.0 17110 374145 4.9
STD 777 8219 0.1 467 9837 0.1
RSD% 2.7 2.1 2.1 2.7 2.6 2.6
Height Area Conc. [ ug/l ] Height Area Conc. [ ug/l ]
Average 3514 47831 4.8 2148 46126 5.0
STD 102 1435 0.2 77 1775 0.2
RSD% 2.9 3.0 3.2 3.6 3.8 3.7
52 Cr(III)-EDTA 52 Cr(VI)
53 Cr(III)-EDTA 53 Cr(VI)
Separación isocrática de AsB & Cl del As inorgánico usando una nueva columna
*Surface Aminated Polymer Substrate
Agilent Application Note: Routine Analysis of Toxic Arsenic Species in Urine Using HPLC with ICP-MS, 5989-5505EN, by Tetsushi Sakai and Steven Wilbur, Agilent Technologies
Column G3288-80000 (4.6 x 250 mm) Guard Column G3154-65002 Fase móvil (alcalina): 2 mM phosphate buffer solution (PBS) pH 11.0 ajustado con NaOH 0.2 mM EDTA 10 mM, CH3COONa 3.0 mM NaNO3
1% etanol
Especiación de As por LC-ICP-MS
*Ajustado a pH 11 para separar la AsB. La fuerza iónica de la fase móvil acorta la elución del As V 10ug/L de cada especie de As
• Mismos factores de respuesta para diferentes especies • “Compound Independent Calibration” para
cuantificación de desconocidos.
Calibraciones para diferentes especies de As
• Sensibilidad y linealidad son excelentes • Estándares de calibración a 1, 5 y 10ppb
LC-ICP-MS Determination of As Species
HPLC-ICP-MS chromatograms are
shown for a marine animal (oyster
tissue) and marine algae (Hizikia
fusiforme).
The concentration (ug/g) of 17
different As species was measured
Courtesy Ute Kohlmeyer GALAB, Germany
Especiación multielemental mediante IC-ICP-MS
ICP-MS puede extraer cada uno de los cromatogramas elementales, por lo que no es necesario resolver cromatográficamente todas las especies como en conductividad
Rápida adquisición de datos – múltiples medidas dentro de un mismo pico
Separación por intercambio iónico
Interfase GC-ICP-MS totalmente calentada
Linea de transferencia totalmente calentada y aislada Antorcha modificada inyector calentado. Linea de transferencia y liner de acero “Sulfinert”. Efluente del GC inyectado directamente dentro de la base del plasma– importante para especies de alto punto de ebullición
20 ppb Organo-Tin mix en Agilent GC-ICP-MS
Cromatograma mezcla de
organoestannicos (20ng/mL (ppb)
de cada compuesto.
Orden de elución:
Sn, MBT, TPrT, DBT, MPhT, TBT,
TeBT, TPeT, DPhT TPhT.
DL(3s)
MBT : 4.4 fg TPrT : 5.3 fg DBT : 9.4 fg MPhT : 44 fg TBT : 9.9 fg DPhT : 10 fg TPhT : 11 fg
Injection volume : 1ul
*MDL de aprox 0.5 pg Si *ORS en modo H2 para bajos DLs Si
GC-ICP-MS es un excelente detector para Si. H2 usado para eliminar N2 y CO que afectan a 28Si (relativamente bajos con GC)
Buena respuesta para todas las especies – Mismo factor de respuesta
Siloxane standard mix.
Todas las especies entre 30-60 ppb como Si
Análisis de siloxanos en biogas por GC-ICP-MS
Principales parámetros a determinar:
Composición elemental
Número de partículas
Tamaño y distribución
Propiedades ópticas (quantum dots)
Herramientas:
Single nanoparticle analysis ICP-MS
Field flow fractionation ICP-MS
Fluorescence spectroscopy
Caracterización de nanopartículas
Y una nueva tecnología
para el detector que
permite analizar con 11
órdenes de linealidad y
con un tiempo de
adquisición de tan solo
0.1 mseg?
Que tal hacer una nueva Interface y una
nueva óptica de iones para conseguir una
mejora de 15x en la relación señal/ruido?
Una nueva ORS4 para
poder hacer cambio
ultrarápido de gases en
menos de 3 seg?
25% NaCl sin diluciones?
Que tal un nuevo Ultra HMI para poder analizar
muestras con alto contenido de sales de hasta un
25% NaCl sin diluciones?
11 Ordenes?
0.1 mseg?
15x S/N?
Sin interferencias?
Single Particle Analysis con el 7900 ICP-MS
El Agilent 7900 puede sintonizarse en condiciones de muy Alta Sensibilidad Empleando las condiciones “Standard” del resto de equipos ICP-MS – CeO/Ce <2.5%
Calibration
Level Conc. Calc Conc. CPS Det. RSD
1 0 0 1 P 86.6
2 10 9.89 13676 P 0.6
3 50 49.984 69112 P 0.9
4 100 100.019 138295 P 0.4
Calibración de Uranio en
modo No Gas:
Sensibilidad Ultra-alta
1.38 GHz/ppm
Background Ultra-bajo:
MDL: 1.3ppq; BEC: 0.48ppq;
Relación entre los valores obtenidos y los valores de referencia en materiales certificados “En Aceros”
Los Materiales de
referencia cubren un
intervalo entre los 3
ppm hasta 1.6%.
Excelente
correlación también
para el P.
1.6% 3 ppm
7900 ICP-MS – Modo de análisis rápido TRA
El nuevo 7900 ICP-MS permite la adquisición ultrarápida de datos
con más de 10,000 medidas separadas por segundo.
0.1 mseg Esto permite la medida
de una sola
nanopartícula que
llegue al detector.
En condiciones habituales hay 1000’s de gotas en cada cm3 de gas
portador, de forma que las señales de los clusters de iones de cada gota
pueden solapar entre sí.
De esta forma en un análisis convencional (analitos disuletos), la señal es
mas o menos continua (estado estacionario)
Señal de iones de analitos disueltos
Las gotas de
aerosol que
contienen el
elemento disuelto
se secan
Se forman nubes
dispersadas de
átomos/iones a
partir de las
partículas secas
Los clusters de iones
solapados generan una
señal contínua (estado
estacionario)
El tamaño de las partículas
secas depende de la
composición de la matriz y su
concentración , pero típicamente
es de 1-10 nm diámetro.
Las partículas secadas <
~90nm deberían ser
completamente ionizadas en
el ICP
Cada nube de átomos procedente
de las partículas secas genera un
“pico” de cuentas
YO/Y plume from
Aeschliman,
Bajic, Baldwin
and Houk, JAAS,
2003, 18, 1008
Page 22
Las NPs se suspenden en solución (la solución contiene también el elemento
disuelto)
La muestra se diluye de forma que las gotas de aerosol contienen una NP (al igual
que componentes disueltos), y son medidos mediante Time Resolved Analysis
(TRA).
Las relativamente intensas nubes de átomos discretas de los NPs pueden ser
distinguidas de las señales contínuas de menor intensidad de los componentes
disueltos
Medida de la señal de las nanopartículas
Gotas de aerosol que
contienen
nanopartículas
Nubes iónicas
porocedentes
de los NPs
Iones prodecentes
de partículas
disueltas
(“background”)
Cada nube de
iones NP genera
una señal pulso
relativamente
intensa pero
discreta.
“Background” Parículas secas de
elementos disueltos
(a) y NPs (b)*
a b
Medidas TRA de
disoluciones conteniendo
NPs
* Nota, el contenido disuelto de
una gota puede secarse en la
superficie de un NP! Hay en torno a ½
millón de átomos
de Au en una
nanopartícula de
25nm de diámetro
Page 23
Medida de nanopartículas de Ag de 40 nm
Agradecimientos:
La conversión de datos se realizó en una hoja Excel desarrollada por el National Institute of Food Safety in
the Netherlands (RIKILT).
Análisis de Datos A través de la hoja de análisis diseñada en el National Institute of Food Safety
in the Netherlands (RIKILT) se realizó la conversión de datos
Las Intensidades se convierten en tamaño de partículas para obtenerse un
patrón de distribución.
A partir de esta distribución de
tamaños, el tamaño promedio
estimado fue de 40 nm – en
perfecta consonancia con el valor
de 40±4 nm proporcionado por el
suministrador.
Nanopartículas de Ag analizadas por el método de SP-ICP-MS
Especificación del
fabricante 40 ± 4 nm 60 ± 4 nm 100 ± 8 nm
Tamaño
experimental 40 nm 55 nm 103 nm
Número de
partículas
3.4 x 107
partículas/L
1.5 x 107
partículas/L
5.2 x 106
partículas/L
Concentración
del elemento 13 ng/L 14 ng/L 424 ng/L
Distribución de tamaños de una muestra de nanopartículas de oro
Distribución del tamaño de partículas de un patrón de
nanopartículas de oro. NIST8012 y 8013 de 30 y 60 nm
Que es el FFF-ICP-MS Es una técnica híbrida basada en:
Field Flow Fractionation es una técnica de separación por gradiente de
elución adecuada para la separación de nanopartículas por su tamaño:
El ICP-MS puede emplearse como detector selectivo y de alta sensibilidad
para la detección de los metales constituyentes de las nanopartículas:
CF2000 or AF2000
PN9050 interface module
0.0E+00
2.0E+06
4.0E+06
6.0E+06
8.0E+06
1.0E+07
0 500 1000 1500 2000
Au
-19
7 in
ten
sity
(cp
s)
Retention time (sec)
10 nm
30 nm
60 nm
Análisis de NPs de Oro por FFF-ICP-MS de flujo asimétrico
Adsorción de diferentes elementos en la superficie de nanopartículas en muestras de agua de distinta salinidad por FFF-ICP-MS
Absorbancia UV a 280 nm y concentración de Fe, Al y Zn por ICP-MS
Caracterización de Quantum Dots
Los Quantum dots son nanocristales hechos de materiales semiconductores cuyo
band gap se relaciona inversamente con su tamaño. Esto hace que en
fluorescencia la frecuencia de la emisión aumente (se desplace hacia el azul)
según su tamaño sea menor. Suelen ser aleaciones binarias o terciarias CdSe,
CdS, InAs, InP, CdSeS, etc.
Sus aplicaciones son múltiples:
Células solares
Leds
Fotodetectores
Computación cuantica
Biología (marcadores)
ICP-MS: Estudio de Cd y Se del
núcleo, o S de la capa externa
Fluorescencia: Emisión a distintas
long de onda del core-shell y del
polímero
Seguimiento de la síntesis y
funcionalización/bioconjugación
Caracterización de quantum dots funcionalizados
Core-shell quantum dots
Análisis de quantum dots por fluorescencia
El Cary Eclipse permite seguir la fluorescencia a 600 nm del core de las
nanopartículas y a 320 de su funcionalización con el polímero y anticuerpo
Resumen
La técnica de ICP-MS ofrece posibilidad de caracterizar la presencia de compuestos organometálicos, o de nanopartículas, tanto de forma discreta como por acoplamiento a técnicas de separación de todo tipo HPLC, GC, GPC, CE, FFF.
El ICP-MS 7900 resulta una herramienta ideal para este propósito por:
Bajo LD para análisis de elementos traza
Alta especificidad en la detección.
Alta velocidad de medida
Otras técnicas espectroscópicas, como la
espectrofluorimetría permiten aportar una información
adicional muy útil para la caracterización y control de las
síntesis de nuevos materiales y marcadores basados en
Quantum Dots.
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