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Introducción al Nanomundo

El propósito general de este artículo es demostrar el potencial de FFF-ICP-MS y de sp-ICP-MS para la caracterización de nanopartículas. Como método, 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 como resultado la separación de nanopartículas de Au basados en 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 explotado 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 en mente, 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 promisorio 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 gobernada en realidad por la relación señal/ruido. Cuanto más sensible un instrumento, menor es la partícula que puede detectar.

FIGURA 1: FWyatt Technology Eclipse AF4 con SC acoplado a un Thermo Scientific iCAP Qc ICP-S.

 

Métodos
Preparación de Muestras
En general los estándares de NP fueron diluídos 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 ). 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 Conditions.

 

sp-ICP-MS
Se ha utilizado 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 diluída 3:1 en citrato de amonio antes del análisis

Análisis de Datos
Se usó el software de Thermo Scientific™ Qtegra™ Intelligent Scientific Data Solution™ (ISDS) para el control y adquisición de datos del iCAP Qc ICP-MS. Se utilizó el software plug-in integrado 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 con 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, un software dedicado para predecir la separación basados en el “input” de las tasas de flujo y geometría de canal.

FIGURA 2: Fractogramas 197 Au 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 de sp-ICP-MS reside en el hecho 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 and 100 nm).

Para sp-ICP-MS, las muestras necesitan ser diluidas 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) es exportado a una planilla de cálculo de Microsoft® para calcular el tamaño de partícula y diferenciar entre las NPs actuales y las señales de background o de fondo.

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 tiene una duración de 300µs.

FIGURA 3: Relación entre eventos de monopartículas y tiempo de espera.

• Solamente se debería monitorear un (1) evento de NP por data point (A).

• Tiempos de espera menores llevan a un registro incompleto de eventos de partículas (sub-estimación de tamaño de partícula, (B).

• Tiempos de espera superiores llevan al registro de dos (o más) eventos de partículas (sobre-estimación del tamaño de partícula (C).

Para sp-ICP-MS, el límite de detección instrumental está expresado como tamaño de nanopartícula que ya no puede ser discriminado contra el background instrumental. Es, por lo tanto, dependiente de la sensibilidad de detección del instrumento, y no en el 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): (VER FIGURA 4).

La determinación de tamaño de NP es graficada contra el valor teórico en Figura 5. Ambos valores están en buena concordancia. El LD determinado es de aproximadamente 20 nm para Ag NP´s.

Como prueba final de lo adecuado del método, se diluyó agua corriente obtenida localmente 3:1 en 2 mmol L-1 de citrato de amonio y analizada antes y después de la adición de NPs de Ag (40 nm, 5 ng kg-1 total Ag). ver figura 6.

El tamaño de la NP determinado en el agua corriente fue de 41 ± 1 nm y está en excelente concordancias con el valor esperado.

FIGURA 4: Medición resuelta en el tiempo con dimensiones de 20 nm, 40 nm, 60nm y 100 nm (superior izq. a inf. derecha) @ 5 ng kg-1 total de Ag.

FIGURA 5: Correlación del tamaño de nanopartícula teórico y medido para NPs de Ag.

FIGURA 6: Análisis de agua corriente sin enriquecer (arriba) y enriquecida (abajo) con sp-ICP-MS.

Conclusión
• Ambos FFF-ICP-MS y sp-ICP-MS traen ventajas analíticas a la caracterización de NPs y funcionan como técnicas complementarias.

• El paquete integrado FFF-ICP-MS es totalmente automatizado con control bi-direccional 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 to IC.

• La elevada sensibilidad base y bajos background del ICP-MS iCAP Qc ofrece una particular ventaja 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:
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