Measuring Multiple Elements in Nanoparticles using spICP-MS

Význam tématu

Metoda spICP-MS představuje moderní přístup ke kvantifikaci a velikostnímu rozdělení jednotlivých nanopartikelů v kapalných vzorcích. Význam této techniky spočívá především v možnosti současného stanovení koncentrace částic i rozpuštěného kovu, což je klíčové pro hodnocení vystavení organismů či životního prostředí kovy z nanočástic.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo demonstrovat schopnost simultánního měření až tří kovových složek (Al, Ti, Zn) v nanopartikelových systémech během jednoho spICP-MS běhu. Jako modelové vzorky sloužily tři komerční přípravky opalovacích krémů obsahující Al(OH)3, TiO2 a ZnO a dále vzorky vody ze čtyř typů bazénů (včetně dětského a venkovního bazénu). Použitá metoda využívala funkci Rapid Multi-Element Nanoparticle Analysis dostupnou v softwaru ICP-MS MassHunter.

Použitá metodika a instrumentace

Pro simultánní měření více prvků během jedné časové stopy byly aplikovány následující postupy:

• Doba integrace (dwell time) 100 μs umožnila zachytit celý iontový puls generovaný každou nanopartiklí.
• Využití Rapid Multi-Element Nanoparticle Analysis režimu odstranilo meziskenovací pauzy (settling time) mezi mass jumpy a zkrátilo dobu analýzy.
• Příprava vzorků zahrnovala ředění a sonikaci opalovacích přípravků v roztoku s tenzidem Triton X-100, dále mikrovlnnou mineralizaci pro srovnání s celkovými koncentracemi kovů.

Instrumentace:

• Agilent 7900 ICP-MS
• Glassová koncentrická nebulizér a kvartová sprchová komora při teplotě 2 °C
• Quartzová hořáková trubice s vnitřním průměrem 1,0 mm
• Standardní niklové kónické elektrody
• Peristaltické čerpadlo s hadičkami o vnitřním průměru 1,02 mm
• Time Resolved Analysis modul: 10 000 vzorků/s, bez settling time

Hlavní výsledky a diskuse

• Ověření přesnosti metodiky na NIST 1898 TiO2 referenčním materiálu potvrdilo průměrnou velikost částic ~79 nm, v souladu s certifikátem (71 ± 4 nm).
• V opalovacích krémech se potvrdila přítomnost Al(OH)3 a TiO2 v přípravku A, pouze Al(OH)3 v B a všechny tři typy nanopartiklí v C. Hmotnostní podíly se pohybovaly mezi 0,005–0,588 % pro Al(OH)3, 0,713–4,96 % pro TiO2 a 10,8 % pro ZnO.
• Distribuce velikostí TiO2 a ZnO v krému C ukázala částice pod 100 nm, což potvrzuje použití nanoformulací.
• Ve vodách bazénů byla nejvyšší koncentrace TiO2 a ZnO v dětském venkovním bazénu (>1 000 ng/L), v krytém bazénu nebyly detekovány nanopartikule ZnO.

Přínosy a praktické využití metody

Rapid Multi-Element Nanoparticle Analysis umožňuje:

• Výrazné zkrácení doby analýzy díky eliminaci opakovaných odběrů vzorku a proplachů.
• Snížení rizika kontaminace a cross-talku mezi jednotlivými měřeními.
• Simultánní sledování až 16 prvků, což otevírá cestu k komplexní charakterizaci multi-kovových nanopartikelů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření spektra sledovaných prvků pro analýzu bimetalových a víceprvkových nanočástic v biologických a environmentálních matricích.
• Integrace s technikami separace (např. polem řízená frakcionace) pro oddělení frakcí podle velikosti před spICP-MS analýzou.
• Vyšší automatizace a vysokoprůtokové platformy pro rutinní monitorování kvality vody a potravin.
• Podpora regulatorních požadavků na hodnocení rizik nanočástic ve spotřebitelských produktech.

Závěr

Multi-elementární spICP-MS metoda s využitím Rapid Multi-Element Nanoparticle Analysis v softwaru MassHunter poskytuje rychlou, citlivou a spolehlivou charakterizaci nanopartikelů různých kovových složení. Jediným průchodem analýzou lze stanovit koncentraci i velikostní distribuci více prvků, což výrazně zefektivňuje laboratorní workflow a rozšiřuje možnosti aplikací v environmentální, potravinářské a kosmetické analytice.

Reference

• Merrifield R.C.; Stephan C.; Lead J. Determining the Concentration Dependent Transformations of Ag Nanoparticles in Complex Media: Using SP-ICP-MS and Au@Ag Core–Shell Nanoparticles as Tracers. Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 3206–3213.
• von der Kammer F.; Legros S.; Larsen E.H.; Loeschner K.; Hofmann T. Separation and characterization of nanoparticles in complex food and environmental samples by field-flow fractionation. Trends Anal. Chem. 2011, 30, 3.
• Choi S.; Johnston M.; Wang G.; Huang C.P. A seasonal observation on the distribution of engineered nanoparticles in municipal wastewater treatment systems exemplified by TiO2 and ZnO. Sci. Total Environ. 2018, 625, 1321–1329.
• Huang Y.C.; Fan R.; Grusak M.A.; Sherrier J.D.; Huang C.P. Effects of nano-ZnO on the agronomically relevant Rhizobium–legume symbiosis. Sci. Total Environ. 2014, 497–498, 78–90.
• Jeon S.K.; Kim E.J.; Lee J.; Lee S. Potential risks of TiO2 and ZnO nanoparticles released from sunscreens into outdoor swimming pools. J. Hazard. Mater. 2016, 317, 312–318.
• Holbrook R.D.; Motabar D.; Quiñones O.; Stanford B.; Vanderford B.; Moss D. Titanium distribution in swimming pool water is dominated by dissolved species. Environ. Pollut. 2013, 181, 68–74.
• NIST SRM 1898 Titanium Dioxide Nanomaterial. Certificate of Analysis, 2012.
• Pace H.; Rogers N.J.; Jarolimek C.; Coleman V.A.; Higgins C.P.; Ranville J.F. Determining Transport Efficiency for the Purpose of Counting and Sizing Nanoparticles via Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry. Anal. Chem. 2011, 83, 9361–9369.