Análisis de nanopartículas y Especiación de metales

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.
La potencia de 10!
ICP-MS QQQ 8800
Especiación en alta sensibilidad
Operación en modo MS_MS
Especiación de P y S a bajos
niveles de concentración
Acoplamientos con ICP-MS para especiación metálica
GC-ICP-MS
LC-ICP-MS
(IC, RP-LC, SEC, FFF)
Todas las combinaciones posibles
Plataformas integradas
Software Mass Hunter
CE-ICP-MS
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
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Especiación de Cr(III) y Cr(VI)
Esta determinación es de gran importancia debido a las propiedades tóxicas del Cr
(VI) y al carácter esencial del Cr (III).
Condiciones
4
x10
Columna
Fase móvil
G3268B (30 mm x 4.6 mm i.d.)
5mM EDTA(2Na)/5mM NaH2 PO4/ 15mM
Flujo
Temp.
Volumen inyección
LC
ICP-MS
Na2 SO4 pH 7.0 ajustado con NaOH
1.2 mL/min
G3268-80001 (30mm x 4.6 mm id)
Ambiente
100 µL
Modelo 1200 con Biocompatibility kit
Modelo 7700x
Preparación Muestra
Incubación con 5 mM EDTA (pH 7.00)
0.885
1
2.405
Temperatura incubación 40℃
0.5
Tiempo incubación
3h
1.0 µg/L STD , inyección 100 µL
1.0
2.0
RT(min)
Injection Volumne
100μL
3.0
Peak Height/counts Noise
Area/counts
DL (conc. /ul/L)
52Cr(III)
52Cr(VI)
52Cr(III)
52Cr(VI)
52Cr(III)
52Cr(VI)
632808
475244
273.5 10204281 9796463
0.13
0.17
Especiación de Cr – agua mineral adicionada y no adicionada
Componentes mayoritarios en
la muestra estudiada (ppm)
Na
9.4
Ca
468
Mg
74.5
K
2.8
Sulfate
1121.0
Estudio de recuperaciones
Element
Cr (III)
Cr (VI)
Original Water C
DL
0.09
Found (ppb)
Spike Amount Spike Found
10.18
10.0
9.20
10.0
Recovery (%)
101.8
92.0
Mineral Water C + 10ppb de Cr (III), Cr (VI)
Mineral Water C original
Test de reproducibilidad 8H(n=100)
52 Cr(III)-EDTA
Height
Average
x104
STD
100SMPL
001SMPL
RSD%
2
777
1.0
2.0
RT(min)
3.0
5.0
8219
2.7
2.1
53 Cr(III)-EDTA
Area
52 Cr(VI)
Conc. [ ug/l ] Height
28672 395084
Height
0
Area
Area
Conc. [ ug/l ]
17110 374145
4.9
0.1
467
9837
0.1
2.1
2.7
2.6
53 Cr(VI)
2.6
Conc. [ ug/l ] Height
Area
Conc. [ ug/l ]
Average
3514
47831
4.8
2148
46126
5.0
STD
102
2.9
1435
3.0
0.2
3.2
77
3.6
1775
3.8
0.2
3.7
RSD%
Especiación de As por LC-ICP-MS
Separación isocrática de AsB & Cl del As inorgánico usando una nueva columna
*Surface Aminated Polymer Substrate
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
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
*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
Calibraciones para diferentes especies de As
• Sensibilidad y linealidad son excelentes
• Estándares de calibración a 1, 5 y 10ppb
• Mismos factores de respuesta para diferentes especies
• “Compound Independent Calibration” para
cuantificación de desconocidos.
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
Rápida adquisición de datos – múltiples medidas dentro de un mismo pico
Separación por intercambio iónico
ICP-MS puede extraer cada uno de
los cromatogramas elementales,
por lo que no es necesario resolver
cromatográficamente todas las
especies como en conductividad
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 :
TPrT :
DBT :
MPhT :
TBT :
DPhT :
TPhT :
4.4 fg
5.3 fg
9.4 fg
44 fg
9.9 fg
10 fg
11 fg
Injection volume : 1ul
Análisis de siloxanos en biogas por GC-ICP-MS
Siloxane standard
mix.
Todas las especies
entre 30-60 ppb
como Si
*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
Caracterización de nanopartículas
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
Single Particle Analysis con el 7900 ICP-MS
Que tal hacer una nueva Interface y una
nueva óptica de iones para conseguir una
mejora de 15x en la relación señal/ruido?
15x S/N?
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?
11 Ordenes?
0.1 mseg?
Que tal un nuevo Ultra HMI para poder analizar
muestras con alto contenido de sales de hasta un
25% NaCl sin diluciones?
Una nueva ORS4 para
poder hacer cambio
ultrarápido de gases en
menos de 3 seg?
25% NaCl sin diluciones?
Sin interferencias?
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%
Calibración de Uranio en
modo No Gas:
Sensibilidad Ultra-alta
1.38 GHz/ppm
Background Ultra-bajo:
MDL: 1.3ppq; BEC: 0.48ppq;
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
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%.
3 ppm
Excelente
correlación también
para el P.
1.6%
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.
Esto permite la medida
de una sola
nanopartícula que
llegue al detector.
0.1 mseg
Señal de iones de analitos disueltos
YO/Y plume from
Aeschliman,
Bajic, Baldwin
and Houk, JAAS,
2003, 18, 1008
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
Cada nube de átomos procedente
mas o menos continua (estado estacionario)
de las partículas secas genera un
“pico” de cuentas
Las gotas de
aerosol que
contienen el
elemento disuelto
se secan
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
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Se forman nubes
dispersadas de
átomos/iones a
partir de las
partículas secas
Los clusters de iones
solapados generan una
señal contínua (estado
estacionario)
Medida de la señal de las nanopartículas
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
Cada nube de
disueltos
a
Gotas de aerosol que
contienen
nanopartículas
Hay en torno a ½
millón de átomos
de Au en una
nanopartícula de
25nm de diámetro
Page 23
b
Parículas secas de Nubes iónicas Iones prodecentes
elementos disueltos porocedentes
de partículas
(a) y NPs (b)*
de los NPs
disueltas
(“background”)
* Nota, el contenido disuelto de
Medidas TRA de
una gota puede secarse en la
disoluciones conteniendo
superficie de un NP!
NPs
iones NP genera
una señal pulso
relativamente
intensa pero
discreta.
“Background”
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:
PN9050 interface module
CF2000 or AF2000
Análisis de NPs de Oro por FFF-ICP-MS de flujo asimétrico
60 nm
Au-197 intensity (cps)
1.0E+07
30 nm
8.0E+06
6.0E+06
4.0E+06
10 nm
2.0E+06
0.0E+00
0
500
1000
Retention time (sec)
1500
2000
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)
Caracterización de quantum dots funcionalizados
Core-shell quantum dots
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
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.
¿ Preguntas ?
fernando.tobalina@agilent.com