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

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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

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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

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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.

¿ Preguntas ?

fernando.tobalina@agilent.com