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Análisis de Nanopartículas y Quantum Dots por ICP-MS y Fluorescencia.
Fernando Tobalina
Especialista de Espectroscopía
Agilent Technologies
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
Single Particle Analysis: Requisitos SP-ICP-MS Sus fundamentos se basan en:
1. Introducir un número de partículas bajo en el ICP-MS
o Gran dilución de la muestra antes de su introducción
2. Elevada velocidad de análisis con el ICP-MS
o Fijada como tiempo de integración en el método de ICP-MS
3. Elevada sensibilidad y bajo nivel de ruido
o Mejor transmisión de los iones en el ICP-MS
4. Eliminación de posibles elementos interferentes
• Celdas de colisión/reacción de tercera generación
→ En estas condiciones es posible detectar y medir una sola partícula con el ICP-MS 7900
→ La intensidad de cada señal puede ser utilizada paraevaluar el diámetro de cada NP y a partir de ellos calcular la distribución de tamaños de la muestra con nanopartículas
La potencia de 10! Que ocurre si el mejor ICP-MS de cuadrupolo consigue mejorar sus prestaciones en 10 veces?
El nuevo Agilent 7900 abre nuevas posibilidades en cuanto a las capacidades de análisis con ICP-MS
7700 Series ICP-MS
5
Single Particle Analysis con el 7900 ICP-MS
Cómo mejorar el mejor ICP-MS?
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?
Y finalmente 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?
6
15x S/N?
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%
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;
7
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
8
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 10
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 11
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:
Que información puede obtenerse del FFF-ICP-MS
17
FFF
ICP-MS
m/z
Con
cent
ratio
n
diameter
Rel
. mas
s
diameter
Ele
men
t C
onc.
diameter
Mol
ar r
atio
CF2000 or AF2000
PN9050 interface module Agilent ICP-MS
14.05.2014 18
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
14.05.2014 19
-1.00E+07
-5.00E+06
0.00E+00
5.00E+06
1.00E+07
1.50E+07
2.00E+07
2.50E+07
3.00E+07
3.50E+07
4.00E+07
0.00E+00
5.00E+06
1.00E+07
1.50E+07
2.00E+07
2.50E+07
3.00E+07
3.50E+07
4.00E+07
4.50E+07
0 500 1000 1500 2000 2500
Tota
l in
ten
sity
(cp
s)
Inte
nsi
ty (
cps)
Rentention time (sec)
Ag-107 Au-197 Total intensity
0
5000000
10000000
15000000
20000000
25000000
30000000
35000000
40000000
45000000
0 0.01 0.02 0.03 0.04
Ag-
10
7 in
tesi
ty (
cps)
Equivalent spherical diameter (mm)
0
5000000
10000000
15000000
20000000
25000000
30000000
35000000
0 0.01 0.02 0.03 0.04
Au
-19
7 in
ten
sity
(cp
s)
Equivalent spherical diameter (mm)
a bAg Au
16 nm 20 nm
Ag Au
Análisis por FFF-ICP-MS de centrifugación de una mezcla de NPs de 20nm de Au y 20 nm de Ag
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
Análisis de especiación de distintos elementos en proteínas agregadas (BSA)
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
nucleo, o S del polímero
Fluorescencia: Emisión a 620 nm
de la emisión del núcleo de la
partícula
Emisión a 320 nm del
polímero/anticuerpo
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 composición tamaño y distribución de muestras de nanopartículas, tanto de forma discreta como por acoplamiento a técnicas de separación como 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
La espectrofluorimetría a su vez constituye una técnica indispensable para
la caracterización de nuevos materiales y marcadores basados en
Quantum Dots.
El Cary Eclipse con su fuente pulsante de alta intensidad
permite caracterizar los QDs, incluso a través de medidas
de flujo por su elevada velocidad de lectura.
