Characterization of Iron Nanoparticles in Hydrocarbon Matrices by Single Particle (sp)ICP-MS

Význam tématu

Organická média v petrochemii a polovodičovém průmyslu často obsahují nežádoucí nanočástice železa, které mohou způsobovat korozi zařízení, snižovat kvalitu produktu nebo poškozovat polovodičové destičky. Single particle ICP-MS (spICP-MS) nabízí citlivou kvantitativní techniku pro detekci a charakterizaci jednotlivých částic v komplexních nevodných matricích.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout a ověřit spolehlivou metodu spICP-MS pro stanovení velikosti, koncentrace a počtu nanočástic železa a zlata v organických rozpouštědlech. Klíčovou součástí bylo využití nově připravených referenčních materiálů (RMs) kompatibilních s nepolárními médii a zjednodušení pracovního postupu softwarem Single Nanoparticle Application Module.

Použitá metodika

Metoda využívá časově rozlišený režim (TRA) s dobou integrace 100 µs, který dokáže zachytit průlet každé nanočástice plazmou. Signálové impulzy jsou úměrné velikosti a hmotnostnímu obsahu prvku v částici, zatímco četnost impulsů odráží počet částic v analyzovaném vzorku. K výpočtu velikosti a koncentrace slouží kalibrace elementární odezvy a stanovení efektivity nebulizace.

Použitá instrumentace

• ICP-MS Agilent 7900 vybavený TRA režimem
• Standardní skleněný koncentrixní nebulizér, kvartzová komora a hořáková trubice (1,0 mm)
• Platinové sampling a skimmer kužely
• Přídavný přívod kyslíku k nosnému plynu
• Software ICP-MS MassHunter Single Nanoparticle Application Module

Hlavní výsledky a diskuse

• Au nanočástice (40 a 100 nm) v toluenu byly změřeny s odchylkou do ±10 % od nominálních rozměrů stanovených TEM.
• Silika-pochozené Fe₃O₄ nanočástice (60–70 nm) v o-xylenu vykázaly shodu mezi spICP-MS (61,1 ± 4,5 nm) a TEM (63 ± 6 nm).
• Přirozené Fe nanočástice v NIST SRM crude oil (mean 77 nm) a residual fuel oil (mean 68 nm) spadaly do rozsahu hodnot získaných TEM.
• Nebulizační efektivita byla stanovena na přibližně 5 % pomocí Au NP RM o velikosti 100 nm.

Přínosy a praktické využití metody

• Kvantitativní stanovení počtu, velikosti a koncentrace nanočástic v organických prostředích.
• Elementově specifické a reprodukovatelné výsledky vhodné pro QA/QC a výzkum.
• Možnost validace metod a srovnávání výsledků mezi laboratořemi díky referenčním materiálům.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj nových RMs pro širší spektrum kovových a oxidačních nanočástic v různých organických matricích.
• Lepší redukce interferencí pomocí vícekolových reakcí v ORS4 (He, H₂).
• Automatizace zpracování dat a aplikace strojového učení pro rychlejší interpretaci výsledků.
• Rozšíření aplikací do oblastí biomedicíny, potravinářství a environmentálních analýz.

Závěr

Studie potvrdila, že spICP-MS na Agilent 7900 ve spojení s organicky stabilními referenčními nanočásticovými materiály poskytuje rychlou a přesnou charakterizaci nanočástic v komplexních hydrokarbonových matricích. Metoda je robustní a vhodná pro průmyslové i výzkumné aplikace vyžadující elementově specifické kvantitativní informace.

Reference

1. S. Rand, A. Verstuyft, Significance of Tests for Petroleum Products: ASTM International, 2018.
2. M.R. Mozdianfard et al., Appl. Therm. Eng. 2015, 89:783–794.
3. T. Hagiwara et al., J. Photopolym. Sci. Technol. 2015, 28:17–24.
4. D. Mozhayeva, C. Engelhard, J. Anal. At. Spectrom. 2020, 35:1740–1783.
5. J. Nelson et al., SN Appl. Sci. 2021, 3:161.
6. J. Nelson et al., J. Nanopart. Res. 2020, 22:304.
7. Agilent Technology Brief 5994-1172EN: ORS4 He režim.
8. H. Pace et al., Anal. Chem. 2011, 83:9361–9369.
9. NIST SRM 2717a, Certificate of Analysis, 2021.