單顆粒電感耦合等離子體質譜法對地表水中納米銀的檢測

曾慶招

(廣東省礦產應用研究所(自然資源部放射性與稀有稀散礦產重點實驗室)廣東韶關512026)

為了充分了解納米粒子(NPs)的性質和功能，有必要對其進行適當的表征和量化。含有NPs的物體或樣品可以從構成NPs的元素或化合物的質量濃度、顆粒數濃度、粒度、粒度分布、表面電荷、表面積、形狀、團聚、結構和組成的角度來表征[1]。ICP-MS是一種元素分析方法，自20世紀80年代以來廣泛應用于分析實驗中。使用基于高時間分辨率信號采集的單粒子分析(SP-ICP-MS)，在其用于NPs表征方面取得了革命性進展[2]。如果分析充分稀釋的NPs水分散體，NPs單獨進入光譜儀，并且(在最佳條件下)每個NP在等離子體中產生一個小離子云，可作為持續約0.5ms～0.7ms的峰值被檢測到。為了獲得準確的結果，有必要協調分析水分散體中NPs數量濃度和基本測量步驟的持續時間[3]。這種方法的主要缺點是延長的停留時間增加了兩個或更多NPs在一個停留時間窗口內同時發生的可能性?？赡軙玫接衅畹慕Y果。NPs數量濃度被低估，而表觀粒徑分布偏移到較大的值。分析結果質量與進入質譜儀NPs的數量密切相關。檢測到的NPs數量少，導致對其數量濃度和大小分布的統計估計不夠有效[4]。同時過多的檢測到的NPs可能會由于其單個信號的重疊而扭曲結果。估計NP大小的準確性也受到分析靈敏度影響。由于NPs的直徑與峰面積立方根有關，因此高靈敏度是其準確估計的先決條件[5]。

本文重點描述Ag-NPs直徑和Ag-NPs數濃度對傳輸效率和測量靈敏度的影響。其結果可能有助于開發更準確的SP-ICP-MS應用，因為傳輸效率和靈敏度在可靠的NP表征中起著至關重要的作用。

1 材料與方法

1.1 試劑和樣品

實驗采用直徑10nm、20nm、40nm、60nm和100nm的Ag納米粒子標準品，Ag納米粒子總濃度20mg/L。以檸檬酸鈉和氫氧化鈉為原料制備pH9.15緩沖溶液。用硝酸對樣品進行分解以測定總Ag。將Ag和Rh原液稀釋1000±2mg/L，制得以添加Rh為內標的Ag校準液。添加明膠用于穩定NPs。所有溶液在milliq超純水設備中使用水脫鹽制備。所有試劑均為分析級。

2020年1月采集廣東某地地表水樣本(溫度14℃～16℃，pH值6)。將樣品放入塑料容器中，并立即加入2.5mL%(w/w)明膠溶液。所有樣品在隨后10小時內進行分析。分析前用Ag-NP標準品加標，得到濃度1.02×105mg/L溶液。

1.2 儀器與設備

所有測量均使用配備高效等離子體炬的NexION 350d ICP-MS光譜儀進行。樣品導入系統由內置的蠕動泵、直徑0.38mmPVC管、聚四氟乙烯同心噴霧器和玻璃旋風(100 mL)噴霧室組成。數據評價采用Syngistix 1.1軟件。樣品分解在Speed Wave 4微波分解裝置中進行。采用NanoSight NS300對60nm Ag-NP標準品的顆粒數濃度測定進行納米顆粒跟蹤分析。使用EFTEM Jeol 2200 FS電子顯微鏡獲得Ag-NP標準品TEM圖像。使用ImageJ 1.50i軟件進行圖像評估。

1.3 方法

用適當的稀釋液(水、緩沖液或明膠溶液)稀釋制備所需數量濃度的Ag-NPs水分散體。在使用前，所有的溶液都在超聲波浴中進行徹底的人工混合和均質。

采用SP-IICP-MS法測定NPs標準分散體中總Ag濃度，條件見表1。取0.1 mL Ag-NPs標準品，用3mL濃HNO3和1mL去離子水在微波分解裝置中分解20min，移入100mL聚丙烯容瓶中，加入銠作為內標，終濃度20ng/mL Rh。通過稀釋Ag和Rh原液，制備濃度分別為0和20 ng/mL Ag以及20ng/mL Rh的校準液。

表1 SP-IICP-MS測量條件參數

樣品中Ag-NPs分析包括以下步驟：(1)SP-ICP-MS測定已知數量濃度的充分稀釋Ag-NPs標準品；(2)計算觀測信號脈沖頻率f估計的傳輸效率ηtrans；(3)用SP-ICP-MS對適當稀釋的未知樣品進行分析和數據采集；(4)評價Ag-NPs濃度，利用儀器響應-質量濃度校準、ηtrans估算值評價Ag-NPs粒徑分布。

2 結果與分析

2.1 Ag-NPs標準品的表征

供應商給出的Ag-NPs在所有標準分散體中總濃度均為20mg/L。10nm、20nm、40nm和100nm Ag-NPs標準品測定總濃度略低(18.7mg/L～19.6mg/L)，60nm Ag-NPs標準的測量濃度12.3mg/L(表2)，與標準品相差很大。另一方面，TEM測定Ag-NPs尺寸(圖1)與供應商給出的標準值吻合很好。

圖1 Ag-NPs標準品透射電子顯微圖：(a)20nm，(b)40nm，(c)60nm，(d)100nm。

表2 供應商給出的Ag-NPs標準濃度和實際測量濃度

2.2 Ag-NPs數目濃度影響

從圖2看出，只有在NPs濃度較低情況下(低于5×105/mL)，對傳輸效率的估算接近其真實值。在銀納米粒子濃度較高區域，傳輸效率估算值和測量值明顯下降，這可能是因為形成完全或部分重疊的NPs簇的NPs彼此之間沒有區別，并且僅被計數為一個粒子。結果表明，在高數字濃度區域，傳輸效率顯著降低。同時，它們與實驗測量結果相差較大。由于Ag-NPs標準中Ag離子的存在，可以預期會有一個小的增加，但在這種情況下，趨勢應該是線性的，這與測量結果不符(圖2)。因此，0.5×105～5×105/mL數量濃度是一個合理的范圍，以確保準確的測量結果。

圖2 銀納米粒子數量濃度對傳輸效率的影響

2.3 Ag-NPs尺寸影響

所有測量均使用Ag-NPs的水分散體進行。從圖3可以看到，對于較低尺寸(小于40nm)的納米粒子，傳輸效率是一致的。然而，10nm Ag和20nm Ag納米粒子的傳輸效率很低，這是由于系統對低信號強度的錯誤評估造成的，與這些Ag-NPs對應的大部分峰幾乎消失在周圍背景中，計算的運輸效率被低估了。在40nm和100nm銀納米粒子中，SP-ICP-MS測量值與估算值相近，結果較準確。

圖3 銀納米粒子尺寸對傳輸效率的影響

2.4 方法驗證

NPs數濃度檢出限可由NPs統計行為來估算，本文檢出限對應的NPs的數量濃度為97/mL。定量限被定義為“可在可接受的重復性、精度和真實性水平上確定的最低測量濃度”。本文測量條件對應的定量限數量濃度1950/mL。尺寸檢出限計算基于Ag-NPs切片數濃度影響中提到的5σ算法。該參數計算為平均背景強度加上5倍其標準差，并轉換為NPs直徑。因此，尺寸檢測限是具體情況，取決于樣品中溶解銀的濃度。例如，0.05%明膠溶液在脫鹽水中尺寸檢測限為15nm。從兩組結果中計算重復性，每組結果包含10個重復分析，間隔兩周測量。采用單因素方差分析(ANOVA)計算。測定銀NPs數濃度相對重復性為1.3%，測定銀納米粒直徑的相對重復性為0.4%。為了量化實際樣品可能的基質效應，在河流水樣中加入Ag-NPs標準品。便于區分加Ag-NPs和最初存在的Ag-NPs。本研究選用了100nm Ag-NPs標準品。結果表明基質對數目濃度影響不大，回收率達到98%。表3。

表3 SP-ICP-MS檢測Ag-NPs的方法驗證

2.5 真實樣本分析

優化后SP-ICP-MS方法應用于廣東省某地不同地點收集的地表水樣本。測定各樣品中銀總濃度和銀NPs數目濃度(表4)。結果表明，研究區域地表水中Ag-NPs濃度范圍5.0ng/L～21.7ng/L，數量濃度最大值1670±250/mL，最小值340±140/mL，粒徑分布平均值42～72nm。

表4 廣東某地不同地點地表水中Ag-NPs的分析

3 結論

本文建立了單顆粒電感耦合等離子體質譜法測定Ag納米粒子的方法。結果表明，在高數字濃度區域，傳輸效率顯著降低，與實驗測量結果相差較大，比較合理的數量濃度范圍為0.5×105～5×105/mL，以確保準確的測量結果。在40nm和100 nm銀納米粒子中，SP-ICP-MS的測量值與估算值相近，結果較準確。方法驗證得到以下參數：檢測限數量濃度97/mL，定量限數量濃度1950/mL，尺寸檢測限15nm，重復性1.3%，回收率達到98%。經驗證后，將該方法應用于廣東省某地地表水Ag-NPs測定。發現Ag-NPs粒徑為42nm～72nm，數量濃度最大值1670±250/mL，最小值340±140/mL。