单颗粒ICP-MS应用 | 土壤中二氧化铈纳米颗粒

二氧化铈CeO₂纳米颗粒广泛用于工业领域，一旦被排放到环境中，土壤很可能成为储存颗粒的主要介质。尽管如此，由于环境中含铈矿物丰富导致天然本底较高，而CeO₂纳米颗粒的含量非常低，因此检测和表征环境样品中的CeO₂纳米颗粒仍然是一项挑战。单颗粒ICP-MS（SP-ICP-MS）已被证明是一种检测和表征工程纳米颗粒的强大技术，特别是在极低浓度下（尤其是环境样品），因为该技术能够快速提供有关粒径、粒径分布和颗粒计数浓度的有关信息。

本文介绍了一种焦磷酸钠（TSPP）提取，并使用SP-ICP-MS技术检测土壤样品中CeO2纳米颗粒的有效方法。

样品

CeO₂纳米颗粒标准物质（30-50nm），US ResearchNanomaterials公司（美国德克萨斯州休斯顿市）。

溶解铈标准品，High-Purity Standards标液公司（美国南卡罗来纳州查尔斯顿市）。

土壤，密苏里科技大学校园内收集的5厘米表层土壤。使用前，将土壤在烘箱中100℃下干燥，随后用陶瓷研钵和研杵研磨成细粉。然后将粉末样品在室温下储存在塑料样品袋中，以备将来使用。

实验

所有样品分析均使用珀金埃尔默NexION^® ICP-MS（美国康涅狄格州谢尔顿）单颗粒模式进行。如表1所示，仪器操作条件经过优化，ZD灵敏度适于检测140Ce，这是储量最丰富的铈同位素，也不会受到干扰。

实验结果

为了确定CeO₂纳米颗粒的方法检出限（MDL），对由一系列0.5mg/L的CeO₂纳米颗粒用0.025mM焦磷酸钠溶液稀释得到的标准品中各种颗粒的浓度（范围在500至256000NPs/mL）进行了分析。如图1 所示，测得的颗粒浓度表明颗粒浓度范围在0.0078g/L至1g/L之间呈线性趋势。但当颗粒浓度进一步降低至小于0.0078g/L时，数据偏离了校准曲线。这表明目前确立的SP-ICP-MS方法能够精确检测ZD1700NPs/mL的CeO₂纳米颗粒，其灵敏度极高。

用2.5 mM焦磷酸钠对加标和未加标的土壤进行提取，然后通过SP-ICP-MS进行分析。图3显示了两个样品的结果原始数据。可以看出，在两种情况下都出现了连续和脉冲信号，表明在两种土壤样品中都存在溶解的和颗粒态的铈。

为了探究焦磷酸钠浓度对土壤中CeO₂纳米颗粒提取效率的影响，采用三种不同浓度的焦磷酸钠溶液（2.5mM，5 mM和10 mM）提取添加CeO₂纳米颗粒土壤样品，并比较提取率。表2显示2.5 mM和5 mM的焦磷酸钠可以有效地从土壤中提取颗粒和溶解的铈（包括小于粒径检测限的颗粒）。然而，10 mM的焦磷酸钠会导致回收率较高。因此，通过该SP-ICP-MS方法，用于分析土壤中CeO₂纳米颗粒的焦磷酸钠浓度应在2.5至5mM范围内。

结论

本文证明了通过使用珀金埃尔默公司的NexION ICP-MS和Syngistix纳米应用软件模块，SP-ICP-MS法可用于在土壤样品中准确检测CeO₂纳米颗粒。通过使用本文中所示的提取和检测方法，可以在不改变颗粒的理化性质的情况下，成功测定在天然土壤样品中添加CeO₂的颗粒计数浓度、粒径和粒径分布。

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随着纳米颗粒在消费品中的使用越来越广泛，纳米颗粒与人体的接触与迁移也越来越受到关注，并由此带来一个问题：消费品中的纳米颗粒会迁移到人体中吗？人们主要通过身体接触来与这些产品发生互动，所以有必要了解纳米颗粒是如何通过身体接触实现向人体迁移的。

本文探讨了纳米材料表面上的纳米颗粒如何迁移到抹布上，并集中讨论了纳米颗粒释放的几大特征：总质量浓度、颗粒数量浓度及颗粒尺寸分布。我们检测了因KJ性而被广泛使用的银纳米颗粒，及油漆涂层表面的氧化铜纳米颗粒的迁移情况。

样品

本项研究中，我们检测了两种不同的消费品：含银硅胶键盘膜和喷涂了含氧化铜涂料的木块（表1）。

表1.测试纳米颗粒经皮肤表层迁移所用的产品

实验

纳米颗粒迁移研究中，采用了以0.5毫升人工汗水浸湿的5 × 5厘米抹布通过擦拭方式进行检测的方法，按特定的重叠“S”路径擦拭，对于木块，在模拟磨损前后均进行了擦拭。按擦拭的相同方法用180目砂纸手动打磨木块三次，取得模拟磨损效果。

检查抹布上回收和提取的纳米颗粒，进行四次测试，如表2所述。这些测试均使用的是30纳米的银纳米颗粒（瑞典Cline 提供）和30-50纳米的氧化铜纳米颗粒（德国PlasmaChem公司提供）。

表2.回收和提取试验

所有样品分析均是使用PerkinElmer NexION^® ICP-MS 的单颗粒模式（SP-ICP-MS）下进行，并结合使用了Syngistix™纳米应用软件模块进行数据分析和处理。

表3.SP-ICP-MS分析的仪器参数

实验结果

首先分析键盘膜释放的银纳米颗粒。如图1所示，在三次擦拭过程中，只有一个键盘膜的银纳米颗粒数量有所增加。然而，所测试的三个键盘膜的抹布中迁移银纳米颗粒含量均不足ng/cm²单位质量浓度，可以忽略且不太可能会造成健康危害。

图1.用抹布擦拭时键盘膜上的银纳米微粒迁移情况。左边：每平方厘米迁移的微粒数量。右边：质量迁移，单位：纳克/平方厘米。误差线表示三个样本的平均值标准误差。“银对照样本”指不含银纳米微粒的键盘膜。

然后，分析喷涂涂料的木块。实际上未能从涂料中提取出氧化铜纳米颗粒，因为氧化铜纳米颗粒的数量和浓度与对照样本（不含纳米颗粒）相同，如图2所示。不过，对木块进行打磨后，氧化铜纳米颗粒的数量大幅增加（图2）。这表明，涂料磨损会使消费者接触到更多的氧化铜纳米颗粒。这尤其对儿童而言是一个问题，因为木块从手到口接触的频率较高。

图2.喷漆木块上的氧化铜纳米颗粒迁移情况。左边：每平方厘米迁移的颗粒数量。右边：质量迁移，单位：纳克/平方厘米。误差条形图表示三个样本的平均值标准误差。“氧化铜对照样本”指喷涂不含氧化铜纳米微粒涂料的木块。

结论

本研究调查了使用织物抹布替代模拟皮肤去接触消费品中的银和氧化铜纳米颗粒的迁移，并使用PerkinElmer提供的配有Syngistix纳米应用软件模块的NexION单颗粒ICP-MS进行数据收集和分析。在样本（硅胶键盘膜和涂漆木块）研究中，除表面有磨损的情况外，纳米颗粒的迁移可忽略不计。这些结果表明，消费者一般不用担心纳米颗粒会通过接触没有磨损迹象的产品而发生迁移至人体。

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随着纳米技术的应用日益频繁，各种纳米材料广泛应用于各类产品当中。碳纳米管（CNT）是使用Z广泛的纳米材料之一，其年生产量高达上千吨。其生产过程通常会用到金属催化剂，因此碳纳米管表面可能残留金属纳米粒子。

碳纳米管的透射电子显微镜（TEM）图像，深色区域为金属颗粒，附着在无定形石墨材料和长单壁碳纳米管上

测量碳纳米管上的金属含量是一项极大的挑战。XRF Z大的缺陷是它测量的是样品的金属总量，而不是单根或若干根碳纳米管上的金属。TEM 可以测量单根碳纳米管上的金属或纳米粒子，但过程十分缓慢冗长，一天之内只能测量少数几个碳纳米管样品。传统的 ICP-OES 和 ICP-MS 分析缺陷是它们需要完全消解碳纳米管，而鉴于其化学惰性，这将是一项巨大的挑战。

单颗粒 ICP-MS（SP-ICP-MS），无需样品消解，通过监测瞬态金属信号即可实现金属量的半定量测量。SP-ICP-MS 还可以在一分钟之内分别对上千根碳纳米管进行快速测量，从而预估粒子的个数和含量。

本文介绍了单壁碳纳米管（SWCNT）中钇（Y）（一种常用催化剂）的 SP-ICP-MS 测定方法。

样品

单壁碳纳米管是从溶液（Riverside，CA）中获取的，为粉末状。

仪器

NexION 2000 ICP-MS

实验结果

图2 显示了 Y 的 SP-ICP-MS 信号，其中每个信号峰代表一根单壁碳纳米管的 Y 信号。随着过滤孔径的越来越小，越来越少的碳纳米管可以通过滤膜，因此 Y 信号越来越小。这说明 Y 纳米粒子与碳纳米管结合在一起，当碳纳米管出现时，可以观察到 Y 信号，当碳纳米管被滤除时，Y 信号消失。

使用 Syngisitx 操作软件纳米模块，可自动计算分析中的峰数，显示本底脉冲和 Y 所生成脉冲的强度均值和中值。信号积分则反映出了单壁碳纳米管中的金属总量。该数值同使用酸消解后的样品信号，是一致的。

结论

使用SP-ICP-MS技术，可在无需消解碳纳米管（一个冗长繁琐的过程）的情况下准确量化碳纳米管中的金属杂质。使用金属杂质的含量可以推测单壁碳纳米管的计数浓度，有效拓展了 ICP-MS 在纳米材料领域的应用。

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随着纳米技术的应用日益频繁，各种纳米材料广泛应用于各类产品当中。碳纳米管（CNT）是使用Z广泛的纳米材料之一，其年生产量高达上千吨。其生产过程通常会用到金属催化剂，因此碳纳米管表面可能残留金属纳米粒子。

碳纳米管的透射电子显微镜（TEM）图像，深色区域为金属颗粒，附着在无定形石墨材料和长单壁碳纳米管上

测量碳纳米管上的金属含量是一项极大的挑战。XRF Z大的缺陷是它测量的是样品的金属总量，而不是单根或若干根碳纳米管上的金属。TEM 可以测量单根碳纳米管上的金属或纳米粒子，但过程十分缓慢冗长，一天之内只能测量少数几个碳纳米管样品。传统的 ICP-OES 和 ICP-MS 分析缺陷是它们需要完全消解碳纳米管，而鉴于其化学惰性，这将是一项巨大的挑战。

单颗粒 ICP-MS（SP-ICP-MS），无需样品消解，通过监测瞬态金属信号即可实现金属量的半定量测量。SP-ICP-MS 还可以在一分钟之内分别对上千根碳纳米管进行快速测量，从而预估粒子的个数和含量。

本文介绍了单壁碳纳米管（SWCNT）中钇（Y）（一种常用催化剂）的 SP-ICP-MS 测定方法。

样品

单壁碳纳米管是从溶液（Riverside，CA）中获取的，为粉末状。

仪器

NexION 2000 ICP-MS

实验结果

图2 显示了 Y 的 SP-ICP-MS 信号，其中每个信号峰代表一根单壁碳纳米管的 Y 信号。随着过滤孔径的越来越小，越来越少的碳纳米管可以通过滤膜，因此 Y 信号越来越小。这说明 Y 纳米粒子与碳纳米管结合在一起，当碳纳米管出现时，可以观察到 Y 信号，当碳纳米管被滤除时，Y 信号消失。

使用 Syngisitx 操作软件纳米模块，可自动计算分析中的峰数，显示本底脉冲和 Y 所生成脉冲的强度均值和中值。信号积分则反映出了单壁碳纳米管中的金属总量。该数值同使用酸消解后的样品信号，是一致的。

结论

使用SP-ICP-MS技术，可在无需消解碳纳米管（一个冗长繁琐的过程）的情况下准确量化碳纳米管中的金属杂质。使用金属杂质的含量可以推测单壁碳纳米管的计数浓度，有效拓展了 ICP-MS 在纳米材料领域的应用。

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1 前言 

       花生经过特殊的烘烤工艺，口味纯正、口感香酥，是居家、旅行的必备食品。但有一些不法商贩为了花生有个好卖相，用二氧化硫对其进行漂白。二氧化硫进入人体后Z终转化为硫酸盐并随尿液排出体外，少量二氧化硫进入人体不会对身体带来健康危害，但是如果食用的二氧化硫超标，过量的二氧化硫容易使人产生恶心、呕吐等胃肠道反应，此外，还可影响钙吸收，促进机体钙流失。本文采用二氧化硫残留量测定仪检测花生中二氧化硫的含量，操作简单，与玻璃蒸馏装置相比节省了大量时间，提高了工作效率。 

2 仪器与试剂 

2.1 仪器 

SOA100 二氧化硫残留量测定仪，棕色玻璃滴定管 

2.2 试剂 

盐酸（1+1），醋酸铅(20g/L)，碘滴定液（C_1/2 I =0.01mol/L)，浓盐酸，去离子水，花生样品（以上试剂均为分析纯） 

3 实验方法 

3.1 样品测试 

       花生样品剥掉外壳保存完好的可食部分，用粉碎机粉碎。称取试样 5g（精确至 0.01g， 取样量视含量高低而定)，置于 800mL 蒸馏管中。仪器设置合适的参数后进行加热蒸馏，蒸馏完毕，取下接收杯加入 10mL 盐酸溶液，摇匀之后加入淀粉指示剂，用碘标准溶液滴定至终点，同时做空白试验。

3.2 参数设置

3.3 二氧化硫总含量按下式进行计算： 

X=(A-B)*C*0.032*1000/m

式中 

X--试样中的二氧化硫总含量，单位为克每千克(g/kg) 

A--滴定试样所用碘标准滴定溶液（0.01mol/L)的体积，单位为毫升(mL) 

B--滴定试剂空白所用碘标准滴定溶液（0.01mol/L)的体积，单位为毫升(mL) 

C--碘标准滴定溶液的浓度，单位为摩尔每升（mol/L） 

m--试样质量，单位为克(g) 

0.032--1mL 碘标准溶液[C(1/2I2)=1.0mol/L]相当于二氧化硫的质量，单位为克(g)

4 结果与讨论

       此次购买的两种口味的花生样品中均未检出二氧化硫含量。用二氧化硫残留量测定仪检测样品的二氧化硫含量操作步骤简单，一般一个样品仅需要蒸馏 7min 即可，大大提高了工作效率。

参考文献 

[1] GB 5009.34-2016 食品安全国家标准 食品中二氧化硫的测定.[S]

精彩内容

研究建立一种对降尘中的纳米颗粒物进行提取，并使用 Agilent 8900 ICP-MS/MS 的单颗粒模式进行定量分析其质量浓度和等效球体粒径分布的方法。通过该方法可以快速准确的测定灰尘中含 10 种元素的纳米颗粒物的含量，并且可以检测经过模拟肺液暴露后的灰尘中的纳米颗粒物的变化，从而提供室内空气中的纳米颗粒物的种类、暴露量等信息。这些信息可以进而帮助研究人员更好地研究室内环境暴露风险对人体健康的作用。

室内空气标准的对细颗粒物的关注  

近期颁布的 GB/T 18883-2022 《室内空气质量标准》中新加入了细颗粒物（PM2.5）的标准，意味着对于细颗粒物对人体健康影响的重视程度的升级。近年来，大气中 PM2.5 对人体健康的影响是备受关注的研究方向，特别是对细颗粒物等进入人体呼吸系统并增加暴露人群的健康风险的颗粒物的研究。而比微米级颗粒物具有更大比表面积的纳米级粒径的颗粒物对人体健康的潜在危害要更大，但是目前国内外关于微米级的大气颗粒物的理化性质、粒径分布及来源等研究较多，但对于纳米级颗粒物的相关研究较少，其中分析方法是一个制约因素。随着近十年以来单颗粒（sp）ICP-MS 法在纳米颗粒物定量检测的应用愈加成熟，应用该方法研究大气颗粒物中的纳米级颗粒物的种类、大小、分布成为了很有吸引力的研究方向。

  室内灰尘中的纳米颗粒的提取  

本研究采集了某大学校园内的教室、食堂、宿舍等空间中的灰尘来进行。每个灰尘样品在混匀后取 20mg，用 40mL 的 0.25%（w/w）的柠檬酸钠溶液在水浴超声中分散。分散后的悬浊液在上机检测前，再次用水浴超声混匀，并用去离子水稀释 100 倍。

  模拟肺液暴露对纳米颗粒的影响  

使用 Gamble's 人工肺液溶液进行暴露实验。取 20mg 混匀后的灰尘样品置于 40mL 人工肺液溶液中，在 37°C 下震荡 24 小时。样品上机前用水浴超声分散并用去离子水稀释到适当浓度。

  单颗粒 (sp)ICP-MS 方法检测  

检测使用 Agilent 8900 串联四极杆 ICP-MS（ICP-MS/MS）。进样系统包括具有 1.0 mm 内径中心管的石英炬管（部件号：G3280-80081）、标准石英雾化室、标准玻璃同心雾化器和镍尖接口锥。样品通过蠕动泵进样。典型的仪器参数如表 1。

表 1. 该研究中 Agilent 8900 ICP-MS/MS 的仪器参数配置

大量纳米级颗粒物存在于室内空气中  

通过单颗粒 ICP-MS（spICP-MS）法定量分析室内灰尘中含有 Al、Mg、Si、Ti、Cr、Fe、Cu、Zn、Ba、Pb 等元素的纳米级颗粒物的质量浓度和粒径分布（以对应的氧化物计）。结果表明，室内灰尘中存在含有上述元素的纳米级颗粒物，并且在公共空间和个人空间中的含量有一定的差异，其中含 Mg、Al、Si、Fe 的颗粒物粒径在 100-500nm 为主，而含 Ti、Cr、Cu、Zn、Ba、Pb 的颗粒物粒径主要集中在 20-100nm 范围。

图 1. 室内公共区域灰尘中含 Ti（以 TiO2 计）、Cr（以 Cr2O3 计）、Cu（以 CuO 计）、Pb（以 PbO 计）的纳米颗粒物的粒径分布。

  肺液暴露对纳米颗粒物的影响  

与灰尘中存在的纳米颗粒物相比，暴露于肺液后的金属纳米颗粒物表现出团聚、粒径增大的趋势，并部分溶解释放出相应的金属离子。这些变化进一步增加了纳米颗粒物沉积在呼吸系统和产生大量自由基的风险。

图 2. 室内公共区域灰尘中含 Zn（以 ZnO 计）和 Cr（以 Cr2O3 计）在初始状态和经过肺液暴露后的粒径分布变化。

结 语

本研究证明了应用 spICP-MS 法定量分析大气颗粒物中的纳米级颗粒物的可行性，今后也将进一步探索该方法的定量准确性和精密度。用分析结果进行人体健康风险评估，表明了含有多元素纳米颗粒物的室内粉尘可以通过产生更多的自由基来诱导氧化应激。在这样的室内环境中长期生活可能会引发健康风险。

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      纳米技术是一个快速发展的新兴领域，其发展和前景也给科学家和工程师们带来了许多巨大的挑战。纳米颗粒正在被应用于众多材料和产品之中，如涂料（用于塑料、玻璃和布料等）、遮光剂、KJ绷带和服装、MRI造影剂、生物医学元素标签和燃料添加剂等等。然而，纳米颗粒的元素组成、颗粒数量、粒径和粒径分布的同步快速表征同样也是难题。对于无机纳米颗粒，Z为满足上述特点的技术就是在单颗粒模式下应用电感耦合等离子体质谱分析法（ICP-MS）。使用ICP-MS分析单纳米颗粒时，需要采用有别于溶解元素测量的另一种不同方式。本文介绍了单颗粒ICP-MS测量背后的理论，并通过溶解态元素的分析进行比较，提出差异。

了解单颗粒ICP-MS分析

      如需通过ICP-MS有效地检测和测量单纳米颗粒，则需以不同于溶解样品分析时的方式操作仪器。溶解样品和单纳米颗粒分析的响应信号如图1所示。在图1a中，稳态信号来自于溶解元素的测量；检测单颗粒时的信号呈现脉冲状，如图1b中60 nm银颗粒检测信号所示。在图1b中，每个峰代表一个颗粒。数据采集方式的差异是理解单颗粒分析的关键，要理解这部分内容，Z为简单的方法就是分析与比较溶解态元素和颗粒测量时所

涉及的流程。

使用ICP-MS进行溶解态分析

      在测量溶解态元素时，气溶胶进入等离子体，液滴得到去溶剂化与电离化。产生的离子进入四极杆，通过其质荷比（m/z）进行分辨。四极杆在各质荷比（m/z）停留一段时间，然后移动到下一质荷比（m/z）；各质荷比（m/z）的分析时间被称作“驻留时间”。在各驻留时间的测量完成之后，执行下一次测量之前，通过一定时间进行电子器件的稳定。该时间段被称作“稳定时间”，即暂停和处理时间。在分析溶解态元素时，产生的信号基本上属于稳态信号，如图2a所示。然而，考虑到驻留时间和稳定时间，由于存在电子器件的稳定时间，因此检测信号其实是不连续的，而这是纳米颗粒分析时的一个关键点（图2b）。

图1. a）溶解分析物测量的连续信号；b）60 nm银纳米颗粒测量的信号。

对于溶解态离子，因为元素溶解并产生连续信号，所以错过的部分信号并不重要。

使用ICP-MS进行单颗粒分析

       以相同于溶解态溶液的方式，将水溶液中的颗粒引入等离子体。当液滴在等离子体中去溶剂化时，产生的颗粒经过电离化产生大量离子（每个颗粒形成一个离子云）。随后，离子进入四极杆。然而，使用传统的ICP-MS数据收集方式，且在驻留时间和稳定时间之间交替时，无法始终检测到离子云。例如，如果离子云恰好落在驻留时间窗口内，则可以被检测到。否则，如果离子云在稳定时间内进入四极杆或到达检测器，则无法被检测到，从而导致计数不准确。如图3a所示，如果单颗粒（“信号”峰）的离子云落在驻留时间窗口之外，则可能无法被检测到。如图3b所示，当单颗粒的离子云落入驻留时间窗口内时，可以检测到该离子云。当快速连续检测到多个颗粒时，所得到的信号是一系列峰，各个峰都来自于某一颗粒，具体如图3c所示。

图2. a）溶解态元素测量的连续信号；b）连续信号，其驻留时间和稳定时间重叠，仅在停留时间内收集数据。

单颗粒ICP-MS的时间参数

       图4显示的是ICP-MS分析中涉及的时间参数。三个坐标轴分别代表信号强度、质荷比（m/z）和时间。对于常规/溶解态分析，质荷比轴和信号强度轴的重要性Z高：所得出的谱图是m/z与信号强度的图表。在考虑四极杆从质荷比到质荷比的移动速度时，时间轴具有重要意义，而此参数被称为“四极杆扫描速度”。在测量瞬态信号的多个元素（如激光烧蚀和多元素形态分析）时，四极杆扫描速度具有重要作用。

图3. a）单纳米颗粒的信号落在驻留时间/测量窗口之外，因此未被检测到；b）单纳米颗粒的信号落入驻留时间/测量窗口内，因此被检测到；c）多个纳米颗粒的信号落入驻留时间/测量窗口内并被检测到。

图4. ICP-MS分析的时间参数。

      在测量单个m/z的瞬态信号时，时间轴具有较高的重要性，因为必须获取足够的数据点以形成一个数据峰。例如，使用HPLC/ICP-MS时，通常4-10点/秒足以形成一个峰。HPLC峰与单颗粒信号之间的对比显示，各颗粒离子团的峰宽度通常是HPLC产生的峰宽的千分之一。因此，单颗粒分析获取数据的速度必须非常快。时间轴变为“瞬态数据采集速度”，其中涉及驻留时间和稳定时间。瞬态数据采集速度越快，系统就越适用于单颗粒分析。

      在单颗粒ICP-MS中，瞬态数据的采集速度由两个参数组成：驻留时间（读取时间）和稳定时间（暂停和处理时间）。十分重要的是，ICP-MS采集信号所需的驻留时间少于颗粒瞬态时间，从而避免因部分颗粒合并、颗粒重合和团聚/聚集产生的错误信号。稳定时间越短，颗粒遗漏的可能性就越小。图5展示了驻留时间（100μs）和时间窗口恒定的条件下，缩短稳定时间的重要性。如图5a所示，仅有两个100μs的窗口用以检测颗粒；其余时间暂停采集信号，无法获取数据。在这种情况下，一秒钟内仅进行约100次测量。因此，大部分时间都被浪费了。图5b采用相同的驻留时间窗口，但稳定时间为100μs。因此，测量和寻找纳米颗粒所花费的时间更长，即一秒钟内进行约5,000次测量。但是，仍然有一半的时间被浪费了。图5c显示的是不存在稳定时间的理想情况。一秒钟内可进行10,000次测量，不存在时间浪费的情况，所有时间皆用于寻找纳米颗粒，这是单颗粒ICP-MS的理想情况。

图5.稳定时间和驻留时间对ICP-MS测量的影响：a）沉稳定时间比驻留时间长得多；b）稳定时间等于驻留时间；c）不存在稳定时间。

图6.驻留时间和稳定时间对单纳米颗粒测量的影响：a）检测到两个颗粒；b）检测到一个颗粒；c）检测到一个颗粒的前半部分；d）检测到一个颗粒的后半部分；e）未检测到颗粒。

单颗粒多次测量：理想情况

       参见图6了解快速数据采集在单颗粒测量过程中的重要性。在该图中，上部表示单颗粒脉冲，其与驻留时间和稳定时间相关，而下部则表示相应的质谱仪响应（强度对时间）。如图6a所示，在单一驻留时间窗口中检测到两个颗粒，导致响应强度相当于检测到一个颗粒时的两倍，此时并非理想情况。如果仪器驻留时间超过纳米颗粒的瞬态脉冲，则很容易遇到这种情况。如图6b所示，在驻留时间窗口中检测到单个颗粒，产生的信号是图6a的一半大小，得到准确的数据。图6c和图6d显示的是不理想的情况，其中仅检测到颗粒的部分离子脉冲，信号强度因此较小，无法jing准确定颗粒的尺寸。图6e显示的是Z不理想的情况，其中的颗粒落在驻留时间窗口之外，并未被检测到。这些例子证明了快速连续数据采集功能的重要性。在该功能中，数据的连续采集不受到稳定时间的影响，保证了颗粒计数的准确性，使每个进入等离子体的颗粒都被纳入计数。

      快速连续数据采集的另一个好处是可以从单个颗粒获得多个数据点，从而消除颗粒遗漏，或仅检测到颗粒部分离子云的情况。图7显示了具体的测量方法。如图7a所示，来自单个颗粒的信号经过多次测量。将各时间片段的信号绘制成图，构成一个峰。当检测到多个颗粒时，产生的峰是一系列时间片段，具体如图7b所示。

       图8a和8b显示了数据点如何绘制为单颗粒的信号峰。如图8a所示，以快速连续模式（无稳定时间）收集数据时，驻留时间为100 µs。在前1.6秒，可以看出峰由6个点确定。如图8b所示，驻留时间减少至50 µs，可使获取的数据点达到两倍之多。因此，峰形由12个点确定，峰形更加明确。这一示例证明了尽可能多采集数据点的好处。

图7.各颗粒多个测量值的测量对以下方面的影响：a）单颗粒；及b）顺序检测的多颗粒。

图8.取得各颗粒多个测量值的能力：a）各颗粒的6个数据点；b）各颗粒的12个数据点。

总结

如上文所述，相较于溶解态元素的测量，使用ICP-MS测量单颗粒有着很大不同。在测量单颗粒时，Z重要的因素是获取数据的速度：由于颗粒电离时间大约为微秒级，因此关键的是保证快速数据采集，以及在多次测量之间消除稳定时间。连续测量功能支持单颗粒电离后被多次读数，这有助于更为准确地确定颗粒尺寸。对于单颗粒ICP-MS分析，在小于或等于100 µs的驻留时间内进行连续数据采集是纳米颗粒精确计数和粒度确定的Z重要仪器要求。

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5、所需配件：PTFE导管、过滤器、接头连接器等

6、ESI操作软件

为什么使用微流体产生纳米颗粒？

由于可精细调节微流体的流动性，使用微流体技术合成纳米颗粒是降低纳米颗粒直径分散性的好方法。非常快的动力学对于例如合成聚合物纳米颗粒的结晶和沉淀过程也是非常重要的。

此外，微流体技术是减少纳米颗粒合成所需的潜在有价值样品的一种方法。

总而言之，就时间、产率和分散性而言，使用微流体技术合成纳米颗粒比宏观的传统实验合成更加有效。由于微流控芯片已经小型化，因此，可以在更复杂的实验平台中实施纳米粒子合成组分，以执行复杂且多功能的集成过程。

PLGA纳米粒子：（A）在PEG修饰的PLGA纳米粒子中化学偶联或化学ZL剂的简单封装。（B）PLGA纳米粒子的TEM图。Scale bar: 100 nm [1]

[1] Banerjee D, Harfouche R, Sengupta S. Nanotechnology-mediated targeting of tumor angiogenesis. Vasc Cell. 2011 Jan 31, 3(1), 3

应用

微流体鞘液连续流动纳米沉淀原理

已经显示，微流体技术对于合成具有可调形状和尺寸的有机和无机纳米粒子特别有用[1]。您可以使用微流控纳米颗粒合成套装实现“自下而上”的纳米颗粒合成方法，该方法通常包括三个阶段：由聚合单体组成的纳米颗粒成核，通过更多单体的聚集而使核生长并ZZ达到平衡[2-3]。与传统的宏观实验合成相比，微流体合成纳米颗粒具有更好的产率和更好的可调节性[4]。

以PLGA纳米沉淀为例，PLGA单体溶解在有机溶剂中，并芯片的中间通道。与表面活性剂混合的水溶液注入到芯片的鞘流通道中，以聚焦PLGA流体流。通过扩散形成浓度梯度和PLGA纳米颗粒沉淀，因为PLGA分子不溶于水[5]。

还已经使用微流控技术合成了其他纳米颗粒，例如用于表面等离子共振（SPR）的金属纳米颗粒[6]和 聚二乙炔纳米颗粒[7]。

1. Ma, J., et al., Controllable synthesis of functional nanoparticles by microfluidic platforms for     biomedical applications – a review. Lab Chip, 2017. 17(2): p. 209-226.

2. Karnik, R., et al., Microfluidic platform for controlled synthesis of polymeric nanoparticles. Nano     Lett, 2008. 8(9): p. 2906-12.

3. Lababidi, N., Sigal, V., Koenneke, A., Schwarzkopf, K., Manz, A., & Schneider, M. (2019).     Microfluidics as tool to prepare size-tunable PLGA nanoparticles with     high curcumin encapsulation for efficient mucus penetration. Beilstein Journal of Nanotechnology, 10, 2280–2293.

4. Visaveliya, N. and J.M. Köhler, Single-step microfluidic synthesis of various nonspherical polymer nanoparticles via in situ assembling: dominating role of     polyelectrolytes molecules. ACS Appl Mater Interfaces, 2014. 6(14): p. 11254-64.

5. Donno, R., Gennari, A., Lallana, E., De La Rosa, J. M. R., D’Arcy, R., Treacher, K., Hill, K., Ashford, M., & Tirelli, N. (2017). Nanomanufacturing through microfluidic-   assisted nanoprecipitation: Advanced analytics and structure-activity relationships. International Journal of Pharmaceutics, 534(1–2), 97–107.

6. Boken, J., D. Kumar, and S. Dalela, Synthesis of Nanoparticles for Plasmonics Applications: A Microfluidic Approach. Synthesis and Reactivity in Inorganic, Metal-   Organic, and Nano-Metal Chemistry, 2015. 45(8): p. 1211-1223.

7. Baek, S., et al., Nanoscale diameter control of sensory polydiacetylene nanoparticles on microfluidic chip for enhanced fluorescence signal. Sensors and Actuators    B: Chemical, 2016. 230: p. 623-629.

配置您的微流体纳米颗粒和纳米脂质体产生套装

微流控纳米颗粒/纳米脂质体合成套装是高度可定制的，可以采用不同的微流控芯片合成不同规格的纳米颗粒或纳米脂质体。例如，微流控芯片合成后的流体通道更长或有更大的反应空间。

鞘液流芯片的材质有PMMA或COP两种材料，这两种材料都是光学透明的，并且与大多数的纳米颗粒合成协议相兼容。

此外，如果需要用到负压的流体控制，您可以在现有的套装设备里面升级您的流量控制器OB1，将其升级到OB1 DUAL正压和负压功能，同时您还可以选择不同规格的储液池如从1.5 mL Eppendorf管到100 mL玻璃瓶。当然，您还可以选择科式流量传感器BFS来代替MFS，以进一步改善流量控制。

微流控人字形玻璃混合芯片

人字型混合器玻璃芯片是一种可用于通过人字形通道进行ZJ混合液体的有用工具。采用1/4-28UNF螺纹端口和对应的接头，可允许您在一秒钟内将该芯片连接到您的实验装置！

该通用型玻璃芯片通过减少扩散所需的长度并增加溶质在流体之间传输的可能性，从而提供了一种快速混合两种流体的方法。

这种人字形芯片使用方便、经济可靠，可应用于您的所有实验：

● 高强度光学透明玻璃

● 标准显微镜载玻片尺寸（25×75 mm）

● 标准1/4-28UNF螺纹端口

● 易于处理

● 只需使用1/4-28UNF接头配件（可用于外径1/16英寸的导管）将芯片连接到您的装置即可。

工作原理与应用

人字形混合器通过诱导混沌流的形成，在低雷诺数条件下显示加速混合。

人字形混合器芯片微通道底部具有不对称的人字形凹槽的特定图案，该凹槽能够产生螺旋流和用于混合两种液体的混乱搅拌。

流经微通道的流体的混合具有很多的应用，例如化学反应中所用试剂溶液的均质化。

最近，这种人字形混合器芯片已经在脂质体（封闭的磷脂囊泡）的产生中取得了重要的进步。Cheung等人（Int J Pharma 2019）确实首次报道了使用人字形混合器芯片产生稳定且均匀的（100 nm）聚乙二醇化脂质体。他们研究了不同配方（水溶液、初始脂质浓度、脂质成分和组分）和工艺参数的影响。

与其他微流控设备相比，该混合器芯片显示出更高的通量，更快的混合和更小的洗脱。

人字形玻璃混合芯片的规格参数

宽度和长度：25 ×75 mm

通道深度：0.08 mm

通道宽度：0.1到0.5 mm

体积：3.3 μL

混合体积：0.47 μL

混合长度：28.7 mm

材质：玻璃

连接器：1/4-28接头

在混合部分，有6个混合元件（人字形）形成一个块（半个循环）和30个块，因此，总共有15个完整循环。该混合芯片在1到3bar的压力进行了测试，但也进行了少量的10bar压力测试。

● 人字形的两个臂是通道尺寸（200 μm）的1/3到2/3

● 人字形之间的距离是50 μm

● 每个混合元件的宽度是50 μm，高度是30 μm

参考论文

Calvin C.L.Cheung, Wafa T.Al-Jamal. Sterically stabilized liposomes production using staggered herringbone micromixer: Effect of lipid composition and PEG-lipid content. International Journal of Pharmaceutics, Volume 566, 20 July 2019, Pages 687-696. PDF版下载 here

您可以根据具体的实验项目单独定制纳米颗粒或纳米脂质体合成芯片，其他设备无需变动，可持续使用。

上次我们介绍了单颗粒ICP-MS 的原理，可以高分辨的检测到每个小至纳米尺寸的颗粒中的元素类型，颗粒尺寸，并可以统计样品中纳米颗粒的粒径分布。每个纳米颗粒产生一个脉冲峰，所得信号的强度同颗粒尺寸相关，脉冲数与颗粒浓度相关。这种技术基于超快速扫描时间的四级杆质量分析器，目前已经可以达到10µs 的采样时间，1 秒钟就能采集多达100000 个数据点。

利用单颗粒ICP-MS的快速采样时间的技术，搭配专用的进样系统，就可以分析每个细胞中的金属含量，称为单细胞ICP-MS。细胞逐个进入等离子体，被电离，内部金属产生的离子云被ICP-MS 检测。在单细胞ICP-MS 分析中，每个细胞被看做是一个单独的个体或粒子，可以产生自己的离子云。

准确地定量单个细胞的金属含量，可以更好的理解单个细胞对金属和/或含金属纳米颗粒的吸收和清除机制，含金属药物与细胞相互作用的机制，以及营养物质在细胞群中的分布。传统的测量细胞中金属含量的方法使用名义质量浓度，即假设金属在细胞间的分布是相等的，从而忽略了在单细胞水平上金属分布和变化的重要信息。

使用单细胞ICP-MS，我们可以获得以下信息

每个细胞的金属含量

细胞群的金属含量分布

含有金属或纳米颗粒的细胞浓度

每个细胞的纳米颗粒数量

将纳米颗粒设计为同时携带药物和成像探针的模式，以便同时检测和ZL癌症。还可将其设计为专门针对机体病变组织和细胞的模式。纳米颗粒相对传统小分子药物，具备以下优势（i）延长体内循环时间；（ii）减少非特异性细胞摄取、意外偏离目标和副作用；以及（iii）通过特定癌细胞靶向部分来提高细胞相互作用。很多基于纳米粒子的癌症疗法已获准在临床上使用和/ 或目前正在开发中。

金纳米颗粒AuNP

制备柠檬酸盐稳定剂的50 nmAuNP，并聚乙二醇化。

癌细胞

人类T24 膀胱癌细胞。在组织培养处理过的培养皿上采用McCoy 培养基（补充10% FBS），将细胞培养为单层细胞。

摄入实验

以每孔一百万个细胞的密度接种T24 癌细胞，并在37 ℃（5% CO2）的温度下培养24 小时，以确保细胞粘附在培养皿表面。然后，在浓度为0.4nM AuNP 的McCoy 培养基（补充10% FBS）中，让细胞和50 nm聚乙二醇化的AuNP 接触4 小时。形成Z终浓度为100,000 个细胞/mL 的单细胞悬浮液。

结论

结果表明，每个细胞吸收的AuNP 分布并不均匀，特定细胞群内的某些细胞比其他细胞明显摄取更多AuNP。SC-ICP-MS 是一个强大的分析工具，可在单个细胞水平上量化元素浓度和纳米粒子的分布。这项技术在单细胞基础上，具有提供的纳米粒子-细胞相互作用差异新见解的潜力。

扫描二维码，即可下载珀金埃尔默使用单细胞ICP-MS 法定量癌症细胞对金纳米粒子的摄取率应用报告。