纳米颗粒的构造

纳米科技在为现代生活提供各种高性能产品的同时，也对环境造成了严重的负担。之前的文章中，我们一起学习了饮用水、湖泊水、废水等水体中的纳米颗粒的单颗粒ICP-MS的测定过程，了解到纳米颗粒的无处不在。

那么“大海啊，全是水”的海水中，是不是也一定存在着纳米颗粒呢？

但是，海水和其他水体不一样，含有更多的“盐分”，也就是基体不同。通常，在ICP-MS 分析中，分析之前需要稀释具有较高基体的样品，以免对仪器

产生影响。然而，纳米颗粒在环境样品中的溶解和聚合取决于基体，且样品基体组成和浓度（例如溶解有机质（DOM）和离子强度）对其具有极大影响。因此在处理纳米颗粒时，稀释可能触发转化，这意味着获得的结果可能无法准确反映样品中纳米颗粒的初始状态。

为降低环境样品或其他高溶解固体含量样品在分析前稀释的必要性，PerkenElmer提供了适用于NexION系列ICP-MS(5000/2000/1000/350/300)的全基体进样系统（AMS）。

这套系统包含一个耐高盐雾化器和一个带有氩气稀释气接口的雾室。稀释气的流速由独立的氩气通道控制，气流方向与雾化气流向垂直，以获得zui佳的混合效果。可获得高达200倍的稀释比，避免了离线手工稀释的繁琐操作和随之而来的污染和误差。对于不需稀释的样品，只需将稀释气关掉，无需取下稀释气管路。借助AMS系统，对无需稀释的样品和需要稀释200倍以内的样品分别进行分析之间，无需对仪器再次进行参数优化。

本文中，我们将探索模拟海水样品中金纳米颗粒的分析，并利用AMS 功能避免人为稀释，并讨论仪器配置条件对单颗粒ICP-MS进行精确和准确颗粒分析的影响。

样品

在超高纯（UHP）水中以1，2 和3 ppb 浓度制备离子金（Au⁺）标准品，并且在超高纯水中按60000 颗/mL制备60 nm 的金纳米颗粒标准品（NIST 8013）。使用标准参考物质（CASS-6，加拿大国家研究委员会）制备海水样品，并掺入60000 颗/mL的60 nm NIST 金纳米颗粒。

在分析之前不进行进一步的样品稀释。

实验

所有分析均在NexION 2000 ICP-MS 上进行，并使用表1 中所示的进样附件和参数。全基体进样系统（AMS）的气流量设定为0.4 L/ 分钟，即10 倍稀释，可在未经任何人为稀释的情况下分析未稀释的海水，从而简化样品制备，并确保样品基体中纳米颗粒的完整性。

实验结果

如下图所示，在几种不同的AMS 气流量下精确确定NIST 60 nm 金颗粒的粒径，证明如果使用相应的离子校准，AMS 不会影响粒径测量的准确度。

AMS 气体流量对NIST 8013 60 nm 金纳米颗粒测量粒径的影响。

AMS 气体流量对NIST 8013 60 nm 金纳米颗粒测量粒径的影响

将金纳米颗粒分别添加到海水和去离子水样品中并进行测量。

下图显示了添加到海水和去离子水中的60 nm纳米颗粒的粒径分布，两者基本没有差异。结果表明，适当的仪器参数设置和AMS降低了基体效应，从而能够在复杂的环境基体（如海水）中进行准确jing准的纳米颗粒测量，而无需与离子校准标液进行基体匹配。这种能力简化了流程，增加了可用性，最重要的是，由于消除了液体稀释的需要，可在分析样品中获得纳米颗粒的准确结果。

未稀释的海水（a）和去离子水（b）中的NIST 8013 60 nm金纳米颗粒的粒径分布

未稀释的海水（a）和去离子水（b）中的NIST 8013 60 nm金纳米颗粒的粒径分布

结论

使用配备了全基体进样系统（AMS）的PerkinElmer的NexION 2000 ICP-MS，可以无需考虑用水稀释导致的纳米颗粒状态的转化对于测量结果的影响，精确测量海水（典型的复杂基体）中纳米颗粒粒径大小和浓度，无需手工稀释样品。

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《使用全基体进样系统和单颗粒ICP-MS快速测定海水中纳米颗粒》

ICP-MS的构造：原理与应用

ICP-MS（感应耦合等离子体质谱法）是一种高灵敏度、高分辨率的分析技术，广泛应用于元素分析、同位素比值测定以及环境、食品、医学等领域的痕量元素检测。本文将深入探讨ICP-MS的构造、工作原理及其应用，为您全面解析这一先进分析技术的内部机制。

ICP-MS的构造

ICP-MS设备的核心构造主要包括以下几个关键部分：感应耦合等离子体（ICP源）、离子导入系统、质谱分析器（通常是四极杆质谱或电感耦合质谱器）和检测器。

1. 感应耦合等离子体（ICP源）

ICP源是ICP-MS系统的基础部分，其主要作用是将样品转化为离子。其构造通常包括一个高频电磁线圈和一个等离子体室。高频电磁线圈用于产生高温等离子体，等离子体的温度通常可达到6000-10000摄氏度。在这个极高温度的等离子体中，样品溶液或气体会被雾化成细小的颗粒，经过离子化过程生成带电的原子或分子离子。

2. 离子导入系统

生成的离子需要被引导到质谱仪进行进一步分析。离子导入系统由一系列不同的电场和磁场组成，这些系统负责对离子进行加速、聚焦和导向，确保离子能够稳定、准确地进入质谱分析器。离子导入系统的设计对于ICP-MS的性能至关重要，因为它决定了系统的灵敏度和分辨率。

3. 质谱分析器

质谱分析器是ICP-MS设备的核心，负责分离和分析不同质量的离子。常见的质谱分析器包括四极杆质谱（Quadrupole Mass Spectrometer, QMS）、离子阱质谱（Ion Trap）和时间飞行质谱（TOF）。其中，四极杆质谱由于其较高的分析速度、较低的成本和稳定性，成为ICP-MS中常见的分析器。四极杆质谱通过对离子的质量-电荷比（m/z）进行分析，能够准确区分不同元素和同位素。

4. 检测器

检测器负责捕捉从质谱分析器出来的离子信号，并转化为电信号，经过放大后输入到数据处理系统。常见的ICP-MS检测器有电子倍增器（EMI）和气泡计数器等。电子倍增器因其极高的灵敏度，能够检测到极为微量的元素，因此被广泛应用于痕量元素的分析。

ICP-MS的工作原理

ICP-MS的工作原理包括样品引入、离子化、质量分析和信号检测等几个关键步骤。样品被引入ICP源，并在高温等离子体中被离子化，形成带电离子。然后，这些离子通过离子导入系统被加速并进入质谱分析器。质谱分析器根据离子的质量-电荷比将不同的离子分离开来，后通过检测器捕捉到的离子信号进行数据分析。

ICP-MS的一个显著优势是其高灵敏度，能够对极低浓度的元素进行精确分析，通常能够达到ppb（10^-9）或ppt（10^-12）级别的检测限。该技术的高分辨率和高精度使其在多种领域中得到了广泛应用。

ICP-MS的应用

ICP-MS因其高灵敏度、高分辨率及快速分析的特点，已成为多领域元素分析的重要工具。在环境科学中，它用于检测水质、土壤和空气中的重金属污染物；在食品安全中，ICP-MS能够检测食品中的微量元素及其污染物；在医学领域，ICP-MS被用于血液、尿液等生物样本中的元素分析，特别是痕量元素的测定。ICP-MS还广泛应用于地质勘探、材料科学和法医学等领域。

结论

ICP-MS技术凭借其优异的灵敏度和分辨率，在多种领域中发挥着重要作用。通过感应耦合等离子体源、精密的离子导入系统、先进的质谱分析器和高效的检测器，ICP-MS能够提供极为的元素分析结果。未来，随着技术的不断发展，ICP-MS将在环境监测、食品安全、医疗诊断等领域展现更大的应用潜力。因此，了解ICP-MS的构造及工作原理，对于深入掌握这一技术并充分发挥其优势具有重要意义。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料。由于它的尺寸很小，会产生很多特殊的效应，比如小尺寸效应、隧道效应以及大的比表面积效应等，因此使得纳米材料表现出不同的物理化学特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，因而现在纳米材料被广泛应用于医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、建筑及环保等行业。但由于其颗粒非常小，因此颗粒大小的检测也就成为了挑战，国际上对于超细颗粒的粒度测试一般有三种方法，即电子显微镜、动态光散射以及激光衍射。

1. 电子显微镜

电子显微镜技术的应用是建立在光学显微镜的基础之上的，它是利用电子束照射在颗粒上，然后通过电子透镜放大得到的图片。电镜的优点是结果直观，能够直接“观察”到所测颗粒，而且分辨率极高，但由于其放大倍数较高，因此采集的颗粒有限，取样代表性风险较高，同时高能的电子束可能破坏某些样品比如蛋白、颜料的结构。

2. 动态光散射技术

在溶液中悬浮的颗粒由于无规则运动会发生布朗运动。一般颗粒越小，运动速度越快，动态光散射技术利用悬浮颗粒在溶剂体系中做布朗运动的原理，通过检测颗粒的扩散速度，从而利用斯托克斯-爱因斯坦方程计算出颗粒的大小和粒度分布。

该技术优点是测试下限较低，对于极小的窄分布颗粒测试效果较好，同时所需样品较少，可以在悬液状态下直接测试样品并给出分布，测试速度较快。但由于该技术基于颗粒的布朗运动，一旦有大的颗粒在体系中，这些大的颗粒可能就会发生沉降从而导致测试结果错误，同时该技术是基于统计的光强变化来做数据处理，对于宽分布的样品测试结果有风险。

动态光散射技术

3．激光衍射技术

激光衍射技术主要利用的是光照射到颗粒后产生的衍射现象，不同大小的颗粒将会在空间形成不同的衍射条纹，一般来说，颗粒越小散射角越大，因此通过放置一系列检测器，检测不同角度的光散射强度，从而通过米氏理论反演计算出颗粒的粒度分布，如下图：

该技术的优点是测试范围宽，速度较快，取样代表性好，尤其是对于宽分布样品有比较好的测试效果。而恰恰很多纳米颗粒由于粒径很小，很容易产生二次团聚结构，这样就会形成小颗粒和团聚体大颗粒共存的情况，这恰恰是激光衍射技术擅长的地方。但其缺点是小颗粒散射光强非常弱，信噪比较低，同时颗粒越小，对其折射率等光学参数准确性要求越高，这就会给小颗粒测试带来风险。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料。由于它的尺寸很小，会产生很多特殊的效应，比如小尺寸效应、隧道效应以及大的比表面积效应等，因此使得纳米材料表现出不同的物理化学特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，因而现在纳米材料被广泛应用于医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、建筑及环保等行业。但由于其颗粒非常小，因此颗粒大小的检测也就成为了挑战，国际上对于超细颗粒的粒度测试一般有三种方法，即电子显微镜、动态光散射以及激光衍射。

1. 电子显微镜

电子显微镜技术的应用是建立在光学显微镜的基础之上的，它是利用电子束照射在颗粒上，然后通过电子透镜放大得到的图片。电镜的优点是结果直观，能够直接“观察”到所测颗粒，而且分辨率极高，但由于其放大倍数较高，因此采集的颗粒有限，取样代表性风险较高，同时高能的电子束可能破坏某些样品比如蛋白、颜料的结构。

2. 动态光散射技术

在溶液中悬浮的颗粒由于无规则运动会发生布朗运动。一般颗粒越小，运动速度越快，动态光散射技术利用悬浮颗粒在溶剂体系中做布朗运动的原理，通过检测颗粒的扩散速度，从而利用斯托克斯-爱因斯坦方程计算出颗粒的大小和粒度分布。

该技术优点是测试下限较低，对于极小的窄分布颗粒测试效果较好，同时所需样品较少，可以在悬液状态下直接测试样品并给出分布，测试速度较快。但由于该技术基于颗粒的布朗运动，一旦有大的颗粒在体系中，这些大的颗粒可能就会发生沉降从而导致测试结果错误，同时该技术是基于统计的光强变化来做数据处理，对于宽分布的样品测试结果有风险。

动态光散射技术

3．激光衍射技术

激光衍射技术主要利用的是光照射到颗粒后产生的衍射现象，不同大小的颗粒将会在空间形成不同的衍射条纹，一般来说，颗粒越小散射角越大，因此通过放置一系列检测器，检测不同角度的光散射强度，从而通过米氏理论反演计算出颗粒的粒度分布，如下图：

该技术的优点是测试范围宽，速度较快，取样代表性好，尤其是对于宽分布样品有比较好的测试效果。而恰恰很多纳米颗粒由于粒径很小，很容易产生二次团聚结构，这样就会形成小颗粒和团聚体大颗粒共存的情况，这恰恰是激光衍射技术擅长的地方。但其缺点是小颗粒散射光强非常弱，信噪比较低，同时颗粒越小，对其折射率等光学参数准确性要求越高，这就会给小颗粒测试带来风险。