單顆粒ICP-MS應用：納米顆粒的溶解動力學
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20世紀90年代以來，人們對納米材料正面效應的研究取得了豐碩成果，并形成了大量的實用產(chǎn)品，比如衣物中加入Ag納米顆粒，可以抑菌；防曬產(chǎn)品中加入TiO2納米顆粒，可以屏蔽紫外線。這些產(chǎn)品對我們提供便利的同時，也對環(huán)境造成了潛在的危害。2004年7月29日美國的《科學此刻》及2004年8月4日《自然》分別介紹了該研究小組的報告，對納米污染發(fā)出預警。報告指出，“游離的納米顆粒和納米管可能會穿透細胞，產(chǎn)生毒性”；對于環(huán)境來說，“納米科技可能是柄雙刃劍”。
通過獲得納米顆粒的環(huán)境行為和顆粒大小、溶解率、顆粒團聚以及與樣品基體的相互作用的準確數(shù)據(jù)，可以幫助了解和評價這些新材料可能對環(huán)境健康造成危險的情況。常規(guī)ICP-MS只能將樣品消解后，測試溶解態(tài)的離子濃度信息，并不能直接測定這些納米顆粒的粒徑、粒徑分布和團聚等更具體的數(shù)據(jù)。單顆粒ICP-MS技術通過超快速的數(shù)據(jù)讀取時間，可分析每個納米顆粒產(chǎn)生的電子云，檢測ppb級（µg／L）濃度納米顆粒。
本報告研究了銀納米顆粒在不同水體中的溶解動力學。
樣品
銀納米顆粒：直徑100納米，購自NanoXact，NanoComposix，USA。采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）材料封裝。
水樣：離子水（DI，18.3 M-歐姆.厘米），自來水（科羅拉多學院礦業(yè)校園，高爾頓.科羅拉多）和自然水（采集點距離河流岸邊1米，采集后直接通過0.45微米的濾膜過濾）。
樣品處理
ENP懸浮液通過用水稀釋濃度20毫克/升的儲備溶液制成，最終濃度50納克/升。為了匹配觀察到的峰強度SP-ICP-MS，采用2%HNO3（光譜級）溶解銀標準（高純度標準; QC-7-M），用于校準和稀釋，最終濃度范圍為0.1-1微克/升。
實驗結(jié)果
首先分析了溶解在去離子水中的銀納米顆粒的單顆粒ICP-MS數(shù)據(jù)。初始濃度為50ng/L。綠色柱狀圖表示剛加入納米顆粒時的測試結(jié)果，脈沖信號強度主要分布在400~700范圍內(nèi)，另有少部分在50左右及以下。紅色柱狀圖表示24小時候納米顆粒的測試結(jié)果，脈沖信號主要集中在100~300范圍內(nèi)，50以下還有較強的信號。脈沖信號強度正比于顆粒的粒徑，24小時后脈沖強度下降，說明了銀納米顆粒的粒徑減小，溶解的銀離子信號在脈沖50以下。
Syngistix軟件可自動將脈沖強度換算成顆粒直徑，上圖顯示了不同水樣中，銀納米顆粒隨著時間變化的粒徑變化。在含氯離子自來水體系下溶解速度比其他兩種溶劑都要快，這是由于氯可以作為氧化劑加快粒子溶解在這個系統(tǒng)。而自然水系里粒子的變化很小，這可能由于自然系統(tǒng)固有的復雜性，需要更多研究找到導致粒子穩(wěn)定性的因素。
上圖總結(jié)了在去離子水，自來水和自然水中，銀納米顆粒的粒徑變化趨勢。利用瞬時質(zhì)量的平均粒徑,可以計算出粒子的溶解損失。模型化計算粒子的幾何表面積(假設球形質(zhì)量的粒子), 損失質(zhì)量/表面積(摩爾/ cm2)和時間可以計算得到溶解速率常數(shù)。在24小時內(nèi)，遵循一階動力學規(guī)律。
總結(jié)
溶解電勢不同可能是區(qū)分粒子溶解過程和離子溶解過程的一個關鍵因素。這項研究在表明通過SP-ICP-MS定量計算Ag粒子的溶解率是可行的。使用SP-ICP-MS技術，通過原始粒子直徑來計算溶解率比通過溶液中Ag離子增加來計算其溶解率更加直接。
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