Журнал аналитической химии, 2022, T. 77, № 1, стр. 39-52

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы и реактивы. В качестве модельного объекта использовали стабилизированные цитратом натрия водные стандартные суспензии НЧ серебра с размерами 60 и 100 нм в исходной концентрации 0.02 мг/мл (Sigma-Aldrich, США). Для приготовления растворов для исследований использовали деионизованную воду (система НПК Медиана-Фильтр, Россия).

Подготовка модельных суспензий к анализу. Перед разбавлением стандартные суспензии НЧ серебра подвергали обработке в течение 30 мин при постоянном охлаждении в ультразвуковой ванне ГРАД 40-35 (Град-Технолоджи, Россия) для достижения равномерного распределения НЧ в объеме растворителя. Все приготовленные образцы анализировали в течение часа с момента их приготовления, предварительно подтвердив стабильность размеров НЧ серебра в течение этого времени. Для предотвращения деградации НЧ серебра все образцы готовили в защищенной от света посуде.

Стабильность размеров наночастиц в водной суспензии контролировали для каждой серии измерений путем анализа образцов в начале и в конце измерения в идентичных условиях. Сравнивали частотные распределения сигналов образцов в координатах частота сигнала–его интенсивность, эксперимент считали достоверным при идентичности полученных распределений интенсивностей сигналов образца.

Схема анализа методом SP-ICP-MS. Исследования проводили на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой iCAP RQ (Thermo Fisher Scientific, США), параметры работы которого приведены в табл. 1. Сигнал регистрировали на рекомендуемой массе 107, соответствующей изотопу ¹⁰⁷Ag с распространенностью 51.84%. Режим сканирования с временным разрешением позволил регистрировать изменение сигнала на постоянной массе 107 в течение заданного общего времени измерения равными интервалами. Величина единичного интервала определялась временем накопления сигнала на массе 107.

Обработка результатов анализа. Полученный массив данных обрабатывали с использованием ПО Microsoft Office Excel. Интенсивности сигналов для каждого отдельного измерения, полученные за время общего измерения, представляли в виде графического распределения (гистограммы) в координатах количество сигналов–интенсивность, где количество сигналов – общее число сигналов с данной интенсивностью (рис. 1). Полученные значения интенсивностей, которые представляли собой отношение числа полученных за один интервал времени накопления сигнала импульсов к величине времени накопления, приводили к абсолютной величине – импульсу, что позволило сравнить распределения сигналов суспензии НЧ серебра, полученных при разном времени их накопления.

Распределения сигналов аналита представлены без коррекции на величину фонового сигнала в исходном виде (для всех представленных рисунков). Представление данных в таком формате позволило комплексно оценить влияние условий анализа на распределение интенсивностей сигналов НЧ серебра и сигналов фона, обусловленного наличием растворенной формы элемента в деионизованной воде. В каждом случае распределения сигналов НЧ серебра масштабировали по оси ординат “Количество сигналов, штук” до удобного для их визуальной оценки масштаба (рис. 1).

Влияние разбавления образца на функцию распределения размеров наночастиц изучали для случаев недостаточного и избыточного разбавления растворов в диапазонах концентраций 0.4–10 и 0.4–20 нг/мл в водных суспензиях НЧ серебра с размерами 60 и 100 нм соответственно (рис. 2). Диапазон недостаточного и избыточного разбавления выбирали таким образом, чтобы полученные распределения позволяли корректно описать вид распределения сигналов в этих условиях. После каждого разбавления образцы подвергали ультразвуковой обработке в течение 5 мин для достижения равномерного распределения НЧ серебра в объеме растворителя. Общее время измерения для каждого образца составило 60 и 180 с для НЧ серебра с размерами 60 и 100 нм соответственно.

Влияние времени накопления сигнала на функцию распределения размеров наночастиц изучали с использованием суспензий НЧ серебра с размерами 60 и 100 нм с концентрациями 2 и 0.8 нг/мл. Выбранные концентрации соответствовали требованию изолированного детектирования сигнала каждой отдельной НЧ. При оптимальном разбавлении суспензии не наблюдали наложение сигнала нескольких НЧ в одном интервале сканирования. Диапазон времен накопления 0.5–10 и 5–20 мс для НЧ серебра с размерами 60 и 100 нм обеспечивал возможность оценки изменения функции их распределения при недостаточном и избыточном времени накопления. Общее время измерения составило 60 и 300 с для НЧ серебра размерами 60 и 100 нм соответственно.

Полидисперсный образец наночастиц серебра готовили как смесь из суспензий НЧ 60 и 100 нм с концентрациями 0.2 и 2 нг/мл соответственно, которые соответствовали требованию изолированного детектирования каждой отдельной НЧ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние разбавления пробы на функцию распределения размеров наночастиц. Получение достоверных результатов возможно при соблюдении условия детектирования одной частицы в одном интервале накопления сигнала [11, 13]. Разрешение частиц по шкале времени (по интервалам накопления сигнала) в спектре достигается в основном существенным разбавлением анализируемой суспензии. Высокая степень разбавления суспензии позволит также скомпенсировать влияние многокомпонентной матрицы при анализе сложных объектов. В идеальном случае равномерно распыляемый в плазму образец по большей части представляет собой растворитель с редкими вкраплениями единичных НЧ.

Монодисперсную суспензию НЧ серебра с размером 60 нм в диапазоне концентраций 0.4–10 нг/мл исследовали с сохранением условий измерения при постоянном времени накопления 3 мс. Полученная в этих условиях сводная диаграмма распределений позволила увидеть изменение функции распределения размеров НЧ серебра при постепенном увеличении степени разбавления исследуемой суспензии (рис. 2). С повышением степени разбавления суспензии увеличивалась вероятность регистрации в спектре интенсивности сигнала, соответствующей сигналу одной НЧ серебра. Снижение степени разбавления (повышение концентрации НЧ в объеме растворителя) приводило к увеличению частоты сигналов большей интенсивности, что выражалось расширением правого края распределения на оси интенсивностей в сторону больших значений для концентрации 4 нг/мл (рис. 2). Правый край распределения становился более пологим, а симметрия распределения нарушалась в большей степени. Данный эффект, по-видимому, вызван одновременным детектированием двух, трех и более НЧ в одном интервале накопления. Увеличение концентрации НЧ серебра приводило также к смещению в сторону больших интенсивностей максимума распределения, что является критичным при определении размеров НЧ. Смещение максимума распределения сигналов НЧ (рис. 2) начинали наблюдать при концентрации выше 4 нг/мл, оно было особенно выражено при максимальных концентрациях диапазонов.

Важным показателем при построении распределения интенсивностей сигналов НЧ является общее количество зарегистрированных НЧ, число которых зависит от разбавления пробы. Экспериментальные данные позволили установить, что для построения распределения с выраженным максимумом достаточно около 1000 зарегистрированных НЧ серебра, хотя максимум распределения начинает проявляться даже при меньших значениях.

Распределение НЧ серебра с размером 60 нм (рис. 2а) при концентрации серебра 0.8 нг/мл имело в достаточной степени выраженный максимум при общем числе зарегистрированных частиц 763 штук (табл. 2). С уменьшением количества зарегистрированных НЧ серебра возможность корректной интерпретации функции распределения их размеров снижалась. При концентрациях ниже 0.8 нг/мл установление максимума для распределений НЧ серебра 60 нм было затруднено, а при разбавлении до 0.4 нг/мл (415 частиц) стало невозможным. Аналогичные зависимости наблюдали и для НЧ серебра 100 нм (рис. 2б). Для этих частиц видимый максимум распределения проявлялся при концентрации 2 нг/мл и общем числе зарегистрированных частиц 1257 штук (419 штук/мин), который еще отсутствовал при концентрации 0.8 нг/мл и общем числе зарегистрированных частиц 609 штук (203 штук/мин) (табл. 2).

Увеличение степени разбавления с целью сохранения наибольшей вероятности детектирования каждой отдельной НЧ повышает продолжительность анализа. В этих условиях количество зарегистрированных НЧ возможно довести до необходимого уровня, но при этом будет снижаться общая экспрессность анализа.

В случаях проведения массового анализа построение сводных диаграмм разбавлений неудобно и требует дополнительных операций. Наиболее экспрессной представляется визуальная (без дополнительных алгоритмов обработки данных) оценка массива исходных данных – последовательного ряда значений интенсивностей сигналов, зарегистрированных детектором за каждое единичное время накопления. Такой подход позволяет оценить оптимальность разбавления образца без затрат значительного времени на получение полноценного спектра с необходимым числом НЧ. Общее время измерения, состоящее из нескольких десятков единичных интервалов накопления сигнала, например, 0.1 с (100 мс) при времени накопления 1 мс, позволит увидеть превышающие фоновый сигнал сигналы НЧ за счет более высоких значений интенсивностей. Высокие значения интенсивностей сигналов НЧ обязательно должны прерываться несколькими интервалами накопления сигнала с соответствующей фоновому сигналу интенсивностью для соблюдения условия разрешения НЧ во времени.

Разрешение между сигналами наночастиц на спектре во времени. Разделяющее сигналы НЧ серебра число единичных интервалов накопления с сигналом фона варьируется в силу неравномерности их поступления в систему. Промежуток со средним значением в десять единичных интервалов накопления, за которые не регистрировался сигнал НЧ серебра, был минимален для удовлетворительного разрешения сигналов НЧ на спектре. При меньших средних значениях промежутка времени повышалась вероятность одновременного детектирования нескольких НЧ серебра в одном интервале накопления сигнала, что недопустимо. Для повышения вероятности детектирования каждой отдельной НЧ серебра измерение лучше проводить при максимальном разрешении между сигналами отдельных НЧ с сохранением оптимального (удовлетворяющего требованиям) общего времени измерения. Например, анализ суспензии НЧ серебра при времени накопления 1 мс с общим временем измерения 60 с обеспечивал (в условиях равномерного поступления) расчетное разрешение между НЧ в 60 интервалов для получения общего количества зарегистрированных НЧ порядка 1000 штук (верно для концентрации 1 нг/мл, не представлена в табл. 2).

Вероятность детектирования нескольких НЧ серебра в одном интервале времени накопления сигнала повышалась с увеличением числа НЧ в объеме пробы и увеличением продолжительности времени накопления. Предположительное расчетное разрешение между НЧ серебра определялось тремя факторами: используемым временем накопления, выбранным разбавлением и желательным общим временем измерения необходимого минимума НЧ (табл. 3).

При времени накопления 1 мс и общем времени измерения 100 с фиксированное (содержащееся во введенном в систему за все время измерения объеме пробы) количество НЧ серебра в идеальном случае распределяется между 100  000 единичных интервалов накопления сигнала с расчетным разрешением между НЧ 100 интервалов. При времени накопления 10 мс количество НЧ серебра распределяется между 10  000 интервалов с разрешением всего 10 интервалов. При этом общее количество зарегистрированных НЧ серебра в обоих случаях теоретически одинаково. Для сохранения достаточной вероятности детектирования каждой отдельной НЧ серебра в единичном интервале накопления сигнала увеличение времени накопления требует большего разбавления, а значит, и большей общей продолжительности измерения для детектирования нужного количества НЧ. Регистрация 1000 НЧ с минимальным разрешением в 10 интервалов накопления сигнала возможна за 10 с при времени накопления 1 мс; увеличение времени накопления до 5 мс потребует уже не менее 50 с общего времени измерения для получения такого же числа НЧ с аналогичным разрешением. При использовании фиксированной концентрации образца, позволяющей зарегистрировать 100 НЧ за 10 с при времени накопления 10 мс, регистрация 1000 НЧ потребует увеличения времени измерения до 100 с.

Влияние времени накопления на функцию распределения размеров наночастиц. Для изучения влияния времени накопления на распределение интенсивностей сигналов суспензии НЧ серебра 60 нм осуществили ее разбавление до концентрации серебра 2 нг/мл, подходящей для времени накопления максимальной величины. Остальные условия измерения оставались постоянными для всего диапазона времен накопления от 0.5 до 10 мс (рис. 3). Частотное распределение сигналов на массе 107 представляло собой бимодальное распределение (рис. 1). Первый максимум соответствовал распределению сигналов фона, второй – распределению сигналов НЧ серебра. Графическая иллюстрация на рис. 3 приведена в масштабе, удобном для оценки распределений сигналов НЧ серебра. При этом максимум распределения сигналов фона оказывается обрезанным во всех случаях. Полученные при разных временах накопления распределения сигналов НЧ серебра различны (рис. 3). При соблюдении условия “одна НЧ в одном интервале накопления сигнала” распределения разрешены между собой, а максимум распределения сигналов НЧ серебра имеет выраженную форму (рис. 3в–3е). В проведенных экспериментах наиболее оптимальными оказались распределения сигналов НЧ серебра, полученные в интервале накопления 3–4 мс (рис. 3г). Они в достаточной степени соответствовали описанным ранее требованиям. Приняв эталонным распределение сигналов НЧ серебра, полученное при времени накопления 3 мс (присутствует для сравнения на рис. 3а–3е), можно выявить основные закономерности, наблюдаемые при изменении величины единичного интервала накопления сигнала.

Интенсивность фонового сигнала пропорциональна времени накопления сигнала. Большее время накопления приводило к большему значению интенсивности фонового сигнала, тогда как генерируемый НЧ серебра сигнал оставался неизмененным (при условии, что он регистрировался целиком). Если сигналы НЧ и растворенной формы аналита (фоновый сигнал) регистрируются строго изолированно друг от друга, можно предположить, что увеличение времени накопления может привести к ухудшению соотношения сигнал/шум. Это утверждение оказалось верным для времен накопления менее 1 мс, когда доля интервалов с нулевым фоновым сигналом достаточно велика (табл. 4). Из-за роста фонового сигнала при увеличении времени накопления увеличивается вероятность повышения предела определения. При временах накопления более 1 мс количество интервалов с незарегистрированными сигналами крайне мало (табл. 4). Из этого следует, что при накоплении в течение более 1 мс интенсивность сигнала для большей части единичных интервалов (более 95%) характеризует собой интенсивность сигнала фона, а при регистрации сигнала НЧ серебра в этом же интервале – суммарную интенсивность сигнала НЧ и фона.

Таким образом, увеличение вклада интенсивности фонового сигнала в суммарную интенсивность сигнала НЧ серебра и фона приводило к смещению распределения НЧ серебра по оси интенсивностей в сторону больших значений с увеличением времени накопления. На рис. 3 это видно при сравнении распределений сигналов НЧ серебра 60 нм, полученных при времени накопления 5 мс (рис. 3д) и 10 мс (рис. 3е), с распределением, полученным при 3 мс и принятым эталонным. При этом функция распределения менялась несущественно. Смещение распределения по оси интенсивности происходило без его деформации, т.е. изменения его образа, симметрии (рис. 3д, 3е). Изменение образа распределения из-за одновременного детектирования нескольких частиц в одном интервале накопления показано ранее (рис. 2) и визуально выражалось иначе – расширением правого края распределения в сторону больших интенсивностей одновременно с повышением частоты сигналов на правом крае распределения при сохранении положения максимума распределения на оси интенсивностей.

С увеличением времени накопления также улучшалось разрешение между распределениями сигналов фона и НЧ серебра (рис. 3д, 3е). В определенной степени это вызвано меньшим дроблением ионного облака НЧ серебра, которое имеет место при SP-ICP-MS-анализе из-за инструментальных особенностей метода.

Дробление сигналов наночастиц в SP-ICP-MS. При исследовании монодисперсного стандарта результаты анализа размеров НЧ серебра представлены достаточно широким распределением сигналов разной величины, а не узким интервалом сигналов близкой интенсивности с малым разбросом, вызванным флуктуациями сигнала из-за системы ввода и доставки образца (верно для всех представленных рисунков). Это обусловлено определенными специфичными для SP-ICP-MS особенностями детектирования сигнала.

1. Часть сигнала НЧ теряется из-за попадания ионного облака на детектор в момент смены единичных интервалов накопления – интенсивность сигнала может быть неравномерно распределена между несколькими интервалами. Из рис. 4 видно, что для пика 1, соответствующего сигналу одной НЧ серебра, большая часть ее профиля расположена в десятом единичном интервале накопления, и лишь малая часть попадает в одиннадцатый интервал. При времени накопления 1 мс (рис. 4, длина интервала накопления отмечена затемненной областью с меткой 1 мс) результирующая интенсивность сигнала, сгенерированного данной НЧ, будет незначительно занижена, а интенсивность фонового сигнала в последующем интервале – завышена. Описанный эффект отличается от множественного дробления НЧ между единичными интервалами накопления сигнала.

2. Когда длительности интервала накопления сигнала недостаточно для детектирования целой НЧ серебра, ионное облако регистрируется за несколько единичных интервалов, генерируя несколько последовательных сигналов меньшей интенсивности. Из рис. 4 видно, что для пяти пиков во фрагменте спектра с временным разрешением профиль каждой НЧ серебра размером 60 нм в среднем полностью регистрировался детектором в течение от 2 до 3 мс. Чем меньше величина единичного интервала накопления, тем больше вероятность дробления сигнала НЧ. Генерируемый каждой НЧ серебра при времени накопления 0.5 мс сигнал распределялся между 4–6 единичными интервалами накопления, при 1 мс – между 2–3 интервалами, а при 3 мс – регистрировался в одном интервале накопления при отсутствии иной формы дробления (длины интервалов накопления отмечены на рис. 4 затемненными областями с соответствующими метками). Интенсивность сигнала НЧ, суммарно неизменная во всех случаях, тем меньше, чем на большее число единичных интервалов она поделена.

Результат дробления НЧ серебра между единичными интервалами накопления сигнала наблюдали для распределений, полученных при времени накопления 0.5 и 1 мс (рис. 3а, 3б), в меньшей степени – 2 мс (рис. 3в). При времени накопления менее 1 мс интенсивность пиков раздробленной НЧ серебра была настолько мала, что сливалась с пиками сигнала фона (рис. 3а). Распределение в подобном случае мономодальное, с расширенным пологим правым краем. Времени накопления 1 мс было достаточно для разрешения максимумов распределений сигналов фона и НЧ серебра (рис. 3б). С другой стороны, все еще заметен вклад сигнала раздробленных НЧ серебра в распределение сигналов фона, отражавшийся в его ложном увеличении. Максимум распределения сигналов фона существенно смещался в сторону меньших интенсивностей, а число генерируемых фрагментами НЧ серебра сигналов преобладало над числом сигналов, предположительно характерных для целой НЧ серебра. Дробление НЧ серебра наблюдали и при времени накопления 2 мс (рис. 3в), что выражалось изменением левого края распределения сигналов НЧ, ухудшением разрешения между распределениями сигналов НЧ и сигналов фона, увеличением числа сигналов с меньшей интенсивностью на левом крае распределения сигналов НЧ серебра, а также нарушением симметрии распределения. На рис. 3в также наблюдали ложное уширение правого края распределения сигналов фона, вызванное вкладом сигналов фрагментов НЧ серебра из-за недостаточной величины интервала единичного накопления. При этом положение максимума и форма правого края распределения уже идентичны распределению, полученному при большем единичном интервале накопления сигнала.

Визуальная оценка исходного массива данных с последовательностью интенсивностей сигналов для каждого отдельного интервала накопления позволяет установить факт дробления НЧ серебра. В подобном случае сигнал НЧ серебра представляет последовательность сигналов с невысокой интенсивностью, практически не превышающей интенсивность фона, при этом не разделенных диапазоном интервалов накопления с фоновым сигналом. Существенным отличием такой последовательности сигналов фрагментов НЧ от сигналов НЧ при недостаточном их разрешении во времени является величина интенсивности в единичном интервале накопления. В случае дробления НЧ серебра между интервалами накопления интенсивность сигнала занижена относительно интенсивности на максимуме распределения сигналов НЧ, а в случае недостаточного разрешения НЧ серебра между интервалами накопления – завышена.

Исходный графический спектр с временным разрешением также позволяет оценить время, необходимое для детектирования сигнала НЧ серебра (рис. 4). Время, затраченное на детектирование целого профиля НЧ – минимально допустимое при анализе НЧ данного размера. Использование специализированного программного обеспечения позволяет обрабатывать спектры, полученные при любом времени накопления, распознавая уширенный пик как одну НЧ и суммируя сигнал. При ручной обработке результатов, хотя распознавание и не представляет трудности, подсчет суммарной интенсивности практически невозможен.

3. Следствием пространственного разделения ионного облака одной НЧ серебра в системе ионной оптики и масс-анализаторе спектрометра может быть поступление на детектор двух отдельных скоплений ионов, разделенных небольшим промежутком. Пики 3 и 4 на рис. 4 имеют заметно меньшую интенсивность, тогда как суммарная их интенсивность близка к интенсивности пиков 1, 2 и 5. Однако подобные случаи достаточно редки.

4. Часть сигнала НЧ может также быть утеряна из-за попадания фрагмента ионного облака в период настройки детектора – мертвое время, составляющее доли миллисекунды между единичными интервалами сканирования, когда детектор не регистрирует сигнал. Но такое явление критично при микросекундных накоплениях, а при миллисекундах вклад этого явления минимален.

В большинстве случаев скорректировать уширение распределения сигналов НЧ невозможно. Единственный поддающийся коррекции параметр – величина единичного интервала накопления сигнала. Размер НЧ в пробе является лимитирующим фактором при выборе времени накопления. Величина интервала накопления сигнала должна быть достаточной для детектирования целой НЧ, в лучшем случае – несколько превышать эту величину, но даже выбор избыточного времени накопления сигнала не является гарантией регистрации целой НЧ.

Прогнозирование времени накопления для наночастиц различных размеров. Меньшая величина единичного интервала накопления сигнала позволяет получить большее количество единичных актов измерения. Это улучшает разрешение между НЧ и позволяет сократить время, необходимое для измерения каждого отдельного образца, что обеспечивает экспрессность анализа. Определение минимально допустимой величины времени накопления для регистрации НЧ известного размера позволяет прогнозировать необходимое время накопления для НЧ другого размера. Использование в рамках анализа без специализированного программного обеспечения меньшего времени накопления, чем спрогнозированное не позволит получить достоверный результат.

При интерпретации результатов исследования методом SP-ICP-MS используется допущение о сферической форме НЧ. В этом случае масса, диаметр и плотность НЧ согласно общей теоретической концепции МС-ИСП для определения размеров отдельных частиц [17] связаны уравнением (1):

где m_p – рассчитанная масса наночастицы, d – диаметр наночастицы, ρ – плотность наночастицы.

Использование соотношения между диаметром НЧ в третьей степени и минимально допустимым временем накопления позволяет рассчитать необходимое время накопления для НЧ другого размера по уравнению (2):

где d₁ и d₂ – диаметры НЧ с разным размером, t dwell₁ и t dwell₂ – время накопления сигналов НЧ с диаметрами d₁ и d₂.

В обсуждении экспериментального анализа НЧ серебра размером 60 нм был обоснован минимально допустимый интервал накопления сигнала – 2.5–3 мс (показано ранее). С использованием подобного подхода можно спрогнозировать минимально допустимое время накопления 12–14 мс для НЧ серебра размером 100 нм. Для проверки адекватности расчетной величины времени накопления исследовали образец НЧ серебра размером 100 нм с концентрацией 0.8 нг/мл (рис. 5). При экспериментальной оценке с учетом описанных выше подходов оптимальным для НЧ серебра размером 100 нм представляется время накопления более 10 мс (рис. 5в–5е). В каждом случае для сравнения приведено распределение при времени накопления 12.5 мс, принятое оптимальным. Для полученного при 10 мс распределения сигналов НЧ серебра на рис. 5в все еще наблюдали некоторое уширение левого края распределения вследствие дробления, хотя оно уже в достаточной степени симметрично. Сравнение полученных при разных временах накопления распределений сигналов НЧ серебра с принятым оптимальным распределением полностью подтвердило описанное выше.

Такой подход может быть использован и для выходящих за наноразмерный диапазон частиц бóльших размеров. При правильно выбранном времени накопления верхний диапазон определяемых размеров для SP-ICP-MS будет ограничен эффективностью ионизации.

Анализ полидисперсных образцов. Фундаментальные ограничения SP-ICP-MS не позволяют определить четкий диапазон размеров НЧ в образце из-за представления результатов в виде распределения, разброс интенсивностей в котором определяется в том числе неполной регистрацией ионного облака НЧ даже при верно подобранных условиях анализа. Результатом анализа служит средний размер НЧ в образце, соответствующий максимуму распределения, а в наиболее полном варианте – всего диапазона размеров.

Для достоверного определения размеров частиц необходимо удостовериться, что выбранные операционные параметры SP-ICP-MS-анализа обеспечивают регистрацию частиц всего размерного диапазона в образце. Логично заключение, что необходимая величина времени накопления лимитируется частицами наибольшего размера. При выборе недостаточного времени накопления полученный результат будет ложным, даже при адекватности визуального вида распределения. В этом случае особого внимания требует выбор достаточной степени разбавления, позволяющей гарантировать изолированное детектирование каждой отдельной частицы, особенно малых размеров. На рис. 6 приведены распределения, полученные при анализе смеси НЧ серебра 60 и 100 нм. Исследование проводили в диапазоне времен накопления 1–10 мс, где нижняя граница диапазона приемлема для НЧ серебра 60 нм, а верхняя – для НЧ серебра 100 нм (рис. 3 и 5). Полученное при времени накопления 1 мс распределение сигналов смеси НЧ серебра 60 и 100 нм (рис. 6а) не имело выраженного разрешения. Ранее показано, что время накопления 1 мс позволяет получить видимый максимум распределения сигналов монодисперсных НЧ серебра 60 нм (рис. 3б). Зная о присутствии в образце НЧ серебра 100 нм, можно приписать им уширение правого края распределения в сторону больших интенсивностей. Большое количество сигналов на максимуме распределения может быть вызвано существенным дроблением НЧ серебра 100 нм, дающим множество сигналов малой интенсивности, идентичных по величине интенсивности сигналов, генерируемых НЧ серебра 60 нм. При времени накопления 5 мс в гораздо большей степени видно разрешение распределения сигналов фона и НЧ серебра (рис. 6б). Распределение сигналов смеси дисперсий НЧ серебра имеет максимум в районе 80 имп и пологий правый край, существенно расширенный в сторону больших интенсивностей (рис. 6б). Вид такого распределения сигналов позволяет предположить наличие в образце НЧ серебра одного среднего размера, но широкий диапазон размеров НЧ с интенсивностью сигнала от 50 до 200 имп в образце уже заметен. Время накопления 10 мс уже достаточно для регистрации целой НЧ серебра 100 нм, что подтверждается распределением (рис. 6в), позволяющим увидеть два максимума распределения сигналов НЧ. Расположенный приблизительно в области 90 имп на оси интенсивностей первый максимум соответствует НЧ серебра 60 нм, а второй в области 180 имп – НЧ серебра 100 нм. Можно утверждать, что правильный выбор условий анализа позволяет дифференцировать полидисперсные системы. Кроме того, в случае исследования образцов, содержащих частицы в существенно отличающихся и разграниченных друг от друга размерных диапазонах, возможно бимодальное распределение частиц.

* * *

Таким образом, найдены оптимальные условия SP-ICP-MS-определения различных размеров НЧ серебра в водных суспензиях. Лимитирующими факторами определения размеров НЧ аналита являются степень разбавления образца и время накопления сигнала. В оптимизированных условиях работы масс-спектрометра для определения размеров НЧ серебра 60 и 100 нм при продолжительности анализа 60 и 180 с оптимальны концентрации НЧ 2–4 нг/мл. Минимально допустимые значения времени накопления для регистрации НЧ серебра с размерами 60 и 100 нм находились в интервалах 2.5–3 и 12–14 мс соответственно. Правильный выбор условий анализа позволяет также характеризовать полидисперсные системы. Для достоверного определения размеров НЧ необходимо удостовериться, что выбранные операционные параметры SP-ICP-MS-анализа обеспечивают регистрацию НЧ всего размерного диапазона выше предела их определения. Показана возможность анализа полидисперсной смеси на примере НЧ серебра 60 и 100 нм. Для образцов, содержащих НЧ в существенно отличающихся и разграниченных друг от друга размерных диапазонах, возможно определение нескольких средних размеров НЧ в одном образце.

Исследования проводили с использованием научного оборудования ЦКП “Эколого-аналитический центр” Кубанского госуниверситета.