Análisis de Nanopartículas y Quantum Dots por ICP- MS y Fluorescencia. Fernando Tobalina Especialista de Espectroscopía Agilent Technologies

Análisis de Nanopartículas y Quantum Dots por ICP- MS y Fluorescencia. Fernando Tobalina Especialista de Espectroscopía Agilent Technologies

Caracterización de nanopartículas Principales parámetros a determinar: Composición elemental Número de partículas Tamaño y distribución Propiedades ópticas (quantum dots) Herramientas: Single nanoparticle analysis ICP-MS Field flow fractionation ICP-MS Fluorescence spectroscopy

Single Particle Analysis: Requisitos SP-ICP-MS Sus fundamentos se basan en: 1. Introducir un número de partículas bajo en el ICP-MS o Gran dilución de la muestra antes de su introducción 2. Elevada velocidad de análisis con el ICP-MS o Fijada como tiempo de integración en el método de ICP-MS 3. Elevada sensibilidad y bajo nivel de ruido o Mejor transmisión de los iones en el ICP-MS 4. Eliminación de posibles elementos interferentes Celdas de colisión/reacción de tercera generación En estas condiciones es posible detectar y medir una sola partícula con el ICP-MS 7900 La intensidad de cada señal puede ser utilizada paraevaluar el diámetro de cada NP y a partir de ellos calcular la distribución de tamaños de la muestra con nanopartículas

Single Particle Analysis con el 7900 ICP-MS La potencia de 10! Que ocurre si el mejor ICP-MS de cuadrupolo consigue mejorar sus prestaciones en 10 veces? 7700 Series ICP-MS El nuevo Agilent 7900 abre nuevas posibilidades en cuanto a las capacidades de análisis con ICP-MS 5

Cómo mejorar el mejor ICP-MS? Que tal hacer una nueva Interface y una nueva óptica de iones para conseguir una mejora de 15x en la relación señal/ruido? 15x S/N? Que tal un nuevo Ultra HMI para poder analizar muestras con alto contenido de sales de hasta un 25% NaCl sin diluciones? 25% NaCl sin diluciones? Y una nueva tecnología para el detector que permite analizar con 11 órdenes de linealidad y con un tiempo de adquisición de tan solo 0.1 mseg? 11 Ordenes? 0.1 mseg? Y finalmente una nueva ORS 4 para poder hacer cambio ultrarápido de gases en menos de 3 seg? Sin interferencias? 6

El Agilent 7900 puede sintonizarse en condiciones de muy Alta Sensibilidad Empleando las condiciones Standard del resto de equipos ICP-MS CeO/Ce <2.5% Calibración de Uranio en modo No Gas: Sensibilidad Ultra-alta 1.38 GHz/ppm Background Ultra-bajo: MDL: 1.3ppq; BEC: 0.48ppq; Calibration Level Conc. Calc Conc. CPS Det. RSD 1 0 0 1 P 86.6 2 10 9.89 13676 P 0.6 3 50 49.984 69112 P 0.9 4 100 100.019 138295 P 0.4 7

Relación entre los valores obtenidos y los valores de referencia en materiales certificados En Aceros Los Materiales de referencia cubren un intervalo entre los 3 ppm hasta 1.6%. Excelente correlación también para el P. 3 ppm 1.6% 8

7900 ICP-MS Modo de análisis rápido TRA El nuevo 7900 ICP-MS permite la adquisición ultrarápida de datos con más de 10,000 medidas separadas por segundo. Esto permite la medida de una sola nanopartícula que llegue al detector. 0.1 mseg

Señal de iones de analitos disueltos YO/Y plume from Aeschliman, Bajic, Baldwin and Houk, JAAS, 2003, 18, 1008 En condiciones habituales hay 1000 s de gotas en cada cm 3 de gas portador, de forma que las señales de los clusters de iones de cada gota pueden solapar entre sí. De esta forma en un análisis convencional (analitos disuletos), la señal es mas o menos continua (estado estacionario) Cada nube de átomos procedente de las partículas secas genera un pico de cuentas Las gotas de aerosol que contienen el elemento disuelto se secan El tamaño de las partículas secas depende de la composición de la matriz y su concentración, pero típicamente es de 1-10 nm diámetro. Las partículas secadas < ~90nm deberían ser completamente ionizadas en el ICP Se forman nubes dispersadas de átomos/iones a partir de las partículas secas Los clusters de iones solapados generan una señal contínua (estado estacionario) Page 10

Medida de la señal de las nanopartículas Las NPs se suspenden en solución (la solución contiene también el elemento disuelto) La muestra se diluye de forma que las gotas de aerosol contienen una NP (al igual que componentes disueltos), y son medidos mediante Time Resolved Analysis (TRA). Las relativamente intensas nubes de átomos discretas de los NPs pueden ser distinguidas de las señales contínuas de menor intensidad de los componentes disueltos a b Cada nube de iones NP genera una señal pulso relativamente intensa pero discreta. Gotas de aerosol que contienen nanopartículas Hay en torno a ½ millón de átomos de Au en una nanopartícula de 25nm de diámetro Parículas secas de elementos disueltos (a) y NPs (b)* * Nota, el contenido disuelto de una gota puede secarse en la superficie de un NP! Nubes iónicas porocedentes de los NPs Iones prodecentes de partículas disueltas ( background ) Medidas TRA de disoluciones conteniendo NPs Background Page 11

Medida de nanopartículas de Ag de 40 nm Agradecimientos: La conversión de datos se realizó en una hoja Excel desarrollada por el National Institute of Food Safety in the Netherlands (RIKILT).

Análisis de Datos A través de la hoja de análisis diseñada en el National Institute of Food Safety in the Netherlands (RIKILT) se realizó la conversión de datos Las Intensidades se convierten en tamaño de partículas para obtenerse un patrón de distribución. A partir de esta distribución de tamaños, el tamaño promedio estimado fue de 40 nm en perfecta consonancia con el valor de 40±4 nm proporcionado por el suministrador.

Nanopartículas de Ag analizadas por el método de SP-ICP-MS Especificación del fabricante Tamaño experimental Número de partículas Concentración del elemento 40 ± 4 nm 60 ± 4 nm 100 ± 8 nm 40 nm 55 nm 103 nm 3.4 x 10 7 partículas/l 1.5 x 10 7 partículas/l 5.2 x 10 6 partículas/l 13 ng/l 14 ng/l 424 ng/l

Distribución de tamaños de una muestra de nanopartículas de oro Distribución del tamaño de partículas de un patrón de nanopartículas de oro. NIST8012 y 8013 de 30 y 60 nm

Que es el FFF-ICP-MS Es una técnica híbrida basada en: Field Flow Fractionation es una técnica de separación por gradiente de elución adecuada para la separación de nanopartículas por su tamaño: El ICP-MS puede emplearse como detector selectivo y de alta sensibilidad para la detección de los metales constituyentes de las nanopartículas:

Concentration Molar ratio Rel. mass Element Conc. Que información puede obtenerse del FFF-ICP-MS FFF diameter diameter m/z diameter ICP-MS 17 CF2000 or AF2000 PN9050 interface module Agilent ICP-MS

Au-197 intensity (cps) Análisis de NPs de Oro por FFF-ICP-MS de flujo asimétrico 1.0E+07 60 nm 8.0E+06 30 nm 6.0E+06 4.0E+06 10 nm 2.0E+06 0.0E+00 0 500 1000 1500 2000 Retention time (sec) 14.05.2014 18

Análisis por FFF-ICP-MS de centrifugación de una mezcla de NPs de 20nm de Au y 20 nm de Ag Intensity (cps) Ag-107 intesity (cps) Au-197 intensity (cps) Total intensity (cps) 4.50E+07 4.00E+07 3.50E+07 3.00E+07 2.50E+07 2.00E+07 1.50E+07 1.00E+07 5.00E+06 0.00E+00 45000000 40000000 35000000 30000000 25000000 20000000 15000000 10000000 5000000 0 a Ag-107 Au-197 Total intensity 4.00E+07 3.50E+07 3.00E+07 2.50E+07 2.00E+07 1.50E+07 1.00E+07 5.00E+06 0.00E+00-5.00E+06-1.00E+07 0 500 1000 1500 2000 2500 Ag Rentention time (sec) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Equivalent spherical diameter (mm) Ag Au 35000000 30000000 16 nm 25000000 20 nm 20000000 15000000 10000000 5000000 0 b Au 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Equivalent spherical diameter (mm) 14.05.2014 19

Adsorción de diferentes elementos en la superficie de nanopartículas en muestras de agua de distinta salinidad por FFF-ICP-MS Absorbancia UV a 280 nm y concentración de Fe, Al y Zn por ICP-MS

Análisis de especiación de distintos elementos en proteínas agregadas (BSA)

Caracterización de Quantum Dots Los Quantum dots son nanocristales hechos de materiales semiconductores cuyo band gap se relaciona inversamente con su tamaño. Esto hace que en fluorescencia la frecuencia de la emisión aumente (se desplace hacia el azul) según su tamaño sea menor. Suelen ser aleaciones binarias o terciarias CdSe, CdS, InAs, InP, CdSeS, etc. Sus aplicaciones son múltiples: Células solares Leds Fotodetectores Computación cuantica Biología (marcadores)

Caracterización de quantum dots funcionalizados Core-shell quantum dots ICP-MS: Estudio de Cd y Se del nucleo, o S del polímero Fluorescencia: Emisión a 620 nm de la emisión del núcleo de la partícula Emisión a 320 nm del polímero/anticuerpo Seguimiento de la síntesis y funcionalización/bioconjugación

Análisis de quantum dots por fluorescencia El Cary Eclipse permite seguir la fluorescencia a 600 nm del core de las nanopartículas y a 320 de su funcionalización con el polímero y anticuerpo

Resumen La técnica de ICP-MS ofrece posibilidad de caracterizar la composición tamaño y distribución de muestras de nanopartículas, tanto de forma discreta como por acoplamiento a técnicas de separación como FFF. El ICP-MS 7900 resulta una herramienta ideal para este propósito por: Bajo LD para análisis de elementos traza Alta especificidad en la detección. Alta velocidad de medida La espectrofluorimetría a su vez constituye una técnica indispensable para la caracterización de nuevos materiales y marcadores basados en Quantum Dots. El Cary Eclipse con su fuente pulsante de alta intensidad permite caracterizar los QDs, incluso a través de medidas de flujo por su elevada velocidad de lectura.

Preguntas? fernando.tobalina@agilent.com 26