Optimisation d’un générateur de microgouttelettes couplé à un appareil de spectrométrie de masse à plasma d’argon à couplage inductif (ICP-MS) pour l’analyse de nanoparticules

Abstract

Depuis plus de 10 ans, les nanoparticules sont un sujet d’actualité omniprésent. Qu’elles soient synthétisées en laboratoire pour des applications en nanotechnologie ou naturellement formées par l’érosion, les éruptions volcaniques, les feux de forêt, etc., le destin des nanoparticules métalliques dans l’environnement est encore peu connu. De nombreux chercheurs s’intéressent à différents aspects environnementaux entourant les nanoparticules, tels que la bioaccumulation, biotoxicité, biodisponibilité, etc. Afin de réaliser ces études, un des paramètres importants à considérer est la concentration ainsi que la distribution de taille de ces nanoparticules. Plusieurs techniques existent afin de caractériser en taille ces nanoparticules métalliques.

Parmi ces nombreuses techniques, la technique à simple particule d’un appareil de spectrométrie de masse à plasma d’argon à couplage inductif à (sp-ICP-MS) gagne en popularité pour sa rapidité, ses faibles limites de détection et pour ses analyses isotopiques. Avec la technique de sp-ICP-MS, les échantillons liquides sont fréquemment injectés, typiquement à travers un nébuliseur pneumatique avec une chambre de nébulisation. Cette technique permet à une petite quantité de l’échantillon de se rendre vers le détecteur de l’appareil tandis que le reste est récupéré. Le pourcentage qui se rend au détecteur est appelé l’efficacité de transport d’un échantillon et cette valeur doit être connue pour la détermination juste de la concentration des nanoparticules. La difficulté de détermination de l’efficacité de transport avec les nébuliseurs et les chambres de nébulisation est une problématique connue dans la littérature scientifique. La variabilité de l’efficacité de transport, typiquement de l’ordre de 2-5%, résulte en une grande imprécision dans les déterminations de concentrations de nanoparticules.

L’objectif de ce présent travail était de remédier à cette problématique en couplant un générateur de microgouttelettes (MDG) à un appareil de spectrométrie de masse à plasma d’argon à couplage inductif (ICP-MS) afin d’augmenter, de manière importante, l’efficacité de transport. Pour y arriver, il était nécessaire de déterminer les paramètres idéaux du générateur, faire les calculs de débit, faire la conception de différents adaptateurs et faire l’optimisation du signal une fois couplé à l’ICP-MS. Une fois optimisé, des analyses de standards de nanoparticules de différentes tailles ont été analysé afin de confirmer que la méthode d’introduction était fonctionnelle. L’étape finale consistait à utiliser le générateur de microgouttelettes comme méthode d’introduction et de procéder à l’analyse de nanoparticules dans une matrice environnementale.

Whether synthesized in the laboratory for applications in nanotechnology or naturally formed by erosion, volcanic eruptions, forest fires, etc., the fate of metal nanoparticles in the environment is currently poorly understood. Indeed, their fate can include their dissolution, agglomeration, bioaccumulation, biotoxicity, bioavailability and mobility in natural systems. In order to better understand fate, one of the important parameters to consider is the concentration as well as the size distribution of the nanoparticles. Only a few robust analytical techniques exist that will allow the characterization of metallic nanoparticles at the low concentrations at which they are found in the environment. Single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (sp-ICP-MS) is gaining popularity for its speed, low detection limits and potential for isotopic analysis. Presently, liquid samples are generally injected, typically through a pneumatic nebulizer into a spray chamber that results in sample losses on the order of 94-98% since only a small amount of the sample will travel to the detector, while the rest goes to waste. The transport efficiency defines the proportion of sample that actually is measured by the detector and is an essential parameter for determining the concentration of nanoparticles in a sample. The difficulty of precisely calculating the transport efficiency is a known problem in the scientific literature. The variability of the transport efficiency during analysis can lead to very important inaccuracies in the determination of nanoparticle concentrations. The objective of this work was to overcome this problem by coupling a microdroplet generator (MDG) to an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) in order to significantly increase transport efficiency. To achieve this, it was necessary to optimize all of the parameters involved with the coupling of the microdroplet generator and the ICP-MS, including physical instrumentation, gas flow rates, droplet sizes, etc. Once optimized, nanoparticle standards of different sizes were analyzed to confirm that the introduction method was functional. The final step was to use the microdroplet generator as a method of introduction to analyze nanoparticles in an environmental matrix.