Détection et caractérisation de nanoparticules d’oxyde de zinc par spectrométrie de masse à plasma inductif en mode particule unique (single-particle ICPMS)

Abstract

Les nanoparticules d’oxyde de zinc (ZnO NP) sont parmi les plus utilisées en industrie. Leur production croissante dans divers secteurs comme les cosmétiques et l’agriculture mène inévitablement à une augmentation de leur présence dans l’environnement, alors que leur risque écologique et leur persistance y sont méconnus. Cette problématique est en partie causée par les faibles concentrations auxquelles elles s’y trouvent, souvent inférieures aux limites de détection des méthodes analytiques classiques. Ainsi, le développement d’une méthode sensible et sélective, telle que la spectrométrie de masse à plasma inductif en mode particule unique (SP-ICPMS), est nécessaire. En permettant la détection une à une de particules métalliques à des concentrations de l’ordre des ng L-1, la SP-ICPMS est prometteuse pour la caractérisation des nanomatériaux (NM) métalliques en milieu aqueux. Toutefois, son utilisation est limitée pour les métaux qui, comme le zinc, se dissolvent rapidement, ou dont la concentration ionique est grande en solution car la limite de détection en taille est alors plus élevée. Lors de ces travaux, une résine échangeuse d’ions a été couplée avec la SP-ICPMS afin de retirer les Zn2+ et ses complexes labiles présents en solution avant l’analyse des suspensions de ZnO NP. Cette technique a été adaptée avec succès sur un instrument ICPMS de grande sensibilité, permettant de diminuer la limite de détection en taille de ZnO NP de 32 à 8,2 nm dans l’eau déionisée. Pour tester la méthode en milieu naturel, des ZnO NP ont été ajoutées à une eau de rivière et leur distribution de taille ainsi que leur concentration ont été analysées. Après 24 h, les particules ajoutées étaient plus stables dans l’eau de rivière qu’elles ne l’étaient dans l’eau déionisée, probablement en raison de son pH plus élevé. De même, la méthode développée a permis l’analyse de colloïdes naturels contenant du zinc et du cuivre dans une eau de rivière et dans une eau de pluie. La stabilité des particules dans ce milieu a par ailleurs été suivie pendant un mois, durant lequel le contenu métallique de ces particules ne s’est que légèrement dissous.

The increased production, use and release of engineered nanomaterials (NM) is concerning considering their possible persistence in the environment and their potential toxic issues. Unfortunately, actual knowledge about their presence in natural media is limited, mainly because of their very low concentrations (ng L-1) and the complex matrices in which they are suspected to be found. Therefore, there is a great need to develop analytical techniques that are sensitive, selective and adapted to those natural matrices. To do so, single-particle inductively coupled plasma (SP-ICPMS) is a very promising analytical technique. Allowing the one by one detection of metallic particles, SP-ICPMS has already been used for the characterization of NM in complex media. However, size detection limits (SDL) are higher for some metallic NM, which are, like the Zn base NM, rapidly dissolved or that have a natural high concentration of the ionic form in the sample. As a result, the use of SP-ICPMS for the detection and characterization of zinc oxide nanoparticles (ZnO NP), which is one of the most used in the industry, is a big challenge. To overcome it, an ion-exchange technique was used to remove the Zn2+ and its weakly bonded forms present in solution before their analysis. This technique has successfully been adapted to a highly sensitive ICPMS in order to lower the SDL of ZnO NP, going from 32 to 8.2 nm. To test the setup for a natural media, ZnO NP were spiked and analyzed in river water. After 24 h, particles were found to be more stable in the river water, most probably because of its higher pH. Also, the developed method allowed the analysis of natural zinc and copper containing colloids in river and in rainwaters. Stability of these particles in the rainwater was followed during one month during which the metal mass of the particles on average slightly decreased.