一种将扫描电迁移粒径谱仪与电感耦合等离子体质谱仪联用的实用指南（SMPS-ICPMS）

本实践指南的总体目标是描述将扫描电迁移粒径谱仪与电感耦合等离子体质谱仪联用的各个步骤，并解释如何使用这一分析工具。SMPS-ICPMS 仪器联用技术可用于回答多种环境与技术应用中的问题，例如监测空气中或燃烧过程中排放的颗粒物。如今，我们能够表征合成的工程纳米物体，并研究其归趋。

该耦合策略的主要优势在于能够以几分钟的时间分辨率，同时在线获取颗粒物的尺寸和化学组成信息。在先前尝试建立SMPS与ICPMS联用系统的基础上，我们开始采用旋转盘稀释器作为进样系统，针对多种气溶胶源开发该技术。本视频演示详细展示了两种仪器耦合策略的主要步骤以及各项参数设置。

为了连接不同的仪器并控制各种气体流量，需要对仪器配置进行一些调整。此处总结了耦合方案的主要步骤。使用内径为 6.0 毫米、外径为 12.0 毫米的导电管路连接各个仪器部件。

将旋转盘稀释器安装在气溶胶源与差分迁移率分析仪（DMA）之间，粒子尺寸分类在此处进行。在DMA出口处将分类后的气溶胶分为两部分，其中一部分由冷凝粒子计数器（CPC）抽取，另一部分则导向电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS）。使用质量流量控制器和HEPA过滤器，向旋转盘稀释器提供无颗粒的稀释用氩气。

在稀释器的过量原气体出口处添加另一个过滤器。使用额外的质量流量控制器和过滤器来调节引入DMA的鞘气流量。为了调节DMA的过量气体流量，在DMA出口处串联安装一个过滤器、一个质量流量控制器和一个真空泵。

最后，连接一个额外的质量流量控制器和过滤器，向CPC中加入无颗粒空气作为补充气流，以减少CPC消耗的分类气溶胶量。以下为使用气溶胶发生器处理悬浮液的示例：采用市售的氧化锌纳米粉末和聚丙烯酸作为纳米颗粒稳定剂，制备氧化锌悬浮液。将制备好的悬浮液稀释，使氧化锌浓度约为30 µg/mL。

使用配备喷嘴和硅胶干燥管的气溶胶发生器，从颗粒悬浮液中生成气溶胶，并通过硅胶干燥管去除颗粒中的水分。操作时，首先将悬浮液或溶液注入瓶中，并将其安装到气溶胶发生器上。然后将气溶胶发生器的压缩空气阀调节至略高于一巴（1 bar）。

这将导致扩散干燥器后产生约每分钟一升的气溶胶流。最后，将干燥器出口连接至旋转盘稀释器的入口。质量流量控制器已针对标准条件下的气体质量流量进行校准。

由于此类测量与体积流量相关，所有流量都必须通过手动验证，例如使用一级流量校准仪进行校准。首先将DMA鞘气入口的氩气流量设定为3升每分钟。然后将旋转盘稀释器温度设定为80摄氏度，并将蒸发管温度设定为350摄氏度。

离开DMA的已分类气溶胶的流速由进入和离开DMA的所有其他气流共同决定。通过精确调节过剩气体，可设定所需的已分类气溶胶流速。手动调节稀释用氩气流速，使旋转盘稀释器出口处稀释样品的流速达到0.6升每分钟。

然后，仔细调节多余的气体质量流量控制器，使分类气溶胶的流量达到每分钟0.6升，与稀释后的多分散气溶胶在DMA入口处的流量相同。接下来，在DMA和CPC之间放置流量校准器。调节CPC的补充空气流量，使CPC吸入的分类气溶胶流量降至每分钟0.18升。

检查分类气溶胶的剩余流量，确保有0.42升/分钟的气流进入ICPMS。接下来，计算常温常压下氩气的动力粘度和平均自由程。将这两个数值输入SMPS软件中。

在SMPS软件中，将DMA扫描循环的上升和下降扫描时间分别设置为150秒和30秒。将DMA最大电压设置为4.5千伏，以防止DMA内部发生电弧放电，从而覆盖约14至340纳米的颗粒尺寸范围。拆除用于液体样品的传统引入系统，以直接将干燥气溶胶引入ICPMS。

在DMA出口的相应端口与ICPMS之间连接一根导电管。所有测量过程中保持氙气流速恒定。调节ICPMS软件中的其他参数，包括ICP稀释气体和采样深度，以获得稳定的氙信号强度。

将SMPS和ICPMS的采集时间设置为覆盖气溶胶测量所需的总时长。在设定SMPS的气体流速和ICPMS参数后，同时手动运行两台仪器进行测量。将圆盘旋转速度设为零，进行两次六分钟扫描，采集空白信号。

然后将速度设置为所需值。此处显示的是锌同位素66的ICPMS信号。此外，此处我们观察到基于体积的粒径分布。

这显示了ICPMS与SMPS信号之间的强相关性。最后，请参阅文本方案了解数据处理分析的步骤。氧化锌悬浮液的代表性结果表明，基于体积的粒径分布与ICPMS信号具有良好的相关性。

SMPS 数据最初是在数量浓度模式下测量的。与基于数量的粒径分布相比，粒径分布向较大颗粒方向偏移。这是因为在从数量模式转换为体积模式时，大颗粒在体积模式下被赋予了更高的权重。

对从氯化钠水溶液产生的颗粒进行测量表明，在保持实验条件恒定的情况下，SMPS 和 ICPMS 信号达到稳态且具有时间分辨性。通过 ICPMS 信号可确定每种元素在基于体积的粒径分布中的贡献。在利用热重分析仪测量经热处理的氯化铜样品所产生的颗粒时，铜的时间分辨 ICPMS 信号与基于体积的粒径分布之间的相关性十分明显。

通过SMPS-ICPMS可以区分来自颗粒物种类的氯信号（记录为峰形信号）和来自气态种类的氯信号（记录为覆盖整个测量粒径范围的恒定信号）。在尝试该测量过程时，需注意：必须在RDD稀释条件与ICPMS对目标同位素的灵敏度之间，针对样品气溶胶颗粒及其气体特性找到适当的平衡。一方面，监测元素及其同位素的数量越多、检测限越低、粒径分辨率越高、覆盖的粒径范围越广；另一方面，扫描时间越短或时间分辨率越高，二者之间存在权衡关系。

该技术问世后，为研究人员探索纳米物体的归趋、化学成分和粒径分布提供了途径。这对于研究气体质量以及颗粒物排放或暴露情况具有重要意义。我们利用这些信息进一步开发环境友好的生物能源和废物处理技术。

观看本视频后，您应能够充分理解如何建立 SMPS 与 ICPMS 仪器之间的稳定耦合，以及如何进行准确的测量。