Determinazione delle nanoparticelle d’oro e d’argento

Che cosa sono le nanoparticelle

Le nanotecnologie sono un campo in rapida e dinamica crescita. Da decenni le nanoparticelle (NP) sono utilizzate in materiali e prodotti di largo consumo quali vernici e rivestimenti, creme solari, additivi antimicrobici, agenti di contrasto per MRI, additivi per carburante e molti altri ancora. Le nanoparticelle sono nanomateriali con dimensioni lineari in un range compreso fra 1 e 100 nm, riconducibili a quelle delle proteine e molto più piccoli di una cellula umana o batterica.

L’utilizzo forse più noto è quella delle nanoparticelle di argento, ormai diffuse sul mercato grazie alle note proprietà antibatteriche di questo additivo. Proprio la diffusione di questo prodotto ha portato molti Istituti di Ricerca e Agenzie Governative per la tutela della salute e dell’ambiente, a concentrare la loro attenzione su eventuali effetti indesiderati delle nanoparticelle. Sono stati pubblicati negli ultimi anni numerosi studi sul ciclo di vita nell’ambiente di queste sostanze, in particolare più utilizzate come le NP di argento, di ossido di zinco e di ossido di titanio.

Concentrazione e distribuzione delle nanoparticelle

Nonostante la diffusione di queste sostanze, una determinazione semplice e affidabile della concentrazione e della distribuzione dimensionale delle nanoparticelle in un materiale o in un prodotto rimane una sfida analitica rilevante. Per le nanoparticelle di natura inorganica si è dimostrata affidabile la spettrometria di massa accoppiata a un plasma (ICP-MS). Questa strumentazione si è diffusa nei laboratori grazie alla rapidità di analisi e all’ottima sensibilità, che le permette di raggiungere limiti di rilevabilità molto bassi. Di norma l’analisi viene effettuata su liquidi, dove la concentrazione dell’analita di interesse è omogeneamente distribuita all’interno della matrice.

Analizzare le singole nanoparticelle richiede un differente approccio, l’ICP-MS deve operare in una modalità che gli permetta di rilevale le singole NP (single particle mode ICP-MS, SP-ICP-MS). Vediamo più in dettaglio i punti chiave di questa tecnica con un esempio applicativo: la caratterizzazione di soluzioni di nanoparticelle di oro e argento di differente diametro con PlasmaQuant MS Elite di Analytik Jena.

Analisi in ICP-MS

Supponiamo di analizzare in ICP-MS una soluzione di argento disciolto e di monitorare nel tempo il segnale dell’isotopo ¹⁰⁷Ag. Otterremo un’intensità (in counts/s) relativamente stabile con il passare dei secondi, come riportato per esempio nella parte alta della figura 1. Se invece analizziamo una sospensione diluita di NP di argento otterremo un segnale fortemente discontinuo (come nella parte inferiore della figura 1), dove ogni picco rappresenta l’arrivo al rivelatore di una singola NP di argento.

La linea di base è dovuta alla presenza di forme disciolte di argento o al rumore di fondo. Ogni NP produce un picco (segnale) di ampiezza inferiore a 0,5 ms, che si distingue nettamente dalla linea di base. Sono dunque tre i parametri fondamentali da ottimizzare per effettuare analisi in SP-ICP-MS:

• il tempo di lettura del rivelatore (dwell time), di solito compreso fra 0,1 e 10 ms, che deve essere scelto in modo da trovare il miglior compromesso tra risoluzione e sensibilità
• la diluzione della sospensione di NP deve essere tale da evitare la rivelazione simultanea di più particelle senza compromettere la sensibilità
• la durata della scansione temporale (time scan), di solito dell’ordine dei minuti, deve essere tale da raccogliere un numero di picchi sufficienti

Dall’analisi dell’intensità dei segnali nella scansione temporale possiamo ricavare i parametri di nostro interesse:

• il numero di picchi (segnali) nell’unità di tempo è proporzionale alla concentrazione della sospensione analizzata
• l’altezza del picco è proporzionale alla massa (e quindi al diametro) di ogni singola NP

Determinando sia la concentrazione sia la distribuzione delle dimensioni, la SP-ICP-MS è una tecnica efficace per caratterizzare le sospensioni di NP.

I dati ottenuti possono essere elaborati mettendo in grafico il numero di picchi (number of pulses) in relazione all’intensità del picco (pulse intensity), ottenendo distribuzioni a istogrammi come quelle riportate in figura 2.

La prima distribuzione è quella relativa all’argento disciolto o al rumore di fondo. Come detto l’ascissa è facilmente correlabile alla dimensione delle NP, di fatto quindi la seconda distribuzione rappresenta la curva delle dimensioni delle NP di argento nella sospensione in esame, da cui si può ricavare il diametro medio delle particelle.

In questo esempio applicativo sono state analizzate 4 sospensioni di nanoparticelle di argento e 4 sospensioni di nanoparticelle di oro di differenti diametri medi, con PlasmaQuant MS Elite di Analytik Jena in modalità SP-ICP-MS. Le sospensioni analizzate sono state preparate a partire da soluzioni certificate. L’analisi delle scansioni temporali è stata effettuata mediante il software Aspect NP di Analytik Jena, che permette l’elaborazione dei dati ottenuti in modo semplice e intuitivo e la creazione di report con tutti i parametri fondamentali dell’analisi.

La tabella 3 riassume i valori di diametro medio ottenuti confrontandoli con i valori di riferimento.

I risultati confermano l’accuratezza del metodo analitico SP-ICP-MS nella caratterizzazione delle sospensioni SP, i valori di precisione dimostrano l’eccellente ripetibilità del PlasmaQuant MS Elite. Non si osservano bias rilevanti, anche a diversi diametri medi.

Il metodo è stato inoltre testato mediante analisi di una miscela di sospensioni di NP d’oro di 20 e 60 nm, ottenendo la curva di distribuzione delle dimensioni riportata in figura 3.

I risultati mostrano chiaramente due differenti popolazioni di NP senza alcuna sovrapposizione tra di loro. Pertanto, il metodo ha una risoluzione sufficiente rilevare e discriminare tra miscele di dimensioni diverse all’interno di un unico campione.