ISO/TS 19590:2017
(Main)Nanotechnologies — Size distribution and concentration of inorganic nanoparticles in aqueous media via single particle inductively coupled plasma mass spectrometry
Nanotechnologies — Size distribution and concentration of inorganic nanoparticles in aqueous media via single particle inductively coupled plasma mass spectrometry
ISO/TS 19590:2017 specifies a method for the detection of nanoparticles in aqueous suspensions and characterization of the particle number and particle mass concentration and the number-based size distribution using ICP-MS in a time-resolved mode to determine the mass of individual nanoparticles and ionic concentrations. The method is applicable for the determination of the size of inorganic nanoparticles (e.g. metal and metal oxides like Au, Ag, TiO2, BVO4, etc.), with size ranges of 10 nm to 100 nm (and larger particles up to 1 000 nm to 2 000 nm) in aqueous suspensions. Metal compounds other than oxides (e.g. sulfides, etc.), metal composites or coated particles with a metal core can be determined if the chemical composition and density are known. Particle number concentrations that can be determined in aqueous suspensions range from 106 particles/L to 109 particles/L which corresponds to mass concentrations in the range of approximately 1 ng/L to 1 000 ng/L (for 60 nm Au particles). Actual numbers depend on the type of mass spectrometer used and the type of nanoparticle analysed. In addition to the particle concentrations, ionic concentrations in the suspension can also be determined. Limits of detection are comparable with standard ICP-MS measurements. Note that nanoparticles with sizes smaller than the particle size detection limit of the spICP-MS method may be quantified as ionic. The method proposed in this document is not applicable for the detection and characterization of organic or carbon-based nanoparticles like encapsulates, fullerenes and carbon nanotubes (CNT). In addition, it is not applicable for elements other than carbon and that are difficult to determine with ICP-MS. Reference [5] gives an overview of elements that can be detected and the minimum particle sizes that can be determined with spICP-MS.
Nanotechnologies — Distribution granulométrique et concentration de nanoparticules inorganiques en milieu aqueux par spectrométrie de masse à plasma induit en mode particule unique
L'ISO/TS 19590:2017 spécifie une méthode de détection de nanoparticules dans des suspensions aqueuses et de caractérisation de la concentration numérique et massique des particules et de la distribution granulométrique numérique au moyen d'un ICP-MS en mode de résolution temporelle afin de déterminer la masse des nanoparticules individuelles et des concentrations ioniques. La méthode est applicable à la détermination de la taille de nanoparticules inorganiques (p. ex. les métaux et oxydes métalliques tels que Au, Ag, TiO2, BVO4, etc.), de tailles comprises entre 10 nm et 100 nm (et des particules de tailles plus grandes comprises entre 1 000 nm et 2 000 nm) dans des suspensions aqueuses. Les composés métalliques autres que les oxydes (p. ex. sulfites, etc.), les composites métalliques ou les particules enrobées avec un noyau métallique peuvent être déterminés si la composition chimique et la densité sont connues. Les concentrations numériques de particules qui peuvent être déterminées dans les suspensions aqueuses sont comprises entre 106 particules/L et 109 particules/L, ce qui correspond à des concentrations massiques comprises environ entre 1 ng/L et 1 000 ng/L (pour des particules d'or de 60 nm). Les chiffres réels dépendent du type de spectromètre de masse utilisé et du type de nanoparticules analysées. Outre les concentrations de particules, les concentrations ioniques dans la suspension peuvent également être déterminées. Les limites de détection sont comparables aux mesurages normalisés de l'ICP-MS. À noter que les nanoparticules de tailles inférieures à la limite de détection de taille de particules de la méthode spICP-MS peuvent être quantifiées comme étant ioniques. La méthode proposée dans l'ISO/TS 19590:2017 n'est pas applicable à la détection et la caractérisation de nanoparticules organiques ou à base de carbone comme les encapsulations, les fullerènes et les nanotubes de carbone (CNT). De plus elle n'est pas applicable aux éléments autres que le carbone et qui sont difficiles à déterminer par ICP-MS. La Référence [5] donne une description générale des éléments qui peuvent être détectés et des tailles de particules minimales qui peuvent être déterminées par spICP-MS.
General Information
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TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 19590
First edition
2017-03
Nanotechnologies — Size distribution
and concentration of inorganic
nanoparticles in aqueous media via
single particle inductively coupled
plasma mass spectrometry
Nanotechnologies - Distribution de taille et concentration de
nanoparticules inorganiques en milieu aqueux par spectrométrie de
masse à plasma induit en mode particule unique
Reference number
ISO/TS 19590:2017(E)
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ISO 2017
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ISO/TS 19590:2017(E)
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ISO/TS 19590:2017(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Abbreviated terms . 2
5 Conformance . 2
6 Procedure. 3
6.1 Principle . 3
6.2 Apparatus and equipment . 3
6.3 Chemicals, reference materials and reagents . 3
6.3.1 Chemicals . 3
6.3.2 Reference materials . 3
6.3.3 Reagents . 4
6.4 Samples . 4
6.4.1 Amount of sample . 4
6.4.2 Sample dilution . 5
6.5 Instrumental settings and performance check . 5
6.5.1 Settings of the ICP-MS system . 5
6.5.2 Checking the performance of the ICP-MS system . 5
6.6 Determination of the transport efficiency . 6
6.6.1 Determination of transport efficiency based on measured particle frequency . 6
6.6.2 Determination of transport efficiency based on measured particle size . 7
6.7 Determination of the linearity of response . 8
6.8 Determination of the blank level . 8
6.9 Analysis of aqueous suspension . 8
6.10 Data conversion . 9
7 Results . 9
7.1 Calculations . 9
7.1.1 Calculation of the transport efficiency .10
7.1.2 Calculation of the ICP-MS response .10
7.1.3 Calculation of particle concentration and size .10
7.1.4 Calculation of the particle concentration detection limit .11
7.1.5 Calculation of the particle size detection limit.12
7.1.6 Calculation of ionic concentration .13
7.2 Performance criteria .13
7.2.1 Transport efficiency .13
7.2.2 Linearity of the calibration curve .13
7.2.3 Blank samples .13
7.2.4 Number of detected particles .13
8 Test report .13
Annex A (informative) Calculation spreadsheet.15
Bibliography .19
© ISO 2017 – All rights reserved iii
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ISO/TS 19590:2017(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: w w w . i s o .org/ iso/ foreword .html.
This document was prepared by ISO/TC 229, Nanotechnologies.
iv © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TS 19590:2017(E)
Introduction
This document was developed in response to the worldwide demand of suitable methods for the
detection and characterization of nanoparticles in food and consumer products. Products based on
nanotechnology or containing engineered nanoparticles are already in use and beginning to impact
the food-associated industries and markets. As a consequence, direct and indirect consumer exposure
to engineered nanoparticles (in addition to natural nanoparticles) becomes more likely. The detection
of engineered nanoparticles in food, in samples from toxicology and in exposure studies therefore
becomes an essential part in understanding the potential benefits, as well as the potential risks, of the
application of nanoparticles.
Single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (spICP-MS) is a method capable
of detecting single nanoparticles at very low concentrations. The aqueous sample is introduced
continuously into a standard ICP-MS system that is set to acquire data with a high time resolution (i.e. a
short dwell time). Following nebulization, a fraction of the nanoparticles enters the plasma where they
are atomized and the individual atoms ionized. For every particle atomized, a cloud of ions results. This
cloud of ions is sampled by the mass spectrometer and since the ion density in this cloud is high, the
signal pulse is high compared to the background (or baseline) signal if a high time resolution is used.
A typical run time is 30 s to 200 s and is called a “time scan.” The mass spectrometer can be tuned to
measure any specific element, but due to the high time resolution, typically only one m/z value will be
monitored during a run (with the current instruments).
The number of pulses detected per second is directly proportional to the number of nanoparticles in
the aqueous suspension that is being measured. To calculate concentrations, the transport efficiency
has to be determined first using a reference nanoparticle. The intensity of the pulse and the pulse area
are directly proportional to the mass of the measured element in a nanoparticle, and thereby to the
nanoparticle’s diameter to the third power (i.e. assuming a spherical geometry for the nanoparticle).
This means that for any increase of a particle’s diameter, the response will increase to the third power
and therefore a proper validation of the response for each size range of each composition of nanoparticle
is required. Calibration is best performed using a reference nanoparticle material; however, such
materials are often not available. Therefore, calibration in this procedure is performed using ionic
standard solutions of the measured element under the same analytical condition.
The data can be processed by commercially available software or it can be imported in a custom
spreadsheet program to calculate the number and mass concentration, the size (the spherical equivalent
diameter) and the corresponding number-based size distribution of the nanoparticles. In addition, mass
concentrations of ions present in the same sample can be determined from the same data.
The interested reader can consult References [1] to [4] for further information.
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 19590:2017(E)
Nanotechnologies — Size distribution and concentration
of inorganic nanoparticles in aqueous media via single
particle inductively coupled plasma mass spectrometry
1 Scope
This document specifies a method for the detection of nanoparticles in aqueous suspensions and
characterization of the particle number and particle mass concentration and the number-based size
distribution using ICP-MS in a time-resolved mode to determine the mass of individual nanoparticles
and ionic concentrations.
The method is applicable for the determination of the size of inorganic nanoparticles (e.g. metal and
metal oxides like Au, Ag, TiO , BVO , etc.), with size ranges of 10 nm to 100 nm (and larger particles up to
2 4
1 000 nm to 2 000 nm) in aqueous suspensions. Metal compounds other than oxides (e.g. sulfides, etc.),
metal composites or coated particles with a metal core can be determined if the chemical composition
and density are known. Particle number concentrations that can be determined in aqueous suspensions
6 9
range from 10 particles/L to 10 particles/L which corresponds to mass concentrations in the range
of approximately 1 ng/L to 1 000 ng/L (for 60 nm Au particles). Actual numbers depend on the type of
mass spectrometer used and the type of nanoparticle analysed.
In addition to the particle concentrations, ionic concentrations in the suspension can also be determined.
Limits of detection are comparable with standard ICP-MS measurements. Note that nanoparticles with
sizes smaller than the particle size detection limit of the spICP-MS method may be quantified as ionic.
The method proposed in this document is not applicable for the detection and characterization of
organic or carbon-based nanoparticles like encapsulates, fullerenes and carbon nanotubes (CNT). In
addition, it is not applicable for elements other than carbon and that are difficult to determine with ICP-
MS. Reference [5] gives an overview of elements that can be detected and the minimum particle sizes
that can be determined with spICP-MS.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO/TS 80004-1, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 1: Core terms
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/TS 80004-1 and the
following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
3.1
nanoparticle
nano-object with all three external dimensions in the nanoscale
[SOURCE: ISO/TS 80004-2:2015, modified]
© ISO 2017 – All rights reserved 1
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ISO/TS 19590:2017(E)
3.2
aqueous suspension
particle suspension whose suspending phase is composed of water
3.3
inductively coupled plasma mass spectrometry
ICP-MS
analytical technique comprising a sample introduction system, an inductively coupled plasma source
for ionization of the analytes, a plasma/vacuum interface and a mass spectrometer comprising an ion
focusing, separation and detection system
3.4
dwell time
time during which the ICP-MS detector collects and integrates pulses
Note 1 to entry: Following integration, the total count number per dwell time is registered as one data point,
expressed in counts, or counts per second.
3.5
transport efficiency
particle transport efficiency
nebulization efficiency
ratio of the number of particles or mass of solution entering the plasma to the number of particles or
mass of solution aspirated to the nebulizer
3.6
particle number concentration
number of particles divided by the volume of a suspension, e.g. particles/L
3.7
particle mass concentration
total mass of the particles divided by the volume of a sample, e.g. ng/L
3.8
number-based particle size distribution
list of values that defines the relative amount by numbers of particles present according to size
4 Abbreviated terms
spICP-MS single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (for the definition of
ICP-MS, see 3.3 or ISO/TS 80004-6:2013, 4.22)
5 Conformance
This method is restricted to aqueous suspensions of pure nanoparticles, aqueous extracts of materials
or consumer products, aqueous digests of food or tissue samples, aqueous toxicological samples or
environmental water samples. The applicability of the method for such samples should be evaluated by
the user. Information about sample processing of non-aqueous samples can be found in the literature.
[6]
Aqueous environmental samples are filtrated and diluted , food and toxicological samples are
[7][8]
chemically or enzymatically digested and diluted . However, to relate particle number or mass
concentrations in aqueous suspensions to the concentrations in the original sample information on
extraction, efficiency and matrix effects are required. Additional validation by the user is required.
2 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TS 19590:2017(E)
6 Procedure
6.1 Principle
When nanoparticles are introduced into an ICP-MS system, they produce a plume of analyte ions.
The plumes corresponding to individual nanoparticles can be detected as a signal spike in the mass
spectrometer if a high time resolution is used. Using dwell times of ≤10 ms and an appropriate dilution
of the nanoparticle suspension allows the detection of individual nanoparticles, hence the name “single
particle”-ICP-MS. Dilution is often required to avoid violation of the “single particle rule” (i.e. more than
one particle arriving at the detector in one dwell time). As an example, using a dwell time of 3 ms, a
maximum of 20 000 particles can be registered per minute. However, to satisfy the “single particle
[9]
rule”, the number of pulses in the time scan should not exceed ca. 1 200 per minute (as a guidance,
a suspension of 60 nm gold particles with a mass concentration of 200 ng/L at an ICP-MS input flow of
0,5 mL/min and a transport efficiency of 3 % will result in this number of pulses).
6.2 Apparatus and equipment
6.2.1 Inductively coupled plasma mass spectrometer, capable of handling dwell times ≤10 ms.
6.2.2 Vortex mixer.
6.2.3 Analytical balance, capable of weighing to the nearest 1 mg.
6.2.4 Ultrasonic bath.
6.2.5 Standard laboratory glassware.
6.3 Chemicals, reference materials and reagents
6.3.1 Chemicals
6.3.1.1 Sodium dodecyl sulfate (SDS); C H NaO S.
12 25 4
6.3.1.2 Sodium citrate; C H Na O ·2H O.
6 5 3 7 2
6.3.1.3 Nitric acid, 70 %.
6.3.1.4 Purified water, typically, water with a >18 MΩ∙cm resistivity and <5 μg/L of dissolved salts.
6.3.1.5 Rinsing fluid for the ICP-MS sampling system, consisting of 3 % nitric acid prepared by
diluting 40 mL of concentrated nitric acid (6.3.1.3) to 760 mL purified water in a 1 L plastic container.
6.3.2 Reference materials
6.3.2.1 For the determination of the transport efficiency, a nanoparticle reference material is
used, for example a suspension of gold nanoparticles, nominal particle size 60 nm, with a nominal
mass concentration of 50 mg/L stabilized in a citrate buffer. As an alternative, a suspension of silver
nanoparticles, nominal particle size 60 nm stabilized in a citrate buffer can be used provided the materials
[10]
are sufficiently homogeneous and stable . Since the nanoparticle reference materials are used only to
determine the transport efficiency, having the same chemical composition as the nanoparticle analyte is
not required.
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ISO/TS 19590:2017(E)
6.3.2.2 For the size determination single element, ionic standard solutions are used, namely certified
reference materials intended for use as a primary calibration standard for the quantitative determination
of an element.
6.3.3 Reagents
6.3.3.1 Stock standard of nominal 60 nm gold nanoparticles (50 µg/L). Pipet 50 µL of the gold
nanoparticles (6.3.2.1) to 25 mL purified water in a calibrated 50 mL glass measuring flask and fill to the
mark with purified water, resulting in a final mass concentration of 50 µg/L. Mix thoroughly and store
at room temperature in amber glass screw necked vials or in the dark. This intermediate standard is
expected to be stable at room temperature for at least two weeks. This stability shall be checked. Prior to
use, place the standard in an ultrasonic bath for 10 min.
NOTE Recalculate for particle standard suspensions having different compositions or concentrations.
6.3.3.2 Working standard of nominal 60 nm gold nanoparticles (50 ng/L). Prepare the working
standard by pipetting 50 µL of the stock standard (6.3.3.1) to 25 mL of purified water in a 50 mL glass
measuring flask and fill to the mark with purified water resulting in a final mass concentration of 50 ng/L.
Mix thoroughly and store at room temperature in amber glass screw necked vials. Although this standard
is stable for several days, it is prepared daily.
6.3.3.3 Stock standards of ionic solutions of the particle’s elemental composition (100 µg/L).
Assuming the supplied ionic standard solution (6.3.2.2) has a concentration of 100 mg/L, pipet 50 µL of
the standard to 25 mL purified water in a 50 mL glass measuring flask and fill to the mark with purified
water resulting in a concentration of 100 µg/L. Mix thoroughly and store this intermediate standard in
amber glass screw necked vials. Protected from light, this intermediate standard is expected to be stable
at room temperature for at least two weeks. This stability shall be checked.
NOTE Recalculate for ionic standard solutions having different concentrations.
6.3.3.4 Working standards of ionic solutions of the nanoparticle analytes elemental composition (a
range of 0,2 to 5,0 µg/L can be used as a starting point). According to Table 1, pipet the volumes of the
stock standard (6.3.3.3) to ca. 25 mL of purified water in a 50 mL glass measuring flask and fill to the
mark with purified water. Mix thoroughly. A calibration curve is constructed from the resulting working
standards in Table 1. Store the working standards at room temperature in glass bottles. Protected from
light, these intermediate standards are stable at room temperature for the period indicated in Table 1.
Table 1 — Volumes for the preparation of the working standards of the ionic stock solution
Volume of the stock standard
Ionic concentration of the working Stability of the ionic working
(6.3.3.3) diluted to 50 mL purified
standard (6.3.3.4) in µg/L standard in glass
water in mL
2,5 5,0 2 weeks
1,0 2,0 2 weeks
0,50 1,0 2 weeks
0,25 0,5 1 week
0,10 0,2 1 week
6.4 Samples
6.4.1 Amount of sample
The minimal required sample volume depends on the ICP-MS instrument used, but generally a volume
of 5 mL is sufficient.
4 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TS 19590:2017(E)
6.4.2 Sample dilution
In general, the number of pulses detected in a time scan shall not exceed a maximum number of pulses
based on the dwell time (6.1). For the instrumental settings used in this procedure (6.5.1), a particle
6 8
number concentration in the range of 2 × 10 particles/L to 2 × 10 particles/L results in useful
measurement data. Table 2 gives the corresponding mass concentrations for different types and sizes
of particles as guidance.
Table 2 — Mass concentration ranges of different types of nanoparticles at number
6 8
concentrations of 2 × 10 particles/L to 2 × 10 particles/L
Particle composition Nominal particle size (spherical equivalent diameter)
30 nm 60 nm 100 nm
Gold (Au) 1 ng/L to 100 ng/L 5 ng/L to 500 ng/L 20 ng/L to 2 000 ng/L
Silver (Ag)
0,5 ng/L to 50 ng/L 2 ng/L to 200 ng/L 10 ng/L to 1 000 ng/L
Cerium oxide (CeO )
2
Titanium dioxide (TiO )
2
Iron oxide (Fe O ) 0,2 ng/L to 20 ng/L 1 ng/L to 100 ng/L 5 ng/L to 500 ng/L
2 3
Zinc oxide (ZnO)
If no information on the nanoparticle concentration in a sample or aqueous suspension is available,
a 10 000 times dilution is recommended as a starting point. Based on the observed number of pulses
in the analysis of the diluted sample, the dilution can then be adapted. Dilutions are made in purified
water or, if stabilization is required, in 5 mM sodium citrate or sodium dodecyl sulphate (SDS) in
purified water.
6.5 Instrumental settings and performance check
6.5.1 Settings of the ICP-MS system
The instrument configuration for spICP-MS is not different from standard ICP-MS. Therefore, the
optimal instrument settings as provided by the supplier are used.
A 3 % nitric acid solution is used to rinse sampling system, tubing, etc. of the ICP-MS before and in-
between runs.
In general, dwell times in the range of 1 ms to 10 ms are compatible with most commercial ICP-MS
systems and can be used, though the probability of detecting a single nanoparticle pulse split between
two adjacent measurement windows increases as the dwell time is decreased. If longer dwell times
(>10 ms) are used, it is more difficult to isolate the particles from the background in the data and more
than one nanoparticle may be registered by the detector in one dwell time event. Shorter dwell times
(<1 ms) may be used, however, the ion plume generated by the nanoparticle in the plasma (typical width,
0,1 ms to 0,3 ms) may be divided over multiple dwell time events and dedicated software is required to
reconstruct and quantify the particle pulse.
In the case of low m/z values, as for Ti (48) and Fe (56), interferences by polyatomic ions such as SO
and ArO may cause high background levels, rendering small particles invisible. In that case, the results
may be improved by monitoring an alternative (secondary) m/z pulse for the element of interest or by
using a collision/reaction cell or other technique to remove polyatomic ions. While in both cases, the
absolute sensitivity for the element of interest will be lower, the signal-to-noise ratio (important for
differentiating nanoparticles from the background) may be higher.
6.5.2 Checking the performance of the ICP-MS system
ICP-MS systems have a performance check and an auto tune or manual tune function. Carry out the
performance check. If the criteria of the performance check are not met, perform an instrument tuning,
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ISO/TS 19590:2017(E)
auto tune or manual tune, to optimize the instrument. The ICP-MS may be tuned to optimize the
response for a particular m/z value.
Special attention should be paid that the sample introduction system of the ICP-MS is clean. Analysis of
nanoparticle suspensions with high particle concentrations may lead to contamination of the ICP-MS
instrument, especially the instrument tubing, resulting in continuous background levels. On the other
hand, if high concentrations of other type of samples have passe
...
SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 19590
Première édition
2017-03
Nanotechnologies — Distribution
granulométrique et concentration
de nanoparticules inorganiques en
milieu aqueux par spectrométrie
de masse à plasma induit en mode
particule unique
Nanotechnologies — Size distribution and concentration of inorganic
nanoparticles in aqueous media via single particle inductively coupled
plasma mass spectrometry
Numéro de référence
ISO/TS 19590:2017(F)
©
ISO 2017
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ISO/TS 19590:2017(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Abréviations . 2
5 Conformité . 2
6 Mode opératoire. 3
6.1 Principe . 3
6.2 Appareillage et équipement . 3
6.3 Produits chimiques, matériaux de référence et réactifs . 3
6.3.1 Produits chimiques . 3
6.3.2 Matériaux de référence . 4
6.3.3 Réactifs . 4
6.4 Échantillons . 5
6.4.1 Quantité d’échantillon . 5
6.4.2 Dilution de l’échantillon . 5
6.5 Réglages instrumentaux et contrôle de performance . 5
6.5.1 Réglages du système ICP-MS . 5
6.5.2 Contrôle de performance du système ICP-MS . 6
6.6 Détermination de l’efficacité du transport . 6
6.6.1 Détermination de l’efficacité du transport sur la base de la fréquence
mesurée des particules. 6
6.6.2 Détermination de l’efficacité du transport sur la base de la taille mesurée
des particules . 7
6.7 Détermination de la linéarité de la réponse . 8
6.8 Détermination du niveau de blanc . 8
6.9 Analyse de la suspension aqueuse . 8
6.10 Conversion des données .10
7 Résultats .10
7.1 Calculs .10
7.1.1 Calcul de l’efficacité du transport .10
7.1.2 Calcul de la réponse de l’ICP-MS.11
7.1.3 Calcul de la concentration et de la taille des particules .11
7.1.4 Calcul de la limite de détection de la concentration des particules .12
7.1.5 Calcul de la limite de détection de la taille des particules .13
7.1.6 Calcul de la concentration ionique .14
7.2 Critères de performance .14
7.2.1 Efficacité du transport .14
7.2.2 Linéarité de la courbe d’étalonnage .14
7.2.3 Échantillons témoins .14
7.2.4 Nombre de particules détectées .14
8 Rapport d’essai .14
Annexe A (informative) Tableur de calcul .16
Bibliographie .20
© ISO 2017 – Tous droits réservés iii
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ISO/TS 19590:2017(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’OMC concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien
suivant: w w w . i s o .org/ iso/ fr/ foreword .html.
Le présent document a été élaboré par l’ISO/TC 229, Nanotechnologies.
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ISO/TS 19590:2017(F)
Introduction
Le présent document a été développé en réponse à la demande mondiale de méthodes appropriées pour
la détection et la caractérisation de nanoparticules dans les produits alimentaires et de consommation.
Des produits basés sur les nanotechnologies ou contenant des nanoparticules manufacturées sont
déjà utilisés et commencent à avoir des effets sur les industries et marchés alimentaires associés. Par
conséquent, la probabilité d’une exposition directe et indirecte des consommateurs aux nanoparticules
manufacturées (outre les nanoparticules naturelles) augmente. La détection de nanoparticules
manufacturées dans la nourriture, dans les échantillons toxicologiques et dans les études d’exposition
devient ainsi essentielle pour la compréhension des avantages potentiels, ainsi que des risques
potentiels, de l’utilisation des nanoparticules.
La spectrométrie de masse à plasma induit en mode particule unique (spICP-MS) est une méthode
capable de détecter des nanoparticules uniques à des concentrations très faibles. L’échantillon aqueux
est introduit en continu dans un système ICP-MS classique qui est défini de manière à acquérir des
données selon une grande résolution temporelle (c.-à-d. une courte durée d’acquisition). Suite à la
nébulisation, une fraction des nanoparticules entre dans le plasma où elles sont atomisées et où chaque
atome est ionisé. Chaque particule atomisée donne un nuage d’ions. Ce nuage d’ions est échantillonné
par le spectromètre de masse et comme la densité ionique dans ce nuage est élevée, l’impulsion du
signal est élevée comparée au bruit de fond (ou de base) lorsqu’une résolution élevée est utilisée. Une
durée de fonctionnement usuelle est comprise entre 30 s et 200 s et est appelée «balayage temporel». Le
spectromètre de masse peut être réglé de façon à mesurer chaque élément spécifique mais en raison de
la résolution temporelle élevée, une seule valeur de rapport masse/charge est généralement considérée
pendant une séquence d’exécution (avec les instruments courants).
Le nombre d’impulsions détectées par seconde est directement proportionnel au nombre de
nanoparticules dans la suspension aqueuse qui est mesurée. Afin de calculer les concentrations,
l’efficacité du transport doit être déterminée en premier lieu à l’aide d’une nanoparticule de référence.
L’intensité de l’impulsion et la zone d’impulsion sont directement proportionnelles à la masse de
l’élément mesuré dans une nanoparticule, et donc au cube du diamètre de la nanoparticule (c.-à-d. en
supposant une géométrie sphérique de la nanoparticule). Cela signifie que pour toute augmentation du
diamètre d’une particule, la réponse est amplifiée à la puissance trois et par conséquent, une validation
correcte de la réponse pour chaque plage de tailles de chaque composition de nanoparticule est
exigée. La performance de l’étalonnage est meilleure lorsqu’un matériau de référence nanoparticulaire
est utilisé; toutefois, ces matériaux ne sont pas souvent disponibles. L’étalonnage du présent mode
opératoire est donc effectué au moyen de solutions ioniques normalisées de l’élément mesuré dans les
mêmes conditions d’analyse.
Les données peuvent être traitées par un logiciel disponible commercialement ou peuvent être
importées dans un programme de tableur personnalisé afin de calculer les concentrations numérique
et massique, la taille (le diamètre équivalent sphérique) et la distribution granulométrique numérique
correspondante des nanoparticules. De plus, ces mêmes données permettent de déterminer les
concentrations massiques d’ions présents dans le même échantillon.
Le lecteur intéressé peut consulter les Références [1] à [4] pour plus d’informations.
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 19590:2017(F)
Nanotechnologies — Distribution granulométrique et
concentration de nanoparticules inorganiques en milieu
aqueux par spectrométrie de masse à plasma induit en
mode particule unique
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie une méthode de détection de nanoparticules dans des suspensions
aqueuses et de caractérisation de la concentration numérique et massique des particules et de la
distribution granulométrique numérique au moyen d’un ICP-MS en mode de résolution temporelle afin
de déterminer la masse des nanoparticules individuelles et des concentrations ioniques.
La méthode est applicable à la détermination de la taille de nanoparticules inorganiques (par exemple
les métaux et oxydes métalliques tels que Au, Ag, TiO , BVO , etc.), de tailles comprises entre 10 nm
2 4
et 100 nm (et des particules de tailles plus grandes comprises entre 1 000 nm et 2 000 nm) dans des
suspensions aqueuses. Les composés métalliques autres que les oxydes (par exemple sulfites, etc.), les
composites métalliques ou les particules enrobées avec un noyau métallique peuvent être déterminés
si la composition chimique et la densité sont connues. Les concentrations numériques de particules
6
qui peuvent être déterminées dans les suspensions aqueuses sont comprises entre 10 particules/L et
9
10 particules/L, ce qui correspond à des concentrations massiques comprises environ entre 1 ng/L et
1 000 ng/L (pour des particules d’or de 60 nm). Les chiffres réels dépendent du type de spectromètre
de masse utilisé et du type de nanoparticules analysées.
Outre les concentrations de particules, les concentrations ioniques dans la suspension peuvent
également être déterminées. Les limites de détection sont comparables aux mesurages normalisés
de l’ICP-MS. À noter que les nanoparticules de tailles inférieures à la limite de détection de taille de
particules de la méthode spICP-MS peuvent être quantifiées comme étant ioniques.
La méthode proposée dans le présent document n’est pas applicable à la détection et la caractérisation
de nanoparticules organiques ou à base de carbone comme les encapsulations, les fullerènes et les
nanotubes de carbone (CNT). De plus elle n’est pas applicable aux éléments autres que le carbone et qui
sont difficiles à déterminer par ICP-MS. La Référence [5] donne une description générale des éléments
qui peuvent être détectés et des tailles de particules minimales qui peuvent être déterminées par
spICP-MS.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO/TS 80004-1, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 1: Termes «coeur»
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l’ISO/TS 80004-1 s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/ ;
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ISO/TS 19590:2017(F)
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse http:// www .iso .org/ obp.
3.1
nanoparticule
nano-objet dont les trois dimensions externes sont à l’échelle nanométrique
[SOURCE: ISO/TS 80004-2:2015, modifiée]
3.2
suspension aqueuse
suspension de particules dont la phase de suspension est composée d’eau
3.3
spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif
ICP-MS
technique d’analyse comprenant un système d’introduction d’échantillon, une source de plasma
à couplage inductif pour l’ionisation des substances à analyser, une interface plasma/vide et un
spectromètre de masse comprenant un système de concentration, de séparation et de détection d’ions
3.4
durée d’acquisition
durée pendant laquelle le détecteur de l’ICP-MS collecte et intègre les impulsions
Note 1 à l’article: À la suite de l’intégration, le nombre total compté par durée d’acquisition est enregistré sous la
forme d’un point de données, exprimé en nombre ou nombre par seconde.
3.5
efficacité du transport
efficacité du transport de particules
efficacité de la nébulisation
rapport entre le nombre de particules ou la masse de solution entrant dans le plasma et le nombre de
particules ou la masse de solution aspiré(e) vers le nébuliseur
3.6
concentration numérique des particules
nombre de particules divisé par le volume d’une suspension, par exemple particules/L
3.7
concentration massique des particules
masse totale des particules divisée par le volume d’un échantillon, par exemple ng/L
3.8
distribution granulométrique numérique
liste de valeurs qui définit la quantité relative par le nombre de particules présentes en fonction de la taille
4 Abréviations
spICP-MS spectrométrie de masse à plasma induit en mode particule unique (pour la définition de
l’ICP-MS, voir 3.3 l’ISO/TS 80004-6:2013, 4.22).
5 Conformité
La présente méthode est restreinte aux suspensions aqueuses de nanoparticules pures, aux extraits
aqueux de matériaux ou de produits de consommation, aux condensés aqueux d’échantillons d’aliments
ou de tissus, aux échantillons toxicologiques aqueux ou aux échantillons d’eau environnementale. Il
convient que l’utilisateur évalue l’application de la méthode à ces échantillons. Les informations sur
le traitement des échantillons non aqueux se trouvent dans la littérature. Les échantillons aqueux
[6]
environnementaux sont filtrés et dilués , les échantillons alimentaires et toxicologiques sont digérés
[7][8]
chimiquement ou par des enzymes et dilués . Toutefois, pour relier les concentrations numériques
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ISO/TS 19590:2017(F)
ou massiques des particules dans des suspensions aqueuses aux concentrations de l’échantillon
original, des informations sur l’extraction, l’efficacité et les effets de matrice sont exigées. Une validation
supplémentaire de la part de l’utilisateur est exigée.
6 Mode opératoire
6.1 Principe
Lorsque des nanoparticules sont introduites dans un système ICP-MS, elles produisent un panache
d’ions à analyser. Les panaches correspondant à des nanoparticules individuelles peuvent être détectés
en tant que signal de pointe dans le spectromètre de masse si une résolution temporelle élevée est
utilisée. L’utilisation de durée d’acquisition ≤10 ms et une dilution appropriée de la suspension des
nanoparticules permettent de détecter les nanoparticules individuelles, d’où le nom ICP-MS en mode
«particule unique». La dilution est souvent exigée pour éviter le non-respect de la «règle de la particule
unique» (c.-à-d. que plusieurs particules arrivent au détecteur pendant une durée d’acquisition). Par
exemple, avec une durée d’acquisition de 3 ms, 20 000 particules au maximum peuvent être enregistrées
par minute. Toutefois, pour satisfaire à la «règle de la particule unique», il convient que le nombre
[9]
d’impulsions pendant le balayage temporel ne dépasse pas 1 200 par minute (à titre de préconisation,
une suspension de particules d’or de 60 nm présentant une concentration massique de 200 ng/L à un
débit d’entrée dans l’ICP-MS de 0,5 mL/min et une efficacité de transport de 3 % a pour résultat ce
nombre d’impulsions).
6.2 Appareillage et équipement
6.2.1 Spectromètre de masse à plasma induit, capable de gérer des durées d’acquisition ≤10 ms.
6.2.2 Agitateur vortex
6.2.3 Balance analytique, capable de peser à 1 mg près.
6.2.4 Bac à ultrasons
6.2.5 Verrerie de laboratoire normalisée
6.3 Produits chimiques, matériaux de référence et réactifs
6.3.1 Produits chimiques
6.3.1.1 Dodécylsulfate de sodium (SDS); C H NaO S.
12 25 4
6.3.1.2 Citrate de sodium; C H Na O , 2H O.
6 5 3 7 2
6.3.1.3 Acide nitrique, 70 %.
−1
6.3.1.4 Eau ultrapure, eau présentant généralement une résistivité >18 MΩ∙cm et <5 μg/L de sels
dissous.
6.3.1.5 Fluide de rinçage, constitué de 3 % d’acide nitrique préparé en diluant 40 mL d’acide nitrique
concentré (6.3.1.3) dans 760 mL d’eau ultrapure dans un récipient en plastique de 1 L.
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6.3.2 Matériaux de référence
6.3.2.1 Pour la détermination de l’efficacité du transport, un matériau de référence nanoparticulaire
est utilisé, par exemple une suspension de nanoparticules d’or, de taille de particule nominale 60 nm,
avec une concentration massique nominale de 50 mg/L stabilisée dans un tampon de citrate. En variante,
une suspension de nanoparticules d’argent, de taille de particule nominale 60 nm, stabilisée dans un
[10]
tampon de citrate, peut être utilisée si les matériaux sont suffisamment homogènes et stables . Les
matériaux de référence nanoparticulaire étant utilisés uniquement pour déterminer l’efficacité du
transport, disposer de la même composition chimique que la substance de nanoparticules à analyser ne
constitue pas une exigence.
6.3.2.2 Pour la détermination de la taille, des solutions ioniques normalisées d’élément unique sont
utilisées, c’est-à-dire des matériaux de référence certifiés destinés à être utilisés comme étalon mère
principal pour la détermination quantitative d’un élément.
6.3.3 Réactifs
6.3.3.1 Étalon mère de nanoparticules d’or de taille nominale 60 nm (50 µg/L). Prélever 50 µL des
nanoparticules d’or (6.3.2.1) à l’aide d’une pipette et les déposer avec 25 mL d’eau ultrapure dans une
fiole jaugée en verre de 50 mL, compléter avec l’eau ultrapure jusqu’à la marque, ce qui a pour résultat
une concentration massique finale de 50 µg/L. Mélanger soigneusement et conserver à température
ambiante dans des fioles en verre ambré à cols vissés ou dans l’obscurité. Cet étalon intermédiaire est
supposé être stable à température ambiante pendant au moins deux semaines. Cette stabilité doit être
vérifiée. Avant l’utilisation, placer l’étalon dans un bac à ultrasons pendant 10 min.
NOTE Recalculer pour les suspensions d’étalon de particules présentant des compositions ou des
concentrations différentes.
6.3.3.2 Étalon de travail de nanoparticules d’or de taille nominale 60 nm (50 ng/L). Prélever 50 µL
de l’étalon mère (6.3.3.1) à l’aide d’une pipette et les déposer avec 25 mL d’eau ultrapure dans une
fiole jaugée en verre de 50 mL, compléter avec l’eau ultrapure jusqu’à la marque, ce qui a pour résultat
une concentration massique finale de 50 ng/L. Mélanger soigneusement et conserver à température
ambiante dans des fioles en verre ambré à cols vissés. Bien que cet étalon soit stable pendant plusieurs
jours, il est préparé quotidiennement.
6.3.3.3 Étalons mère de solutions ioniques de la composition élémentaire de la particule (100 µg/L).
Si l’on suppose que la solution ionique normalisée (6.3.2.2) présente une concentration de 100 mg/L,
prélever 50 µL de l’étalon à l’aide d’une pipette avec 25 mL d’eau ultrapure dans une fiole jaugée en
verre de 50 mL et remplir d’eau ultrapure jusqu’à la marque, ce qui a pour résultat une concentration de
100 µg/L. Mélanger soigneusement et conserver cet étalon intermédiaire à température ambiante dans
des fioles en verre ambré à cols vissés. Protégé de la lumière, cet étalon intermédiaire est supposé être
stable à température ambiante pendant au moins deux semaines. Cette stabilité doit être vérifiée.
NOTE Recalculer pour les suspensions ioniques normalisées présentant des concentrations différentes.
6.3.3.4 Étalons de travail de solutions ioniques de la composition élémentaire de la nanoparticule
à analyser (une plage comprise entre 0,2 µg/L et 5,0 µg/L peut être utilisée comme point de départ).
Conformément au Tableau 1, prélever à l’aide d’une pipette les volumes de l’étalon mère (6.3.3.3) et les
déposer dans environ 25 mL d’eau ultrapure dans une fiole jaugée en verre de 50 mL et remplir d’eau
ultrapure jusqu’à la marque. Mélanger soigneusement. Une courbe d’étalonnage est construite à partir
des étalons de travail résultants du Tableau 1. Conserver les étalons de travail à température ambiante
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dans des flacons en verre. Protégés de la lumière, ces étalons intermédiaires sont stables à température
ambiante pour la période indiquée au Tableau 1.
Tableau 1 — Volumes de préparation des étalons de travail de la solution ionique mère
Volume de l’étalon mère (6.3.3.3) dilué Concentration ionique de l’étalon de Stabilité de l’étalon de travail
dans 50 mL d’eau ultrapure en mL travail (6.3.3.4) en µg/L ionique dans le verre
2,5 5,0 2 semaines
1,0 2,0 2 semaines
0,50 1,0 2 semaines
0,25 0,5 1 semaine
0,10 0,2 1 semaine
6.4 Échantillons
6.4.1 Quantité d’échantillon
Le volume minimal d’échantillon exigé dépend de l’instrument d’ICP-MS utilisé, mais un volume de 5 mL
est généralement suffisant.
6.4.2 Dilution de l’échantillon
De manière générale, le nombre d’impulsions détectées dans un balayage temporel ne doit pas dépasser
un nombre maximal d’impulsions basé sur la durée d’acquisition (6.1). Pour les réglages instrumentaux
utilisés pour ce mode opératoire (6.5.1), une concentration numérique des particules dans la plage
6 8
comprise entre 2 × 10 particules/L et 2 × 10 particules/L donne des données de mesurage utiles.
Le Tableau 2 donne les concentrations massiques correspondantes pour différents types et tailles de
particules comme préconisations.
Tableau 2 — Plages de concentration massique de différents types de nanoparticules à des
6 8
concentrations numériques comprises entre 2 × 10 particules/L et 2 × 10 particules/L
Composition de la particule Taille de particule nominale (diamètre équivalent sphérique)
30 nm 60 nm 100 nm
Or (Au) 1 ng/L à 100 ng/L 5 ng/L à 500 ng/L 20 ng/L à 2 000 ng/L
Argent (Ag)
0,5 ng/L à 50 ng/L 2 ng/L à 200 ng/L 10 ng/L à 1 000 ng/L
Oxyde de cérium (CeO )
2
Dio
...
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