ISO/TS 21361:2019

Nanotechnologies — Method to quantify air concentrations of carbon black and amorphous silica in the nanoparticle size range in a mixed dust manufacturing environment

This document provides guidelines to quantify and identify air concentration (number of particles/cm3) of particles of carbon black and/or amorphous silica by size in air samples collected in a mixed dust industrial manufacturing environment. The method is defined for air samples collected with an electrical low pressure cascade impactor (ELPCI). on a 25 mm polycarbonate substrate. The method is suitable for sampling in manufacturing environments where there are a variety of particle types contributing to the overall atmosphere. This method is applicable only to environments with chemically and physically distinct particles contributing to aerosols or when confounders can be controlled (e.g. diesel sources). Other sampling methods can also be suitable, though this document is limited to describing methods associated with the electrical low pressure cascade impactor. Samples collected with the electrical low pressure cascade impactor are analyzed via TEM and EDS to for particle morphology and elemental composition, respectively, to permit identification of particles by type. This information is then used, in conjunction with particle concentration by size range, as determined by the electrical low pressure cascade impactor, to determine concentration of the materials of interest by size.

Nanotechnologies — Méthode de quantification des concentrations dans l'air de noir de carbone et de silice amorphe à l'échelle nanométrique dans un environnement de fabrication industrielle contenant des mélanges de poussières

Le présent document fournit des lignes directrices pour quantifier et identifier la concentration (nombre de particules/cm3) de particules de noir de carbone et/ou de silice amorphe par taille, dans les échantillons d'air prélevés dans un environnement de fabrication industrielle contenant des mélanges de poussières. La méthode est définie pour les échantillons d'air prélevés en utilisant un impacteur en cascade à basse pression à détection électrique (ELPCI) sur un substrat de polycarbonate de 25 mm. La méthode décrite convient pour effectuer des prélèvements dans des environnements de fabrication où l'atmosphère générale contient une grande diversité de types de particules. Cette méthode n'est applicable qu'aux environnements dont les particules contribuant aux aérosols sont chimiquement et physiquement distinctes, ou lorsque les matériaux parasites peuvent être contrôlés (particules provenant de moteurs diesel, par exemple). Bien que le présent document se limite à la description de méthodes associées à l'impacteur en cascade à basse pression à détection électrique, d'autres méthodes de prélèvement pourraient également convenir. Les échantillons recueillis avec l'impacteur en cascade à basse pression à détection électrique sont analysés par MET et EDS afin de déterminer, respectivement, la morphologie des particules et la composition élémentaire, pour pouvoir identifier les particules par type. Ces informations sont ensuite utilisées, conjointement avec la concentration de particules par plage granulométrique, déterminée à l'aide de l'impacteur en cascade à basse pression à détection électrique, afin de déterminer la concentration des matériaux étudiés en fonction de leur taille.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 22-Apr-2019
• ICS: 07.120 - Nanotechnologies
• Technical Committee: ISO/TC 229 - Nanotechnologies
• Drafting Committee: ISO/TC 229/JWG 2 - Measurement and characterization
• Parallel Committee: IEC/TC 113 - Nanotechnology for electrotechnical products and systems
• Current Stage: 9092 - International Standard to be revised
• Completion Date: 21-Nov-2022

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 21361
First edition
2019-04
Nanotechnologies — Method to
quantify air concentrations of carbon
black and amorphous silica in the
nanoparticle size range in a mixed
dust manufacturing environment
Nanotechnologies — Quantification du noir de carbonne et de la silice
amorphe nanométriques en suspension dans l'air en ambiance de
production
Reference number
ISO/TS 21361:2019(E)
ISO 2019
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ISO/TS 21361:2019(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2019

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Published in Switzerland
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ISO/TS 21361:2019(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Principle ........................................................................................................................................................................................................................ 2

5 Abbreviations........................................................................................................................................................................................................... 3

6 Reagents ........................................................................................................................................................................................................................ 3

7 Apparatus ..................................................................................................................................................................................................................... 4

7.1 Air sampling — Equipment and consumable supplies ........................................................................................ 4

7.1.1 Electrical low cascade pressure impactor (ELPCI) ............................................................................ 4

7.1.2 Limit of Detection ............................................................................................................................................................ 4

7.1.3 Real-time aerosol monitor ....................................................................................................................................... 5

7.1.4 Vacuum pump ..................................................................................................................................................................... 5

7.1.5 Polycarbonate substrate ............................................................................................................................................ 5

7.1.6 Hydrocarbon grease ...................................................................................................................................................... 5

7.2 Analytical/microscopy laboratories ..................................................................................................................................... 6

7.3 Sample analysis — Equipment and consumables .................................................................................................... 6

7.3.1 Transmission electron microscope (TEM) ................................................................................................ 6

7.3.2 Energy dispersive spectrometry (EDS) ........................................................................................................ 6

7.3.3 Computer ................................................................................................................................................................................ 6

7.3.4 TEM Grid ................................................................................................................................................................................. 6

8 Air sample collection ....................................................................................................................................................................................... 6

8.1 Preparation for sampling ............................................................................................................................................................... 6

8.2 Determination of sampling time .............................................................................................................................................. 7

8.3 Sample collection procedure ...................................................................................................................................................... 7

9 Procedure for analysis .................................................................................................................................................................................... 7

9.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 7

9.2 Preparation of substrates .............................................................................................................................................................. 8

9.3 Sample analysis ...................................................................................................................................................................................... 8

9.3.1 Instrument conditions ................................................................................................................................................ 8

9.3.2 Data collection ................................................................................................................................................................... 8

9.4 Calculation of air concentration ............................................................................................................................................... 9

10 Uncertainties and performance criteria ...................................................................................................................................10

10.1 Particle counting with the ELPCI..........................................................................................................................................10

10.2 Particle analysis with TEM/EDS ...........................................................................................................................................11

11 Test report ................................................................................................................................................................................................................11

Annex A (informative) Case study overview ..............................................................................................................................................12

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................13

© ISO 2019 – All rights reserved iii
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ISO/TS 21361:2019(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.

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Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

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ISO/TS 21361:2019(E)
Introduction

Nanomaterials are widely used in industrial settings in the manufacture of consumer products. Carbon

black and/or amorphous silica are commonly used in consumer products, such as rubber products,

insulating materials, and others. Although these materials typically exist as agglomerates in dimensions

larger than the nanoscale, there is also potential for worker exposure to these materials in the

nanoscale size range. In spite of the widespread use of nanomaterials such as these, quantification of air

concentrations of specific nanomaterials in mixed dust settings, such as a manufacturing environment,

have been challenging to date and has been identified as a hindrance to the development of nano-

specific occupational exposure limits (Gordon, et al. 2014; Hansen, et al. 2012; van Broekhuizen, et al.

2013). This method outlines a technique whereby particles carbon black and amorphous silica can be

identified, distinguished, and quantified (in terms of air concentrations) by size in such manufacturing

settings. It is anticipated that although this method is specific to carbon black and amorphous silica,

the general principles of the method can be applied to many materials in a variety of manufacturing

environments. This method advances beyond existing techniques for analysis in that it provides

quantitative information regarding exposure to specific materials by size; many other methods provide

quantitative information on nanoparticle exposures that are incapable of differentiating by material

type. This method includes both a defined methodology for collecting air samples in the manufacturing

settings as well as a methodology for analyzing the sample to obtain appropriate information for

quantifying air concentration of the materials of interest. Application of this methodology has recently

been published in the peer-reviewed literature (Kreider, et al. 2015).

This document will provide guidelines to quantify and identify particles carbon black and/or

amorphous silica in air samples collected in a mixed dust industrial manufacturing environment. The

guidelines describe air sample collection and the characterization of the particles in the air samples

by both particle size and elemental composition. The particles in the air sample are collected in the

various stages of a cascade impactor with cut-offs for median particle size between 6 nm and 10 µm.

This impactor determines the number particle size distribution in real-time based on the particle

aerodynamic diameter. Particles collected on each stage are collected for off-line analysis using

Transmission Electron Microscopy (TEM) and Energy Dispersive Spectrometry (EDS) to identify

amorphous silica and carbon black particles. The TEM-EDS measurement provides the elemental

composition and source of the particles in each stage. Scanning Electron Microscopy (SEM) is also an

option to TEM in the electron microscopy/dispersive spectrometry combination. The concentration of

particles of a specific nanomaterial in a given size range (#/cm ) is given by the product of the total

particle count for size range (#/cm ) obtained from the cascade impactor and the fraction of particles

identified as the specific material of interest (e.g. carbon black or amorphous silica) from the TEM-EDS

results. Though this technique is described for carbon black and amorphous silica, the technique can

be applied to the measurement of other particle types, provided they are in the size range of 6 nm to

2,5 µm and can be observed by TEM/SEM and chemically characterized by EDS.

At this time, this methodology represents the one of the methods available to quantify chemical-

specific exposures to nanoparticles by size with this degree of sensitivity. Many of the other existing

methods that can speciate and quantify chemical exposure in this size range are mass-based, and thus

are limited by mass-based detection limits that are high when compared to the mass of particles in

this size range. Furthermore, although other sampling methods may be amenable to the techniques

described herein, none have been evaluated or validated for this purpose. Therefore, this methodology

offers increased sensitivity for quantification of exposure to specific particle types in the nanoscale

when such an interest arises. This methodology could be implemented as a higher tier step in an

occupational exposure assessment sampling strategy for nanomaterials, particularly in the event hot

spots for exposure are identified using other methods and there is an interest in understanding the

nature of the exposure. Results from this analysis can be used to compare to health benchmarks, as

they become available, to understand potential health risk of workers. In addition, it could be useful in

selecting appropriate personal protective equipment (PPE) at a very early stage of the manufacturing

process, when required.
© ISO 2019 – All rights reserved v
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 21361:2019(E)
Nanotechnologies — Method to quantify air concentrations
of carbon black and amorphous silica in the nanoparticle
size range in a mixed dust manufacturing environment
1 Scope

This document provides guidelines to quantify and identify air concentration (number of particles/

cm ) of particles of carbon black and/or amorphous silica by size in air samples collected in a mixed

dust industrial manufacturing environment.

The method is defined for air samples collected with an electrical low pressure cascade impactor

(ELPCI). on a 25 mm polycarbonate substrate. The method is suitable for sampling in manufacturing

environments where there are a variety of particle types contributing to the overall atmosphere.

This method is applicable only to environments with chemically and physically distinct particles

contributing to aerosols or when confounders can be controlled (e.g. diesel sources). Other sampling

methods can also be suitable, though this document is limited to describing methods associated with

the electrical low pressure cascade impactor.

Samples collected with the electrical low pressure cascade impactor are analyzed via TEM and EDS to

for particle morphology and elemental composition, respectively, to permit identification of particles

by type. This information is then used, in conjunction with particle concentration by size range,

as determined by the electrical low pressure cascade impactor, to determine concentration of the

materials of interest by size.
2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application 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 10312, Ambient Air — Determination of asbestos fibres — Direct‐transfer transmission electron

microscopy method
ISO 4225, Air quality — General aspects — Vocabulary
ISO/TS 80004-1, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 1: Core terms

ISO 22309, Microbeam analysis — Quantitative analysis using energy‐dispersive spectrometry (EDS) for

elements with an atomic number of 11 (Na) or above

ISO/TS 10798, Nanotechnologies — Charaterization of single‐wall carbon nanotubes using scanning

electron microscopy and energy dispersive X‐ray spectrometry analysis
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4225 and ISO/TS 80004-1 apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
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ISO/TS 21361:2019(E)
3.1
particle aerodynamic diameter

diameter of a sphere of density 1,000 kg m that has the same settling velocity as the irregular particle

3.2
cascade impactor

device for simultaneously collecting particles separately in a number of size ranges by impaction,

depending on the momentum
3.3
cut‐off

size of particles at which the retention efficiency of an instrument device drops below a specified value

under defined conditions
3.4
nanoscale
size range from approximately 1 nm to 100 nm
3.5
nanomaterial

material with any external dimension in the nanoscale or having internal structure or surface structure

in the nanoscale
3.6
particle
minute piece of matter with defined physical boundaries
3.7
sampling time
interval of time over which a single sample is taken
4 Principle

Air sampling is conducted using an electrical low pressure cascade impactor (ELPCI). The ELPCI is

a cascade impactor with multiple stages representing different size bins, distinguished based on

aerodynamic diameter. The cascade impactor is connected to a vacuum pump, which pulls air (and

subsequently airborne particles) into the impactor. As particles enter the cascade impactor, they are

charged and then subsequently separated by aerodynamic size onto different stages. As the particles

come into contact with the surface of their appropriate stage, they transmit an electrical current to the

ELPCI. This electrical current is then converted into a particle count for that stage, thus permitting the

ELPCI to conduct real-time particle counting. This particle count is reported as number of particles per

cm of air. In addition to the particle counting function, the ELPCI also allows for collection of samples

on each stage, using a 25 mm polycarbonate substrate.

Following completion of air sampling, these substrates are analyzed via TEM to identify the particles

on each stage by morphology coupled with EDS to identify the particles on each stage by elemental

composition. A minimum of 100 distinct particles per stage are analyzed using TEM- EDS to identify

the particle type, based on the chemical signature of the particles. Carbon black, made up primarily

of elemental carbon, elicits a strong carbon signal (and absence of other signals) on the EDS, whereas

silica (SiO ) elicits a strong silicon and oxygen signal. These profiles are used to designate particles

as carbon black or amorphous silica. Where there are potential confounders present in the sample,

such as soot (for carbon black) or crystalline silica (for amorphous silica), particle morphology and/or

diffraction pattern must be relied upon to identify the particles. Morphology is the main attribute that

distinguishes carbon black from soot, whereas morphology and diffraction can be used to distinguish

crystalline silica from amorphous. Furthermore, comparison to the morphology of the source materials

(e.g. carbon black or amorphous silica) can be evaluated under TEM to ensure appropriate assignation

of the particle type. The relative proportion of particles (e.g. number of particles by type out of 100

total particles identified per size fraction) identified by type of particle (carbon black, amorphous silica,

or other) is the key outcome of this analysis.
2 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO/TS 21361:2019(E)

To determine air concentration of the materials of interest (e.g. carbon black or amorphous silica), the

proportion of particles identified by type is multiplied by the total number of particles in each size bin

determined during the real-time air sampling. The outcome of this analysis is the air concentration of

each material type by size in number of particles/cm .

Though the method described herein will specifically focus on the analysis of carbon black and

amorphous silica, this methodology is transferrable to other materials, provided they have a unique

signal under EDS and/or are distinguishable via morphology under TEM.
5 Abbreviations
EDS energy dispersive spectroscopy
ELPCI electrical low pressure cascade impactor
HEPA high efficiency particulate arrestance
LOD limit of detection
PM10 airborne particles with an aerodynamic diameter less than 10 μm
SEM scanning electron microscopy
TEM transmission electron microscopy
6 Reagents

During the analysis, use only reagents of recognized analytical grade. All agents listed are required

to execute the transfer of the polycarbonate substrate content onto a TEM grid in accordance with

ISO 10312. No additional reagents are required for execution of this specification.

WARNING — Use the reagents in accordance with the appropriate health and safety regulations.

6.1 Water, fibre‐free.

A supply of freshly distilled, fibre-free water, or another source of fibre-free, pyrogen-free water shall

be used.
6.2 Chloroform, analytical grade.

Distilled in glass, preserved with 1 % (WV) ethanol; used to dissolve polycarbonate substrate.

6.3 l‐Methyl‐2‐pyrrolidone.
Used to dissolve polycarbonate substrate.
6.4 Dimethylformamide.
Used to dissolve polycarbonate substrate.
6.5 Glacial acetic acid.
Used to dissolve polycarbonate substrate.
6.6 Acetone.
Used to dissolve polycarbonate substrate.
© ISO 2019 – All rights reserved 3
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ISO/TS 21361:2019(E)
7 Apparatus
7.1 Air sampling — Equipment and consumable supplies
7.1.1 Electrical low cascade pressure impactor (ELPCI)

An electrical low pressure cascade impactor, consisting of a minimum of 14 size bins, should be used for

collection of air samples. Of the size bins, at least 3 should be within the nanoscale, defined as less than

100 nm. The ELPCI should be operated in accordance with the manufacturer’s instructions.

An example of measurement capability for a commercially available electrical low pressure impactor

operating at a 10 l/min flow rate is presented in the Table 1.

Table 1 — Measurement range for commercially available electrical low pressure cascade

impactor (Dekati, 2011)
D50 % Di Number min Number max Mass conc. min Mass conc. max
3 3 3 3
nm nm 1/cm 1/cm µg/m µg/m
10 000 Unavailable Unavailable Unavailable Unavailable Unavailable
6 800 8 200 0,1 2,40E+04 30 10 000
4 400 5 500 0,1 2,40E+04 10 3 000
2 500 3 300 0,15 5,40E+04 3 1 000
1 600 2 000 0,3 1,10E+05 1,4 450
1 000 1 300 0,5 1,90E+05 0,7 210
640 800 1 3,50E+05 0,3 100
400 510 2 6,40E+05 0,1 50
260 320 3 1,20E+06 0,07 20
170 210 5 2,10E+06 0,03 10
108 140 10 3,70E+06 0,02 5
60 80 20 7,30E+06 0,005 2
30 42 50 1,70E+07 0,002 0,5
17 22 100 3,40E+07 0,001 0,25
6 1 250 8,30+07 0,000 4 0,13

D50 % = Aerodynamic diameter cut-offs for 50 % efficiency; Di = Geometric mean aerodynamic diameter of stage

7.1.2 Limit of Detection

Based on the table above and the expected volumetric flow rate of the sampling equipment (10 l/min),

the practical limits of detection (LOD) for both carbon black and amorphous silica (based on a one-

second sample) by particle size are found in Table 2.
Table 2 — Limits of detection by particle size (Dekati, 2011)
D50 % Di LOD
nm nm in # of particles
10 000 Not applicable
6 800 8 200 16,6
4 400 5 500 16,6
2 500 3 300 24,9
D50 % = Aerodynamic diameter cut-offs for 50 % efficiency;
D = Geometric mean aerodynamic diameter of stage;
LOD = Limit of detection.
4 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO/TS 21361:2019(E)
Table 2 (continued)
D50 % Di LOD
nm nm in # of particles
1 600 2 000 49,8
1 000 1 300 83
640 800 166
400 510 332
260 320 498
170 210 830
108 140 1 660
60 80 3 320
30 42 8 300
17 22 16 600
6 1 41 500
D50 % = Aerodynamic diameter cut-offs for 50 % efficiency;
D = Geometric mean aerodynamic diameter of stage;
LOD = Limit of detection.

Detection limits presented in this table are approximate based on a typical impactor; each impactor

has exact specifications that may result in deviations from the reported detection limits. The detection

limit for a specific duration can be calculated by converting the minimum concentration of particles

detectable to number of particles based on sample duration and volumetric flow rate of the impactor.

Increasing the duration of sampling will decrease the detection limit based on increased volume of

collection.
7.1.3 Real‐time aerosol monitor

A real-time aerosol monitor, capable of measuring mass of particulate consistent with the size range of

the ELPCI (e.g. PM10 if largest size bin of ELPCI is 10 μm), should be operating coincident with the ELPCI

sampling. Output of the real-time aerosol monitor will be used to appropriately designate sample time

of the ELPCI to prevent under/overloading of the substrate (see 8.2 and Table 3). The real-time aerosol

monitor should be operated in accordance with the manufacturer’s instructions.
7.1.4 Vacuum pump

A vacuum pump, calibrated to a flow rate consistent with what is required for appropriate size

fractionation in the ELPCI (i.e. 10 l/min), will be required to introduce air and particles into the cascade

impactor. The vacuum pump should be operated in accordance with the manufacturer’s instructions.

7.1.5 Polycarbonate substrate

A 25-mm polycarbonate substrate. The substrate should be compatible with the stages of the ELPCI.

Polycarbonate substrates should be handled using tweezers or similar to prevent transfer of oils from

the skin. This polycarbonate substrate is mounted in the ELPCI for sample collection.

Other collection media, such as polycarbonate filters, mixed cellulose ester filters, or others, could be

considered only if and when proper steps are taken to ensure size fractionation is unaffected by the

selected media.
7.1.6 Hydrocarbon grease

A silicone- and halogen-free vacuum grease is recommended for use on the surface of the selected

stages to prevent particle bounce within the cascade impactor. Select stages will be treated with this

grease at the time of sampling.
© ISO 2019 – All rights reserved 5
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ISO/TS 21361:2019(E)
7.2 Analytical/microscopy laboratories

The laboratories used for sample analysis, including sample preparation immediately prior to microscopy

analysis, shall be sufficiently free of contamination such that blank substrate analyses demonstrate an

absence of carbon black or amorphous silica as established by the method detection limit.

7.3 Sample analysis — Equipment and consumables
7.3.1 Transmission electron microscope (TEM)

A transmission electron microscope (TEM) is the preferred microscope for analysis of these samples,

though scanning electron microscopes (SEM) or scanning-transmission electron microscopes (STEM)

are also acceptable. The selected microscope must be capable of being coupled with an EDS. The TEM is

used for morphological identification of t
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 21361
Première édition
2019-04
Nanotechnologies — Méthode de
quantification des concentrations
dans l'air de noir de carbone
et de silice amorphe à l'échelle
nanométrique dans un environnement
de fabrication industrielle contenant
des mélanges de poussières
Nanotechnologies — Method to quantify air concentrations of carbon
black and amorphous silica in the nanoparticle size range in a mixed
dust manufacturing environment
Numéro de référence
ISO/TS 21361:2019(F)
ISO 2019
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ISO/TS 21361:2019(F)
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Publié en Suisse
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ISO/TS 21361:2019(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 2

4 Principe .......................................................................................................................................................................................................................... 2

5 Abréviations .............................................................................................................................................................................................................. 3

6 Réactifs ........................................................................................................................................................................................................................... 3

7 Appareillage .............................................................................................................................................................................................................. 4

7.1 Prélèvement d’air — Équipement et consommables ............................................................................................ 4

7.1.1 Impacteur en cascade à basse pression à détection électrique (ELPCI) .......................... 4

7.1.2 Limite de détection ........................................................................................................................................................ 5

7.1.3 Moniteur d’aérosols en temps réel ................................................................................................................... 6

7.1.4 Pompe à vide ....................................................................................................................................................................... 6

7.1.5 Substrat de polycarbonate ....................................................................................................................................... 6

7.1.6 Graisse d’hydrocarbure .............................................................................................................................................. 6

7.2 Laboratoires d’analyse/de microscopie ............................................................................................................................ 6

7.3 Analyse des échantillons — Équipement et consommables ........................................................................... 6

7.3.1 Microscope électronique à transmission (MET) .................................................................................. 6

7.3.2 Spectromètre à sélection d’énergie (EDS) ................................................................................................. 6

7.3.3 Ordinateur ............................................................................................................................................................................. 7

7.3.4 Grille de MET ....................................................................................................................................................................... 7

8 Prélèvement des échantillons d’air .................................................................................................................................................. 7

8.1 Préparation au prélèvement ....................................................................................................................................................... 7

8.2 Détermination de la durée d’échantillonnage.............................................................................................................. 7

8.3 Mode opératoire de prélèvement des échantillons ................................................................................................. 8

9 Mode opératoire d’analyse ......................................................................................................................................................................... 8

9.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 8

9.2 Préparation des substrats ............................................................................................................................................................. 8

9.3 Analyse des échantillons ................................................................................................................................................................ 9

9.3.1 Conditions de mesure de l’instrument.......................................................................................................... 9

9.3.2 Collecte des données .................................................................................................................................................... 9

9.4 Calcul de la concentration dans l’air .................................................................................................................................10

10 Incertitudes et critères de performance ..................................................................................................................................11

10.1 Comptage des particules avec l’ELPCI .............................................................................................................................11

10.2 Analyse des particules par MET/EDS ...............................................................................................................................12

11 Rapport d’essai ....................................................................................................................................................................................................12

Annexe A (informative) Présentation d’une étude de cas ...........................................................................................................13

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................14

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ISO/TS 21361:2019(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 attirée 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’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos . ht m l .

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 229, Nanotechnologies.

Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent

document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
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ISO/TS 21361:2019(F)
Introduction

Les nanomatériaux sont largement utilisés pour la fabrication des produits de consommation en milieu

industriel. Le noir de carbone et/ou la silice amorphe sont couramment employés dans les produits

de consommation tels que les produits du caoutchouc, les matériaux isolants et autres. Bien que ces

matériaux existent généralement sous forme d’agglomérats de dimensions supérieures à l’échelle

nanométrique, il existe également un risque d’exposition des travailleurs à ces matériaux dans la

plage granulométrique à l’échelle nanométrique. Malgré l’usage répandu des nanomatériaux tels que

ceux précités, la quantification des concentrations dans l’air de nanomatériaux spécifiques dans les

milieux contenant des mélanges de poussières, tels que les environnements de fabrication, s’est avérée

problématique jusqu’à aujourd’hui et a été identifiée comme une entrave à la définition de limites

d’exposition professionnelle spécifiques aux nanomatériaux (Gordon et al. 2014; Hansen et al. 2012;

van Broekhuizen et al. 2013). La présente méthode exploite une technique qui permet d’identifier, de

distinguer et de quantifier (en termes de concentrations dans l’air) les particules de noir de carbone et

de silice amorphe, en fonction de leur taille, dans de tels milieux de fabrication. Bien que cette méthode

soit spécifique au noir de carbone et à la silice amorphe, ses principes généraux peuvent théoriquement

s’appliquer à de nombreux matériaux dans une diversité d’environnements de fabrication. Cette

méthode va au-delà des techniques d’analyse existantes car elle fournit des informations quantitatives

sur l’exposition à des matériaux spécifiques en fonction de leur taille; bon nombre d’autres méthodes

génèrent des informations quantitatives sur les expositions aux nanoparticules mais ne sont pas

capables de les différentier par type de matériau. Cette méthode comprend à la fois une méthodologie

définie pour prélever des échantillons d’air dans les milieux de fabrication, ainsi qu’une méthodologie

d’analyse des échantillons permettant d’obtenir des informations appropriées pour quantifier la

concentration dans l’air des matériaux étudiés. L’application de cette méthodologie a récemment fait

l’objet d’une publication dans la littérature spécialisée (Kreider et al., 2015).

Le présent document fournira des lignes directrices pour quantifier et identifier les particules de

noir de carbone et/ou de silice amorphe, dans les échantillons d’air prélevés dans un environnement

de fabrication industrielle contenant des mélanges de poussières. Ces lignes directrices décrivent

le prélèvement des échantillons d’air et la caractérisation des particules dans ces échantillons, en

fonction à la fois de la taille des particules et de la composition élémentaire. Les particules présentes

dans l’échantillon d’air sont collectées dans les différents étages d’un impacteur en cascade avec des

diamètres de coupure pour la taille de particule médiane entre 6 nm et 10 µm. L’impacteur détermine,

en temps réel, la distribution granulométrique en nombre sur la base du diamètre aérodynamique des

particules. Les particules recueillies à chaque étage sont collectées en vue d’une analyse hors ligne,

par microscopie électronique à transmission (MET) et spectrométrie à sélection d’énergie (EDS), afin

d’identifier les particules de silice amorphe et de noir de carbone. Le mesurage par MET‐EDS détermine

la composition élémentaire et la source des particules à chaque étage. La microscopie électronique

à balayage (MEB) constitue également une alternative à la MET dans la combinaison microscopie

électronique/spectrométrie à dispersion. La concentration de particules d’un nanomatériau spécifique

sur une plage granulométrique donnée (nombre de particules/cm ) est obtenue en multipliant le

nombre total de particules dans la plage concernée (nombre de particules/cm ) déterminé à partir

de l’impacteur en cascade, par la fraction de particules identifiées comme étant le matériau étudié

spécifique (noir de carbone ou silice amorphe, par exemple) à partir des résultats de l’analyse par MET‐

EDS. Bien que cette technique soit décrite pour le noir de carbone et la silice amorphe, elle peut être

appliquée au mesurage d’autres types de particule, sous réserve que ces particules soient dans la plage

granulométrique de 6 nm à 2,5 µm, qu’il soit possible de les observer par MET/SEM et de les caractériser

chimiquement par EDS.

À ce stade, cette méthodologie représente l’une des méthodes disponibles pour quantifier les

expositions chimiques aux nanoparticules, en fonction de leur taille, avec ce degré de sensibilité. Un

grand nombre des autres méthodes existantes qui peuvent différencier et quantifier l’exposition

chimique dans cette plage granulométrique reposent sur la masse et sont donc soumises à des limites

de détection fondées sur la masse, qui sont élevées par rapport à la masse des particules dans cette

plage. Par ailleurs, bien que les autres méthodes d’échantillonnage puissent être souples par rapport

aux techniques décrites dans le présent document, aucune n’a été évaluée ou validée à cet effet. Par

conséquent, cette méthodologie accroît la sensibilité de la quantification de l’exposition à des types

de particules spécifiques à l’échelle nanométrique lorsque cette quantification présente un intérêt.

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ISO/TS 21361:2019(F)

Cette méthodologie pourrait être mise en œuvre sous la forme d’une étape de niveau supérieur dans

la stratégie d’échantillonnage pour l’évaluation de l’exposition professionnelle aux nanomatériaux, en

particulier en cas d’identification, par d’autres méthodes, de zones sensibles en termes d’exposition et

lorsque la compréhension de la nature de l’exposition présente un intérêt. Les résultats de cette analyse

peuvent être utilisés pour comparer les références en matière de santé, dès qu’elles sont disponibles,

afin de comprendre le risque potentiel pour la santé des travailleurs. De plus, il pourrait s’avérer utile

de choisir des équipements de protection individuelle (EPI) appropriés à un stade précoce du processus

de fabrication, lorsque cela est requis.
vi © ISO 2019 – Tous droits réservés
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 21361:2019(F)
Nanotechnologies — Méthode de quantification des
concentrations dans l'air de noir de carbone et de silice
amorphe à l'échelle nanométrique dans un environnement
de fabrication industrielle contenant des mélanges de
poussières
1 Domaine d’application

Le présent document fournit des lignes directrices pour quantifier et identifier la concentration

(nombre de particules/cm ) de particules de noir de carbone et/ou de silice amorphe par taille, dans les

échantillons d’air prélevés dans un environnement de fabrication industrielle contenant des mélanges

de poussières.

La méthode est définie pour les échantillons d’air prélevés en utilisant un impacteur en cascade à basse

pression à détection électrique (ELPCI) sur un substrat de polycarbonate de 25 mm. La méthode décrite

convient pour effectuer des prélèvements dans des environnements de fabrication où l’atmosphère

générale contient une grande diversité de types de particules. Cette méthode n’est applicable qu’aux

environnements dont les particules contribuant aux aérosols sont chimiquement et physiquement

distinctes, ou lorsque les matériaux parasites peuvent être contrôlés (particules provenant de moteurs

diesel, par exemple). Bien que le présent document se limite à la description de méthodes associées

à l’impacteur en cascade à basse pression à détection électrique, d’autres méthodes de prélèvement

pourraient également convenir.

Les échantillons recueillis avec l’impacteur en cascade à basse pression à détection électrique sont

analysés par MET et EDS afin de déterminer, respectivement, la morphologie des particules et la

composition élémentaire, pour pouvoir identifier les particules par type. Ces informations sont ensuite

utilisées, conjointement avec la concentration de particules par plage granulométrique, déterminée

à l’aide de l’impacteur en cascade à basse pression à détection électrique, afin de déterminer la

concentration des matériaux étudiés en fonction de leur taille.
2 Références normatives

Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils 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 10312, Air ambiant — Détermination des fibres d’amiante — Méthode de microscopie électronique à

transmission directe
ISO 4225, Qualité de l’air — Aspects généraux — Vocabulaire
ISO/TS 80004-1, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 1: Termes "coeur"

ISO 22309, Analyse par microfaisceaux — Analyse élémentaire quantitative par spectrométrie à sélection

d'énergie (EDS) des éléments ayant un numéro atomique de 11 (Na) ou plus

ISO/TS 10798, Nanotechnologies — Caractérisation des nanotubes de carbone à simple paroi par

microscopie électronique à balayage et spectroscopie à dispersion d'énergie
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ISO/TS 21361:2019(F)
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l’ISO 4225 et l’ISO/TS 80004‐1 ainsi

que les suivants, 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:

— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp

— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
3.1
diamètre aérodynamique d’une particule

diamètre d’une sphère ayant une masse volumique de 1 000 kg·m qui a la même vitesse de

sédimentation que la particule de forme irrégulière
3.2
impacteur en cascade

appareil qui prélève simultanément, par impact, des particules en les séparant en un certain nombre de

plages granulométriques en fonction de leurs paramètres d’inertie
3.3
diamètre de coupure

dimension des particules à partir de laquelle le rendement d’un séparateur devient inférieur à une

valeur spécifiée dans des conditions données
3.4
échelle nanométrique
échelle de longueur s’étendant approximativement de 1 nm à 100 nm
3.5
nanomatériau

matériau ayant une dimension externe à l’échelle nanométrique ou ayant une structure interne ou une

structure de surface à l’échelle nanométrique
3.6
particule
élément de matière isolé possédant des limites physiques définies
3.7
durée d’échantillonnage
intervalle de temps pendant lequel est prélevé un seul échantillon
4 Principe

Le prélèvement d’air est réalisé à l’aide d’un impacteur en cascade à basse pression à détection

électrique (ELPCI). L’ELPCI est un impacteur en cascade à plusieurs étages représentant différentes

classes granulométriques qui se distinguent en fonction du diamètre aérodynamique. L’impacteur en

cascade est raccordé à une pompe à vide qui aspire l’air (et donc les particules qui y sont en suspension)

dans l’impacteur. Lorsque les particules entrent dans l’impacteur en cascade, elles sont chargées puis

réparties par taille aérodynamique entre les différents étages. Dès qu’elles viennent en contact avec

la surface de l’étage correspondant à leur taille, elles transmettent un courant électrique à l’ELPCI. Ce

courant électrique est ensuite converti en un nombre de particules pour l’étage concerné, permettant

ainsi à l’ELPCI d’effectuer un comptage de particules en temps réel. Ce comptage des particules est

exprimé en nombre de particules par cm d’air. En plus de la fonction de comptage de particules,

l’ELPCI permet également de recueillir des échantillons à chaque étage, en utilisant un substrat de

polycarbonate de 25 mm.
2 © ISO 2019 – Tous droits réservés
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ISO/TS 21361:2019(F)

Une fois le prélèvement d’air achevé, ces substrats sont analysés par MET afin d’identifier les particules

présentes à chaque étage par leur morphologie, et grâce au couplage avec l’EDS, les compositions

élémentaires des particules sont identifiées à chaque étage. Un minimum de 100 particules distinctes

par étage sont analysées par MET‐EDS afin d’identifier le type de particule, sur la base de la signature

chimique des particules. Le noir de carbone, principalement constitué de carbone élémentaire, induit

un puissant signal de carbone (et aucun autre signal) sur l’EDS, alors que la silice (SiO ) produit un

puissant signal de silicium et d’oxygène. Ces profils sont utilisés pour déterminer si les particules sont

du noir de carbone ou de la silice amorphe. Lorsque l’échantillon contient des matériaux parasites

potentiels tels que de la suie (pour le noir de carbone) ou de la silice cristalline (pour la silice amorphe),

il faut se référer à la morphologie des particules et/ou au diagramme de diffraction pour identifier les

particules. La morphologie est le principal attribut qui distingue le noir de carbone de la suie, alors que

la morphologie et la diffraction peuvent servir à différentier la silice cristalline de la silice amorphe. Par

ailleurs, il est possible d’effectuer une évaluation par MET en comparant la morphologie des matériaux

de base (par exemple le noir de carbone ou la silice amorphe), afin de s’assurer que le type de particule a

été correctement déterminé. La proportion relative de particules (par exemple le nombre de particules

par type sur un total de 100 particules identifiées par fraction granulométrique) identifiées par type

de particule (noir de carbone, silice amorphe ou autre) constitue le principal résultat de cette analyse.

Pour déterminer la concentration dans l’air des matériaux étudiés (noir de carbone ou silice amorphe,

par exemple), la proportion de particules identifiées par type est multipliée par le nombre total de

particules dans chaque classe granulométrique déterminée pendant le prélèvement d’air en temps

réel. Le résultat de cette analyse est la concentration dans l’air de chaque type de matériau par taille,

exprimée en nombre de particules/cm .

Bien que la méthode décrite dans le présent document soit spécifiquement axée sur l’analyse du noir

de carbone et de la silice amorphe, cette méthodologie peut être transposée à d’autres matériaux, sous

réserve que ces derniers induisent un signal unique en EDS et/ou qu’il soit possible de les distinguer par

leur morphologie en MET.
5 Abréviations
EDS Spectrométrie à sélection d’énergie
ELPCI Impacteur en cascade à basse pression à détection électrique
HEPA Arrêt des particules à haute efficacité
LDD Limite de détection

PM10 Particules en suspension dans l’air dont le diamètre aérodynamique est inférieur à 10 μm

MEB Microscopie électronique à balayage
MET Microscopie électronique à transmission
6 Réactifs

Pendant l’analyse, utiliser uniquement des réactifs de qualité analytique reconnue. Tous les réactifs

figurant dans la liste ci‐dessous sont requis pour exécuter le transfert du contenu du substrat de

polycarbonate sur une grille de MET conformément à l’ISO 10312. Aucun autre réactif n’est requis pour

l’exécution de cette spécification.

AVERTISSEMENT — Utiliser les réactifs conformément aux règlementations appropriées en

matière d’hygiène et de sécurité.
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ISO/TS 21361:2019(F)
6.1 Eau, exempte de fibres.

Une alimentation en eau récemment distillée et exempte de fibres, ou une autre source d’eau exempte

de fibres et d’agents pyrogènes doit être utilisée.
6.2 Chloroforme, de qualité analytique.

Distillé dans un récipient en verre, conservé avec 1 % (V/V) d’éthanol; utilisé pour dissoudre le substrat

de polycarbonate.
6.3 1-Méthyl-2-pyrrolidone.
Utilisée pour dissoudre le substrat de polycarbonate.
6.4 Diméthylformamide.
Utilisé pour dissoudre le substrat de polycarbonate.
6.5 Acide acétique glacial.
Utilisé pour dissoudre le substrat de polycarbonate.
6.6 Acétone.
Utilisée pour dissoudre le substrat de polycarbonate.
7 Appareillage
7.1 Prélèvement d’air — Équipement et consommables
7.1.1 Impacteur en cascade à basse pression à détection électrique (ELPCI)

Pour le prélèvement des échantillons d’air, il convient d’utiliser un impacteur en cascade à basse

pression à détection électrique, constitué d’un minimum de 14 classes granulométriques. Parmi les

classes granulométriques, il est recommandé qu’au moins 3 soient à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire

à moins de 100 nm. Il convient d’utiliser l’ELPCI conformément aux instructions du fabricant.

Le Tableau 1 présente un exemple de capacité de mesure d’un impacteur en cascade à basse pression à

détection électrique du commerce, fonctionnant à un débit de 10 l/min.

Tableau 1 — Plage de mesure d’un impacteur en cascade à basse pression à détection électrique

du commerce (Dekati, 2011)
D50 % Di Nombre Nombre Conc. en masse Conc. en masse
min. max. min. max.
3 3 3 3
nm nm 1/cm 1/cm µg/m µg/m

10 000 Non disponible Non disponible Non disponible Non disponible Non disponible

6 800 8 200 0,1 2,40E+04 30 10 000
4 400 5 500 0,1 2,40E+04 10 3 000
2 500 3 300 0,15 5,40E+04 3 1 000
1 600 2 000 0,3 1,10E+05 1,4 450
1 000 1 300 0,5 1,90E+05 0,7 210
640 800 1 3,50E+05 0,3 100

D50 % = Diamètre aérodynamique de coupure pour un rendement de 50 %; Di = Diamètre aérodynamique géométrique

moyen de l’étage.
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ISO/TS 21361:2019(F)
Tableau 1 (suite)
D50 % Di Nombre Nombre Conc. en masse Conc. en masse
min. max. min. max.
3 3 3 3
nm nm 1/cm 1/cm µg/m µg/m
400 510 2 6,40E+05 0,1 50
260 320 3 1,20E+06 0,07 20
170 210 5 2,10E+06 0,03 10
108 140 10 3,70E+06 0,02 5
60 80 20 7,30E+06 0,005 2
30 42 50 1,70E+07 0,002 0,5
17 22 100 3,40E+07 0,001 0,25
6 1 250 8,30+07 0,000 4 0,13

D50 % = Diamètre aérodynamique de coupure pour un rendement de 50 %; Di = Diamètre aérodynamique géométrique

moyen de l’étage.
7.1.2 Limite de détection
Sur la base du tableau qui précède et du débit volumique at
...