ISO/TR 27628:2007
(Main)Workplace atmospheres — Ultrafine, nanoparticle and nano-structured aerosols — Inhalation exposure characterization and assessment
Workplace atmospheres — Ultrafine, nanoparticle and nano-structured aerosols — Inhalation exposure characterization and assessment
ISO/TR 27628:2007 contains guidelines on characterizing occupational nanoaerosol exposures and represents the current state-of-the-art, with an emphasis on nanometre-diameter particles. Background information is provided on the mechanisms of nanoaerosol formation and transportation within an occupational setting and on industrial processes associated with nanoaerosol exposure. Exposure metrics appropriate to nanoaerosols are discussed, and specific methods of characterizing exposures with reference to these metrics are covered. Specific information is provided on methods for bulk aerosol characterization and single particle analysis.
Air des lieux de travail — Particules ultrafines, nanoparticules et aérosols nanostructurés — Caractérisation et évaluation de l'exposition par inhalation
L'ISO/TR 27628:2007 contient des lignes directrices relatives à la caractérisation des expositions aux nanoaérosols au travail. Il constitue l'état de l'art actuel et met l'accent sur les particules de dimension nanométrique. Il comprend des informations de base relatives aux mécanismes de formation et de transport d'un nanoaérosol dans l'air d'un lieu de travail et aux procédés industriels qui sont associés à une exposition aux nanoaérosols. Il est question des métriques d'exposition pertinentes à utiliser pour l'exposition aux aérosols ainsi que des méthodes spécifiques de caractérisation des expositions par rapport à ces différentes métriques. Des informations spécifiques sont également incluses concernant les méthodes de caractérisation des aérosols basées sur une mesure intégrale ou bien fonction de la taille de la particule.
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TECHNICAL ISO/TR
REPORT 27628
First edition
2007-02-01
Workplace atmospheres — Ultrafine,
nanoparticle and nano-structured
aerosols — Inhalation exposure
characterization and assessment
Air des lieux de travail — Particules ultrafines, nanoparticules et
aérosols nanostructurés — Caractérisation et évaluation de l'exposition
par inhalation
Reference number
ISO/TR 27628:2007(E)
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ISO 2007
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ISO/TR 27628:2007(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Terms and definitions. 1
3 Symbols and abbreviated terms . 4
4 Background . 5
4.1 Nanoaerosols (including ultrafine aerosols) and potential health effects. 5
4.2 Lung deposition of nanoparticles . 6
4.3 Transport of nanoparticles in the body. 9
4.4 Physical behaviour of nanoaerosols . 9
4.4.1 Formation . 9
4.4.2 Coagulation . 10
4.4.3 Transport . 11
4.5 Physiological basis for defining nanoparticles and nanoaerosols. 11
4.5.1 General. 11
4.5.2 Biologically-relevant definitions of particle diameter . 11
4.5.3 Biological significance of particle size. 12
4.5.4 Significance of nanoparticle agglomeration/aggregation . 12
4.5.5 Summary. 12
5 Sources of occupational nanoaerosols.13
6 Characterizing exposure to occupational nanoaerosols. 15
6.1 Exposure assessment strategies. 15
6.1.1 Introduction . 15
6.1.2 Considerations for exposure assessment strategies. 15
6.1.3 Sampling. 16
6.1.4 Miscellaneous . 18
6.1.5 Exposure assessment strategies — Summary. 18
6.2 Particle ensemble characterization methods . 18
6.2.1 General. 18
6.2.2 Mass concentration . 18
6.2.3 Surface-area concentration . 19
6.2.4 Number concentration. 20
6.3 Size-resolved characterization . 21
6.3.1 Measuring size distribution using particle mobility analysis . 21
6.3.2 Measuring particle size distribution using inertial deposition. 22
6.3.3 Electrical low pressure impactor measurements. 23
6.3.4 Diffusion batteries . 23
6.4 On-line chemical analysis. 23
6.5 Single particle analysis . 24
6.5.1 General. 24
6.5.2 Electron microscopy imaging and analysis methods. 25
6.5.3 Single particle analysis in the scanning force microscope . 25
7 Summary. 26
Annex A (informative) Electron microscopy sample collection and preparation. 27
Bibliography . 30
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ISO/TR 27628:2007(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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
In exceptional circumstances, when a technical committee has collected data of a different kind from that
which is normally published as an International Standard (“state of the art”, for example), it may decide by a
simple majority vote of its participating members to publish a Technical Report. A Technical Report is entirely
informative in nature and does not have to be reviewed until the data it provides are considered to be no
longer valid or useful.
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.
ISO/TR 27628 was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 2,
Workplace atmospheres.
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ISO/TR 27628:2007(E)
Introduction
Aerosol exposure has historically been characterized by the mass concentration of airborne material, usually
associated with specific size ranges corresponding to different deposition regions within the respiratory
system. However, there are indications that mass concentration alone may not provide a suitable indication of
the health risks associated with some aerosols. A number of toxicology studies have indicated that, on a mass
for mass basis, some very small respirable insoluble particles may be more toxic than larger respirable
[4 to 11]
particles with a similar composition . Ambient aerosol epidemiology studies since the early 1990s have
demonstrated an increase in health impact from particles smaller than 2,5 µm compared to those smaller than
[12 to 22]
10 µm on a mass for mass basis . While there is very limited health impact data specific to inhaling
very fine respirable particles from the occupational environment, there is evidence to suggest that health
effects associated with inhaling such particles generated in hot processes, such as metal processing and
[23][24]
welding, are greater than mass-based exposures would indicate . Taken together, the evidence points
towards a particle size-related health risk following inhalation exposure to some occupational aerosols that is
not appropriately reflected by mass concentration alone. In recognition of the potential importance of particle
size, the term “ultrafine aerosol” has gradually been adopted and loosely refers to particles “smaller than
100 nm in diameter”. The term is now widely used to refer to incidental aerosols where there are potential
particle size-dependent health effects. As research and development into nanotechnology has increased over
recent years, concern has also been expressed over the potential health impact of purposely generated
[25 to 28]
particles with nanometre diameters or nanoscale structures . In this context, the terms “engineered
nanoparticle” and “engineered nanoaerosol” have also been used loosely to describe particles and aerosols
associated with engineered nanometre-structured materials. However, a generally accepted set of definitions
for these terms is still under discussion. For clarity, in this report, the term “nanoparticle” is used to describe all
aerosol particles with diameters smaller than approximately 100 nm that present a potential inhalation health
hazard. Larger particles with a nanometre-scale structure that may also present a potential health hazard
(such as agglomerates of nanoparticles and nanometre-diameter fibres) are referred to as “nanostructured”
particles, and aerosols of nanoparticles and nanostructured particles are referred to as “nanoaerosols”.
With only limited toxicity data and negligible exposure data, it is currently unclear how exposure to
nanoaerosols should be most appropriately monitored and regulated. There is strong toxicity-based evidence
that aerosol surface area is an appropriate exposure metric for low solubility particles that removes the
[5][8][9][29]
dependency on particle size . However, there are also indications that in some instances particle
[23]
number within specific particle size ranges may be important . Recent studies on particle translocation
within the body have further indicated a size-dependency on the likelihood of deposited particles moving from
[30][31]
the respiratory system to other organs . At the present time, there is insufficient information to determine
which physical exposure metrics – size-selective number, surface area and mass concentration – are most
relevant, or which are the most appropriate exposure characterization techniques to use. A first step to
providing the necessary information is to establish the means by which exposure can be measured against
different metrics. In the short term, this will provide a means to evaluate exposures where there is concern
over the inadequacy of mass-based methods, particularly in emerging nanotechnologies where engineered
nanoparticle exposure may be significant. It will also provide a basis for developing a deeper understanding of
associations between aerosol exposure and health effects using a range of exposure metrics and will lay the
foundation for future characterization standards.
In this context, the overall aim of this Technical Report is to provide generally accepted definitions and terms,
as well as guidelines on measuring occupational nanoaerosol exposure against a range of metrics. By
providing the means to undertake potentially more relevant exposure measurements where current methods
and standards appear inadequate, it addresses an immediate need and will form a basis for extending
knowledge on how occupational exposure to nanoaerosols should most appropriately be measured. The
development and adoption of appropriate measurement approaches is an essential step toward developing
and implementing future exposure measurement standards for nanoaerosols.
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 27628:2007(E)
Workplace atmospheres — Ultrafine, nanoparticle and
nano-structured aerosols — Inhalation exposure
characterization and assessment
1 Scope
This Technical Report has been prepared in response to
⎯ increasing concern over the potential health risks associated with occupational exposure to nanometre-
diameter and nanometre-structured aerosol particles (collectively referred to as nanoaerosols, including
the subset of particles produced as a by-product of industrial processes and generally referred to as
ultrafine aerosols),
⎯ the lack of current guidelines and standards applicable to minimizing the health risks, and
⎯ the need to establish valid sampling methodologies as part of the process of formulating appropriate
exposure and exposure monitoring standards.
The principle aim is to provide the necessary background information and sampling guidelines to enable
occupational hygienists and researchers to effectively characterize and monitor nanoaerosol exposures in the
workplace in advance of specific exposure limits and standards being developed and implemented.
Occupational nanoaerosols represent a class of airborne material dominated by particles smaller than typically
100 nm in diameter (either as discrete particles or as agglomerates).
This Technical Report contains guidelines on characterizing occupational nanoaerosol exposures and
represents the current state-of-the-art, with an emphasis on nanometre-diameter particles. Background
information is provided on the mechanisms of nanoaerosol formation and transportation within an
occupational setting and on industrial processes associated with nanoaerosol exposure. Exposure metrics
appropriate to nanoaerosols are discussed, and specific methods of characterizing exposures with reference
to these metrics are covered. Specific information is provided on methods for bulk aerosol characterization
and single particle analysis.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1
accumulation aerosol
aerosol associated with particle growth from the nucleation range through coalescence, coagulation and/or
condensation
NOTE Distribution modes typically extend from 50 nm to 1 µm, but are not confined to these limits.
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ISO/TR 27628:2007(E)
2.2
aerodynamic diameter
3
diameter of a spherical particle with a density of 1 000 kg/m , that has the same settling velocity as the
particle under consideration
NOTE Aerodynamic diameter is related to the inertial properties of aerosol particles and is generally used to describe
particles larger than approximately 100 nm.
2.3
aerosol
metastable suspension of solid or liquid particles in a gas
2.4
agglomerate
〈aerosols〉 group of particles held together by relatively weak forces, including van der Waals forces,
electrostatic forces and surface tension
NOTE The term is frequently used interchangeably with “aggregate”.
2.5
aggregate
〈aerosols〉 heterogeneous particle in which the various components are held together by relatively strong
forces and thus not easily broken apart
NOTE The term is frequently used interchangeably with “agglomerate”.
2.6
coagulation
formation of larger particles through the collision and subsequent adhesion of smaller particles
2.7
coalescence
formation of homogeneous particles through the collision of smaller particles and subsequent merging or
mixing of constituent material
2.8
engineered nanoparticle
nanoparticle intentionally engineered and produced with specific properties
2.9
mobility
〈aerosols〉 propensity for an aerosol particle to move in response to an external influence, such as an
electrostatic field, thermal field or by diffusion
2.10
mobility diameter
diameter of a spherical particle that has the same mobility as the particle under consideration
NOTE Mobility diameter is generally used to describe particles smaller than approximately 500 nm, and is
independent of the density of the particle.
2.11
nanoaerosol
aerosol comprised of, or consisting of, nanoparticles and nanostructured particles
2.12
nanoparticle
particle with a nominal diameter (such as geometric, aerodynamic, mobility, projected-area or otherwise)
smaller than about 100 nm
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ISO/TR 27628:2007(E)
2.13
nanostructured particle
particle with structural features smaller than 100 nm, which may influence its physical, chemical and/or
biological properties
NOTE A nanostructured particle may have a maximum dimension substantially larger than 100 nm.
EXAMPLE A 500 nm diameter agglomerate of nanoparticles would be considered a nanostructured particle.
2.14
nucleation aerosol
aerosol dominated by particle formation from the gas phase, such as through nucleation from a
supersaturated vapour
NOTE Aerosol distributions typically extend from less than 1 nm to 50 nm, but are not confined to these limits.
2.15
particle
small discrete mass of solid or liquid matter
NOTE See Reference [32].
2.16
primary particle
particle not formed from a collection of smaller particles
NOTE The term typically refers to particles formed through nucleation from the vapour phase before coagulation
occurs.
2.17
secondary particle
particle formed through chemical reactions in the gas phase (gas to particle conversion)
2.18
surface area, active
surface area of a particle that is directly involved in interactions with surrounding gas molecules
NOTE Active surface area varies with the square of particle diameter when particles are smaller than the gas mean
free path, and is proportional to particle diameter for particles very much larger than the gas mean free path.
2.19
surface area, specific
surface area per unit mass of a particle or material
2.20
ultrafine aerosol
aerosol consisting predominantly of ultrafine particles
NOTE The term is often used in the context of particles produced as a by-product of a process (incidental particles),
such as welding fume and combustion fume.
2.21
ultrafine particle
particle with a nominal diameter (such as geometric, aerodynamic, mobility, projected-area or otherwise) of
100 nm or less
NOTE The term is often used in the context of particles produced as a by-product of a process (incidental particles),
such as welding fume and combustion fume.
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ISO/TR 27628:2007(E)
3 Symbols and abbreviated terms
AFM Atomic Force Microscopy
[33]
BET Brunauer, Emmett and Teller method of measuring surface area
CPC Condensation Particle Counter
DMA Differential Mobility Analyser
EDX Energy Dispersive X-ray analysis
EELS Electron Energy Loss Spectroscopy
ELPI Electrical Low-Pressure Impactor
ESEM Environmental Scanning Electron Microscope
FEG-SEM Field Emission Gun Scanning Electron Microscope
GSD Geometric Standard Deviation
HEPA High-Efficiency Particulate Air filter
ICRP International Commission on Radiological Protection
MMAD Mass Median Aerodynamic Diameter
NSOM Near-field Scanning Optical Microscopy
OPC Optical Particle Counter
SEM Scanning Electron Microscope
SMPS Scanning Mobility Particle Sizer, Stepped Mobility Particle Sizer
SPM Scanning Probe Microscopy
STEM Scanning Transmission Electron Microscope
STM Scanning Tunnelling Microscopy
TEM Transmission Electron Microscope
® 1)
TEOM Tapered Element Oscillating Microbalance
A minimum acceptable fractional projected area of a particle with diameter d in a microscope field
d
of view (see Annex A)
2
A area of the field of view in a microscope, in square metres (m ) (see Annex A)
f
2
A effective area of a collection substrate, in square metres (m ) (see Annex A)
s
®
1) TEOM is an example of a suitable product available commercially. This information is given for the convenience of
users of this Technical Report and does not constitute an endorsement by ISO of this product.
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ISO/TR 27628:2007(E)
C particle number concentration as a function of particle diameter, in number of particles per cubic
d
3
metre (particles/m ) (see Annex A)
d particle diameter, in metres (m)
E sampling efficiency as a function of particle diameter (see Annex A)
d
N minimum acceptable number of particles with diameter d per field of view in a microscope (see
d
Annex A)
n minimum acceptable particle density on a microscope sample, in number of particles per square
s
2
metre (particles/m ) (see Annex A)
3
q sampling flow rate, in cubic metres per second (m /s) (see Annex A)
t sampling time, in seconds (s) (see Annex A)
λ wavelength of illuminating light, in metres (m)
4 Background
4.1 Nanoaerosols (including ultrafine aerosols) and potential health effects
Since the late 1980s, toxicological evidence has been emerging indicating that the health effects associated
with inhaling nanoaerosols may not be closely associated with particle mass. Early studies with
polytetrafluoroethene (PTFE) particles around 20 nm in diameter showed that airborne concentrations of a
3 [4][5][34]
supposedly inert insoluble material lower than 50 µg/m could be fatal to rats . Since then, a number of
studies have indicated that the toxicity of insoluble materials increases with decreasing particle size on a mass
for mass basis. The precise mechanisms by which these materials exhibit higher levels of toxicity at smaller
particle sizes have yet to be elucidated, although there are many hypotheses. A number of studies indicate
[8][9][35 to 37]
that biological response depends on the surface area of particles deposited in the lungs . It has
also been suggested that due to their small diameter, nanoparticles are capable of penetrating epithelial cells,
[31][38 to 41]
entering the bloodstream from the lungs , and even translocating to the brain via the olfactory
[30]
nerves . Health effects associated with such particle activity would be closely associated with particle size,
and also possibly particle number. Particles in the nanometre size range have a high percentage of surface
atoms, and are known to show unique physico-chemical properties. One would expect particles within this
size range to demonstrate biological behaviour closely associated with particle diameter, surface area and
surface activity.
Although further research is needed on the physical attributes of nanoaerosols which are most closely
associated with potential health risk, it is apparent that measuring exposures against mass alone is not
sufficient. Of the three primary physical exposure metrics (mass, surface area and number), there is strong
evidence to suggest that occupational nanoaerosols should be monitored with respect to surface area. In this
context, aerosol surface area is not well defined. Surface area is dependent on the characterization approach
used. Geometric surface area refers to the physical surface of an object, and is dependent on the length scale
used in the measurement. Measurement length scale determines the upper size of features that are not
detected by the measurement method. For example, methods utilizing molecular surface adsorption have a
[33]
length scale that approximates to the diameter of the adsorbed molecules . Similarly, biologically relevant
surface area will most likely be determined by the smallest biological molecule that interacts with particles
within the body.
While a strong case may be made for using aerosol surface area as an exposure metric, it is also necessary
to consider characterizing exposures against aerosol mass and number concentration until further information
is available. In addition, some studies have shown there may be critical particle sizes influencing the fate and
[41][42]
toxicity of respirable particles in the lungs . For each of these exposure metrics, but particularly in the
case of mass concentration, size-selective sampling will need to be employed to ensure that only particles
[43]
within the relevant size range are sampled .
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ISO/TR 27628:2007(E)
4.2 Lung deposition of nanoparticles
Lung deposition probability refers to the mean probability for an inhaled particle with a specific diameter to
deposit somewhere in respiratory system. Total deposition probability is composed of the sum of probabilities
within distinct regions of the respiratory tract. Three major anatomical regions are usually considered:
⎯ the extra-thoracic region, which refers to deposition in the nasal passages, mouth, larynx and pharynx;
⎯ the tracheo-bronchiolar region, consisting of the trachea and bronchi from which deposited particles are
cleared by ciliary action;
⎯ the alveolar region, consisting of the respiratory bronchioles, alveolar ducts and alveoli.
[1]
These regions have been adopted by the International Commission on Radiological Protection (ICRP) and
[44]
the UK National Council on Radiation Protection and Measurements (NCRP) in human respiratory tract
models used to calculate radiation doses to the respiratory tract of workers resulting from the intake of
radionuclides.
[1]
The ICRP deposition model characterizes the distribution of inhaled particulate material within the different
anatomical regions specific to the age and gender of the subject and various physiological parameters. The
deposition model is one of the six elements of the overall human respiratory tract model for radiological
protection, together with morphometry, respiratory physiology, radiation biology, clearance and dosimetry.
The sites and magnitude of particle deposition in the human respiratory tract are determined by physical
mechanisms, together with respiratory tract morphological and physiological parameters of the subject
inhaling the particles.
The five
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 27628
Première édition
2007-02-01
Air des lieux de travail — Particules
ultrafines, nanoparticules et aérosols
nanostructurés — Caractérisation et
évaluation de l'exposition par inhalation
Workplace atmospheres — Ultrafine, nanoparticle and nano-structured
aerosols — Inhalation exposure characterization and assessment
Numéro de référence
ISO/TR 27628:2007(F)
©
ISO 2007
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ISO/TR 27628:2007(F)
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Termes et définitions. 1
3 Symboles (et abréviations) . 4
4 Informations de base. 5
4.1 Nanoaérosols (notamment aérosols ultra-fins) et risques potentiels pour la santé . 5
4.2 Dépôt de nanoparticules dans le poumon . 5
4.3 Transport de nanoparticules dans le corps.9
4.4 Comportement physique des nanoaérosols. 9
4.4.1 Formation . 9
4.4.2 Coagulation . 11
4.4.3 Transport . 12
4.5 Base physiologique à la définition des nanoparticules et des nanoaérosols . 12
4.5.1 Généralités . 12
4.5.2 Définitions du diamètre d’une particule satisfaisantes d’un point de vue biologique. 12
4.5.3 Importance biologique de la taille d’une particule . 12
4.5.4 Importance de l’agglomération/agrégation de nanoparticules. 13
4.5.5 Synthèse . 13
5 Sources de nanoaérosols sur les lieux de travail . 13
6 Caractérisation de l’exposition aux nanoaérosols sur les lieux de travail. 16
6.1 Stratégies d’évaluation des expositions . 16
6.1.1 Introduction . 16
6.1.2 Considérations concernant les stratégies d’évaluation de l’exposition. 16
6.1.3 Échantillonnage . 17
6.1.4 Divers . 19
6.1.5 Stratégies d’évaluation de l’exposition — Résumé . 20
6.2 Méthodes de caractérisation intégrale des particules. 20
6.2.1 Généralités . 20
6.2.2 Concentration massique. 20
6.2.3 Concentration de surface . 21
6.2.4 Concentration en nombre . 22
6.3 Caractérisation en fonction de la taille. 24
6.3.1 Mesure de la distribution granulométrique à l’aide d’une analyse de la mobilité des
particules . 24
6.3.2 Mesurage de la distribution granulométrique à l’aide d’un dépôt inertiel. 24
6.3.3 Mesurages à l’aide d’un impacteur électrique à basse pression (ELPI). 25
6.3.4 Batteries de diffusion . 26
6.4 Analyse chimique en ligne. 26
6.5 Analyse d’une particule seule . 27
6.5.1 Généralités . 27
6.5.2 Imagerie de microscopie électronique et méthodes d’analyse . 27
6.5.3 Analyse d’une particule seule dans un microscope à force atomique . 28
7 Synthèse . 29
Annexe A (informative) Prélèvement et préparation d’un échantillon par microscopie électronique . 30
Bibliographie . 34
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ISO/TR 27628:2007(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 (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
Exceptionnellement, lorsqu'un comité technique a réuni des données de nature différente de celles qui sont
normalement publiées comme Normes internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l'état
de la technique par exemple), il peut décider, à la majorité simple de ses membres, de publier un Rapport
technique. Les Rapports techniques sont de nature purement informative et ne doivent pas nécessairement
être révisés avant que les données fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
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.
L'ISO/TR 27628 a été élaboré par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l'air, sous-comité SC 2,
Atmosphères des lieux de travail.
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ISO/TR 27628:2007(F)
Introduction
L’exposition aux aérosols a toujours été définie par la concentration massique de particules en suspension
dans l’air, habituellement associée aux gammes de taille spécifiques correspondant à différentes régions de
dépôt du système respiratoire. Toutefois, certains signes tendent à prouver que la concentration massique
seule ne fournit pas une indication convenable des risques pour la santé que présentent certains aérosols.
Plusieurs études toxicologiques, réalisées sur une base masse pour masse, ont démontré que, pour une
composition identique, certaines particules insolubles inhalables, de taille très petite, peuvent se révéler plus
[4 à 11]
toxiques que des particules inhalables plus grosses . Les études épidémiologiques sur les aérosols
ambiants, réalisées depuis le début des années 90, indiquent que l’influence des particules inférieures
à 2,5 µm sur la santé augmente par rapport aux particules inférieures à 10 µm, sur une base masse pour
[12 à 22]
masse . Alors que peu de données existent sur les conséquences sur la santé de l’inhalation de
particules très fines sur le lieu de travail, certains éléments suggèrent que l’inhalation de ces particules
produites par un processus thermique (par exemple le traitement des métaux ou la soudure) a des
[23][24]
conséquences plus importantes que ne le laissent croire les expositions basées sur la masse . Ces
éléments convergent vers un risque pour la santé à la suite d’une exposition par inhalation de certains
aérosols au travail, risque qui ne peut être estimé par la concentration massique seule. Prenant en compte
l’importance potentielle de la taille des particules, le terme «aérosol ultra-fin» a progressivement été adopté. Il
désigne plus généralement les particules «ayant un diamètre inférieur à 100 nm». Ce terme est aujourd’hui
fréquemment utilisé pour désigner les aérosols issus des émissions secondaires lorsqu’il existe des risques
potentiels pour la santé en fonction de la taille de la particule. La recherche et le développement dans le
domaine des nanotechnologies a progressé au cours de ces dernières années, tout comme l’inquiétude
concernant les conséquences potentielles sur la santé des particules produites de manière intentionnelle et
[25 à 28]
ayant des dimensions nanométriques ou une structure à l’échelle nanométrique . Dans ce contexte, les
termes «nanoparticules élaborées et nanoaérosols élaborés» ont également été utilisés plus généralement
pour décrire les particules et aérosols associés à des matériaux élaborés avec une structure nanométrique.
Cependant, un ensemble de définitions qui fasse l’unanimité est toujours à l’étude. Pour plus de clarté, dans
ce rapport, le terme «nanoparticule» est utilisé pour décrire toutes les particules d’aérosol ayant des
diamètres inférieurs à environ 100 nm et présentant un risque potentiel pour la santé en cas d’inhalation. Les
particules plus grosses, qui ont une structure à l’échelle nanométrique et peuvent également présenter un
risque potentiel pour la santé (par exemple les agglomérats de nanoparticules et les fibres ayant un diamètre
caractéristique à l’échelle nanométrique) sont désignées par les termes particules «nanostructurées», et les
aérosols de nanoparticules et de particules nanostructurées sont désignés par le terme «nanoaérosols».
Avec des données de toxicité limitées et des données d’exposition quasi inexistantes, il est actuellement
difficile de voir comment il convient de contrôler et de réguler l’exposition aux nanoaérosols. Des preuves
solides reposant sur la toxicité indiquent que la surface de l’aérosol est un indicateur d’exposition (métrique)
[5][8][9][29]
approprié pour les particules à faible solubilité, indépendamment de la taille des particules .
Cependant, des indices laissent à penser que dans certaines situations le nombre de particules, dans des
[23]
gammes de taille de particules spécifiques, peut être aussi un indicateur d’exposition pertinent . Des
études récentes sur la translocation des particules dans le corps indiquent que la probabilité de transfert des
[30][31]
particules déposées dans le système respiratoire vers d’autres organes est fonction de la taille . À
l’heure actuelle, il existe trop peu d’informations permettant de déterminer quel indicateur d’exposition ou
quelle métrique (concentration en nombre des particules pour une gamme de dimension spécifique,
concentration en surface et concentration massique) est le plus approprié, ou quelles sont les techniques de
caractérisation de l’exposition les plus adaptées à mettre en œuvre. Pour pouvoir fournir les informations
nécessaires, la première étape consiste à définir les moyens métrologiques permettant de mesurer
l’exposition par rapport aux différentes métriques possibles. À court terme, ils permettront d’évaluer les
expositions pour les situations où les méthodes basées sur la masse semblent remises en question,
notamment dans le domaine émergeant des nanotechnologies où l’exposition aux nanoparticules élaborées
peut être significative. L’utilisation des différentes métriques (nombre, surface et masse) permettra également
de mieux comprendre les liens entre l’exposition aux aérosols et les conséquences sur la santé et servira de
base à de futures normes de caractérisation.
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ISO/TR 27628:2007(F)
Ainsi, ce rapport technique a pour objectif de proposer des termes et définitions acceptés de tous à ce jour
ainsi que des lignes directrices concernant la mesure de l’exposition professionnelle aux aérosols, en utilisant
différentes métriques. En donnant les moyens de réaliser des mesurages d’exposition potentiellement plus
appropriés, là où les méthodes et normes actuelles semblent limitées, il répond à un besoin immédiat et
permettra d’approfondir les connaissances sur la manière de mesurer l’exposition aux aérosols en milieu
professionnel. Le développement et l’adoption d’approches de mesure adéquates est une étape essentielle
vers l’élaboration et la mise en place de futures normes de mesure des expositions aux nanoaérosols.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 27628:2007(F)
Air des lieux de travail — Particules ultrafines, nanoparticules
et aérosols nanostructurés — Caractérisation et évaluation de
l'exposition par inhalation
1 Domaine d'application
Le présent Rapport technique a été élaboré pour répondre
⎯ aux inquiétudes croissantes concernant les risques potentiels pour la santé liés à une exposition
professionnelle aux particules d’aérosols de dimension ou de structure nanométrique (communément
désignés par le terme «nanoaérosols», et comprenant le sous-ensemble des particules produites comme
un dérivé de processus industriels et généralement désignés par «aérosols ultra-fins»),
⎯ au manque de lignes directrices et de normes applicables permettant de réduire le plus possible les
risques pour la santé, et
⎯ au besoin de mettre en place des méthodologies d’échantillonnage valides pour l’élaboration des futures
normes qui définiront de manière appropriée l’exposition professionnelle et le contrôle de celle-ci.
Ce Rapport technique a pour principal objectif de fournir les informations de base et instructions
d’échantillonnage nécessaires pour permettre aux chercheurs et hygiénistes du travail de caractériser et
contrôler efficacement les expositions aux nanoaérosols sur le lieu de travail préalablement au
développement et à la mise en place de normes et limites spécifiques de l’exposition. Les nanoaérosols au
travail appartiennent à une classe de particules en suspension dans l’air dominée par des particules ayant un
diamètre généralement inférieur à 100 nm (soit sous forme de particules discrètes ou groupées sous forme
d’agglomérats).
Ce Rapport technique contient des lignes directrices relatives à la caractérisation des expositions aux
nanoaérosols au travail. Il constitue l’état de l’art actuel et met l’accent sur les particules de dimension
nanométrique. Il comprend des informations de base relatives aux mécanismes de formation et de transport
d’un nanoaérosol dans l’air d’un lieu de travail et aux procédés industriels qui sont associés à une exposition
aux nanoaérosols. Il sera question des métriques d’exposition pertinentes à utiliser pour l’exposition aux
aérosols ainsi que des méthodes spécifiques de caractérisation des expositions par rapport à ces différentes
métriques. Des informations spécifiques sont également incluses concernant les méthodes de caractérisation
des aérosols basées sur une mesure intégrale ou bien fonction de la taille de la particule.
2 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
2.1
aérosol d’accumulation
aérosol constitué de particules issues de la nucléation qui ont grossi par coalescence, coagulation et/ou
condensation
NOTE Les modes des distributions granulométriques varient généralement entre 50 nm et 1 µm mais ils ne se
limitent pas à ces valeurs.
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2.2
diamètre aérodynamique
3
diamètre équivalent de la particule sphérique de masse volumique égale à 1 000 kg/m , ayant la même
vitesse limite de sédimentation dans l’air que la particule considérée
NOTE Le diamètre aérodynamique est lié aux propriétés d’inertie des particules dans l’air. Il est généralement utilisé
pour décrire les particules supérieures à environ 100 nm.
2.3
aérosol
suspension métastable de particules solides ou liquides dans un gaz
2.4
agglomérat
〈aérosols〉 groupe de particules liées ensemble par des forces relativement faibles, notamment les forces de
Van der Waals, les forces électrostatiques et les forces de tension superficielle
NOTE Ce terme est fréquemment utilisé de manière interchangeable avec «agrégat».
2.5
agrégat
〈aérosols〉 particule hétérogène dans laquelle les différents composants sont liés ensemble par des forces
relativement importantes et ne peuvent donc pas être séparés facilement
NOTE Ce terme est fréquemment utilisé de manière interchangeable avec «agglomérat».
2.6
coagulation
formation de particules de taille supérieure par collision puis adhésion de particules de taille inférieure
2.7
coalescence
formation de particules homogènes par collision de particules de taille inférieure puis fusion ou mélange du
matériau constitutif
2.8
nanoparticule élaborée
nanoparticule volontairement élaborée et produite avec des propriétés spécifiques
2.9
mobilité
〈aérosols〉 propension d’une particule d’un aérosol à se déplacer sous l’effet d’une influence extérieure telle
qu’un champ électrostatique, un champ thermique ou par diffusion
2.10
diamètre de mobilité électrique
diamètre équivalent d’une particule sphérique ayant la même mobilité que la particule considérée
NOTE Le diamètre de mobilité est généralement utilisé pour décrire des particules inférieures à environ 500 nm. Il ne
dépend pas de la masse volumique des particules.
2.11
nanoaérosol
aérosol constitué ou composé de nanoparticules et de particules nanostructurées
2.12
nanoparticule
particule ayant un diamètre nominal (qu’il soit géométrique, aérodynamique, de mobilité, de surface projetée
ou autre) inférieur à environ 100 nm
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2.13
particule nanostructurée
particule ayant des caractéristiques structurelles inférieures à 100 nm, qui peuvent influencer ses propriétés
physiques, chimiques et/ou biologiques
NOTE Une particule nanostructurée peut être de dimension sensiblement supérieure à 100 nm.
EXEMPLE Un agglomérat de nanoparticules d’un diamètre de 500 nm pourrait être considéré comme une particule
nanostructurée.
2.14
aérosol de nucléation
aérosol dont les particules sont formées pour l’essentiel à partir de la phase gazeuse, par exemple par
nucléation d’une vapeur sursaturée
NOTE Les distributions granulométriques des aérosols de nucléation varient généralement de moins de 1 nm à
50 nm, mais elles ne se limitent pas à ces valeurs.
2.15
particule
petite masse discrète d’un corps solide ou liquide
NOTE Voir Référence [32].
2.16
particule primaire
particule qui ne résulte pas d’un regroupement de particules plus petites
NOTE Ce terme désigne par exemple les particules formées par nucléation de la phase vapeur avant coagulation.
2.17
particule secondaire
particule formée par réactions chimiques dans la phase gazeuse (conversion gaz-particule)
2.18
surface active
surface d’une particule directement impliquée dans les interactions avec les molécules gazeuses
environnantes
NOTE La surface active varie en fonction du carré du diamètre des particules lorsque ces dernières sont plus petites
que le libre parcours moyen du gaz porteur. Elle est par ailleurs proportionnelle au diamètre des particules lorsque celles-
ci sont nettement plus grandes que le libre parcours moyen du gaz porteur.
2.19
surface spécifique
surface par unité de masse d’une particule ou d’un matériau
2.20
aérosol ultra-fin
aérosol composé principalement de particules ultra-fines
NOTE Ce terme est souvent utilisé dans le cas de particules qui sont un sous-produit d’un procédé (particules
secondaires); c’est, par exemple, le cas des fumées de soudage et de combustion.
2.21
particule ultra-fine
particule ayant un diamètre nominal (qu’il soit géométrique, aérodynamique, de mobilité, de surface projetée
ou autre) inférieur ou égal à 100 nm
NOTE Ce terme est souvent utilisé dans le cas de particules produites comme dérivé d’un processus (particules
secondaires), par exemple des fumées de soudage et de combustion.
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3 Symboles (et abréviations)
AFM Microscopie à force atomique
[33]
BET Méthode de Brunauer, Emmett et Teller permettant de mesurer la surface spécifique
CPC Compteur à noyaux de condensation
DMA Analyseur différentiel de mobilité
EDX Analyse en dispersion d'énergie des rayons X
EELS Spectroscopie de perte d'énergie des électrons
ELPI Impacteur électrique à basse pression
ESEM Microscope électronique à balayage environnemental
FEG-SEM Microscope électronique à balayage avec un canon à émission de champ
GSD Écart-type géométrique
HEPA Filtre à particules à très haute efficacité
CIPR Commission internationale de protection radiologique
MMAD Diamètre aérodynamique médian en masse
NSOM Microscopie optique en champ proche
OPC Compteur optique de particules
SEM Microscope électronique à balayage
SMPS Spectromètre de mobilité électrique
SPM Microscopie en champ proche
STEM Microscope électronique à balayage par transmission
STM Microscopie à effet tunnel
TEM Microscope électronique à transmission
® 1)
TEOM Microbalance à élément oscillant
A surface projetée partielle minimale acceptable d’une particule avec un diamètre d dans le
d
champ de vision d’un microscope (voir Annexe A)
2
A surface du champ de vision d’un microscope, en mètres carrés (m ) (voir Annexe A)
f
2
A surface effective d’un substrat de prélèvement, en mètres carrés (m ) (voir Annexe A)
s
C concentration en nombre de particules en fonction du diamètre des particules, en nombre de
d
3
particules par mètre cube (particules/m ) (voir Annexe A)
d diamètres des particules, en mètres (m)
E efficacité de l’échantillonnage en fonction du diamètre des particules (voir Annexe A)
d
N nombre minimal acceptable de particules de diamètre d par champ de vision d’un microscope
d
(voir Annexe A)
®
1) TEOM est un exemple de produit approprié disponible sur le marché. Cette information est donnée à l'intention des
utilisateurs du présent Rapport technique et ne signifie nullement que l'ISO approuve ou recommande l'emploi exclusif du
produit ainsi désigné.
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n densité surfacique minimale acceptable de particules sur un échantillon de microscope, en
s
2
nombre de particules par mètre carré (particules/m ) (voir Annexe A)
3
q débit volumique d’échantillonnage, en mètres cube par seconde (m /s) (voir Annexe A)
t durée d’échantillonnage, en secondes (s) (voir Annexe A)
λ longueur d’onde de la lumière, en mètres (m)
4 Informations de base
4.1 Nanoaérosols (notamment aérosols ultra-fins) et risques potentiels pour la santé
Depuis la fin des années 1980, des études toxicologiques laissent à penser que les effets sur la santé
résultant de l’inhalation d’aérosols peuvent ne pas être étroitement liés à la masse de la particule. Les
premières études conduites avec des particules de polytétrafluoroéthène (PTFE) d’environ 20 nm de diamètre
3
avaient montré que des concentrations dans l’air inférieures à 50 µg/m , d’une substance insoluble supposée
[4][5][34]
inerte, pourraient être mortelles pour des rats . Depuis, plusieurs études ont indiqué que la toxicité de
substances insolubles est inversement proportionnelle à la taille des particules, sur une base masse pour
masse. Les mécanismes précis par lesquels ces substances présentent des niveaux supérieurs de toxicité
avec des particules de plus petite taille restent toujours à comprendre, même si de nombreuses hypothèses
sont avancées. Certaines études indiquent que la réponse biologique est fonction de la surface des particules
[8][9][35 à 37]
qui se déposent dans les poumons . Il a également été suggéré qu’en raison de leur petit diamètre,
les nanoparticules sont capables de pénétrer les cellules épithéliales, puis dans le sang depuis les poumons
[31][38 à 41] [30]
et même de se déplacer vers le cerveau via le nerf olfactif . Les effets de l’activité de ces
particules sur la santé seraient étroitement liés à la taille des particules et, probablement, à leur nombre. Les
particules dont la taille se mesure en nanomètres possèdent un pourcentage élevé d’atomes de surface. Elles
ont des propriétés physico-chimiques uniques. Il serait logique que les particules de cette taille présentent un
comportement biologique étroitement associé au diamètre, à la surface et à l’activité de surface de la particule.
Même s’il est nécessaire d’effectuer de nouvelles recherches sur les caractéristiques physiques des
nanoaérosols qui sont le plus étroitement associées à un risque pour la santé, il est évident que mesurer les
expositions par rapport à la masse seule n’est pas suffisant. Sur les trois indicateurs d’exposition physiques
prim
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.