ISO/TS 21362:2018

Nanotechnologies — Analysis of nano-objects using asymmetrical-flow and centrifugal field-flow fractionation

This document identifies parameters and conditions, as part of an integrated measurement system, necessary to develop and validate methods for the application of asymmetrical-flow and centrifugal field-flow fractionation to the analysis of nano-objects and their aggregates and agglomerates dispersed in aqueous media. In addition to constituent fractionation, analysis can include size, size distribution, concentration and material identification using one or more suitable detectors. General guidelines and procedures are provided for application, and minimal reporting requirements necessary to reproduce a method and to convey critical aspects are specified.

Nanotechnologies — Analyse des nano-objets par fractionnement par couplage flux-force asymétrique et à force centrifuge

Le présent document identifie, dans le cadre d'un système de mesures intégrées, les paramètres et conditions nécessaires au développement et à la validation de méthodes pour l'application des systèmes de fractionnement par couplage flux-force asymétrique et à force centrifuge à l'analyse de nano-objets et de leurs agrégats et agglomérats en dispersion dans des milieux aqueux. Outre le fractionnement des composants, l'analyse peut porter sur la taille, la distribution granulométrique, la concentration et l'identification des matériaux à l'aide d'un ou plusieurs détecteurs appropriés. Le présent document fournit des lignes directrices et procédures générales pour l'application et spécifie les exigences de rapport minimales afin de reproduire une méthode et de rendre compte des aspects critiques.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 29-May-2018
• 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: 03-May-2019

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 21362
First edition
2018-06
Nanotechnologies — Analysis of nano-
objects using asymmetrical-flow and
centrifugal field-flow fractionation
Nanotechnologies — Analyse des nano-objets par fractionnement flux
asymétrique et flux force centrifuge
Reference number
ISO/TS 21362:2018(E)
ISO 2018
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ISO/TS 21362:2018(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2018

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Published in Switzerland
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ISO/TS 21362:2018(E)
Contents Page

Foreword ..........................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

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

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

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

4 Symbols and abbreviated terms ........................................................................................................................................................... 7

5 Principles of operation .................................................................................................................................................................................. 8

5.1 Field-flow fractionation (General) ......................................................................................................................................... 8

5.2 Specific applications by applied field ...............................................................................................................................10

5.2.1 Flow field .............................................................................................................................................................................10

5.2.2 Centrifugal field .............................................................................................................................................................11

6 Method development for AF4 ...............................................................................................................................................................13

6.1 General ........................................................................................................................................................................................................13

6.2 Sample specifications .....................................................................................................................................................................14

6.3 Mobile phase specifications ......................................................................................................................................................14

6.4 Fractionation .........................................................................................................................................................................................15

6.4.1 Channel and membrane selection ..................................................................................................................15

6.4.2 Injection and relaxation ..........................................................................................................................................17

6.4.3 Optimizing flow conditions .................................................................................................................................18

6.4.4 Elution programme ....................................................................................................................................................18

6.4.5 Using FFF theory to select initial flow settings ..................................................................................19

7 Method development for CF3 ...............................................................................................................................................................19

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................19

7.2 Choice of mobile phase .................................................................................................................................................................20

7.3 Field strength selection ................................................................................................................................................................20

7.4 Field decay programme ................................................................................................................................................................20

7.5 Channel flow rate selection .......................................................................................................................................................21

7.6 Calculation of the relaxation time........................................................................................................................................21

7.7 Calculation of sample injection dela y ...............................................................................................................................21

8 Analysis of nano-objects ............................................................................................................................................................................21

8.1 General ........................................................................................................................................................................................................21

8.2 Online size analysis ..........................................................................................................................................................................22

8.3 Online concentration analysis.................................................................................................................................................23

8.3.1 General...................................................................................................................................................................................23

8.3.2 Mass-based methods .................................................................................................................................................23

8.3.3 Number-based methods .........................................................................................................................................24

8.4 Online material identification or composition .........................................................................................................25

8.5 Off-line analysis (Fraction collection) ..............................................................................................................................26

9 Qualification, performance criteria and measurement uncertainty ..........................................................26

9.1 System qualification and quality control .......................................................................................................................26

9.1.1 Basic system qualification ....................................................................................................................................26

9.1.2 Focusing performance ........................................................................................................................................... ...27

9.1.3 Flow rate of the carrier liquid ...........................................................................................................................28

9.1.4 Separation field ..............................................................................................................................................................28

9.2 Method performance criteria ..................................................................................................................................................28

9.2.1 Recovery ...............................................................................................................................................................................28

9.2.2 Selectivity ............................................................................................................................................................................29

9.2.3 Retention .............................................................................................................................................................................29

9.2.4 Resolution ...........................................................................................................................................................................29

9.3 Method precision and measurement uncertainty .................................................................................................29

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ISO/TS 21362:2018(E)

10 General procedures for measurement of samples .........................................................................................................30

10.1 General ........................................................................................................................................................................................................30

10.2 Calibration of retention time for online size analysis .........................................................................................30

10.2.1 Calibration of the AF4 channel .........................................................................................................................30

10.2.2 Calibration of AF4 retention time for online size measurements ......................................31

10.3 AF4 general measurement procedure .............................................................................................................................31

10.4 CF3 general measurement procedure..............................................................................................................................32

11 Test report ................................................................................................................................................................................................................33

11.1 General ........................................................................................................................................................................................................33

11.2 Apparatus and measurement parameters ...................................................................................................................33

11.2.1 AF4 recording/reporting specifications ...................................................................................................33

11.2.2 CF3 recording/reporting specifications ...................................................................................................34

11.3 Reporting test results .....................................................................................................................................................................34

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................35

iv © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO/TS 21362:2018(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following

URL: www .iso .org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 229, Nanotechnologies.
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ISO/TS 21362:2018(E)
Introduction

The capacity to isolate and analyse diverse populations of nano-objects and their agglomerates or

aggregates, often suspended in, or extracted from, complex matrices, is critical for applications ranging

from materials discovery and nanomanufacturing to regulatory oversight and environmental risk

assessment. Furthermore, the ability to characterize these analytes with minimal perturbation of

their natural or native state is highly desirable. The list of available techniques capable of achieving

such objectives is relatively short, and while all techniques have advantages and disadvantages, and no

single technique is solely adequate or appropriate for all possible applications and materials, a group

of related separation techniques known collectively as field-flow fractionation (FFF), conceptually

[1]

proposed by J. Calvin Giddings in 1966 , offers many advantages for nanotechnology applications. In

FFF, the analyte, suspended in a liquid medium, is fractionated by the application of a field (e.g. flow,

centrifugal, electric, thermal-gradient, magnetic) perpendicular to the direction of flow of the analyte

and mobile phase eluting through a thin defined channel. Separation occurs when the analyte responds

to the applied field, such that populations with different response sensitivities reach equilibrium

positions (i.e. in equilibrium with diffusional forces) higher or lower in the laminar flow streamlines

perpendicular to channel flow, thus eluting differentially.

Among the FFF variants, asymmetrical flow FFF (variously abbreviated in the literature as AF4,

A4F, AFFFF, AfFFF or AsFlFFF) and centrifugal FFF (abbreviated as CF3, also called sedimentation

FFF and abbreviated as SdFFF), are available commercially and have been most widely adopted in

the nanotechnology field (for convenience and simplicity, the abbreviations AF4 and CF3 are used

throughout this document). AF4 is arguably the most versatile technique with respect to the wide range

of applications, materials and particle sizes to which it has been applied. Symmetrical flow FFF (fFFF),

[2]

the original “flow-based” technique as first described in 1976 , has been supplanted commercially by

[3]

AF4, introduced in 1987 , due to several advantages, including a simpler channel design, the ability

to visualize the sample through a transparent top channel wall, and reduced analyte band width. The

theory and application of CF3 as it is presently applied was described by Giddings and coworkers in

[4]

1974 , although a centrifugal field-based FFF system was first developed and tested independently by

[5]

Berg and Purcell in 1967 . Other FFF field variants, such as thermal, electrical and magnetic, provide

unique capabilities, but have been limited in the scope of their applications vis-à-vis nanotechnology or

commercial availability.

Where FFF was once predominantly the domain of specialists, these instruments are now commonly

and increasingly utilized in government, industry and academic laboratories as part of the nano-

characterization toolbox. Two factors are driving this increase in nanotechnology utilization:

maturation of commercial instrumentation and versatility with respect to coupling a wide range

of detectors to FFF systems. In the latter case, recent developments have led to the use of highly

sensitive elemental detectors (e.g. inductively coupled plasma mass spectrometer or ICP-MS), which

offer enhanced characterization and quantification for many materials. Additionally, traditional

concentration or sizing detectors, such as ultraviolet-visible (UV-Vis) absorbance, fluorescence,

multi-angle light scattering (MALS) and dynamic light scattering (DLS), yield online data for eluting

populations, and theoretically provide more accurate information than obtainable using off-line

measurements of unfractionated polydisperse systems. The measured retention time of an eluting

peak can also be used to determine the hydrodynamic size by AF4 based on theoretical relationships or

calibration with a known size standard. CF3 has the unique capacity to rapidly separate species of the

same size but differing in density.

Although FFF based techniques have the capacity to separate and characterize analytes over an

extremely broad size range, from about 1 nm up to tens of micrometers, this document focuses primarily

on materials in the nanoscale regime and their associative structures. The basic underlying principles,

experimental approach, and hardware described here can be more broadly applied.

While this specification includes the most common online detection schemes for nano-object analysis,

other less common forms of detection have been utilized or reported in the literature, including

differential refractometry (primarily used for macromolecular analysis), particle tracking analysis,

graphite furnace atomic absorption spectrometry, single particle ICP-MS, and small-angle X-ray

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ISO/TS 21362:2018(E)

scattering. This number is likely to grow in the future, as new techniques emerge and existing ones are

modified and evaluated for coupling to FFF.

In order to develop and validate methods for application of FFF to the analysis of nano-objects and

their agglomerates or aggregates, and to properly report experimental results and conditions in order

to enable reproducibility across laboratories, it is critical to specify key parameters to be controlled

and reported. These parameters encompass all aspects of FFF methodology, including sample/analyte,

instrumentation, fractionation, calibration, qualification, performance specifications, measurement

uncertainty, and data analysis. This document identifies the key parameters and lays out a general

approach to method development for AF4 and CF3.

General references and further reading on FFF theory and practise, as well as AF4 and CF3 applications

[6]-[18]
to nanotechnology, can be found in the Bibliography .
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 21362:2018(E)
Nanotechnologies — Analysis of nano-objects using
asymmetrical-flow and centrifugal field-flow fractionation
1 Scope

This document identifies parameters and conditions, as part of an integrated measurement system,

necessary to develop and validate methods for the application of asymmetrical-flow and centrifugal

field-flow fractionation to the analysis of nano-objects and their aggregates and agglomerates dispersed

in aqueous media. In addition to constituent fractionation, analysis can include size, size distribution,

concentration and material identification using one or more suitable detectors. General guidelines and

procedures are provided for application, and minimal reporting requirements necessary to reproduce a

method and to convey critical aspects are specified.
2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For

undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO/TS 80004-1, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 1: Core terms
ISO/TS 80004-2, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 2: Nano-objects

ISO/TS 80004-6, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 6: Nano-object characterization

3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/TS 80004-1, ISO/TS 80004-2,

ISO/TS 80004-6 and the following, apply.

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

— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
3.1
nano-object

discrete piece of material with one, two or three external dimensions in the nanoscale (from

approximately 1 nm to 100 nm)
Note 1 to entry: Generic term for all discrete nanoscale objects.

[SOURCE: ISO/TS 80004-2:2015, 2.2, modified — In the definition, “(from approximately 1 nm to 100

nm)” has been added. Note 1 to entry has been changed.]
3.2
nanoparticle

nano-object with all external dimensions in the nanoscale where the lengths of the longest and the

shortest axes of the nano-object do not differ significantly

Note 1 to entry: If the dimensions differ significantly (typically by more than 3 times), terms such as nanofibre or

nanoplate may be preferred to the term nanoparticle.
[SOURCE: ISO/TS 80004-2:2015, 4.4]
© ISO 2018 – All rights reserved 1
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ISO/TS 21362:2018(E)
3.3
field-flow fractionation
FFF

separation technique where a field is applied to a liquid suspension passing along a narrow channel in

order to induce separation of the particles present in the liquid, dependent on their differing mobility

under the force exerted by the field

Note 1 to entry: The field can be, for example, gravitational, centrifugal, a liquid flow, electrical or magnetic.

Note 2 to entry: Using a suitable detector after or during separation allows determination of the size and size

distribution of nano-objects.

[SOURCE: ISO/TS 80004-6:2013, 4.4, modified — The term “field flow” has been changed to “field-flow”.]

3.4
asymmetrical-flow field-flow fractionation

separation technique that uses a cross flow field applied perpendicular to the channel flow to achieve

separation based on analyte diffusion coefficient or size

Note 1 to entry: Cross flow occurs by means of a semipermeable (accumulation) wall in the channel, while cross

flow is zero at an opposing nonpermeable (depletion) wall.

Note 2 to entry: By comparison, in symmetrical flow, the cross flow enters through a permeable wall (frit) and

exits through an opposing semipermeable wall and is generated separately from the channel flow.

Note 3 to entry: Nano-objects generally fractionate by the “normal” mode, where diffusion dominates and

the smallest species elute first. In the micrometre size range, the “steric-hyperlayer” mode of fractionation is

generally dominant, with the largest species eluting first. The transition from normal to steric-hyperlayer mode

can be affected by material properties or measurement parameters, and therefore is not definitively identified;

however, the transition can be defined explicitly for a given experimental set of conditions; typically, the

transition occurs over a particle size range from about 0,5 µm to 2 µm.

Note 4 to entry: Including both normal and steric-hyperlayer modes, the technique has the capacity to separate

particles ranging in size from approximately 1 nm to about 50 µm.
3.5
centrifugal field-flow fractionation

separation technique that uses a centrifugal field applied perpendicular to a circular channel that spins

around its axis to achieve size separation of particles from roughly 10 nm to roughly 50 µm.

Note 1 to entry: Separation is governed by a combination of size and effective particle density.

Note 2 to entry: Applicable size range is dependent on and limited by the effective particle density.

3.6
channel

thin ribbon-like chamber with a parabolic flow profile required for separation

under the influence of a field applied perpendicular to the channel flow
Note 1 to entry: Channel thickness can vary and is defined by a spacer insert.

Note 2 to entry: In asymmetrical-flow field-flow fractionation, a trapezoidal channel is commonly used, typically

with a maximum breadth of ca. 20 mm to 25 mm and length of ca. 100 mm to 300 mm.

Note 3 to entry: In asymmetrical-flow, one channel surface (depletion wall) is solid (impermeable) and the

opposing surface (accumulation wall) consists of a semipermeable membrane on a porous frit.

Note 4 to entry: In centrifugal flow field-flow fractionation, both the inner and outer walls of the circular channel

are solid (non-porous) and the channel is curved. A trapezoidal channel is commonly used, typically with a

breadth of 10 mm to 20 mm and length of 300 mm to 550 mm.
2 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO/TS 21362:2018(E)
3.7
spacer

thin plastic film with a cut-out that defines the thickness and lateral

dimensions of the channel

Note 1 to entry: Trapezoidal or rectangular cut-outs are most commonly used in asymmetrical-flow field-flow

fractionation.

Note 2 to entry: Typical spacer thickness used for separation of nano-objects ranges from 190 µm to 500 µm.

3.8
channel thickness
nominal thickness as defined by the spacer
3.9
effective channel thickness

thickness due to compressibility or swelling of the semipermeable membrane

at the accumulation wall, the effective value of which can differ from the nominal value for a given

spacer and is determined using a well-defined analyte of known diffusivity under the test conditions

Note 1 to entry: The measured effective channel thickness depends on other factors, such as interactions between

the analyte and the membrane and variability in spacer manufacturing.
3.10
accumulation wall

surface of a field-flow fractionation channel toward which sample components are forced by the applied

field acting perpendicular to the channel flow

Note 1 to entry: In asymmetrical-flow field-flow fractionation, the accumulation wall is flat and consists of a

semipermeable membrane on a porous frit substrate.

Note 2 to entry: In centrifugal field-flow fractionation, the accumulation wall is impermeable and curved, and is

located farther from the axis of rotation relative to the depletion wall. In the rare case that the particles have a

lower density than the aqueous medium, the depletion and accumulation walls are reversed.

3.11
depletion wall

surface of a field-flow fractionation channel opposite the accumulation wall, which is depleted in

analyte due to the movement of analyte toward the accumulation wall in the applied field

Note 1 to entry: In asymmetrical-flow field-flow fractionation, the depletion wall is flat and impermeable.

Note 2 to entry: In centrifugal field-flow fractionation, the depletion wall is impermeable and curved, and located

closer to the axis of rotation relative to the accumulation wall. When the effective particle density is lower than

the density of the medium, the depletion and accumulation walls are reversed.
3.12
carrier liquid
eluent
mobile phase
liquid ph
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 21362
Première édition
2018-06
Nanotechnologies — Analyse des
nano-objets par fractionnement par
couplage flux-force asymétrique et à
force centrifuge
Nanotechnologies — Analysis of nano-objects using asymmetrical-
flow and centrifugal field-flow fractionation
Numéro de référence
ISO/TS 21362:2018(F)
ISO 2018
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ISO/TS 21362:2018(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
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ISO/TS 21362:2018(F)
Sommaire Page

Avant-propos ................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

1 Domaine d'application ................................................................................................................................................................................... 1

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

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles et abréviations ............................................................................................................................................................................. 8

5 Principes de fonctionnement ...............................................................................................................................................................10

5.1 Fractionnement par couplage flux-force — Généralités ..................................................................................10

5.2 Applications spécifiques selon le type de champ appliqué ...........................................................................11

5.2.1 Champ de flux ..................................................................................................................................................................11

5.2.2 Champ centrifuge .........................................................................................................................................................13

6 Développement d'une méthode pour la technique AF4 ...........................................................................................15

6.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................15

6.2 Spécifications de l'échantillon ................................................................................................................................................16

6.3 Spécifications de la phase mobile ........................................................................................................................................17

6.4 Fractionnement ...................................................................................................................................................................................18

6.4.1 Choix du canal et de la membrane .................................................................................................................18

6.4.2 Injection et relaxation ..............................................................................................................................................20

6.4.3 Optimisation des conditions d'écoulement ...........................................................................................21

6.4.4 Programme d'élution ................................................................................................................................................21

6.4.5 Utilisation de la théorie de la FFF pour le choix des paramètres

d'écoulement initiaux ...............................................................................................................................................22

7 Développement d'une méthode pour la technique CF3............................................................................................22

7.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................22

7.2 Choix de la phase mobile .............................................................................................................................................................22

7.3 Choix de l'intensité de champ .................................................................................................................................................23

7.4 Programme de diminution du champ ..............................................................................................................................23

7.5 Choix du débit du canal ................................................................................................................................................................24

7.6 Calcul du temps de relaxation .................................................................................................................................................24

7.7 Calcul du retard à l'injection de l'échantillon ............................................................................................................24

8 Analyse des nano-objets ............................................................................................................................................................................24

8.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................24

8.2 Analyse granulométrique en ligne ......................................................................................................................................25

8.3 Analyse de concentration en ligne ......................................................................................................................................27

8.3.1 Généralités .........................................................................................................................................................................27

8.3.2 Méthodes d'évaluation de la concentration en masse ..................................................................27

8.3.3 Méthodes d'évaluation de la concentration en nombre ..............................................................28

8.4 Identification des matériaux ou composition des échantillons en ligne ............................................29

8.5 Analyse en mode «hors ligne» (collecte de fractions) ........................................................................................29

9 Qualification, critères de performance et incertitude de mesurage ...........................................................30

9.1 Qualification du système et contrôle de la qualité ................................................................................................30

9.1.1 Qualification du système de base ...................................................................................................................30

9.1.2 Performance de focalisation ...............................................................................................................................31

9.1.3 Débit de l'éluant ............................................................................................................................................................32

9.1.4 Champ de séparation ................................................................................................................................................32

9.2 Critères de performance de la méthode .........................................................................................................................33

9.2.1 Recouvrement .................................................................................................................................................................33

9.2.2 Sélectivité ............................................................................................................................................................................33

9.2.3 Rétention .............................................................................................................................................................................33

9.2.4 Résolution ...........................................................................................................................................................................34

9.3 Précision de la méthode et incertitude de mesurage .........................................................................................34

© ISO 2018 – Tous droits réservés iii
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ISO/TS 21362:2018(F)

10 Procédures générales de mesurage des échantillons .................................................................................................35

10.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................35

10.2 Étalonnage du temps de rétention pour une analyse granulométrique en ligne .......................35

10.2.1 Étalonnage du canal AF4........................................................................................................................................35

10.2.2 Étalonnage du temps de rétention dans un système d’AF4 pour des

mesurages granulométriques en ligne.......................................................................................................36

10.3 Procédure générale de mesurage pour le système d’AF4 ................................................................................36

10.4 Procédure générale de mesurage pour le système de CF3 ............................................................................37

11 Rapport d'essai ...................................................................................................................................................................................................37

11.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................37

11.2 Appareillage et paramètres de mesurage .....................................................................................................................38

11.2.1 Spécifications relatives aux enregistrements/rapports pour le système d’AF4 .....38

11.2.2 Spécifications relatives aux enregistrements/rapports pour le système de CF3 .39

11.3 Consignation des résultats d'essai ......................................................................................................................................39

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................41

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ISO/TS 21362:2018(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 .html.

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

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ISO/TS 21362:2018(F)
Introduction

La capacité à isoler et analyser des populations diverses de nano-objets et leurs agglomérats ou agrégats,

généralement en suspension dans des matrices complexes ou qui en sont extraits, est essentielle pour

de nombreuses applications, de la mise au point de nouveaux matériaux, la nanofabrication, mais aussi

la surveillance réglementaire et l'évaluation des risques environnementaux. De plus, la possibilité de

caractériser ces analytes en réduisant autant que possible les impacts sur leur état naturel ou natif

est indispensable. Les techniques disponibles pour atteindre de tels objectifs sont limitées, et bien que

toutes les techniques présentent à la fois des avantages et des inconvénients, aucune en particulier

n'est en soi adéquate ou adaptée à toutes les applications et à tous les matériaux possibles. Un groupe

de techniques de séparation connexes, collectivement désignées sous le nom de fractionnement par

[1]

couplage flux-force (FFF) et qui ont été proposées conceptuellement par J. Calvin Giddings en 1966 , se

distingue par les nombreux avantages qu'il offre pour leurs utilisations avec les nanotechnologies. Dans

les techniques de FFF, l'analyte, en suspension dans un milieu liquide, est fractionné par l'application

d'un champ (par exemple un flux, un champ centrifuge, un champ électrique, un gradient thermique, un

champ magnétique) perpendiculairement au sens d'écoulement de l'analyte et de la phase mobile qui est

éluée à travers un mince canal. La séparation se produit lorsque l'analyte réagit au champ appliqué, de

sorte que les populations ayant différentes sensibilités de réponse atteignent des positions d'équilibre

(autrement dit, qu'elles se trouvent en équilibre avec les forces de diffusion) plus ou moins hautes ou

basses dans l’épaisseur du canal ou avec des profils de vitesse plus ou moins élevés de l'écoulement

laminaire du canal, de manière à être élués différemment.

Parmi les variantes de la technique FFF, le système asymétrique de fractionnement par couplage

flux-force (désigné dans la littérature par les abréviations AF4, A4F, AFFFF, AfFFF ou AsFlFFF) et le

fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge (abrégé en CF3, également appelé FFF de

sédimentation et abrégée par SdFFF), sont disponibles dans le commerce et ont été largement adoptés

dans le domaine de la nanotechnologie (pour des raisons de commodité et de simplicité, les abréviations

AF4 et CF3 sont utilisées dans l'ensemble du présent document). La technique AF4 est incontestablement

la plus polyvalente compte tenu de la grande diversité d'applications, de matériaux et de granulométries

pour lesquels elle a été appliquée. La FFF symétrique (fFFF), technique initiale «de flux» décrite pour

[2]

la première fois en 1976 , a été remplacée commercialement par la technique AF4, introduite en

[3]

1987 , en raison de plusieurs avantages, notamment une conception de canal simplifiée, la possibilité

de visualiser l'échantillon à travers une paroi supérieure de canal transparente et une réduction de

la largeur de bande des analytes. La théorie et l'application de la technique CF3, telle qu'elle est

[4]

actuellement appliquée, a été décrite par Giddings et ses collaborateurs en 1974 , bien qu'un système

FFF à force centrifuge ait été pour la première fois développé et soumis à essai de façon indépendante par

[5]

Berg et Purcell en 1967 . D'autres variantes de la technique FFF, notamment thermique, électrique et

magnétique, offrent des fonctionnalités uniques, mais sont limitées dans l'étendue de leurs applications

du point de vue de la nanotechnologie ou de leur disponibilité commerciale.

Alors que la FFF était, à ses débuts, essentiellement réservé aux spécialistes, ces instruments se sont

democratisés pour la caractérisation des nanoobjets et sont de plus en plus utilisés dans les laboratoires

institutionnels, industriels et universitaires. Deux facteurs sous-tendent ce recours croissant à la

nanotechnologie: la maturation de l'instrumentation commerciale et la polyvalence qui permet

d'associer une grande diversité de détecteurs aux systèmes de FFF. Dans ce dernier cas, les récents

développements ont conduit à l'utilisation de détecteurs élémentaires extrêmement sensibles (par

exemple des spectromètres de masse à plasma à couplage inductif ou ICP-MS), qui offrent de meilleures

capacités de caractérisation et de quantification pour de nombreux matériaux. En outre, les détecteurs

classiques de concentration ou de taille, notamment la spectroscopie d’absorption UV-visible (UV-Vis),

la fluorescence, la diffusion de la lumière multi-angles (MALS) et la diffusion dynamique de la lumière

(DLS), produisent des données en ligne pour les populations à élution et fournissent en théorie des

informations plus précises que celles pouvant être obtenues par des mesures hors ligne de systèmes

polydisperses non fractionnés. Le temps de rétention mesuré d'un pic d'élution peut également être

utilisé pour déterminer la taille hydrodynamique par la technique AF4 à partir de relations théoriques

ou d'un étalonnage reposant sur un étalon de taille connue. La technique CF3 a la particularité de

séparer rapidement les espèces de même taille mais de différentes densités.
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ISO/TS 21362:2018(F)

Bien que les techniques FFF aient la capacité de séparer et caractériser des analytes sur une très vaste

plage granulométrique, de 1 nm environ jusqu'à quelques dizaines de micromètres, le présent document

se concentre principalement sur les matériaux à l'échelle nanométrique ainsi que sur leurs structures

associées. Les principes fondamentaux sous-jacents, l'approche expérimentale et le matériel décrits ici

peuvent être appliqués dans un domaine plus large.

Si la présente spécification inclut les schémas de détection en ligne les plus courants pour l'analyse

des nano-objets, d'autres formes de détection moins communes ont été utilisées ou rapportées dans

la littérature, notamment la réfractométrie différentielle (essentiellement utilisée pour l'analyse

macromoléculaire), l'analyse de suivi de particules, la spectrométrie d'absorption atomique en four

graphite, l'ICP-MS en mode analyse individuelle de particule et la diffusion des rayons X aux petits

angles. Le nombre de détecteurs est appelé à croître avec l'émergence de nouvelles techniques et lorsque

les techniques existantes sont modifiées et évaluées pour un couplage avec la FFF.

Afin de développer et valider les méthodes d'application de la FFF à l'analyse des nano-objets et de leurs

agglomérats ou agrégats, et pour rendre compte correctement des résultats obtenus et des conditions

expérimentales appliquées en vue de favoriser la reproductibilité entre les différents laboratoires, il

est essentiel de spécifier les principaux paramètres à contrôler et exprimer. Ces paramètres englobent

tous les aspects de la méthodologie FFF, y compris les échantillons/analytes, l'instrumentation, le

fractionnement, l'étalonnage, la qualification, les spécifications de performances, l'incertitude de

mesurage et l'analyse des données. Le présent document identifie les principaux paramètres et établit

une approche générale du développement d'une méthode pour les techniques d’AF4 et de CF3.

Des références générales ainsi que d'autres publications consacrées aux descriptions théoriques et

pratiques de la FFF et aux applications de l'AF4 et du CF3 aux nanotechnologies, peuvent être trouvées

[6][18]
dans la Bibliographie .
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 21362:2018(F)
Nanotechnologies — Analyse des nano-objets par
fractionnement par couplage flux-force asymétrique et à
force centrifuge
1 Domaine d'application

Le présent document identifie, dans le cadre d'un système de mesures intégrées, les paramètres et

conditions nécessaires au développement et à la validation de méthodes pour l'application des systèmes

de fractionnement par couplage flux-force asymétrique et à force centrifuge à l'analyse de nano-objets

et de leurs agrégats et agglomérats en dispersion dans des milieux aqueux. Outre le fractionnement

des composants, l'analyse peut porter sur la taille, la distribution granulométrique, la concentration

et l'identification des matériaux à l'aide d'un ou plusieurs détecteurs appropriés. Le présent document

fournit des lignes directrices et procédures générales pour l'application et spécifie les exigences de

rapport minimales afin de reproduire une méthode et de rendre compte des aspects critiques.

2 Références normatives

Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des

exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les

références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels

amendements).
ISO/TS 80004-1, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 1: Termes "coeur"
ISO/TS 80004-2, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 2: Nano-objets

ISO/TS 80004-6, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 6: Caractérisation des nano-objets

3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO/TS 80004-1, l'ISO/

TS 80004-2 et l'ISO/TS 80004-6, 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:
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http: //www .electropedia .org/

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

3.1
nano-objet

portion discrète de matériau dont une, deux ou les trois dimensions externes sont à l'échelle

nanométrique (de 1 nm to 100 nm environ)

Note 1 à l'article: Terme générique pour tous les objets discrets à l'échelle nanométrique.

[SOURCE: ISO/TS 80004-2:2015, 2.2, modifiée — Dans la définition, la mention «(de 1 nm à 100 nm

environ)» a été ajoutée. La Note 1 à l'article a été modifiée.]
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ISO/TS 21362:2018(F)
3.2
nanoparticule

nano-objet dont toutes les dimensions externes sont à l'échelle nanométrique et dont les longueurs du

plus grand et du plus petit axes ne diffèrent pas significativement

Note 1 à l'article: Si les dimensions diffèrent de façon significative (généralement d'un facteur supérieur à 3), des

termes tels que nanofibre ou nanofeuillet peuvent être préférés au terme nanoparticule.

[SOURCE: ISO/TS 80004-2:2015, 4.4]
3.3
fractionnement par couplage flux-force
FFF

technique de séparation dans laquelle un champ est appliqué à une suspension liquide passant dans un

canal étroit de manière à provoquer la séparation des particules présentes dans le liquide en fonction

de leur différence de mobilité sous l'effet de la force exercée par le champ

Note 1 à l'article: Le champ peut être, par exemple, gravitationnel, centrifuge, un flux de liquide, un champ

électrique ou magnétique.

Note 2 à l'article: L'utilisation d'un détecteur approprié, après ou pendant la séparation, permet la détermination

de la taille des nano-objets ainsi que leur distribution de taille.
[SOURCE: ISO/TS 80004-6:2013, 4.4]
3.4
fractionnement par couplage flux-force asymétrique

technique de séparation qui utilise un champ d'écoulement transversal appliqué perpendiculairement

au flux du canal pour obtenir une séparation en fonction du coefficient de diffusion ou de la taille des

analytes

Note 1 à l'article: L'écoulement transversal se produit au moyen d'une paroi semi-perméable dans le canal (paroi

d'accumulation), alors que l'écoulement transversal est nul sur une paroi opposée non perméable (déplétion).

Note 2 à l'article: Par comparaison, dans un écoulement symétrique, l'écoulement transversal pénètre à travers

une paroi perméable (fritté) et sort à travers une paroi opposée semi-perméable, et est généré séparément du

flux du canal.

Note 3 à l'article: Les nano-objets se fractionnent généralement selon le mode «normal», où la diffusion domine et

où la plus petite espèce est éluée en premier. À l'échelle micrométrique, le mode de fractionnement dit «stérique/

hyperlayer» est généralement dominant, avec l'espèce la plus grande qui est éluée en premier. Le passage du mode

normal au mode stérique/hyperlayer peut être influencé par les propriétés des matériaux ou par les paramètres

du mesurage et, par conséquent, il n'est pas définitivement identifié; cependant, cette transition peut être définie

de façon explicite pour un ensemble donné de conditions expérimentales; en règle générale, celle-ci intervient

sur une plage granulométrique approximativement comprise entre 0,5 µm et 2 µm.

Note 4 à l'article: En incluant à la fois le mode normal et le mode stérique/hyperlayer, la technique permet de

séparer des particules couvrant une plage granulométrique d'environ 1 nm à 50 µm.

3.5
fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge

technique de séparation qui utilise un champ centrifuge appliqué perpendiculairement à un canal

circulaire qui tourne autour de son axe pour obtenir une séparation des particules d'une granulométrie

approximativement comprise entre 10 nm et 50 µm

Note 1 à l'article: La séparation est régie à la fois par la granulométrie et par la densité effective des particules.

Note 2 à l'article: La plage granulométrique applicable dépend de et est limitée par la densité effective des

particules.
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ISO/TS 21362:2018(F)
3.6
canal

système semblable à un mince ruban, ayant un profil

d'écoulement parabolique nécessaire pour permettre la séparation de particules grâce à un champ

appliqué perpendiculairement au flux du canal

Note 1 à l'article: L'épaisseur du canal peut varier et est définie par l'insertion d'une entretoise.

Note 2 à l'article: Dans un système asymétrique de fractionnement par couplage flux-force, un canal trapézoïdal,

généralement d'une largeur maximale d'environ 20 mm à 25 mm et d'une longueur d'environ 100 mm à 300 mm,

est habituellement utilisé.

Note 3 à l'article: Dans un système asymétrique, une des surfaces du canal (paroi de déplétion) est solide

(imperméable) et la surface opposée (paroi d'accumulation) se compose d'une membrane semi-perméable

déposée sur un fritté poreux.

Note 4 à l'article: Dans un système de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge, les parois

interne et externe du canal circulaire sont toutes les deux solides
...