ISO/TS 21362:2018
(Main)Nanotechnologies — Analysis of nano-objects using asymmetrical-flow and centrifugal field-flow fractionation
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.
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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
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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
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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]
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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)
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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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
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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
iv © ISO 2018 – Tous droits réservés
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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
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.