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.
General Information
Relations
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 2018
© ISO 2018
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ii © ISO 2018 – All rights reserved
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
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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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.
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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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 .
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]
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.
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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 phase used to achieve separation and transport of analytes
Note 1 to entry: The eluent or mobile phase may contain salts, surfactants, and/or other chemical constituents
that are required for optimized separation and recovery of an analyte.
Note 2 to entry: In this document, only aqueous phases are relevant, but organic solvents can also be used if
equipment and channel are compatible.
3.13
elution
process by which analytes in the mobile phase, or eluent, are transported
through, and exit from, the fractionation channel
3.14
focusing
process by which, during and after sample injection a
counter-balanced flow entering from opposite ends of the channel (inlet and outlet) is applied to focus
the sample components into a thin band close to the inlet port and near the accumulation wall
Note 1 to entry: This step is necessary to minimize band broadening and to allow components to achieve an
equilibrium localization (relaxation) within the channel.
Note 2 to entry: During focusing outward flow occurs only through the permeable membrane at the
accumulation wall.
3.15
relaxation
process by which the sample components assume their equilibrium state
with respect to the opposing forces of diffusion and the applied field before elution is initiated
Note 1 to entry: In flow field-flow fractionation there are two means to achieve relaxation: normal focusing
relaxation and frit inlet or hydrodynamic relaxation.
Note 2 to entry: In centrifugal field-flow fractionation, stop-flow is used to achieve relaxation.
3.16
injection flow
flow that drives the sample out of the injection loop and into the
fractionation channel
Note 1 to entry: Depending on instrument design, injection can occur via a separate injection port or through the
channel inlet port.
3.17
cross flow
flow field applied perpendicular to the channel flow to achieve
separation of analytes
Note 1 to entry: In asymmetrical-flow field-flow fractionation, cross flow is created by the pressure differential
across a permeable membrane at the accumulation wall, which results in a downward force that decreases with
increasing distance from the accumulation wall.
Note 2 to entry: Cross flow is generated by using a flow controller combined with a single pump or by use of a
second dedicated pump.
3.18
channel inlet flow
eluent that enters the channel at the front end (upstream)
Note 1 to entry: In asymmetrical-flow field-flow fractionation, inlet flow is split between cross flow and channel
flow during elution.
3.19
channel flow
eluent flow through the channel
Note 1 to entry: Channel flow is generally equivalent to the flow exiting the channel and entering the detectors
under typical experimental conditions, but can differ if flow exiting the channel is split.
Note 2 to entry: In asymmetrical-flow field-flow fractionation, fluid loss through the permeable accumulation
wall leads to a linearly decreasing channel-flow velocity. This gradient can be compensated using a trapezoidal
channel design with decreasing channel breadth toward the outlet.
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3.20
void volume
fluid volume defined by the channel dimensions plus the volume between the
channel exit and the first detector
3.21
void peak
a peak appearing in the fractogram that corresponds to unretained, typically
small sample components that are not in equilibrium with the separation field
Note 1 to entry: The void peak travels at the average carrier velocity and elutes before retained components.
Note 2 to entry: In this context, unretained means components that are not separated by the field and elute with
the void peak. Unretained has a different meaning in traditional enthalpic-based chromatographic separations.
3.22
void time
time between initiation of elution and detection of the void peak defined at its maximum signal intensity
3.23
retention time
time between initiation of elution and detection of an analyte peak defined at its maximum signal
intensity
Note 1 to entry: For a Gaussian peak, the maximum and peak centre are equivalent.
3.24
retention parameter
dimensionless parameter equal to the ratio of the analyte zone centre-of-
mass distance (from the accumulation wall) to the channel thickness
Note 1 to entry: A measure of the strength of interaction between the applied field and the analyte.
3.25
retention ratio
ratio of the mean velocity of the analyte zone to the mean velocity of the
mobile phase in the channel during elution
Note 1 to entry: This can be calculated theoretically or determined empirically from the ratio of the retention
times associated with the void and analyte peaks, and is directly related to the retention parameter.
3.26
selectivity
measure of the ability of a method to separate analytes of different diffusion
coefficient or size; empirically, the slope of a double logarithmic plot of diffusion coefficient versus
retention ratio for analytes of known size, where a high value reflects a large change in retention time
with a small variation in analyte size
Note 1 to entry: In centrifugal field-flow fractionation, selectivity is also dependent on effective mass, but the
empirical relationship is defined in the same manner as asymmetrical-flow field-flow fractionation.
3.27
resolution factor
fractionation power
ratio of the difference in retention time to the average of the peak widths measured as the full width at
half maximum for two adjacent eluting analytes
Note 1 to entry: Measure of the degree of separation between neighbouring or overlapping peaks.
3.28
band broadening
overall dispersion or widening of an analyte band as the analyte passes through a separation system
3.29
zone broadening
broadening of the width of the sample zone during separation in the channel
3.30
normal mode (of elution)
Brownian mode
mode of elution in which diffusion is the dominant opposing force to the
applied orthogonal force (e.g., cross flow or centrifugal), resulting in relatively faster migration of
smaller particles through the channel due to their higher location within the parabolic flow profile and
an elution sequence where smaller particles elute before larger particles
Note 1 to entry: All nanoparticles are subject to normal or Brownian mode elution, which is dominant for particle
diameters smaller than approximately 0,5 µm; nano-objects with at least one dimension greater than 0,5 µm
might be subject to steric-hyperlayer mode elution. The upper limit for normal mode elution is not well defined
and depends on both material and measurement factors.
Note 2 to entry: For centrifugal field-flow fractionation, the stated elution sequence assumes all particles have
the same density; for particles that differ in both size and density, it is possible for the elution sequence to be
reversed.
3.31
steric-lift hyperlayer mode (of elution)
elution in which diffusion forces are negligible, and motion of particles due
to the applied orthogonal force (e.g., cross flow or centrifugal) is essentially impeded by resistance of
the accumulation wall itself, resulting in an elution sequence that is reversed compared to normal mode
Note 1 to entry: Steric effects occur when larger particles form layers at the accumulation wall that, on average,
project higher into the parabolic flow profile of the channel. As a result, larger particles will migrate faster than
smaller particles. Hyperlayer or lift-hyperlayer occurs when the particles form thin layers above (extended from)
the accumulation wall due to hydrodynamic effects, with larger particles more elevated than smaller particles
resulting in their faster migration. Because steric and lift-hyperlayer are closely related, forming a continuum,
and produce similar elution behaviour, they are commonly merged together.
Note 2 to entry: The lower limit for steric-hyperlayer mode elution is not well defined and can depend on both
material and measurement factors such as the channel thickness and flow rate or the applied field strength.
Generally, particles with an effective diameter greater than about 1 µm are subject to steric-hyperlayer elution,
but the onset of steric-hyperlayer effects can occur over a range from about 0,5 µm to about 2 µm. The transition
can be determined experimentally for a given set of conditions.
3.32
fractogram
two-dimensional graphic representation of data derived from an experiment,
typically with one or more detector signals on the ordinate and retention time on the abscissa
Note 1 to entry: This is analogous to a chromatogram in traditional chromatography.
3.33
recovery
ratio of the mass eluted during fractionation to the initial injected mass
expressed as a percentage
Note 1 to entry: Determined experimentally using an appropriate mass sensitive detector, either off-line (directly
measured in sample before injection and after collection of eluting peak) or online (by comparison of peak areas
obtained with and without application of the force field).
Note 2 to entry: Recovery can be estimated based on the signal from non-mass-sensitive detectors, such as light
scattering, subject to the influence of changes in detector response due to changes in the size distribution or
other experimental conditions.
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4 Symbols and abbreviated terms
AF4 asymmetrical-flow field-flow fractionation
CF3 centrifugal field-flow fractionation
CTA cellulose triacetate
CTAB cetyltrimethylammonium bromide, (C H )N(CH ) Br
16 33 3 3
DAD diode array detector
DLS dynamic light scattering
HF5 hollow fibre flow field-flow fractionation
FFF field-flow fractionation
F4 flow field-flow fractionation
FWHM full width at half maximum
ICP-MS inductively coupled plasma mass spectrometry
OES optical emission spectroscopy
MALS multi-angle light scattering (static light scattering)
MWCO molecular weight cut-off
NIR near infrared
PES polyethersulfone
PSL polystyrene latex
PTA particle tracking analysis
RC regenerated cellulose
SDS sodium dodecyl sulfate, CH (CH ) SO Na
3 2 11 4
SPP sodium pyrophosphate
sp single particle (inductively coupled mass spectrometry)
SPR surface plasmon resonance
UV-Vis ultraviolet-visible (wavelength range)
λ retention parameter
R retention ratio
t void time
t retention time (of analyte peak)
R
Δt retention time difference for two eluting peaks, centre-to-centre
R
t injection delay time
D
w average width of two adjacent eluting peaks, typically defined as the full width at half maximum
avg
w channel thickness (nominal, as defined by a spacer in AF4)
w effective channel thickness (as determined empirically in AF4)
eff
l centre of gravity distance from accumulation wall
D translational diffusion coefficient
volumetric cross flow rate in AF4
V
c
volumetric channel inlet flow rate
V
in
volumetric channel outlet flow rate
V
volumetric injection flow rate
V
i
v migration velocity of the analyte zone in the channel
average longitudinal carrier (mobile phase) velocity in the channel
v
V void volume
V volume between the injection valve and the channel injection port
i
V sample loop volume
l
S selectivity
R resolution factor
s
R (%) recovery
A peak area of eluted sample
S
A peak area of sample injected directly into detector or eluted without cross-flow
D
t
time over which V or centrifugal field is held constant during an elution programme
c
r radius of gyration or root mean square radius
g
d hydrodynamic diameter (sphere-equivalent)
H
d volume-based equivalent spherical diameter
V
RPS rotational speed in revolutions per second
RPS rotational speed in revolutions per second at the beginning of the decay period
G centripedal acceleration (also referred to as centrifugal field strength)
5 Principles of operation
5.1 Field-flow fractionation (General)
Field-flow fractionation is a flow-based separation methodology. Typical FFF operation predicates
the release of a narrow sample band into a flowing mobile phase contained within a thin well-defined
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channel. By comparison, traditional liquid chromatography utilizes a packed column containing a
solid stationary phase that interacts with the analyte to achieve separation. In FFF, the mobile phase
and analyte flow longitudinally through the channel. The channel is designed to separate the sample
components along its length, resulting in the elution of constituents at different times. The channel
and its large aspect ratio is designed to promote parabolic or near-parabolic laminar flow between
two infinite planes under normal operational conditions. Though generally ignored, viscous drag
[19]
at the edges of the channel can be accounted for using a correction factor . Under parabolic flow,
longitudinal fluid velocity at the walls of the channel approaches zero, due to frictional drag, and
increases with distance from the walls. Maximum velocity occurs at the channel centre.
To induce separation between different constituents of a sample, a field is applied in a direction
perpendicular to the flow axis (see Figure 1). The force of the applied field moves constituents toward
the accumulation wall (depicted at bottom in Figure 1), and is opposed by the diffusional force inherent
to the affected species. Constituents that differ in size (AF4) or mass (size)/density (CF3) become
localized at different positions within the channel’s parabolic flow profile, causing each population to
be displaced downstream at a velocity equal to the mean parabolic flow at that position (where position
refers to distance from the accumulation wall at a right angle to the direction of channel flow, and is
a mean value for the analyte zone or “cloud”, l). Smaller constituents elute before larger ones; this is
termed normal mode or Brownian elution and applies to most nano-objects. Fractionation of large
species (micrometre size) occurs by steric-hyperlayer interactions (steric-hyperlayer mode, frequently
referred t
...
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 2018
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Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
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
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
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.
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.
vi © ISO 2018 – Tous droits réservés
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 .
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.]
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.
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
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 (non poreuses) et le canal est incurvé. Un
canal trapézoïdal, généralement d'une largeur maximale d'environ 10 mm à 20 mm et d'une longueur d'environ
300 mm à 550 mm, est habituellement utilisé.
3.7
entretoise
mince film plastique présentant une découpe qui définit
l'épaisseur et les dimensions latérales du canal
Note 1 à l'article: Des découpes trapézoïdales et rectangulaires sont généralement utilisées dans la technique de
fractionnement par couplage flux-force asymétrique.
Note 2 à l'article: L'épaisseur typique des entretoises utilisées pour la séparation de nano-objets est comprise
entre 190 µm et 500 µm.
3.8
épaisseur du canal
épaisseur nominale définie par l'entretoise
3.9
épaisseur effective du canal
épaisseur due à la compressibilité ou au gonflement de la
membrane semi-perméable sur la paroi d'accumulation, dont la valeur effective peut être différente de
la valeur nominale pour une entretoise donnée et est déterminée à l'aide d'un analyte bien défini et de
diffusivité connue dans les conditions d'essai
Note 1 à l'article: L'épaisseur effective du canal mesurée dépend d'autres facteurs, tels que les interactions entre
l'analyte et la membrane ou la variabilité des méthodes de fabrication de l'entretoise.
3.10
paroi d'accumulation
surface d'un canal de fractionnement par couplage flux-force vers laquelle est forcé l'acheminement des
composants d'échantillon sous l'effet du champ appliqué perpendiculairement au flux du canal
Note 1 à l'article: Dans un système de fractionnement par couplage flux-force asymétrique, la paroi d'accumulation
est plane et se compose d'une membrane semi-perméable déposée sur un fritté poreux.
Note 2 à l'article: Dans un système de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge, la paroi
d'accumulation est imperméable et est située à une plus grande distance de l'axe de rotation par rapport à la
paroi de déplétion. Dans le cas rare où les particules présentent une densité inférieure à celle du milieu aqueux,
les parois de déplétion et d'accumulation sont inversées.
3.11
paroi de déplétion
surface d'un canal de fractionnement par couplage flux-force opposée à la paroi d'accumulation, dont
la concentration de l'analyte diminue sous l'effet du mouvement de l'analyte en direction de la paroi
d'accumulation grâce au champ appliqué
Note 1 à l'article: Dans un système asymétrique de fractionnement par couplage flux-force, la paroi de déplétion
est plane et imperméable.
Note 2 à l'article: Dans un système de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge, la paroi
de déplétion est imperméable et incurvée, et se trouve plus près de l'axe de rotation par rapport à la paroi
d'accumulation. Lorsque la densité effective des particules est inférieure à la densité du milieu, les parois de
déplétion et d'accumulation sont inversées.
3.12
liquide porteur
éluant
phase mobile
phase liquide utilisée pour obtenir la séparation et le transport des analytes
Note 1 à l'article: L'éluant ou la phase mobile peut contenir des sels, des tensioactifs et/ou d'autres constituants
chimiques nécessaires pour optimiser la séparation et le recouvrement d'un analyte.
Note 2 à l'article: Dans le présent document, seules les phases aqueuses sont pertinentes, mais des solvants
organiques peuvent également être utilisés sous réserve de compatibilité de l'équipement et du canal.
3.13
élution
procédé au cours duquel les analytes contenus dans la phase
mobile ou l'éluant sont transportés à travers le canal de fractionnement jusqu'à leur sortie
3.14
focalisation
procédé au cours duquel, pendant et après
l'injection de l'échantillon, un contre-flux provenant des extrémités opposées du canal (entrée et
sortie) est appliqué pour concentrer les composants d'échantillon dans une mince bande proche du port
d'entrée et à proximité de la paroi d'accumulation
Note 1 à l'article: Cette étape est nécessaire pour réduire autant que possible l'élargissement de la bande et pour
permettre aux composants d'atteindre une position d'équilibre (relaxation) à l'intérieur du canal.
Note 2 à l'article: Au cours de la focalisation, l'écoulement vers l'extérieur se produit uniquement à travers la
membrane perméable sur la paroi d'accumulation.
3.15
relaxation
procédé au cours duquel les composants d'un échantillon
atteignent leur état d'équilibre par rapport aux forces opposées de diffusion et au cours duquel le champ
appliqué est initié avant l'élution
Note 1 à l'article: Dans un système de fractionnement par couplage flux-force, il existe deux façons d'atteindre
la relaxation: la relaxation normale après la focalisation et la technique dite du frit inlet ou la relaxation
hydrodynamique.
Note 2 à l'article: Dans un système de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge, la relaxation est
obtenue par la méthode d'interruption de flux («stop-flow»).
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés
3.16
flux d'injection
flux qui conduit l'échantillon hors de la boucle d'injection et
l'achemine dans le canal de fractionnement
Note 1 à l'article: Selon la conception de l'instrument, l'injection peut se produire par un port d'injection distinct
ou à travers le port d'entrée du canal.
3.17
écoulement transversal
champ d'écoulement appliqué perpendiculairement au flux
du canal pour obtenir une séparation des analytes
Note 1 à l'article: Dans un système asymétrique de fractionnement par couplage flux-force, l'écoulement
transversal est créé par une pression différentielle à travers une membrane perméable sur la paroi
d'accumulation, ce qui entraîne une force descendante qui augmente proportionnellement à la distance par
rapport à la paroi d'accumulation.
Note 2 à l'article: L'écoulement transversal est obtenu au moyen d'un régulateur de débit associé à une pompe
unique ou par l'utilisation d'une deuxième pompe dédiée.
3.18
flux à l'entrée du canal
éluant qui pénètre dans le canal par l'avant (en amont)
Note 1 à l'article: Dans un système asymétrique de fractionnement par couplage flux-force, le flux à l'entrée est
réparti entre l'écoulement transversal et le flux du canal pendant l'élution.
3.19
flux du canal
flux de l'éluant à travers le canal
Note 1 à l'article: Le flux dans le canal équivaut généralement au flux de l'éluant qui sort du canal et qui pénètre
dans les détecteurs dans des conditions expérimentales données, mais il peut différer en cas de division du flux
en sortie du canal.
Note 2 à l'article: Dans un système asymétrique de fractionnement par couplage flux-force, la perte de fluide à
travers la paroi d'accumulation perméable entraîne une diminution linéaire de la vitesse d'écoulement dans le
canal. Ce gradient peut être compensé au moyen d'une conception de canal trapézoïdale dans laquelle la largeur
du canal diminue vers la sortie.
3.20
volume mort
volume de fluide défini par les dimensions du canal auxquelles
s'ajoute le volume entre la sortie du canal et le premier détecteur
3.21
pic au volume mort
pic observé sur le fractogramme, qui correspond à des
composants d'échantillon non retenus, généralement de petites dimensions, qui n'ont pas atteint l'état
d'équilibre avec le champ de séparation
Note 1 à l'article: Le pic au volume mort suit la vitesse moyenne de l'éluant et est élué avant les composants
retenus.
Note 2 à l'article: Dans ce contexte, «non retenu» renvoie aux composants qui ne sont pas séparés par le champ
et qui sont élués avec le pic au volume mort. Cette notion a une signification différente dans les séparations
chromatographiques traditionnelles basées sur l'enthalpie.
3.22
temps mort
temps s'écoulant entre le début de l'élution et la détection d'un pic au volume mort défini par son
maximum d’intensité du signal de détection
3.23
temps de rétention
temps s'écoulant entre le début de l'élution et la détection d'un pic d'analyte défini à son maximum
d'intensité du signal de détection
Note 1 à l'article: Dans le cas d'un pic gaussien, la valeur maximale équivaut au centre du pic.
3.24
paramètre de rétention
paramètre sans dimension égal au rapport entre la distance
au centre de gravité de la zone de l'analyte (par rapport à la paroi d'accumulation) et l'épaisseur du canal
Note 1 à l'article: Mesure de la force d'interaction entre le champ appliqué et l'analyte.
3.25
rapport de rétention
rapport entre la vitesse moyenne de l'analyte dans la zone et
la vitesse moyenne de la phase mobile dans le canal pendant l'élution
Note 1 à l'article: Ce rapport peut être calculé par des moyens théoriques ou être déterminé de façon empirique à
partir du rapport des temps de rétention associés au pic au volume mort et au pic de l'analyte, et est directement
associé au paramètre de rétention.
3.26
sélectivité
mesure l'aptitude d'une méthode à séparer des analytes ayant
des granulométries ou des coefficients de diffusion différents; de façon empirique, grâce à la pente
déterminée à partir d'une courbe bilogarithmique du coefficient de diffusion en fonction du rapport
de rétention d'analytes de tailles connues, et dans laquelle une valeur élevée représente une variation
importante du temps de rétention avec une faible variation de la taille des analytes
Note 1 à l'article: Dans un système de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge, la sélectivité
dépend également de la masse effective, mais la relation empirique est définie de la même manière que pour le
système asymétrique de fractionnement par couplage flux-force.
3.27
facteur de résolution
pouvoir de fractionnement
rapport entre la différence des temps de rétention et la moyenne des largeurs à mi-hauteur mesurées
des pics voisins pour deux analytes élués
Note 1 à l'article: Mesure du degré de séparation entre des pics voisins ou se chevauchant (co-élués).
3.28
élargissement de la bande
dispersion ou élargissement global(e) d'une bande d'analyte lorsque l'analyte traverse un système de
séparation
3.29
élargissement de la zone
élargissement de la largeur de la zone de l'échantillon pendant
la séparation dans le canal
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3.30
mode (d'élution) normal
mode brownien
mode d'élution dans lequel la diffusion est la force opposée
dominante sur la force perpendiculaire appliquée (par exemple flux perpendiculaire ou force
centrifuge), entraînant une migration relativement plus rapide des plus petites particules à travers
le canal en raison de leur position dans les profils de vitesse élevés du flux laminaire, ainsi qu'une
séquence d'élution où les plus petites particules sont éluées avant les plus grosses particules
Note 1 à l'article: Toutes les nanoparticules sont sujettes à un mode d'élution normal ou brownien qui domine
pour les diamètres de particules inférieurs à environ 0,5 µm; les nano-objets ayant au moins une dimension
supérieure à 0,5 µm peuvent être sujets à une élution en mode stérique/hyperlayer. La limite supérieure pour
l'élution en mode normal n'est pas bien définie et dépend à la fois de facteurs liés aux matériaux et au mesurage.
Note 2 à l'article: Pour un système de fractionnement par couplage flux-force par force centrifuge, la séquence
d'élution indiquée prend pour hypothèse que toutes les particules possèdent la même densité; pour des particules
ayant une granulométrie et une densité différentes, il est possible d'inverser la séquence d'élution.
3.31
mode (d'élution) stérique
lift hyperlayer
élution dans laquelle les forces de diffusion sont négligeables
et où le mouvement des particules dû à la force perpendiculaire appliquée (par exemple par flux
perpendiculaire ou par force centrifuge) est essentiellement ralenti par la résistance de la paroi
d'accumulation elle-même, entraînant une inversion de la séquence d'élution comparativement au
mode normal
Note 1 à l'article: Les effets stériques se produisent lorsque des particules de plus grandes dimensions forment
des couches au niveau de la paroi d'accumulation qui, en moyenne, se situent sur des profils de vitesse plus
élevés du profil d'écoulement parabolique du canal. En conséquence, les plus grosses particules migreront plus
rapidement que les particules de plus petite taille. L'effet «hyperlayer» ou «lift hyperlayer» se produit lorsque les
particules forment de minces couches (se prolongeant au-delà) sur la paroi d'accumulation en raison des effets
hydrodynamiques, les plus grosses particules étant surélevées par rapport aux particules de plus petite taille,
entraînant ainsi leur migration plus rapide. Le mode stérique et le mode «lift hyperlayer» étant étroitement
corrélés, formant un continuum et produisant un comportement d'élution similaire, les deux concepts sont
généralement confondus.
Note 2 à l'article: La limite inférieure de l'élution en mode stérique/hyperlayer est mal définie et peut dépendre
à la fois de facteurs liés aux matériaux et au mesurage, tels que l'épaisseur du canal et le débit ou l'intensité
du champ appliqué. En règle générale, les particules ayant un diamètre effectif supérieur à 1 µm environ sont
sujettes à une élution stérique-hyperlayer, mais le début des effets du mode stérique-hyperlayer peut apparaître
sur une plage approximativement comprise entre 0,5 µm et 2 µm. La transition peut être déterminée par des
moyens expérimentaux pour un ensemble de conditions donné.
3.32
fractogramme
représentation graphique en deux dimensions des données
expérimentales, d'un ou de plusieurs signaux de détecteurs généralement représentés sur l'axe des
ordonnées tandis que le temps de rétention est représenté sur l'axe des abscisses
Note 1 à l'article: Cela équivaut à un chromatogramme en chromatographie classique.
3.33
recouvrement
rapport entre la masse éluée au cours du fractionnement et la
masse initiale injectée, exprimé en p
...
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