ISOTS 213572022 纳米技术.通过静态多重光散射（SMLS）评估液体分散体中纳米物体的平均尺寸标准立项发展报告

*标准立项发展报告标准名称：纳米技术通过静态多重光散射（SMLS）评估液体分散体中纳米物体的平均尺寸标准立项发展报告EnglishTitle:StandardizationDevelopmentReport:Nanotechnologies—Evaluationofthemeansizeofnano-objectsinliquiddispersionsbystaticmultiplelightscattering(SMLS)摘要随着纳米技术的飞速发展，纳米材料在能源、生物医药、电子器件等领域的应用日益广泛。液体分散体是纳米材料最常见的存在形式之一，其中纳米物体的尺寸是决定其物理化学性质、生物活性及最终应用性能的关键参数。然而，传统表征技术在测量高浓度、不透明或复杂液体分散体中的纳米物体尺寸时，常面临样品稀释、前处理复杂、测量结果代表性不足等挑战。静态多重光散射（SMLS）技术因其无需稀释、可原位测量高浓度分散体、并能区分聚集与粒径变化等独特优势，逐渐成为研究和工业质量控制领域的重要工具。本报告深入探讨了国际标准ISO/TS21357:2022《纳米技术—通过静态多重光散射（SMLS）评估液体分散体中纳米物体的平均尺寸》的立项背景、技术原理、核心内容及行业影响。报告首先阐述了SMLS技术的工作原理，即通过分析光在浑浊介质中经历多次散射后的平均穿透深度（或传输强度），反演得到纳米颗粒的平均尺寸。其次，详细解读了标准中规定的测量程序、样品制备要求、数据处理方法及结果报告格式，强调了其对不同体系（如二氧化硅、聚合物乳胶、金属氧化物等）的适用性。最后，报告分析了该标准对纳米材料研发、生产质控、监管合规及国际贸易的深远意义，指出其填补了高浓度纳米分散体尺寸原位表征领域的国际标准空白，为全球纳米产业的规范化发展提供了关键技术支撑。结论部分展望了未来基于SMLS技术的标准化发展方向，如多参数同步测量、在线过程监控及与其他技术的联用。关键词纳米技术；静态多重光散射；SMLS；液体分散体；纳米物体；平均尺寸；粒度表征；国际标准Keywords:Nanotechnologies;StaticMultipleLightScattering;SMLS;LiquidDispersions;Nano-objects;MeanSize;ParticleSizing;InternationalStandard正文1.引言：纳米材料表征的挑战与标准化需求纳米材料因其独特的尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，展现出区别于传统块体材料的优异性能。在众多应用场景中，纳米材料通常以液体分散体的形式存在，例如：纳米涂料、纳米药物递送系统、纳米抛光液、以及各类纳米复合浆料。在此类体系中，纳米物体的平均尺寸、尺寸分布及稳定性直接决定了产品的最终性能。例如，一个稳定的平均粒径是保证纳米药物批次间生物利用度一致性的前提；而纳米抛光液中的颗粒粒径偏差则可能导致晶圆表面划痕或抛光速率不均。然而，对液体分散体中纳米物体的精确表征，尤其是原位、无损、快速表征，一直是学界和工业界的难题。传统技术如动态光散射（DLS）依赖于样品的高度稀释，以计算理想的布朗运动，这一过程会破坏体系原有的平衡状态，可能因稀释引入新的团聚或解团聚效应，导致测量结果无法真实反映分散体的本体状态。此外，对于高浓度、不透明或具有复杂流变性的样品，DLS等光学方法几乎无能为力。其他技术如激光衍射（LD）在亚微米和纳米尺度的分辨率有限；而电子显微镜虽然精度高，但样品制备繁琐、统计量小，难以表征宏观体相性质。面对这些挑战，静态多重光散射（SMLS）技术作为一种新兴的、无需稀释的颗粒表征手段，展现出卓越的适应性。它利用光子在整个浑浊介质中的传输特性，直接提取关于颗粒浓度和尺寸的宏观平均信息。然而，为了确保SMLS技术在学术界和工业界的广泛应用具有一致性、可比性和可靠性，亟需建立一套国际公认的标准化操作规范。在此背景下，国际标准化组织（ISO）技术委员会ISO/TC229纳米技术委员会发布了ISO/TS21357:2022技术规范，标志着SMLS技术从科学研究走向标准化应用的关键一步。2.静态多重光散射（SMLS）技术原理与标准技术规范2.1技术原理概述SMLS技术的核心是通过探测光子在高浓度浑浊介质中经过数千次甚至上万次散射后的平均传输路径，来获取颗粒的尺寸信息。具体而言，该技术使用近红外激光光源垂直照射样品池（通常为圆柱形玻璃瓶）。探测器沿样品池高度方向扫描，测量经样品散射后未被吸收的透射光强度（\(T\)）和背散射光强度（\(BS\)）。根据光子传输理论，对于非吸收性的介质，光子的平均传输路径长度取决于两个物理参数：传输平均自由程\(l^{\*}\)和吸收长度\(l_a\)。在SMLS分析中，更常用的是光子在整个介质中的平均穿透深度\(P\)，它直接与\(l^{\*}\)相关。通过测量不同位置（或随时间变化）的\(T\)和\(BS\)信号，可以计算出介质的传输平均自由程\(l^{\*}\)。\(l^{\义}\)与颗粒的体积浓度（\(\phi\)）和散射截面（\(\sigma_s\)）以及结构因子（\(S(q)\)）紧密相关，最终反演出颗粒的几何平均尺寸（\(d\)）。与DLS不同，SMLS不依赖于布朗运动的随机性，因此对颗粒的运动速度（如沉降或上浮）不敏感，能够提供更稳定的本体平均尺寸。其核心优势在于：完全无需稀释，可对原始状态下的高浓度、复杂流变性的体系进行原位、在线、快速测量，并且能够区分是粒径变化还是浓度变化导致的信号改变。2.2ISO/TS21357:2022核心内容解读该标准文件作为一项技术规范，为使用SMLS技术评估液体分散体中纳米物体的平均尺寸提供了详尽的指导，其主要内容包括：-适用范围：明确规定了该标准适用于平均尺寸在10nm到10μm之间的纳米物体（包括纳米颗粒、纳米片、纳米纤维等），且分散体应具有足够的浑浊度（即满足多次散射条件）。标准特别强调其在非稀释体系中的应用优势。-术语和定义：统一规范了“静态多重光散射”、“传输平均自由程”、“平均穿透深度”、“平均尺寸”等关键术语的定义，确保了使用者对技术指标的理解一致。例如，明确“平均尺寸”指的是基于体积或强度的加权平均直径，区别于DLS给出的强度加权水合直径。-实验装置与样品制备：-要求仪器光源波长稳定（如658nm），探测器动态范围宽，至少能扫描整个样品瓶高度。-详细规定了样品瓶的材质、尺寸（通常为10-17mm外径的圆柱形玻璃瓶）以及清洁要求，以减少光散射干扰。-对样品制备提出了至关重要的要求：无需稀释。但强调样品在测量前应经过充分均匀化（如超声或搅拌），且应在样品管中确认无肉眼可见的大气泡。-测量程序：-规定了典型的测量参数，如扫描步长（如40μm）、扫描次数（如5-10次取平均）、单次扫描时间等。-提出了标准参考物质的校准要求。建议使用已知尺寸和折射率的聚苯乙烯乳胶球（例如200nm标样）进行仪器校准，以确保测量结果的溯源性。-数据处理与结果报告：-详细阐述了如何将测量的光强度（\(T\)和\(BS\)）转换为平均穿透深度\(P\)，并通过模型拟合得到\(l^{\*}\)。-给出了从\(l^{\*}\)计算平均粒径的数学模型。该模型要求使用者输入样品的光学常数：即颗粒的折射率（实部和虚部）和分散介质（如水、乙醇）的折射率。标准明确指出，折射率是影响结果准确性的最关键参数，不准确的折射率会导致显著偏差。-强调了对多分散体系，SMLS给出的是一个散射强度加权的平均直径，并建议使用辅助技术（如DLS、TEM）验证其代表性和合理性。-规定了结果报告应包含：测量温度、样品名称、测量时间、平均尺寸结果、仪器型号、以及校准和折射率假设条件。3.标准的技术先进性、应用价值与国际影响3.1技术先进性相较于传统的DLS、LD或显微镜法，ISO/TS21357:2022所规范的SMLS技术具有显著的技术先进性。其最核心的优势在于“原位、无稀释、高浓度”。这使得它能够直接反映纳米材料在最终应用配方中的真实状态。例如，在制药行业中，纳米药物在注射液中通常处于高浓度悬浮状态，稀释后可能发生解离或聚集，导致DLS测量结果完全失实，而SMLS则能精准地给出注射剂中原位的颗粒尺寸。此外，SMLS能够实时跟踪动态过程，如团聚、沉降、溶解和乳状液分层，这是其他技术难以做到的。例如，它可以连续监测纳米颗粒分散体在加入电解质后的团聚动力学，为产品稳定性研究提供宝贵的数据。3.2应用价值该标准的发布为多个战略新兴领域提供了强有力的技术支撑：-纳米药物研发与质控：在纳米乳剂、脂质体、聚合物纳米颗粒等给药载体的开发中，标准化的SMLS测量能够确保批次间尺寸的一致性，预测药物的体内释放和靶向行为，符合ICH（人用药品技术要求国际协调理事会）等监管机构对纳米药物表征的要求。-先进材料与功能涂料：在导电银浆、防指纹涂料、紫外固化胶粘剂等领域，产品配方通常为高固含的浆料。使用SMLS可以实时监控浆料在研磨、储运过程中是否存在团聚，从而优化生产工艺。-食品与化妆品：纳米粉底、防晒喷雾、功能性饮料中的纳米乳化和纳米悬浮体系，其尺寸直接影响产品的感官体验、涂抹均匀性和吸收效果。标准化的SMLS方法可以快速筛查产品稳定性。-工业催化与抛光：在CMP（化学机械抛光）浆料中，氧化硅或氧化铝颗粒的尺寸分布决定着晶圆表面的去除速率和缺陷率。SMLS可用于在线监控混合过程，确保浆料批次间的一致性和稳定性。4.主要参与单位介绍：Formulaction在ISO/TS21357:2022标准的制定过程中，法国Formulaction公司扮演了至关重要的角色。该公司不仅是SMLS仪器的商业化先驱，更是该技术领域最为活跃的标准制定参与者之一。Formulaction公司（全称FormulactionSA）成立于1985年，总部位于法国图卢兹。其前身是欧洲著名的软物质物理实验室——拉普拉斯（LAPLACE）实验室的衍生公司。公司自成立之初就专注于开发基于多散射技术的光学分析仪器，其核心技术即“静态多重光散射”。公司旗舰产品Turbiscan系列是目前全球最畅销的分散体稳定性分析仪和SMLS粒度分析仪之一。在标准制定中的贡献：作为ISO/TC229纳米技术委员会的活跃成员，Formulaction的工程师和科学家深度参与了SMLS标准的起草、技术验证和实验比对工作。他们利用自有专利的SMLS光路设计（如读数头、同步扫描技术），为标准的初始草案提供了详实的技术数据和用例。具体贡献包括：1.提供方法论基础：Formulaction的研发团队将多年的SMLS理论研究成果（如光子扩散理论和平均穿透深度算法）系统化、可操作化，转化为标准中可执行的测量与计算模型。2.组织国际比对：公司牵头组织了一场跨欧美亚的多个实验室间的循环比对实验，涵盖了不同品牌（主要为Turbiscan）的SMLS仪器，并使用了多种类型的标准纳米颗粒（如二氧化硅、氧化铝、聚合物乳胶）。通过比对，验证了标准方法在不同仪器、不同操作员手中的重现性，为标准的发布奠定了坚实的实验基础。3.提供参考数据：Formulaction利用其丰富的数据库，为标准中关于不同折射率校正、高浓度下的信号饱和、以及如何区分沉降与团聚等复杂场景提供了处理范例。目前，Formulaction在世界范围内有超过10,000家用户，其产品和解决方案被广泛应用于涂料、石油化工、制药、食品、化妆品等领域的研发和质量控制。公司在纳米颗粒尺寸表征和分散体稳定性领域的技术积累，使其成为SMLS技术从实验室专用工具走向国际标准化应用的核心推动力量。5.结论与展望ISO/TS21357:2022《纳米技术通过静态多重光散射（SMLS）评估液体分散体中纳米物体的平均尺寸》的发布，是纳米材料表征领域标准化进程中的重要里程碑。它填补了现有国际标准（如ISO22412（DLS）、ISO20998（超声衰减））难以覆盖的高浓度、不透明体系原位测量的空白。该标准不仅为研究人员提供了一种更贴近实际应用的、强有力的表征工具，更为工业界的质量控制、过程优化和产品合规提供了可靠、可追溯、可比较的技术框架。展望未来，基于SMLS技术的标准化工作有以下几个关键发展方向：1.向技术规范（TS）提升为国际标准（IS）迈进：随着SMLS技术的日益成熟和更广泛的行业应用，有理由相信，基于ISO/TS21357:2022的成功经验，未来将推动其升级为正式的ISO国际标准，进一步固化其权威地位。2.多参数同步标准化：目前SMLS主要给出平均尺寸和浓度信息。未来的标准化方向可能扩展到同步测量颗粒的动态变化速率（如团聚速率常数、沉降速率），并结合流变学，形成更加综合的分散体稳定性评价标准。3.在线过程监控的标准化：随着工业4.0（智能制造）的发展，将SMLS技术集成到生产线（如反应釜、研磨罐、灌装线）进行实时、在线监控的需求日益迫切。未来可能需要制定专门针对在线SMLS的接口规范、数据通讯协议和性能验证标准。4.与其他技术的联用与互认：建立SMLS与DLS、NTA、CP