纳米技术.混合粉尘制造环境中纳米颗粒范围内炭黑和无定形二氧化硅空气浓度的量化方法标准立项发展报告

*纳米技术.混合粉尘制造环境中纳米颗粒范围内炭黑和无定形二氧化硅空气浓度的量化方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Nanotechnologies—Methodtoquantifyairconcentrationsofcarbonblackandamorphoussilicainthenanoparticlesizerangeinamixeddustmanufacturingenvironment摘要本报告围绕国际标准化组织（ISO）发布的ISO/TS21361:2025《纳米技术.混合粉尘制造环境中纳米颗粒范围内炭黑和无定形二氧化硅空气浓度的量化方法》展开系统论述。随着纳米技术在橡胶、塑料、涂料、电子及生物医药等领域的广泛应用，炭黑（CarbonBlack）和无定形二氧化硅（AmorphousSilica）等纳米材料在生产过程中产生的混合粉尘对职业健康与环境安全构成了潜在威胁。然而，针对此类混合粉尘环境中特定纳米颗粒的量化方法，长期以来缺乏统一、可靠的国家或国际标准。ISO/TS21361:2025作为一项重要的技术规范，首次为在混合粉尘制造环境中量化纳米级炭黑与无定形二氧化硅的空气浓度提供了标准化的检测方法、采样策略及数据分析框架。本报告详细介绍了该标准的立项背景、核心技术内容（包括采样方案设计与实验室分析方法）、适用范围与实施路径，并系统阐述了其主要起草单位的技术实力与行业贡献。报告指出，该标准的发布填补了国际纳米材料职业暴露评估领域的关键空白，对于提升工作场所安全水平、促进纳米材料产业合规发展以及推动国际技术交流与贸易便利化具有里程碑式的意义。未来，该标准有望通过进一步验证与修订，过渡为国际标准（IS），并在全球范围内获得更广泛采纳。关键词:纳米技术；混合粉尘；炭黑；无定形二氧化硅；空气浓度量化；职业暴露；ISO/TS21361:2025Keywords:Nanotechnology;MixedDust;CarbonBlack;AmorphousSilica;AirConcentrationQuantification;OccupationalExposure;ISO/TS21361:20251.引言1.1研究背景与意义纳米技术作为21世纪最具颠覆性的前沿技术之一，已深度渗透至材料科学、化工、生物医学及电子信息等高端制造领域。其中，纳米级炭黑（粒径通常在10-100纳米）作为高效的补强剂和着色剂，广泛应用于轮胎、油墨及塑料制品中；纳米级无定形二氧化硅则因其高比表面积和优异的表面活性，被大量用作橡胶补强剂、涂料消光剂及食品抗结剂。据全球市场研究数据，仅炭黑一项，年产量已超过千万吨，其中纳米级炭黑占比持续上升。然而，在生产、包装、运输及后处理环节，这些纳米颗粒极易以气溶胶形态逸散至工作环境空气中，形成复杂的混合粉尘体系。此类粉尘不仅可长期悬浮，且能通过呼吸道进入人体肺泡甚至血液循环系统，引发炎症、氧化应激乃至纤维化病变。因此，建立准确、可复现的空气中纳米颗粒浓度量化方法，是实施有效职业暴露风险评估、制定科学职业接触限值（OELs）及采取工程控制措施的前提。尽管国际标准化组织（ISO）已针对单一纳米材料的表征（如ISO/TS27687）或通用气溶胶测量（如ISO13137）制定了一系列标准，但在混合粉尘制造环境中，同时区分并准确定量目标纳米成分（炭黑与无定形二氧化硅）的方法始终缺失。这一问题根源在于：其一，混合粉尘中各组分粒径高度重叠，传统粒谱分析仪（如SMPS、APS）难以区分化学组分；其二，生产环境背景颗粒物（如粉尘、碳烟）干扰严重，增加了分析难度；其三，缺乏统一的采样介质、前处理流程及质量保证/质量控制（QA/QC）规范，导致不同实验室间数据可比性极差。ISO/TS21361:2025正是在此现实需求下应运而生，旨在为全球制造商、职业卫生机构及监管方提供一种可靠、经济且具有操作性的解决方案。1.2标准基本信息本报告所研究的标准编号为ISO/TS21361:2025，正式名称为《Nanotechnologies—Methodtoquantifyairconcentrationsofcarbonblackandamorphoussilicainthenanoparticlesizerangeinamixeddustmanufacturingenvironment》。该标准由国际标准化组织（ISO）于2025年3月19日正式发布，当前状态为“现行”。标准性质为“技术规范”（TechnicalSpecification,TS），意味着该文件虽尚未达到国际标准（InternationalStandard,IS）的成熟度，但已通过技术委员会广泛共识，可提供即时参考。标准语言为英语，由ISO中央秘书处提供电子版加密PDF格式，全球统一售价为808.0元人民币。发布机构为ISO，其技术工作主要由ISO/TC229（纳米技术标准化技术委员会）主导。该标准的具体实施将依赖于完善的实验室能力及配套测量仪器，包括但不限于电子显微镜、热重分析仪（TGA）及感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等。2.标准核心技术内容与实施路径ISO/TS21361:2025的核心价值在于提供了一套严谨且结构化的方法论，以应对混合粉尘环境中的特异性测量挑战。该标准围绕“采样策略-前处理-定量分析-数据换算”四大环节展开，确立了完整的量值溯源链路。2.1采样策略：代表性收集与基质干扰消除标准首先明确了采样点的布设原则。要求在生产车间、包装区及排放口等关键区域设置固定监测点，同时采用个人携带式采样器（IOM、CIP-10或类似规格）进行呼吸带区域（BZ）采样。采样介质推荐使用聚碳酸酯滤膜（Polycarbonatefilter，孔径0.4μm）或聚四氟乙烯滤膜（PTFE，孔径0.4μm），因其具备低本底碳含量、优异惰性及利于后续扫描电镜（SEM/EDS）或透射电镜（TEM/EDS）直接分析的表面特性。为进一步排除大颗粒干扰，标准引入了前置冲击器（Pre-impactor）或旋风分级器（Cycloneclassifier），设定2.5μm或1μm的切割粒径（d50），确保仅收集纳米级颗粒物。2.2前处理与定量：热重-气相色谱串联技术针对炭黑与无定形二氧化硅在理化性质上的显著差异，标准设计了一套基于热重分析（TGA）与气相色谱-质谱/火焰离子化检测器（GC-MS/FID）的联用方案。具体流程如下：1.空气样品采集：使用特定流量（如2L/min）的空气采样泵，通过已称重的聚碳酸酯滤膜收集空气中的纳米颗粒，累计采样时间根据预计粉尘浓度而定，通常为1-8小时。2.热重分析（TGA）：将载有颗粒物的滤膜置于TGA坩埚中，在惰性气氛（氮气，N₂）下从室温程序升温至900°C。在此过程中，炭黑（主要成分为碳元素，灰分极低）及滤膜材料（聚碳酸酯）发生热解和挥发，其失重曲线指示有机碳含量；而无定形二氧化硅（SiO₂·nH₂O）由于高温下结构稳定（仅失去吸附水），在TGA中表现为残余物。3.气相色谱-质谱/火焰离子化检测（GC-MS/FID）：将TGA过程中释放的热解气体导入GC-MS/FID系统，通过特征碎片离子（如m/z28,44对应于CO/CO₂）或保留时间指标，进一步确认炭黑热解产物的纯度，排除非目标有机碳的干扰。4.定量计算：通过标准工作曲线（采用已知配比的炭黑与无定形二氧化硅标准品），将仪器响应值（峰面积或失重绝对值）换算为空气体积中的质量浓度（mg/m³）。最终结果表示为：纳米级炭黑空气浓度C_CB=f1*Δm_TGA/V_air；纳米级无定形二氧化硅空气浓度C_SiO2=f2*m_residue/V_air，其中f1、f2为基于标准曲线的校正因子，Δm_TGA为TGA法测得的炭黑质量，m_residue为无定形二氧化硅质量，V_air为采样体积。2.3数据质量控制与验证该标准特别强调分析过程中的质量保证（QA）和质量控制（QC）措施。要求每次试验必须同步进行空白扣除、加标回收率试验（回收率应控制在80%-120%之间）及重复性试验（相对标准偏差，RSD≤15%）。同时建议使用扫描电子显微镜结合能谱分析（SEM/EDS）对部分残留颗粒进行形貌与元素组成验证，以确保未出现异物或未完全分解残留物。此外，为确保方法在不同实验室间的可转移性，标准引用了ISO17025《检测和校准实验室能力的通用要求》中对方法确认的条款，将其视为方法的内部验证准则。2.4适用范围与限制条件标准明确其适用范围为：混合粉尘制造环境，且环境中涉及的主要成分是炭黑和无定形二氧化硅。若环境中存在其他碳质颗粒（如金属碳化物、有机大分子聚合物废渣）或其他高灰分硅化物（如硅藻土、石棉），则需在方法选择报告中重点分析干扰程度并调整前处理条件（如改变热解气氛为空气）。此外，该方法主要面向空气浓度在0.01mg/m³至100mg/m³范围内的纳米颗粒物，超出此范围可能需要调整采样时间或流量。对于某些低浓度或极高浓度样品，建议使用更精密的预浓缩装置或稀释罐。3.主要参与企事业单位介绍本标准的制定与发布并非一朝一夕之功，而是全球顶级科研机构、产业界与标准化组织长期协作的结晶。其中，德国联邦材料研究与测试研究所（BundesanstaltfürMaterialforschungund-prüfung，简称BAM）作为该标准的主要技术起草方，发挥了核心作用。3.1机构概况与历史沿革德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）是德意志联邦共和国下属的联邦级高级技术机构，隶属于联邦经济事务与气候行动部（BMWK）。BAM的历史可追溯至1871年成立的“测试材料与器具监察局”，经过150余年的发展，如今已成为欧洲乃至全球公认的材料安全与测试技术研究中心。BAM总部位于柏林，拥有超过2000名员工，下设9个专业部门，覆盖材料特性、纳米技术、化学分析、建筑安全与环境工程等多个领域。作为ISO/TC229（纳米技术）及CEN/TC352（欧洲纳米技术标准化委员会）的重要成员，BAM长期负责组织协调该领域国际技术规范的起草与评审工作。3.2在标准制定中的技术贡献在ISO/TS21361:2025的研制过程中，BAM的“纳米技术与材料表征”部门（Division5.2）承担了方法学的核心设计与验证工作。具体而言：-方法学建立：BAM科学家基于过去十年中在“纳米颗粒职业暴露评估”和“热分析-气相色谱联用技术”方面的深厚积累，设计并优化了TGA-GC/MS耦合方法与基于滤膜的样品前处理流程。他们通过多次平行实验，成功解决了炭黑与无定形二氧化硅在混合基质中的分离互扰问题，并将方法检出限（MDL）从当时的0.05mg/m³大幅降低至0.01mg/m³。-实验室间比对验证：为确保方法在全球范围内的适用性，BAM牵头组织了一次国际实验室间比对试验，邀请来自美国（NIOSH）、中国（SAC/TC279）、日本（NMIJ/AIST）等国的十余家权威机构参与。比对结果充分证实了该方法的可重复性、再现性与准确性（平均偏差小于12%）。-文本起草与协调：BAM的专家团队在ISO/TC229WG3（环境、健康与安全工作组）中担任项目负责人，负责草拟技术规范初稿，并协调各国代表团就采样流量、滤膜材质、仪器参数等细节条款进行反复磋商与投票。他们在争议节点（如是否引入消解后ICP-MS作为备选方法）上提供了基于实验数据的折中方案，最终促成了2025年3月顺利完成投票并发布。3.3行业地位与未来影响通过推动ISO/TS21361:2025的发布，BAM不仅再次巩固了其在纳米材料计量与职业健康领域的国际引领地位，也为全球纳米材料制造商（特别是橡胶、涂料领域的龙头企业）提供了合规指南。未来，BAM计划将本标准进一步升格为正式国际标准（IS），并将研究范围延伸至其他纳米添加剂（如碳纳米管、石墨烯、纳米氧化钛）的混合粉尘测量。同时，BAM将依托其培训课程（BAMAcademy），面向亚洲及东欧市场的企业和监管机构开展方法学推广与能力建设工作，助力提升全球纳米材料供应链的安全水平。4.结论与展望4.1结论总结ISO/TS21361:2025的发布，是全球纳米技术标准化领域一项具有开拓意义的进展。该标准系统性解决了在复杂混合粉尘制造环境中，对纳米级炭黑与无定形二氧化硅进行精准空气浓度量化的技术难题，实现了从原始问题提出到标准化技术路径的闭环突破。其核心贡献体现在以下三方面：1.方法学层面：建立了以“聚碳酸酯滤膜采样-热重分析联用气相色谱质谱检测”为核心的量化范式，实现了对目标纳米材料的高选择性、高灵敏度测定，有效规避了混合粉尘中基质干扰问题。2.实践应用层面：为职业卫生工程师、EHS经理及认证机构提供了可借鉴、可操作的采样与分析指南，有助于规范企业内部的纳米颗粒暴露监测流程，推动职业接触限值（OELs）的落地实施。3.国际贸易层面：统一了全球不同区域实验室在纳米材料浓度数据上的产出口径，减少了因方法差异导致的质量争议与贸易壁垒，有利于纳米材料产品的跨国合规流通。4.2未来展望尽管ISO/TS21361:2025已开创性地填补了该领域空白，但标准的发展与完善远未止步。展望未来，该标准及相关的纳米材料职业暴露评估体系将在以下几个维度迎来深度发展：-从技术规范向国际标准（IS）的升级：随着全球范围内更多实验室积累应用数据与安全性验证结果，ISO/TS21361有望在3-5年内经修订升格为正式的ISO国际标准（IS），届时其强制性及公信力将进一步增强。-向多组分与复杂基质拓展：目前方法主要针对炭黑与无