ISOTS 53872023 纳米技术-吸入毒性试验用纳米材料的肺负荷质量测量标准立项发展报告

纳米技术——吸入毒性试验用纳米材料的肺负荷质量测量标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Nanotechnologies—Lungburdenmassmeasurementofnanomaterialsforinhalationtoxicitytests摘要随着纳米技术在医药、电子、能源及环境保护等领域的广泛应用，纳米材料的人体健康风险评估日益受到国际社会的高度关注。其中，吸入暴露是纳米材料进入人体的主要途径之一，而肺部沉积负荷量的精准测量是开展吸入毒性试验和建立剂量-效应关系的核心基础。然而，由于纳米材料在肺组织中的含量极低、基质复杂，传统测量方法在灵敏度、特异性和可重复性方面存在显著不足，制约了相关毒性数据的可靠性与可比性。为应对上述技术瓶颈与标准化需求，国际标准化组织（ISO）于2023年10月正式发布了ISO/TS5387:2023《纳米技术——吸入毒性试验用纳米材料的肺负荷质量测量》。该技术规范系统规定了基于感应耦合等离子体质谱法等分析技术的肺负荷质量测量程序，涵盖样品采集与制备、仪器校准、方法验证及质量控制等关键环节，旨在为全球纳米材料inhalation毒性试验提供统一、可靠、可追溯的测量依据。本报告对该标准的立项背景、技术内容、关键指标及行业应用进行了系统梳理与深入分析，阐述了该标准对提升纳米材料毒性试验数据质量、促进国际间数据互认以及支撑纳米材料安全监管的重要作用，并对标准实施后在全球范围内的推广应用前景进行了展望。关键词：纳米技术；吸入毒性试验；肺负荷；质量测量；ISO/TS5387；标准化；风险评估Keywords:Nanotechnologies;Inhalationtoxicitytest;Lungburden;Massmeasurement;ISO/TS5387;Standardization;Riskassessment一、引言1.1纳米材料安全评价的时代背景纳米材料因其独特的尺寸效应、表面效应和量子效应，在能源材料、生物医药、高端制造、环境治理等领域展现出巨大的应用潜力。据不完全统计，全球纳米材料市场规模已超过千亿美元量级，且保持年均两位数的增长率。然而，纳米材料的小尺寸特性使其具有不同于常规物质的生物动力学行为——纳米颗粒可深入肺泡区，穿越气血屏障进入血液循环，甚至通过嗅神经途径直接进入中枢神经系统。这使得纳米材料的吸入毒性评价成为纳米安全性研究中最受关注的方向之一。1.2吸入毒性试验中肺负荷测量的关键地位在吸入毒性试验中，肺部沉积剂量（即肺负荷）是连接外暴露浓度与内靶器官剂量的桥梁，也是建立剂量-效应关系、推导无可见有害作用水平（NOAEL）和进行暴露风险评估的关键参数。准确测量试验动物肺组织中的纳米材料质量负荷，不仅是计算肺部清除动力学参数的基础，更是将动物试验数据外推到人体、进行健康风险定量评估的前提条件。然而，肺负荷测量在技术上具有极大的挑战性。纳米材料在肺组织中的沉积量通常在微克至毫克级别，而肺组织的背景基质极为复杂，含有大量内源性金属元素和矿物质。如何在如此复杂的基质中实现对特定纳米材料的高灵敏度、高选择性定量，同时保证数据的准确性和可重复性，是长期以来困扰纳米毒理学界的核心难题之一。1.3国际标准化工作的紧迫需求在ISO/TS5387:2023发布之前，全球范围内尚无一项专门针对吸入毒性试验中纳米材料肺负荷质量测量的国际标准。各实验室普遍采用自行开发或改进的检测方法，在样品消解条件、仪器参数设置、校准策略和内标选择等方面存在显著差异，导致不同研究机构发布的肺负荷数据之间缺乏可比性，严重影响了纳米材料毒性数据的整合利用和国际间数据互认。因此，制定一项统一的技术规范，已成为纳米安全领域国际标准化工作的迫切任务。二、标准立项背景与研制过程2.1立项依据ISO/TS5387:2023由国际标准化组织ISO下设的ISO/TC229（纳米技术委员会）归口管理。该技术委员会成立于2005年，是国际上纳米技术标准化工作的核心机构，其工作范围涵盖纳米材料的术语、表征、健康安全及环境等方面。本技术规范立项的直接驱动力来自于ISO/TC229下属的WG3工作组（健康、安全与环境）在纳米材料吸入毒性试验标准化方面长期积累的工作成果。此前，ISO已发布了一系列与纳米材料inhalation毒性试验相关的标准文件，如ISO/TS21623（职业环境纳米材料暴露评估）、ISO10808（纳米材料inhalation毒性试验中的气溶胶表征）等，但在关键的肺负荷定量测量环节始终缺乏统一规范。WG3工作组在系统梳理各成员国实验室现有方法的基础上，经多轮国际比对研究和专家论证，于2019年正式提出制定本技术规范的提案。2.2研制历程ISO/TS5387:2023的研制历经了充分的国际协商与多轮技术评审：-2019年：ISO/TC229正式立项，编号为ISO/TS5387，成立专项工作组；-2019—2021年：工作组开展了广泛的国际实验室间比对（interlaboratorycomparison）研究，对多种候选测量方法进行了系统评估，涵盖方法灵敏度、检出限、加标回收率、重复性和再现性等关键性能指标；-2021—2022年：基于比对结果，起草委员会形成委员会草案（CD）和国际标准草案（DIS），面向全体成员国征求意见；-2023年：完成最终国际标准草案（FDIS）投票，于2023年10月27日正式发布。2.3与相关标准的关系本技术规范并非孤立存在，而是ISO纳米技术标准体系中不可或缺的一环。在操作层面，它与以下标准文件形成紧密的技术配套关系：-ISO10808：规定了吸入毒性试验中纳米气溶胶实时表征的技术要求；-ISO/TS21623：涉及职业场景中纳米材料的暴露评估；-OECD测试指南412/413：规定了吸入毒性试验的整体设计和实施规程。ISO/TS5387:2023与上述标准形成互补：前者明确了“给的是什么”（气溶胶暴露表征），本技术规范则解决了“到了多少”（肺内沉积剂量定量）这一关键问题，共同构建了完整的吸入毒性试验标准化链条。三、标准技术内容解析ISO/TS5387:2023全文共包含以下主要内容：范围、规范性引用文件、术语和定义、缩略语、测量方法选择原则、样品采集与制备、仪器分析、校准与质量控制、数据处理与报告等章节。以下对核心技术内容进行详细解析。3.1适用范围本技术规范适用于通过吸入途径染毒后，对试验动物（主要为啮齿类动物）肺组织中工程纳米材料（包括金属及金属氧化物纳米颗粒、碳纳米管、纳米纤维等）的质量负荷进行定量测量。适用的检测对象涵盖单质金属（如银、金、钛等）、金属氧化物（如二氧化钛、氧化锌、二氧化铈等）以及其他可被酸消解后以元素形式进行定量分析的无机纳米材料。需要特别说明的是，本技术规范适用于含有可被定量分析的元素成分的纳米材料，对于纯有机或碳基纳米材料（如某些聚合物纳米颗粒）的定量则需借助其他分析手段。在实际操作中，测量目标通常为纳米材料中的特征元素（如TiO₂中的Ti元素、ZnO中的Zn元素等），通过元素质量换算获得纳米材料的质量负荷。3.2规范性引用文件本技术规范引用了多项ISO和IEC标准作为规范性参考，主要包括：-ISO14488：颗粒材料取样方法；-ISO26824：纳米技术中颗粒表征的相关术语；-ISO/IEC17025：检测和校准实验室能力的通用要求；-ISO5725系列：测量方法与结果的准确度（正确度与精密度）。上述引用文件为试验操作中的取样规范、术语定义、实验室质量管理以及测量不确定度评定提供了基础性支撑。3.3关键术语与定义本技术规范对以下关键术语进行了明确定义：-肺负荷（lungburden）：在特定时间点沉积在肺组织中的纳米材料的总质量，通常以每只肺的微克数（μg/lung）或每克肺组织的微克数（μg/glungtissue）表示；-质量测量（massmeasurement）：采用适当分析技术对肺组织中纳米材料特征元素含量进行定量的过程；-加标回收率（spikerecovery）：向空白肺组织基质中加入已知量的纳米材料后，经完整样品前处理和分析流程后测得的回收比例，用于评估方法的准确度；-方法检出限（methoddetectionlimit,MDL）：在给定基质和条件下，方法能够可靠检出目标元素的最小浓度。3.4测量方法选择原则考虑到不同实验室在仪器配置和技术积累方面存在差异，本技术规范并未强制规定唯一的测量方法，而是基于方法学性能参数提出了选择原则和推荐方案。标准明确指出：所选方法应具备足够的灵敏度（检出限应低于预期肺负荷值的1/10）、准确度（加标回收率应在80%—120%范围内）和精密度（相对标准偏差RSD应≤15%）。在方法推荐层面，本技术规范明确推荐感应耦合等离子体质谱法（ICP-MS）作为首选定量手段。其主要优势包括：-检出限低（可达ng/L甚至pg/L级别），完全满足肺组织中微量纳米材料的检测需求；-动态线性范围宽，可同时覆盖多个数量级的浓度跨度；-具备多元素同时分析能力，适用于复合纳米材料的同步定量；-可与激光剥蚀（LA）技术联用，实现组织切片上的空间分布分析。对于仪器条件不具备ICP-MS的实验室，标准允许采用感应耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）作为替代方案，但要求如实报告所使用方法的检出限和不确定度。3.5样品采集与制备样品采集与制备环节是影响测量准确度的关键因素，本技术规范对此给出了极为详细的操作指引：（1）样品采集-试验动物处死后，应立即完整摘取双肺，去除气管及外部结缔组织；-记录肺组织湿重，为后续单位质量浓度换算提供基准数据；-样品如不能立即分析，应在-80°C条件下冷冻保存，但保存时间不宜超过6个月，以避免元素形态变化。（2）样品消解-推荐采用微波辅助酸消解法，以确保纳米材料在肺组织基质中的完全溶解；-消解酸体系推荐使用硝酸与过氧化氢的混合体系（典型配比为HNO₃:H₂O₂=4:1），必要时可加入少量氢氟酸以促进含硅纳米材料的完全消解；-消解温度和持续时间应通过加标回收试验进行优化，确保纳米颗粒被完全溶解的同时避免挥发性元素损失。（3）空白对照-每批次样品分析必须包含至少3个空白肺组织样品（来自未染毒动物），用于扣除背景干扰；-如肺组织中目标元素背景含量较高（如Fe、Zn等内源性元素），建议采用同位素稀释法或标准加入法进行校正。3.6仪器分析与质量控制在仪器分析环节，本技术规范强调了以下质量控制要点：-内标选择：推荐使用与目标元素质量数接近、在自然界中丰度稳定的同位素（如¹¹⁵In、¹⁰³Rh、¹⁹³Ir等）作为内标元素，以校正仪器信号漂移和基质效应；-校准曲线：至少包含6个浓度梯度点，线性相关系数不低于0.995；每批次分析需重新建立校准曲线；-质控样品：每批次样品中应插入至少2个独立配制的质控样品（QC），其测定值偏差应在理论值的±15%以内；-重复分析：每个肺组织样品至少进行平行双样分析，平行样RSD应控制在10%以内。3.7数据处理与不确定度评定测量结果的表达方式建议统一为“每只肺的纳米材料质量”（μg/lung）或“每克湿肺组织的纳米材料质量”（μg/gwettissue）。在数据报告时，应明确标注：-所采用的测量方法及仪器型号；-方法检出限和定量限；-加标回收率及不确定度评估结果；-样品数量、动物个体间变异及统计处理方法。不确定度评定应依据GUM（测量不确定度表示指南）框架进行，综合考虑称量误差、消解不完全、基质效应、仪器波动及校准曲线拟合误差等不确定度来源。四、标准的主要技术亮点与创新4.1首次建立国际统一的肺负荷定量方法框架ISO/TS5387:2023是国际上首个专门针对吸入毒性试验中纳米材料肺负荷质量测量的标准化技术文件，填补了该领域国际标准的空白。此前，各实验室在这一环节长期处于“各自为政”的状态，数据不可比、不可溯、不可重复的问题极为突出。本技术规范的发布为全球纳米毒理学实验室提供了统一遵循的方法框架。4.2引入分析方法性能验证的量化指标相较于一般性技术报告，本技术规范在方法性能验证方面给出了量化评价指标，如灵敏度（检出限低于预期负荷值的1/10）、准确度（加标回收率80%—120%）和精密度（RSD≤15%）。这些量化指标使得标准的可操作性显著增强，实验室可以对照指标进行方法确认和质量评估，有效保障了数据的可靠性。4.3强调基质效应校正与质量保证体系五、主要起草单位介绍ISO/TS5387:2023的制定汇聚了全球多个国家标准化机构和顶尖实验室的专家力量。其中，美国国家标准与技术研究院（NIST）在标准研制过程中发挥了不可替代的核心技术支撑作用。NIST作为国际知名的计量与标准研究机构，在纳米材料计量和标准化领域拥有深厚的技术积淀。其下属的材料测量实验室（MML）长期致力于纳米材料物理化学性质表征与计量方法研究，在高分辨率ICP-MS方法开发、纳米颗粒追踪分析、肺部生物样本中纳米材料定量等方面积累了丰富经验。在ISO/TS5387的研制过程中，NIST不仅牵头组织了多轮国际实验室间比对研究，还主导了方法检出限统一评价和不确定度评定框架的建立。NIST研究团队基于其在痕量元素分析领域的长期积累，为本技术规范中的仪器分析参数优化、基质效应校正策略和质量控制要求提供了大量实验数据和经验支持。此外，NIST还利用其在国际计量体系中的核心地位，推动了本技术规范与VAMAS（凡尔赛先进材料标准项目）等国际预标准化组织相关成果的衔接。除NIST外，来自德国联邦职业安全与健康研究所（BAuA）、日本产业技术综合研究所（AIST）、法国国家食品安全、环境与劳动卫生署（ANSES）以及中国国家纳米科学中心等机构的专家也在标准编制中发挥了重要作用，贡献了来自不同监管体系和研究视角的专业意见。六、标准实施的意义与应用前景6.1提升纳米材料毒性数据的质量与可比性ISO/TS5387:2023的实施将有效解决目前吸入毒性试验中肺负荷数据不可比的核心痛点。通过在全球范围内统一测量方法框架和质量控制要求，不同实验室、不同研究项目之间产生的肺负荷数据将有望实现真正意义上的整合和比较，为纳米材料毒性数据库的建设和系统评价打下坚实基础。6.2支撑纳米材料监管科学的发展6.3促进纳米药物的转化研究在纳米药物研发领域，吸入给药是治疗肺部疾病（如肺癌、肺部感染、囊性纤维化等）的重要给药途径。ISO/TS5387:2023所确立的肺负荷精准定量方法，不仅服务于毒性评价，还可直接应用于纳米药物的肺部药代动力学研究，为剂量设计、制剂优化和疗效评价提供关键技术手段。6.4推动自动化与高通量分析技术的融合随着分析仪器自动化和智能化水平的快速提升，未来肺负荷测量有望实现更高通量的样品处理和数据采集。本技术规范所确立的方法框架具有良好的扩展性，可为后续引入自动化样品制备系统、在线消解技术及基于机器学习的数据处理算法预留接口，推动肺负荷测量从“手工精工”向“高效标准”方向持续演进。七、结论