ISOTS 246722023 纳米技术-纳米颗粒数浓度测量指南标准立项发展报告

纳米技术——纳米颗粒数浓度测量指南标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Nanotechnologies—GuidanceontheMeasurementofNanoparticleNumberConcentration摘要纳米颗粒数浓度是表征纳米材料特性的核心参数之一，对纳米技术的产业化应用、环境健康安全评估及法规监管具有举足轻重的意义。然而，由于纳米颗粒尺寸小、易团聚、体系复杂，其数浓度的准确测量长期面临方法分散、数据可比性差等国际性难题。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年11月6日正式发布了ISO/TS24672:2023《纳米技术——纳米颗粒数浓度测量指南》。本报告系统梳理了该标准的立项背景、制定历程、核心技术内容及其国际影响。该标准作为一项技术规范（TechnicalSpecification），首次系统整合了电子显微镜、粒子追踪分析、动态光散射、凝聚粒子计数器等多种测量技术，构建了涵盖方法选择、样品制备、测量操作、数据处理及不确定度评定在内的全流程技术框架。标准的发布有效填补了纳米颗粒数浓度测量领域国际标准的空白，为全球纳米技术产业提供统一的技术语言和质量基准。本报告还介绍了主要参与单位的相关工作，并对标准实施前景与后续修订方向进行了展望。关键词：纳米技术；纳米颗粒；数浓度测量；国际标准；ISO/TS24672；计量溯源Keywords:Nanotechnologies;Nanoparticles;NumberConcentrationMeasurement;InternationalStandards;ISO/TS24672;MetrologicalTraceability1引言1.1纳米颗粒数浓度测量的重要意义纳米科技是21世纪最具变革性的前沿技术领域之一。据经济合作与发展组织（OECD）统计，全球纳米材料市场预计到2030年将达到数千亿美元规模，纳米材料已在能源、环境、生物医药、电子信息、日化产品等领域实现广泛应用。在纳米材料的生产、使用和处置全生命周期中，纳米颗粒的数浓度——即单位体积或单位质量中所含颗粒的数量——是决定材料功能特性和潜在风险的关键参数。例如，在药物递送系统中，纳米载体的颗粒数浓度直接影响给药剂量和疗效；在环境监测中，空气和水体中的纳米颗粒数浓度是评估人体暴露水平和生态风险的核心指标；在纳米材料产品质量控制中，数浓度的一致性直接关乎批次间质量稳定性。然而，与颗粒质量浓度、粒径分布等较为成熟的测量指标相比，纳米颗粒数浓度的准确测量面临更大的技术挑战。一方面，纳米颗粒尺寸处于1nm至100nm范围内，远超传统光学显微镜的分辨极限；另一方面，纳米颗粒在实际体系中往往以团聚体、聚集体等多种形态存在，对其精准计数带来了极大困难。不同实验室采用不同方法和仪器所获得的结果之间缺乏可比性，这一问题已严重制约了纳米技术的标准化进程和产业规范化发展。1.2国际标准化背景ISO于2005年成立了纳米技术标准化技术委员会（ISO/TC229），其工作范围涵盖纳米技术的标准化，包括纳米材料的表征、测量、健康安全及环境问题。与此同时，国际电工委员会（IEC）也设立了IEC/TC113，专注于纳米技术标准化中与电气电子领域相关的工作。两大技术委员会在国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）的框架下协同推进纳米技术标准体系建设。截至ISO/TS24672:2023发布之时，ISO/TC229已发布和正在制定的标准超过80项，涵盖了纳米材料的术语定义、表征方法、毒理学评价、环境安全等多个方面。在颗粒表征领域，已有的国际标准多集中于粒径分布测量（如ISO22412:2017动态光散射法）、比表面积测量等参数，而针对数浓度测量的系统性、跨方法指南仍属空白。这一标准空白直接限制了纳米材料监管法规的有效实施——例如，欧盟REACH法规和欧盟委员会纳米材料定义建议中，颗粒数浓度被明确列为判定纳米材料属性的关键指标，但缺乏统一的测量标准和指南，使得法规执行面临巨大障碍。1.3标准立项的必要性与紧迫性在上述背景下，制定一项专门针对纳米颗粒数浓度测量的国际标准指南具有充分的必要性和紧迫性：第一，技术需求的迫切性。纳米颗粒数浓度测量涉及多种物理原理截然不同的技术路径，各方法在适用粒径范围、样品状态要求、测量精度等方面存在显著差异。使用者和监管者亟需一份权威的技术指南，帮助其根据具体应用场景选择合适的方法并进行规范化操作。第二，法规符合性的需求。随着全球主要经济体陆续出台纳米材料监管法规，产业界迫切需要满足法规要求的标准化测量方法，以证明产品合规性。没有统一的数浓度测量标准，产品的法规符合性评估就缺乏技术依据。第三，数据互认的需求。纳米技术的国际合作和贸易往来要求不同实验室、不同国家之间产生的测量数据具有可比性和互认性。ISO框架下的国际标准是实现测量结果全球互认的技术基础。第四，新兴技术发展的需求。近年来，粒子追踪分析（PTA）、单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）等新兴技术的快速发展为数浓度测量提供了更多选择，但这些新技术的方法验证和标准化工作尚需系统推进。2标准制定过程2.1标准立项ISO/TS24672:2023的制定工作由ISO/TC229纳米技术标准化技术委员会发起，具体由负责纳米材料表征的WG4工作组推进。该工作组汇聚了来自全球各国的纳米技术专家、计量学家和产业界代表。在标准立项阶段，ISO/TC229组织开展了系统的需求调研和可行性分析。来自学术界、产业界和监管机构的反馈一致表明，纳米颗粒数浓度测量指南是当前纳米技术标准化领域中优先级最高的议题之一。经过多轮讨论和成员国投票，该标准项目正式立项，并被确定为技术规范（TechnicalSpecification,TS）类型。选择TS而非国际标准（IS）形式发布，主要考虑因素包括：纳米颗粒数浓度测量技术尚处于快速发展阶段，部分方法仍在持续完善中，以技术规范形式发布有利于及时响应技术发展，并在收集充分的应用反馈后适时转化为正式国际标准。2.2起草与审议过程标准起草工作遵循ISO导则规定的程序，经历了新工作项目提案（NP）、工作草案（WD）、委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）等阶段。在起草过程中，WG4工作组组织了多轮国际同行评审，广泛征集来自各国标准化机构、科研院所、检测机构和产业界的意见。起草过程中的几个核心议题包括：其一，如何在指南中体现不同测量方法的适用性和局限性——工作组最终采用了方法分类加应用指导的结构框架；其二，如何协调不同技术领域的术语差异——为此，标准严格遵循ISO/TS80004系列标准中关于纳米技术术语的定义；其三，如何指导用户进行测量不确定度评定——参考了ISO/IEC98-3（测量不确定度表示指南，GUM）的框架。经过约三年的深入讨论和反复修改，标准最终在2023年完成了最终草案（FDIS）阶段的投票，获得成员国多数通过。2.3标准发布ISO/TS24672:2023于2023年11月6日正式发布。该标准为现行有效版本，使用语言为英语，由国际标准化组织（ISO）中央秘书处负责出版发行。3标准主要内容3.1标准定位与适用范围ISO/TS24672:2023属于纳米技术标准体系中方法指南类文件。标准规定了纳米颗粒数浓度测量的通用指南，适用于以下范围：液体分散体系中纳米颗粒的数浓度测量、气溶胶体系中纳米颗粒的数浓度测量、以及部分可用于固体材料中纳米颗粒数浓度表征的方法指导。标准明确说明其适用范围包括但不限于：engineerednanomaterials（工程纳米材料）的悬浮液和分散液、大气和环境气溶胶中的纳米级颗粒、以及工业过程中产生的纳米颗粒。该标准不适用于天然存在的纳米级颗粒（如天然有机质）的特定测量场景，但在方法选择原则上可提供参考。3.2术语和定义标准引用了ISO/TS80004系列标准中关于纳米技术的核心术语定义，同时针对数浓度测量专门定义了若干关键术语，包括：颗粒数浓度（particlenumberconcentration）、计数效率（countingefficiency）、检测下限（detectionlimit）、粒径分辨力（sizeresolution）等。术语定义的明确化和统一化是保证标准的可操作性和全球适用性的基础。3.3测量方法分类与技术要素标准的核心内容在于对各类纳米颗粒数浓度测量方法进行了系统梳理和分类。根据不同方法的测量原理和技术特征，标准将当前主流测量方法划分为以下主要类别：（1）基于粒子计数的单颗粒检测方法-凝聚粒子计数器（CPC）：适用于气溶胶中纳米颗粒数浓度测量，通过颗粒生长放大后逐一计数，检测下限可达1nm以下。-纳米颗粒追踪分析（NTA）：基于暗场显微镜下颗粒布朗运动的实时追踪，通过单个颗粒散射信号的检测实现数浓度测量，适用粒径范围约10-1000nm。-单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）：利用质谱检测单个无机纳米颗粒的电离信号，可实现含金属纳米颗粒的数量和数浓度同步测量，检测灵敏度可达ng/L级别。-电阻脉冲传感（RPS）：基于库尔特原理的纳米级改进技术，可对导电和非导电颗粒进行单颗粒计数。（2）基于场流分离或色谱分离与在线检测联用的方法-场流分离（FFF）与多角度光散射（MALS）、质谱等检测器联用，可在实现颗粒按尺寸分离后逐一计数或分组计数。-高效液相色谱（HPLC）或尺寸排阻色谱（SEC）联用检测技术，适用于特定类型纳米颗粒的分离计数。（3）基于显微镜成像的统计计数方法-扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）结合图像分析技术，通过对显微图像中颗粒的逐一识别和统计，获取数浓度信息。-原子力显微镜（AFM）也可用于特定条件下的颗粒成像计数。（4）基于系综平均信号的间接测定方法-动态光散射（DLS）虽然主要提供粒径信息，但结合已知质量浓度和有效密度等信息可间接推算数浓度，适用于单分散样品的估算。-紫外-可见光谱法、荧光光谱法等方法在某些特定体系中也可用于数浓度的间接推算。标准针对每种方法均详细阐述了其测量原理、适用粒径范围、样品要求、典型检测限、测量不确定度来源以及优缺点比较。3.4测量过程指南标准在方法介绍的基础之上，提供了横跨整个测量过程的系统化指南：在测量方法的选择方面，标准提出了基于样品的物理化学性质（如颗粒尺寸、形态、表面化学、密度）、分散介质特征（如黏度、折射率、离子强度）、预期浓度范围、所需测量精度和准确性、可用的仪器设备条件等多因素的综合决策路径。在样品制备方面，标准系统阐述了纳米颗粒分散体系制备的关键步骤，包括分散剂的选择原则、超声分散参数的优化、悬浮液稳定性的评估方法等，并强调样品制备过程对测量结果的决定性影响。在测量操作方面，标准针对不同方法给出了具体的操作要点和质量控制建议，包括仪器校准、空白测定、样品稀释比选择等。在数据处理与不确定度评定方面，标准要求测量结果应附带合理的不确定度估计，并引入了测量不确定度评定的基本框架。3.5质量控制和验证标准设专项条款强调质量控制和验证的重要性，提出了使用标准参考纳米颗粒材料进行仪器校准和方法验证的建议，推荐使用ISO/TS24672中列出的参考材料或各国计量机构认证的标准物质进行仪器性能的定期校验。同时，标准建议实验室应建立内部质控程序并积极参加能力验证活动。3.6标准附录标准包含若干资料性附录，提供了不同方法的快速选择对照表、典型测量条件示例、数据处理示例以及标准参考材料的清单和信息。这些附录增强了标准的使用便利性。4主要参与单位ISO/TS24672:2023的制定汇聚了来自全球多个国家的标准化机构和研究机构的共同努力。在众多参与单位中，韩国标准与科学研究院（KoreaResearchInstituteofStandardsandScience，KRISS）在标准制定中做出了突出贡献。4.1韩国标准与科学研究院简介韩国标准与科学研究院（KRISS）是韩国国家计量院（NMI），成立于1975年，是韩国科学和信息通信技术部下属的政府资助研究机构。作为韩国的国家计量标准机构，KRISS负责建立和维护韩国国家测量标准体系，确保测量结果与国际单位制（SI）的一致性。KRISS下设纳米材料测量中心等多个专业研究部门，在纳米颗粒表征、纳米材料计量、纳米安全性评价等领域开展了长期系统性研究，是亚洲地区纳米计量领域最具影响力的研究机构之一。4.2技术贡献在ISO/TS24672:2023的制定过程中，KRISS团队主要承担了以下方面的研究工作：在粒子追踪分析技术的标准化方面，KRISS长期从事NTA方法的基础研究和验证工作，建立了NTA测量的参考方法和操作规程，为标准中NTA方法相关技术内容的起草提供了关键基础数据。在标准参考材料的研制方面，KRISS研制了金纳米颗粒、聚苯乙烯乳胶球等多种规格的纳米颗粒标准物质，相关标准物质已在全球范围内被广泛用于纳米颗粒数浓度测量的校准和质量控制。此外，KRISS的专家团队还深度参与了标准中样品制备指南和数据处理建议部分的讨论和起草工作，其关于纳米颗粒分散性和稳定性评估的研究成果被直接吸收到标准的相关技术条款中。KRISS还主导组织了多项纳米颗粒数浓度测量的国际比对研究，为验证标准中推荐方法的准确性和可比性发挥了重要作用。4.3国际影响力KRISS在国际纳米计量领域具有重要的影响力。其专家长期担任ISO/TC229的韩国对口专家，在多项纳米技术国际标准的制定中贡献了专业力量。KRISS在纳米计量领域的突出成就也使其成为国际计量委员会（CIPM）框架下纳米计量工作组的活跃成员。通过参与ISO/TS24672:2023的制定，KRISS不仅为全球纳米颗粒数浓度测量的标准化做出了贡献，也进一步提升了韩国在国际纳米标准化领域的话语权和影响力。5标准实施意义与应用前景5.1对纳米技术产业发展的意义ISO/TS24672:2023的发布实施对全球纳米技术产业发展产生了重要而深远的影响。在产业层面，该标准为纳米材料生产企业的质量控制提供了明确的技术指南。企业可以依据标准中的方法选择路径和操作规程，建立内部数浓度测量能力，确保产品批次间的一致性和质量稳定性。这对于纳米材料在药物递送、生物标记、催化剂等高端应用领域的市场化推广具有重要的支撑作用。在法规监管层面，该标准为各国监管机构评估纳米材料合规性提供了统一的技术依据。欧盟委员会在纳米材料定义中对颗粒数浓度的要求有了可依据的国际标准方法，有助于增强法规执行的科学性和一致性。在科研领域，该标准为纳米毒理学研究、环境纳米颗粒监测等学术研究提供了方法学指导，有助于提升研究数据的可比性和可复现性，推动纳米安全性研究的良性发展。5.2实施中的挑战与对策标准实施过程中也面临一些现实挑战。首先，不同测量方法在灵敏度、适用范围和成本上存在较大差异，用户在方法选择和能力建设方面需要充分的培训和技术支持。建议各国标准化机构积极组织标准的宣贯培训，帮助潜在用户理解和正确使用该标准。其次，纳米颗粒数浓度测量涉及的仪器设备精密且昂贵，部分中小企业可能面临设备条件不足的问题。在发达国家已普遍具备高端表征仪器的同时，发展中国家的纳米技术实验室普遍面临高端表征仪器匮乏的困境。未来可考虑制定更加简化的操作指引或低成本替代方案，以降低标准实施门槛。第三，标准中涉及的若干先进方法（如spICP-MS）仍处于快速发展阶段，其测量不确定度的系统评估和工作组间比对工作尚待加强。各国有必要持续深化对新方法验证的研究。5.3与相关标准的协调ISO/TS24672:2023与纳米技术标准体系中的其他标准保持良好的衔接关系。该标准与ISO/TS80004系列（术语标准）相互配合，统一了技术术语的使用；与ISO22412（动态光散射）、ISO14488（颗粒取样）等现有标准形成互补关系；同时为后续可能制定的分方法标准（如针对NTA或spICP-MS的专项标准）奠定了基础和框架。标准的发布是纳米颗粒计量标准体系建设的重要里程碑。6结论与展望ISO/TS24672:2023作为纳米颗粒数浓度测量领域首项系统性的国际标准指南，填补了该领域国际标准的空白，为全球纳米技术领域的科研、产业、监管活动提供了统一的技术规范。该标准在技术内容上充分反映和吸收了当前纳米颗粒数浓度测量的最新研究成果和技术进展，在结构设计上兼顾了方法的多样性和操作的指导性，为不同层次和不同领域的使用者提供了切实可行的技术路径。展望未来，纳米颗粒数浓度测量标准化有望在以下方向持续深化：第一，标准升级。随着技术规范在实践应用中的信息反馈和经验积累，ISO/TS24672有望在适当时机转化为正式国际标准（IS），进一步提升其约束力和权威性。第二，分方法标准的制定。在指南性标准的基础上