ISO/TS 19590:2024
(Main)Nanotechnologies — Characterization of nano-objects using single particle inductively coupled plasma mass spectrometry
Nanotechnologies — Characterization of nano-objects using single particle inductively coupled plasma mass spectrometry
This document specifies parameters, conditions and considerations for the reliable detection, characterization and quantification of nano-objects in aqueous suspension by spICP-MS. Particle number concentration, particle mass, particle mass concentration, particle spherical equivalent diameter, and number-based size distribution are considered the main measurands, but the technique also allows for determination of the dissolved element mass fraction in the sample. This document provides general guidelines and procedures related to spICP-MS application, and specifies minimal reporting requirements.
Nanotechnologies — Caractérisation des nano-objets par spectrométrie de masse à plasma induit en mode particule unique
Le présent document décrit les paramètres, conditions et autres aspects à prendre en compte pour la détection, la caractérisation et la quantification fiables des nano-objets en suspension aqueuse par spICP-MS. La concentration en nombre de particules, la masse des particules, la concentration massique des particules, le diamètre sphérique équivalent des particules et la distribution granulométrique en nombre sont considérés comme les principaux mesurandes, mais la technique permet également de déterminer la fraction massique d’un élément dissout dans l’échantillon. Le présent document fournit des lignes directrices générales et des modes opératoires liés à l’application de la spICP-MS, et spécifie les exigences minimales en matière de rapport.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
Technical
Specification
ISO/TS 19590
Second edition
Nanotechnologies —
2024-08
Characterization of nano-objects
using single particle inductively
coupled plasma mass spectrometry
Nanotechnologies — Caractérisation des nano-objets par
spectrométrie de masse à plasma induit en mode particule unique
Reference number
© ISO 2024
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Abbreviated terms . 3
5 Principles of operation . 4
5.1 Introduction to spICP-MS .4
5.2 Reference material dependent calibration methods .6
5.2.1 Particle frequency method .6
5.2.2 Particle size method .8
5.3 Reference material free calibration methods .9
5.3.1 Dynamic mass flow method .9
5.3.2 Microdroplet calibration method .11
5.4 Particle number concentration determination . 13
5.5 Particle mass and corresponding spherical equivalent diameter determination . .14
5.6 Dissolved element fraction .17
5.7 Multi-isotope and multi-elemental analysis .17
5.8 Data treatment .18
6 Method development . 19
6.1 Sample specification .19
6.2 Sample preparation .19
6.2.1 Aqueous suspensions and paste . 20
6.2.2 Non-aqueous suspensions and creams. 20
6.2.3 Powders .21
6.2.4 Larger pieces of solids .21
6.3 Selection of reference materials, quality control materials and representative test
materials .21
6.4 Optimization of ICP-MS operating conditions . 22
7 Qualification, performance criteria and measurement uncertainty .23
7.1 Applicability of spICP-MS . 23
7.2 System qualification and quality control . 23
7.3 Method performance criteria .24
7.3.1 Particle number concentration .24
7.3.2 Particle mass and equivalent spherical diameter .24
7.4 Method precision and measurement uncertainty . 25
8 General measurement procedure .25
9 Test report .26
9.1 Apparatus and measurement parameters . 26
9.2 Reporting test results . 26
Bibliography .27
iii
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 document should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the
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For an explanation of 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
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This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 229, Nanotechnologies, in collaboration with
the European Committee for Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC 352, Nanotechnologies, in
accordance with the Agreement on technical cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO/TS 19590:2017), which has been technically
revised.
The main changes are as follows:
— general restructuring;
— expansion of text on the test method;
— inclusion of considerations regarding method precision and measurement uncertainty;
— updates to normative and bibliographical references.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
Introduction
Following the introduction of single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (spICP-MS)
[1]
by Degueldre in 2003, the technique has increasingly been used for nano-object characterization due to
its high sensitivity, elemental specificity, the fact that often minimal sample preparation is needed and the
development of much improved instrumentation, along with user-friendly data analysis software.
In spICP-MS, a very diluted suspension containing nano-objects is introduced continuously into an ICP-MS
system with the intent that the ion cloud from one particle at a time arrives at the detector, set to acquire
data with a high time resolution (i.e. dwell time). Following the nebulization, a fraction of the nano-objects
enter the plasma where they are atomized, and the individual atoms ionized. Every atomized particle results
in a cloud of ions which is then sampled by the mass spectrometer. The mass spectrometer can be tuned to
measure any specific element. Typically, only one mass-to-charge value per single particle will be monitored
with a quadrupole-based MS instrumentation. However, the technique can also be used with time-of-flight
(TOF) mass spectrometers, allowing simultaneous multi-element and multi-isotope detection.
The number of events detected in each run (time scan) is directly proportional to the number of nano-objects
in the suspension introduced but necessitates calibration of the sample transport efficiency to calculate
the particle number concentration. Several available approaches to measure the transport efficiency are
described in detail in this document. The intensity of the measured signal is directly proportional to the
mass of the measured element in the nano-object, which can be derived following appropriate calibration
of the instrument’s response factor, also described in this document. For particles of known geometry,
composition and density, the mass can be related to particle size. Most of the currently available, commercial
data analysis software assumes spherical geometry; particle diameter is proportional to the cubic root of
the mass of element(s) in a spherical nano-object. In addition to nano-object characterization with spICP-MS,
mass concentrations of dissolved element present in the same sample can also be determined from the same
data, if a good separation between the dissolved and particulate fraction is achieved. This represents one of
the key advantages of the technique.
spICP-MS was once predominantly the domain of specialist laboratories, but with recent developments in
commercially available hardware and software, the technique is now more commonly used and increasingly
popular for high-throughput analysis as well as high accuracy reference measurements.
Further information on spICP-MS can be found in ISO/TS 24672, and References [1], [2], [3], [4] and [5].
v
Technical Specification ISO/TS 19590:2024(en)
Nanotechnologies — Characterization of nano-objects using
single particle inductively coupled plasma mass spectrometry
1 Scope
This document specifies parameters, conditions and considerations for the reliable detection,
characterization and quantification of nano-objects in aqueous suspension by spICP-MS.
Particle number concentration, particle mass, particle mass concentration, particle spherical equivalent
diameter, and number-based size distribution are considered the main measurands, but the technique also
allows for determination of the dissolved element mass fraction in the sample. This document provides
general guidelines and procedures related to spICP-MS application, and specifies minimal reporting
requirements.
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 18115-1, Surface chemical analysis — Vocabulary — Part 1: General terms and terms used in spectroscopy
ISO/TS 80004-6, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 6: Nano-object characterization
ISO/TS 80004-8, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 8: Nanomanufacturing processes
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/TS 80004-6, ISO/TS 80004-8,
ISO 18115-1 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
nano-object
discrete piece of material with one, two or three external dimensions in the nanoscale
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.1.5]
3.2
nanoscale
length range approximately from 1 nm to 100 nm
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.1.1]
3.3
particle
minute piece of matter with defined physical boundaries
Note 1 to entry: A physical boundary can also be described as an interface.
Note 2 to entry: This general particle definition also applies to nano-objects.
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.2.1]
3.4
nanoparticle
NP
nano-object with all external dimensions in the nanoscale
Note 1 to entry: If the dimensions differ significantly (typically by more than three times), terms such as "nanofibre"
or "nanoplate" are preferable to the term nanoparticle.
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.3.4]
3.5
agglomerate
collection of weakly or medium strongly bound particles where the resulting external surface area is similar
to the sum of the surface areas of the individual components
Note 1 to entry: The forces holding an agglomerate together are weak forces, for example, van der Waals forces or
simple physical entanglement.
Note 2 to entry: Agglomerates are also termed secondary particles and the original source particles are termed
primary particles.
[SOURCE: ISO 26824:2022, 3.1.2]
3.6
aggregate
particle comprising strongly bonded or fused particles where the resulting external surface area is
significantly smaller than the sum of surface areas of the individual components
Note 1 to entry: The forces holding an aggregate together are strong forces, for example, covalent or ionic bonds, or
those resulting from sintering or complex physical entanglement.
Note 2 to entry: Aggregates are also termed secondary particles and the original source particles are termed primary
particles.
[SOURCE: ISO 26824:2022, 3.1.3, modified — Note 1 to entry has been adapted.]
3.7
spICP-MS
single particle inductively coupled plasma mass spectrometry
method using inductively coupled plasma mass spectrometry whereby a dilute suspension of nano-objects
is analyzed, and the ICP-MS signals collected at high-time resolution, allowing particle-by-particle element
detection at specific mass peaks and number concentration, size and size distribution to be determined
3.8
dwell time
time during which the ICP-MS detector accumulates signal corresponding to an individual reading along the
time scan
Note 1 to entry: Following integration, the total ion count number per dwell time is registered as one data point,
expressed in counts or counts per second.
3.9
transport efficiency
ratio of detected particle events to particles introduced
Note 1 to entry: Depending on the solvent and analyte combination used, transport efficiency can be considered equal
to nebulization efficiency.
3.10
nebulization efficiency
ratio of the amount of nebulized sample reaching the plasma to the amount of the sample introduced
Note 1 to entry: It is often used interchangeable with "transport efficiency".
3.11
time scan
total acquisition time
duration of one replicate measurement
Note 1 to entry: This is typically set as 1 min, but can be extended to few minutes in order to increase the number of
registered particle events.
3.12
event
signal intensity registered by mass spectrometer caused by the ion cloud from a single particle, aggregate or
agglomerate
3.13
BED
background equivalent diameter
spherical equivalent diameter of the smallest particle that can be detected with spICP-MS
Note 1 to entry: Assuming spherical geometry, for particles of known chemical composition and density, the
corresponding background equivalent diameter can be calculated (see 5.3) from the mass of the smallest particle that
can be detected with spICP-MS, which in turn is determined by the instrument sensitivity along with the background
signal, for the given dwell time.
3.14
particle number concentration
number of particles in the specific mass of a suspension
-1 -1
Note 1 to entry: Particle number concentration is typically expressed as g or kg .
-1
Note 2 to entry: It can also be expressed per volume, e.g. L .
Note 3 to entry: To convert between units, the density of the suspension must be determined.
3.15
m/z
mass-to-charge ratio
positive absolute value of the quantity formed by dividing the mass of an ion by the unified atomic mass unit
and by its charge number
[SOURCE: ISO 18115-1:2023, 20.1]
4 Abbreviated terms
For the purposes of this document, the following symbols and abbreviations apply.
BIPM CCQM Bureau International des Poids et Mesures Consultative Committee for Amount of Substance:
Metrology in Chemistry and Biology
DI delegated institutes
DMF dynamic mass flow
EM electron-multiplier
ICP-MS inductively coupled plasma mass spectrometry
ILC interlaboratory comparison
IS internal standardization
LOD limit of detection
LOQ limit of quantification
NMI national measurement institute
PTA particle tracking analysis
PHD pulse-height distribution
QCM quality control materials
Q-MS quadrupole mass spectrometers
RM reference materials
RTM representative test material
SF-MS sector-field mass spectrometers
TE transport efficiency
TEM transmission electron microscopy
TOF time-of-flight
TRA time resolved analysis
ULOQ upper limit of quantification
ULOQsize upper size limit of quantification
VAMAS Versailles Project on Advanced Materials and Standards
5 Principles of operation
5.1 Introduction to spICP-MS
[1]
Since the introduction of spICP-MS by Degueldre in 2003, the technique has increasingly gained popularity
for nanoparticle analysis due to its high sensitivity, elemental specificity, often minimal sample preparation
and the development of much improved instrumentation with fast, continuous data acquisition and software
[2]
able to handle the large amount of data produced during spICP-MS experiments.
In spICP-MS, a very dilute particle suspension is introduced into the instrument to minimize the possibility
of more than one particle being detected in a single event (e.g. 2 or 3 particles). The inductively coupled
plasma atomizes and ionizes the constituent analyte, generating discrete pulses of ions above the continuous
background signal at a corresponding mass-to-charge ratio (m/z), lasting a few hundred microseconds. If
the MS detector is set to acquire data with dwell times in the range from microsecond to low millisecond,
individual or so called "single" particle events (signal intensity spikes) can be detected.
The number of events detected in each analysis window (time scan) is directly proportional to the number
of nano-objects in suspension introduced into the ICP-MS, whilst the intensity of the measured signal is
directly proportional to the mass of the measured element within the nano-object.
NOTE 1 Constituent particles as well as aggregates are counted as single objects, and in some cases, it can be
challenging to resolve the two.
In addition, the mass concentrations of dissolved element fraction present in the sample alongside nano-
objects can be determined from the same data, as illustrated in Figure 1.
Key
X time
Y event intensity, counts
A particle number-based concentration
B element mass per particle (~size)
C dissolved fraction
Figure 1 — Measurement principle of spICP-MS
The number of detected events in the time scan is related to the particle number concentration, whilst their
intensity is related to the mass of element in the particles, which in turn can be converted to particle size. A
dissolved element appears as constant background signal.
However, to obtain accurate particle number concentration and size values with spICP-MS, it is necessary
to establish what portion of the acquired nano-objects is actually detected as particle events. This is a key
parameter in spICP-MS analysis, called the transport efficiency (η ). The terms "transport efficiency"
transport
and "nebulization efficiency" are often used interchangeably and are related to sample introduction and
nebulization processes in atomic spectrometry.
NOTE 2 Reference [3] suggested transport efficiency is a combination of nebulization and transmission efficiencies.
In this regard, nebulization efficiency is the amount of introduced liquid actually converted into a spray and reaching
the plasma (i.e., 100 % in case of a total consumption nebulizer). While the transmission efficiency is the extent of
this spray effectively reaching the detector, i.e. after being desolvated, vaporized, atomized, ionized, passed into the
mass spectrometer, and then collected on the ion-detector after mass separation. However, the issue of the different
ionization, extraction, transmission and detection of particles versus dissolved elements can also be addressed
[4]
alternatively from a calibration approach, where the efficiency of these processes is included as a detection efficiency
(K ) in Formula (1):
ICP-MS
M M
YK==XK KK X (1)
RR introICP-MSM
where
M
K is the analytical sensitivity obtained from a conventional calibration of Y vs. X (signal
R R
intensity in cps vs. element mass concentration);
K (= ηQ ) is a factor related to the sample introduction;
intro sam
η is the analyte nebulization efficiency;
Q is the sample introduction flow rate;
sam
K is the detection efficiency, which represents the ratio of the number of ions detected
ICPM− S
versus the number of analyte atoms of the measured isotope introduced into the ICP;
K is a factor related to the element measured, including the atomic abundance of the
M
isotope considered, the Avogadro number, and the atomic mass of the element.
It is important to highlight that spICP-MS methods are not different from any other quantitative analytical
methods based on calibration and the use of standards. More importantly, both particle number
concentration and size can be derived by direct calibration using reference materials (RMs) characterized
for particle number concentration or size, respectively.
With classic sample introduction systems (i.e. pneumatic nebulizer and cyclonic or double pass spray
chamber), depending on the instrument manufacturer, the η is expected to be between 1 % to
transport
15 %. However, more efficient introduction systems are now available, such as total consumption sample
introduction systems, direct injection nebulizers, demountable direct injection high efficiency nebulizers
and single-cell introduction systems. These can be used to reach transport efficiencies of up to 100 %.
However, transport efficiency parameters should be determined for both standard and high consumption
sample introduction systems, in order to ensure reliable nano-object characterization.
Two of the most popular approaches used for calculation of the transport efficiency include the particle
frequency and the particle size methods. Both approaches rely on the use of nanoparticle RMs. Since the
number of RMs available commercially is limited (see Table 2), recent research efforts have focused on
the development of RM-free approaches to transport efficiency determination, such as dynamic mass flow
(DMF) and microdroplet methods. These methods can be used to characterize RM, representative test
materials (RTMs) or quality control materials (QCMs) in house for particle number concentration, amongst
other techniques, such as electron microscopy which can be used to characterize particle size.
5.2 Reference material dependent calibration methods
5.2.1 Particle frequency method
In the particle frequency method, one of the following is introduced into the ICP-MS:
a) a monodisperse nanoparticle RM with known particle characteristics, such as elemental composition
and density and with certified spherical equivalent diameter and elemental mass concentration (see
Formula 2);
b) a particle-number concentration (see Formula 3).
The number of particles is then measured over duration of time scan.
-1
In practical terms, for sample uptake rate in the range of (0,2 – 0,4) g min , and RM concentration in the
-1 -1
range of (50 000 – 200 000) g for (25 – 100) µs dwell time or (10 000 – 30 000) g for (3 – 10) ms dwell
-1
time, a typical particle flux into the plasma in the range of (1 000 – 3 000) min is observed for (25 – 100) µs
-1
dwell time and (150 - 1 000) min range for (3 – 10) ms dwell time.
Depending on the known characteristics of the RM, the transport efficiency (‘η ) is then calculated
transport’
[5]
from Formula (2):
3 −9
Nd··ρπ··10
NP ref NP
η = ·100% (2)
transport
6··CQ ·t
msam i
where
N is the number of events detected per time scan (a.u./no unit);
NP
t is time scan (min);
i
d is the mean spherical-volume-equivalent particle core diameter (nm);
ref
-3
ρ is the particle density (g cm );
NP
-1
C is the elemental mass concentration of particle suspension (pg g );
m
-1
Q is the average sample uptake rate (g min ).
sam
or Formula (3):
N
NP
η = ·100% (3)
transport
CQ··t
NP sami
where
N is the number of particles detected per time scan (a.u./no unit);
NP
t is time scan (min);
i
-1
C is the number concentration (g );
NP
-1
Q is the average sample uptake rate (g min ).
sam
It is important to note that the implementation of Formula (2) must include characterization of all input
particle characteristics, including the particle density (ρ ). This is because, particle density has been
NP
shown to be close to bulk density only for a limited number of materials, e.g., gold. For other materials, e.g.
-3
silicon dioxide, particles can have densities ranging from below 1,9 g cm (in the hydrated amorphous form
-3
of Stöber silica) to above 2,6 g cm for quartz. In case of silver particles in the size range from 30 nm to
[6]
100 nm, measured density was found to be 18 % to 24 lower than nominal density of metallic silver.
Because all parameters of Formula (2) and Formula (3) come with their associated uncertainty, the
combined uncertainty of η , estimated following the particle frequency method, is relatively high.
transport
It represents the main contributing factor to the overall uncertainty associated with the particle number-
based concentration measurements by spICP-MS in this case (assuming particle population is well-separated
from the background signal).
As an example, using 60 nm spherical gold particles (e.g. NIST RM 8013) and Formula (2), the uncertainty
associated with η is approximately 12 % relative expanded uncertainty (see Table 8 in Reference
transport
[7]). In case of Formula (3) and materials with a given number concentration value (e.g. LGCQC5050, 30 nm
colloidal gold nanoparticles), the uncertainty associated with the calculated transport efficiency will be
mostly impacted by the uncertainty associated with the C parameter given on the certificate of analysis.
NP
For example, 19 % relative expanded uncertainty for LGCQC5050.
NOTE NIST RM 8013 and LGCQC5050 are used as examples and are possibly not available commercially.
5.2.2 Particle size method
In the particle size method, an RM suspension of particles certified for particle spherical equivalent
diameter is used for the calculation of transport efficiency. Moreover, an elemental standard solution with
a known mass concentration of the same element is measured. Transport efficiency is then calculated from
Formula (4).
R
ionic
η = ·100% (4)
transport
R
NP
where
-1
R is the instrument’s response to ions (cps µg );
ionic
-1
R is the instrument’s response to the particle suspension (cps µg ).
NP
R and R can be calculated as follows from Formulas (5) and (6), respectively:
ionic NP
RF ··610
ion
R = (5)
ionic
Qt·
samd
where
RF is the instrument’s response factor to elemental standard, derived from regression analysis of the
ion
-1
calibration curve (cps µg kg);
t is the dwell time used (ms);
d
-1
Q is the sample uptake rate (g min ).
sam
II−
NP diss
R = (6)
NP
m
NP
where
I is the average particle intensity (cps);
NP
I is the average intensity of the dissolved background (cps);
diss
m is the mass of element in a single particle (µg).
NP
m can be calculated from Formula (7):
NP
d ··ρπ
ref NP
m = (7)
NP
−15
61· 0
where
d is the spherical equivalent diameter of particle core (nm);
ref
-3
ρ is the particle density (g cm ).
NP
For the purpose of transport efficiency determination with the particle size method, a suspension of
nanoparticle RM of known size is analyzed in combination with an ionic calibration standard of the same
element of interest. The ionic calibration standard is typically prepared from commercially available ICP-MS
elemental standard solution and measured using the same ICP-MS settings (e.g., dwell time, flow rate, etc.)
as the nanoparticle RM. The detector response should be linear in the range of intensities measured, since
larger particles can lead to detector saturation, resulting in an underestimation of the ICP-MS response and
[8]
therefore overestimation of the transport efficiency. As such, the following options are currently available:
a) to analyze nanoparticle RMs or RTMs of different sizes and to check the linearity of the regression line
for R ;
NP
b) to analyze several ionic calibration standards of different concentrations to encompass the intensities
(in cps) reached during the analysis of nanoparticle RMs or RTMs.
The particle size method is based on several assumptions, such as particle sphericity, and that dissolved
and NP analyte elements have equal ionization efficiencies in the plasma, as well as equal collection
efficiencies through the sampler cone into the MS. The equivalent spherical diameter of particle, chemical
composition and particle density are all required input parameters into the equations that come with their
associated uncertainty values, meaning that the uncertainty associated with η estimated following
transport
the particle size method is comparable with the particle frequency method. However, there are several
literature reports highlighting differences in the mean η values obtained with the two approaches.
transport
Some authors demonstrate that the frequency method systematically underestimates η compared
transport
[9]
to the size method by a factor as large as 25 % , while others report much smaller differences between
[10],[11]
the two methods. The reasons for this are still unknown, although an explanation can be found in
the differences in the transmission of atoms coming from dissolved material versus atoms coming from
[3]
nanoparticles, a phenomenon dependent on both the uptake rate and the mass spectrometer behaviour.
Other factors, such as the impact of inadequate sample storage can also be considered.
5.3 Reference material free calibration methods
5.3.1 Dynamic mass flow method
[12]
A methodology based on the DMF approach has been developed, which does not require an RM for
determination of the nebulization efficiency and transport efficiency. The DMF approach is performed by
continuously measuring the mass of sample uptake and the mass of sample reaching the plasma on-line over
time (sample mass flow), whilst the ICP-MS system is in equilibrium. The sample nebulization efficiency
value is then calculated as the ratio between the mass flow of sample reaching the plasma and the mass flow
of sample uptake using the Formula (8).
Mf
pl
η = (8)
transport
Mf
up
where
-1
Mf is the slope from the regression analysis representing mass flow reaching plasma (g min );
pl
-1
Mf is the slope from the regression analysis representing mass flow of sample uptake (g min ).
up
In this case, the η determination relies on weighing of the suspension over time, therefore its
transport
associated uncertainty has been demonstrated to be mostly based on mass measurements. These
measurements can be accomplished with high accuracy and precision and a relative expanded measurement
[12]
uncertainty of ~2,5 %, under the working conditions specified in the literature.
So far, the precision and accuracy of the method have been demonstrated for sample introduction systems
[12]
comprising double pass spray chamber cooled down to ~2 °C. Under these specific conditions, the
solvent and sample nebulization efficiency has been shown to be equal to the analyte nebulization and
transportation efficiency. Working with a cooled spray chamber helps to reduce the amount of water
vapor (produced from evaporation of water from aerosol in the spray chamber) entering the plasma, thus
minimizing the contribution of this source of error to the uncertainty of the mass-based η .
transport
a)
b)
Key
X time (min) 1 mass flow of sample reaching the plasma
Y mass (g) 2 mass flow of sample uptake
A sample uptake
B waste tube
S1 slope 1
S2 slope 2
T1 45 minutes
T2 15 minutes
Figure 2 — Schematic representation of transport efficiency determination using the DMF approach
This procedure is typically performed at the beginning and at the end of each analysis day. Due to possible
fluctuations in the mass flow of sample uptake caused by the pump during the analysis, and to improve
the accuracy of measurements, the mass flow of acquired sample should also be monitored throughout the
[12]
analysis.
Nebulization efficiency or transport efficiency determined by DMF, implemented correctly (e.g. using
double pass spray chamber cooled down to 2 °C), agrees within the associated measurement uncertainty
[11],[12]
with RM-dependent approaches. Such methodology, although more laborious than RM-dependent
approaches due to the time required to measure the mass flows (Figure 2), shows promise for the validation
of other laboratory techniques for particle number concentration, as demonstrated in an interlaboratory
[13] [14]
comparison(ILC) study organized under VAMAS TWA 34 and BIPM CCQM-P194. So far, the applicability
of this method has been demonstrated for metal (i.e. gold and silver) and metal(loid) oxide (i.e. titania and
silica) NPs.
Accurate number concentration values can be determined using an ICP interface and sample introduction
system conventionally used by many ICP practitioners. This highlights the benefits of the DMF approach in
assigning directly reliable number concentration values (with a combined relative expanded uncertainty
[7],[12]
of approximately 10 %, compared to approximately 25 % for the RM dependent methods ) to RTM
with physicochemical characteristics similar to particles present in commercial products, biological
or environmental samples. This enables the use of such RTMs by testing laboratories to determine
transport efficiency (e.g. value assignment of SiO NPs in RTM for number concentration analysis of SiO
2 2
NPs in commercial product) using RM-dependent methods (i.e., frequency or size methods) with other
ICP interfaces (e.g., total consumption) or in scenarios requiring high throughput analysis. This expands
current possibilities for metrologically relevant analysis of materials for which RM similar to analyte are
not available commercially and for which behaviour in the ICP-MS system is possibly not the same as that of
the available RM of different chemical composition or surface chemistry. Considering production of a range
of new RM covering all possible chemical compositions of nano-objects which can be found in commercial
products, would involve a considerable long-term effort for RM producers worldwide.
5.3.2 Microdroplet calibration method
An alternative RM-free method based on the use of an online-microdroplet calibration strategy has been
[15]-[17]
proposed. In this approach, microdroplets with known elemental concentrations are introduced into
the plasma along with analyte nano-object suspensions, which are introduced with a conventional pneumatic
nebulizer and spray chamber. A schematic of the online-microdroplet setup is provided in Figure 3. With
online-microdroplet calibration, absolute sensitivities for all elements of interest, plasma uptake rates, and
spICP-MS signals are measured in one run.
Key
A microdroplet dispenser (multi-element standards in droplets)
B falling tube with He/Ar gas mix for desolvation
C microdroplet burst region
D sp-region
E NP-containing sample
F plasma-uptake standard
G pneumatic nebulizer
H inductively coupled plasma
I TOF mass spectrometer
T time
1 microdroplet signals, identification by tracer
2 analyte signals, NPs in sample and standard in droplets
3 plasma-uptake standard, spiked into sample and in droplets
[SOURCE: Reference [16], reproduced with the permission of the authors.]
Figure 3 — Schematic diagram of the online-microdroplet calibration setup
The setup is shown with ICP-TOF-MS, however, online microdroplet calibration may also be used with ICP-Q-
MS instruments. Only one m/z can be monitored at a time.
The setup consists of a microdroplet generator used to create monodisperse microdroplets of roughly (50 –
75) µm in diameter or (65 – 220) pL in volume at a constant sample introduction frequency of ~50-100 Hz.
Monodisperse microdroplets may be produced with a generator of the user's choosing. Concentration of
-1
elemental solution should be in the range of (10-300) ng g , depending on droplet size and ICP-MS instrument
used. An average signal of between 100 and 1 000 counts should be registered per analyte isotope per
droplet. The average size of the monodisperse droplets is measured online with microscopic stroboscopic
imaging. Droplet size combined with known multi-element concentrations, allow calculation of the exact
mass of elements introduced into the plasma in each droplet. Droplets are dried in a helium-filled “falling
[18] [19],[20]
tube” and are transported with 100 % efficiency into the ICP. Because microdroplets are introduced
concurrently with nanoparticle-containing samples, any matrix-dependent signal attenuation or
enhancement will affect the analyte NPs and microdroplet calibration standards to similar extents.
Additionally, a plasma uptake standard (e.g. Cs) is spiked into all nanoparticle-containing samples; this
element is also in the microdroplet standard solution. By taking the ratio of sensitivities of the plasma
uptake standard in the droplets versus that in the sample, the sample uptake rate (q ) can be determined
plasma
-1
using Formulas (9), (10) and (11) and the absolute sensitivity "S " of element i (counts g ) can be
drop,i
determined from Formula (12). The calculation for q is analogous to the calculation reported in
plasma
Formula (4) for the particle size method, except that droplet standards are used in lieu of RMs (i.e. S
drop,i
instead of R ) and q is the transport efficiency (η ) multiplied by the sample uptake rate (Q ).
NP plamsa transport sam
Additionally, in this method q is recorded onl
...
Spécification
technique
ISO/TS 19590
Deuxième édition
Nanotechnologies —
2024-08
Caractérisation des nano-objets par
spectrométrie de masse à plasma
induit en mode particule unique
Nanotechnologies — Characterization of nano-objects using
single particle inductively coupled plasma mass spectrometry
Numéro de référence
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Abréviations . 3
5 Principe de fonctionnement . 4
5.1 Introduction de la spICP-MS .4
5.2 Méthodes d’étalonnage dépendant du matériau de référence .7
5.2.1 Méthode basée sur la fréquence des particules .7
5.2.2 Méthode basée sur la taille des particules .8
5.3 Méthodes d’étalonnage sans matériau de référence .9
5.3.1 Méthode du débit massique dynamique .9
5.3.2 Méthode d’étalonnage par microgouttelettes .11
5.4 Détermination de la concentration en nombre de particules .14
5.5 Détermination de la masse des particules et du diamètre sphérique équivalent
correspondant . 15
5.6 Fraction dissoute d’un élément .17
5.7 Analyse multi-isotopique et multi-élémentaire .18
5.8 Traitement des données .18
6 Développement de la méthode .20
6.1 Spécification des échantillons . 20
6.2 Préparation des échantillons .21
6.2.1 Suspensions aqueuses et pâtes . 22
6.2.2 Suspensions non aqueuses et crèmes . 22
6.2.3 Poudres . 23
6.2.4 Matières solides de plus grande taille . 23
6.3 Sélection des matériaux de référence, des matériaux de contrôle de la qualité et
des matériaux d’essai représentatifs . 23
6.4 Optimisation des conditions de fonctionnement de l’ICP-MS .24
7 Qualification, critères de performance et incertitude de mesure .25
7.1 Applicabilité de la spICP-MS . 25
7.2 Qualification du système et contrôle de la qualité . 26
7.3 Critères de performance de la méthode . 26
7.3.1 Concentration en nombre de particules . 26
7.3.2 Masse des particules et diamètre sphérique équivalent .27
7.4 Fidélité de la méthode et incertitude de mesure .27
8 Mode opératoire général de mesure .28
9 Rapport d’essai .28
9.1 Appareillage et paramètres de mesure . 28
9.2 Rapports sur les résultats d’essai . 28
Bibliographie .30
iii
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’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l’utilisation
d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l’applicabilité de
tout droit de propriété revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l’ISO n’avait pas
reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application. Toutefois,
il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent document que des informations
plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à l’adresse
www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié de tels droits
de brevet.
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 www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 229, Nanotechnologies, en collaboration
avec le comité technique CEN/TC 352, Nanotechnologies du Comité européen de normalisation (CEN),
conformément à l’Accord de coopération technique entre l’ISO et le CEN (Accord de Vienne).
Cette deuxième édition remplace et annule la première édition (ISO/TS 19590:2017), qui a fait l’objet d’une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes :
— réorganisation générale ;
— enrichissement du texte concernant la méthode d’essai ;
— intégration d’aspects liés à la fidélité de la méthode et à l’incertitude de mesure ;
— mise à jour des références normatives et bibliographiques.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
iv
Introduction
Après l’introduction de la spectrométrie de masse à plasma induit en mode particule unique (spICP-MS)
[1]
par Degueldre en 2003, cette technique a de plus en plus été utilisée pour la caractérisation des nano-
objets en raison de sa haute sensibilité, de sa spécificité vis-à-vis des éléments, du fait qu’elle nécessite
souvent une préparation minimale des échantillons et du développement d’une instrumentation nettement
améliorée, ainsi que des logiciels d’analyse de données conviviaux.
En spICP-MS, une suspension fortement diluée contenant des nano-objets est introduite en continu dans
un système ICP-MS afin que le nuage d’ions, provenant d’une particule à la fois, arrive sur le détecteur
réglé pour acquérir des données avec une résolution temporelle (c’est-à-dire une durée d’acquisition)
élevée. Après la nébulisation, une fraction des nano-objets entre dans le plasma où ils sont atomisés et où
chaque atome est ionisé. Chaque particule atomisée entraîne un nuage d’ions qui est ensuite échantillonné
par le spectromètre de masse. Le spectromètre de masse peut être paramétré par l’utilisateur de façon à
mesurer tout élément spécifique. En général, une seule valeur masse/charge par particule unique sera suivie
avec une instrumentation MS quadripolaire. Cependant, la technique peut également être employée avec
des spectromètres de masse à temps de vol (TOF), ce qui permet une détection multi-élément et multi-
isotope simultanée.
Le nombre d’événements détectés à chaque passe (balayage temporel) est directement proportionnel
au nombre de nano-objets dans la suspension introduite, mais nécessite un étalonnage de l’efficacité du
transport des ions afin de calculer la concentration en nombre de particules. Le présent document détaille
plusieurs approches possibles pour mesurer l’efficacité du transport. L’intensité du signal mesuré est
directement proportionnelle à la masse de l’élément mesuré dans le nano-objet, qui peut être déterminée
après un étalonnage approprié du facteur de réponse de l’instrument, également décrit dans le présent
document. Pour les particules dont la géométrie, la composition et la densité sont connues, la masse peut être
associée à la taille des particules. La majorité des logiciels d’analyse de données actuellement disponibles
dans le commerce présume une géométrie sphérique ; le diamètre des particules est proportionnel à la
racine cubique de la masse du ou des éléments dans un nano-objet sphérique. En plus de la caractérisation
des nano-objets par spICP-MS, les concentrations massiques d’éléments dissous présents dans un même
échantillon peuvent également être déterminées à partir des mêmes données, si la séparation entre la
fraction dissoute et la fraction particulaire est satisfaisante. Cette possibilité constitue l’un des principaux
atouts de cette technique.
Initiallement, la spICP-MS était principalement réservée aux laboratoires spécialisés, mais les récents
développements des matériels et des logiciels disponibles dans le commerce ont permis d’étendre l’utilisation
de cette technique et de la rendre de plus en plus populaire pour l’analyse en routine à haut débit ainsi que
pour les mesurages de référence de grande exactitude.
[1] [2] [3] [4] [5]
Pour de plus amples informations sur la spICP-MS, se reporter à l’ISO/TS 24672 et aux références , , , et .
v
Spécification technique ISO/TS 19590:2024(fr)
Nanotechnologies — Caractérisation des nano-objets
par spectrométrie de masse à plasma induit en mode
particule unique
1 Domaine d’application
Le présent document décrit les paramètres, conditions et autres aspects à prendre en compte pour la
détection, la caractérisation et la quantification fiables des nano-objets en suspension aqueuse par spICP-MS.
La concentration en nombre de particules, la masse des particules, la concentration massique des
particules, le diamètre sphérique équivalent des particules et la distribution granulométrique en nombre
sont considérés comme les principaux mesurandes, mais la technique permet également de déterminer la
fraction massique d’un élément dissout dans l’échantillon. Le présent document fournit des lignes directrices
générales et des modes opératoires liés à l’application de la spICP-MS, et spécifie les exigences minimales en
matière de rapport.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils 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 18115-1, Analyse chimique des surfaces — Vocabulaire — Partie 1: Termes généraux et termes utilisés en
spectroscopie
ISO/TS 80004-6, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 6: Caractérisation des nano-objets
ISO/TS 80004-8, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 8: Processus de nanofabrication
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l’ISO/TS 80004-6, de l’ISO/TS 80004-8
et de l’ISO 18115-1 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 :
— ISO Online browsing platform : disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia : disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
nano-objet
portion discrète de matériau dont une, deux ou les trois dimensions externes sont à l’échelle nanométrique
[SOURCE: : ISO 80004-1:2023, 3.1.5]
3.2
échelle nanométrique
échelle de longueur s’étendant approximativement de 1 nm à 100 nm
[SOURCE: : ISO 80004-1:2023, 3.1.1]
3.3
particule
minuscule portion de matière avec des limites physiques bien définies
Note 1 à l'article: Une limite physique peut également être décrite sous la forme d’une interface.
Note 2 à l'article: Cette définition générale de « particule » s’applique également aux nano-objets.
[SOURCE: : ISO 80004-1:2023, 3.2.1]
3.4
nanoparticule
NP
nano-objet dont les dimensions externes sont à l’échelle nanométrique
Note 1 à l'article: Si les dimensions diffèrent de façon significative (généralement d’un facteur supérieur à trois),
des termes tels que « nanofibre » ou « nanoplaque » sont préférables au terme nanoparticule.
[SOURCE: : ISO 80004-1:2023, 3.3.4]
3.5
agglomérat
ensemble de particules faiblement ou moyennement liées, dont l’aire de la surface externe résultante
est similaire à la somme des aires de surface de chacun des composants
Note 1 à l'article: Les forces assurant la cohésion d’un agglomérat sont faibles, par exemple des forces de Van der Waals
ou des forces résultant d’un simple enchevêtrement physique.
Note 2 à l'article: Les agglomérats sont également appelés particules secondaires et les particules sources initiales
sont appelées particules primaires.
[SOURCE: : ISO 26824:2022, 3.1.2]
3.6
agrégat
particule composée de particules fortement liées ou fusionnées, dont l’aire de la surface externe résultante
est significativement plus petite que la somme des aires de surface de chacun des composants
Note 1 à l'article: Les forces assurant la cohésion d’un agrégat sont puissantes, par exemple des liaisons covalentes ou
ioniques, ou des forces résultant d’un frittage ou d’un enchevêtrement physique complexe.
Note 2 à l'article: Les agrégats sont également appelés particules secondaires et les particules sources initiales
sont appelées particules primaires.
[SOURCE: : ISO 26824:2022, 3.1.3, modifié — La Note 1 à l’article a été adaptée.]
3.7
spICP-MS
spectrométrie de masse à plasma induit en mode particule unique
méthode utilisant la spectrométrie de masse à plasma induit dans laquelle une suspension diluée de
nano-objets est analysée et les signaux ICP-MS sont collectés avec une résolution temporelle élevée, ce
qui permet d’effectuer une détection des éléments particule par particule à des pics de masse et des
concentrations en nombre spécifiques, et de déterminer la taille et la distribution granulométrique
3.8
durée d’acquisition
temps pendant lequel le détecteur ICP-MS accumule un signal correspondant à une lecture individuelle
pendant le balayage temporel
Note 1 à l'article: À la suite de l’intégration, le nombre total de comptages d’ions par durée d’acquisition est enregistré
sous la forme d’un seul point de données, exprimé en comptages ou en comptages par seconde.
3.9
efficacité du transport
rapport des événements de particules détectés sur les particules introduites
Note 1 à l'article: Selon la combinaison solvant/analyte utilisée, l’efficacité du transport peut être considérée égale
à l’efficacité de la nébulisation.
3.10
efficacité de la nébulisation
rapport de la quantité d’échantillon nébulisé atteignant le plasma sur la quantité d’échantillon introduit
Note 1 à l'article: Ce terme est souvent utilisé de façon interchangeable avec « efficacité du transport ».
3.11
balayage temporel
temps d’acquisition total
durée d’un mesurage répété
Note 1 à l'article: Cette durée est généralement fixée à 1 min, mais elle peut être étendue à quelques minutes afin
d’augmenter le nombre d’événements de particules enregistrés.
3.12
événement
intensité de signal enregistrée par le spectromètre de masse, due au nuage d’ions émis par une particule
unique, un agrégat ou un agglomérat
3.13
BED
diamètre de fond équivalent
diamètre sphérique équivalent de la plus petite particule qui peut être détectée par spICP-MS
Note 1 à l'article: En présumant que la géométrie est sphérique, pour les particules de composition chimique et de
densité connues, le diamètre de fond équivalent correspondant peut être calculé (voir 5.3) à partir de la masse de la
plus petite particule détectable par spICP-MS, qui est à son tour déterminée par la sensibilité de l’instrument ainsi
qu’avec le signal de fond, pendant une durée d’acquisition donnée.
3.14
concentration en nombre de particules
nombre de particules dans la masse spécifique d’une suspension
-1 -1
Note 1 à l'article: La concentration en nombre de particules est généralement exprimée en g ou kg .
-1
Note 2 à l'article: Elle peut également être exprimée par volume (par exemple L ).
Note 3 à l'article: Pour convertir entre les unités, la densité de la suspension doit être déterminée.
3.15
m/z
rapport masse/charge
valeur absolue positive de la grandeur formée en divisant la masse d’un ion par l’unité de masse atomique
unifiée et par son nombre de charges
[SOURCE: : ISO 18115-1:2023, 20.1]
4 Abréviations
Pour les besoins du présent document, les symboles et abréviations suivants s’appliquent.
BIPM CCQM Bureau International des Poids et Mesures - Comité consultatif pour la quantité de matière :
métrologie en chimie et biologie
DI instituts délégués (Delegated Institutes)
DMF débit massique dynamique (Dynamic Mass Flow)
EM multiplicateur d’électrons (Electron-Multiplier)
ICP-MS spectrométrie de masse à plasma induit (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)
ILC comparaison interlaboratoires (InterLaboratory Comparison)
INM institut national de métrologie
IS étalonnage interne (Internal Standardization)
LD limite de détection
LQ limite de quantification
LQS limite de quantification supérieure
LQS limite de quantification supérieure de la taille
taille
MCQ matériaux de contrôle de la qualité
MER matériau d’essai représentatif
MET microscopie électronique à transmission
MR matériaux de référence
PHD distribution d’amplitude des impulsions (Pulse-Height Distribution)
PTA analyse par traçage des particules (Particle Tracking Analysis)
Q-MS spectromètres de masse quadripolaires (Quadrupole Mass Spectrometers)
SF-MS spectromètre de masse à secteur magnétique (Sector-Field Mass Spectrometers)
TDV temps de vol
TE efficacité du transport (Transport Efficiency)
TRA analyse à résolution temporelle (Time Resolved Analysis)
VAMAS projet Versailles sur les matériaux et normes avancés (Versailles project on Advanced Materials
And Standards)
5 Principe de fonctionnement
5.1 Introduction de la spICP-MS
[1]
Depuis l’introduction de la spICP-MS par Degueldre en 2003, cette technique a de plus en plus gagné
en popularité pour l’analyse des nanoparticules en raison de sa haute sensibilité, de sa spécificité vis-à-vis
des éléments, de sa préparation d’échantillons souvent minimale et du développement d’une instrumentation
nettement améliorée avec une acquisition rapide et continue des données et un logiciel capable de gérer
[2]
la grande quantité de données produites lors des analyses par spICP-MS .
En spICP-MS, une suspension de particules très diluée est introduite dans l’instrument afin de limiter le
plus possible la possibilité de détecter plusieurs particules dans un seul événement (2 ou 3 particules, par
exemple). Le plasma induit atomise et ionise l’analyte constitutif, en générant durant quelques centaines
de microsecondes des impulsions discrètes d’ions au-dessus du signal de fond continu à un rapport masse/
charge (m/z) correspondant. Si le détecteur du MS est réglé pour acquérir des données avec des durées
d’acquisition dans la plage allant de la microseconde jusqu’à quelques millisecondes, des événements de
particules individuels, dits « uniques » (pics d’intensité de signal), peuvent être détectés.
Le nombre d’événements détectés dans chaque fenêtre d’analyse (balayage temporel) est directement
proportionnel au nombre de nano-objets en suspension introduits dans l’ICP-MS, alors que l’intensité du
signal mesuré est directement proportionnelle à la masse de l’élément mesuré dans le nano-objet.
NOTE 1 Les particules individuelles ainsi que les agrégats sont comptés comme des objets uniques et, dans certains
cas, il peut être difficile de déterminer les deux.
De plus, les concentrations massiques de la fraction d’élément dissoute présente dans l’échantillon à côté
des nano-objets peuvent être déterminées à partir des mêmes données, comme le montre la Figure 1.
Légende
X temps
Y intensité de l’événement, comptages
A concentration en nombre de particules
B masse d’élément par particule (~ taille)
C fraction dissoute
Figure 1 — Principe de mesure de la spICP-MS
Le nombre d’événements détectés pendant le balayage temporel est lié à la concentration en nombre
de particules, tandis que leur intensité est liée à la masse d’élément dans les particules, qui peut à son tour
être convertie en taille de particule. Un élément dissous apparaît sous la forme d’un signal de fond constant.
Cependant, pour obtenir des valeurs précises de concentration en nombre de particules et de taille en
spICP-MS, il est nécessaire d’établir la fraction des nano-objets acquis qui est réellement détectée sous
forme d’événements de particules. Il s’agit d’un paramètre clé de l’analyse par spICP-MS, appelé efficacité
du transport (η ). Les termes « efficacité du transport » et « efficacité de nébulisation » sont souvent
transport
utilisés de façon interchangeable et sont liés aux processus d’introduction et de nébulisation des échantillons
en spectrométrie atomique.
[3]
NOTE 2 Tharaud et al. suggèrent que l’efficacité du transport est une combinaison des efficacités de nébulisation
et de transmission. De ce point de vue, l’efficacité de nébulisation est la quantité de liquide introduit réellement
convertie en brouillard et atteignant le plasma (c’est-à-dire 100 % dans le cas d’un nébuliseur à consommation totale),
alors que l’efficacité de transmission correspond à la proportion dans laquelle ce brouillard atteint effectivement le
détecteur (c’est-à-dire après avoir été désolvaté, vaporisé, atomisé, ionisé, avoir traversé le spectromètre de masse et
avoir été collecté sur le détecteur d’ions après séparation des masses). Cependant, la problématique des différentes
ionisation, extraction, transmission et détection des particules en fonction des éléments dissous peut également être
[4]
traitée d’une autre manière par une approche d’étalonnage , où l’efficacité de ces processus est incluse dans une
efficacité de détection (K ) d’après la Formule (1) :
ICP-MS
M M
YK==XK KK X (1)
RR introICP-MSM
où
est la sensibilité d’analyse obtenue à partir d’un étalonnage conventionnel de Y en fonction
K
R
R
M
de X (intensité du signal en cps par rapport à la concentration massique de l’élément) ;
est un facteur lié à l’introduction de l’échantillon ;
K (= ηQ )
intro sam
η est l’efficacité de nébulisation de l’analyte ;
Q est le débit d’introduction des échantillons ;
sam
est l’efficacité de détection, qui représente le rapport entre le nombre d’ions détectés
K
ICPM− S
et le nombre d’atomes d’analyte de l’isotope mesuré introduits dans l’ICP ;
est un facteur lié à l’élément mesuré, incluant l’abondance atomique de l’isotope considéré,
K
M
le nombre d’Avogadro et la masse atomique de l’élément.
Il est important de souligner que les méthodes de spICP-MS ne diffèrent pas des autres méthodes d’analyse
quantitatives basées sur l’étalonnage et l’emploi d’étalons. Qui plus est, la concentration en nombre de
particules ou la taille des particules peuvent être obtenues par étalonnage direct à l’aide de matériaux de
référence (MR) respectivement caractérisés pour la concentration en nombre de particules ou la taille.
Avec les systèmes classiques d’introduction d’échantillons (c’est-à-dire un nébuliseur pneumatique et une
chambre de pulvérisation cyclonique ou à double passage), selon le fabricant de l’instrument, l’efficacité du
transport, η , attendue est comprise entre 1 % et 15 %. Cependant, des systèmes d’introduction plus
transport
efficaces sont maintenant disponibles, tels que des systèmes d’introduction d’échantillons à consommation
totale, des nébuliseurs à injection directe, des nébuliseurs à haut rendement à injection directe démontables
et des systèmes d’introduction à cellule unique. Ils peuvent être utilisés pour atteindre des efficacités de
transport allant jusqu’à 100 %. Il convient toutefois de déterminer les paramètres d’efficacité du transport
pour les systèmes d’introduction d’échantillons à fois normalisés et à forte consommation, afin de garantir
une caractérisation fiable des nano-objets.
Deux des approches les plus souvent utilisées pour calculer l’efficacité du transport sont les méthodes basées
sur la fréquence des particules et sur la taille des particules. Ces deux approches reposent sur l’utilisation
de MR de nanoparticules. Étant donné que le nombre de MR disponibles dans le commerce est limité (voir
Tableau 2), les récents efforts de recherche se sont concentrés sur le développement d’approches sans MR
pour déterminer l’efficacité du transport, telles que les méthodes à débit massique dynamique (DMF) et
des microgouttelettes. Ces méthodes peuvent être utilisées pour caractériser des MR, des matériaux d’essai
représentatifs (MER) ou des matériaux de contrôle de la qualité (MCQ) en interne pour la concentration en
nombre de particules, entre autres techniques, telles que la microscopie électronique qui peut être utilisée
pour caractériser la taille des particules.
5.2 Méthodes d’étalonnage dépendant du matériau de référence
5.2.1 Méthode basée sur la fréquence des particules
Dans la méthode basée sur la fréquence des particules, l’un des éléments suivants est introduit dans l’ICP-MS :
a) un MR de nanoparticules monodispersées dont les caractéristiques de particules sont connues, telles
que la composition et la densité des éléments, et avec un diamètre sphérique équivalent certifié et une
concentration massique élémentaire (voir Formule 2) ;
b) une concentration en nombre de particules (voir Formule 3).
Le nombre de particules est ensuite mesuré sur la durée du balayage temporel.
-1
Dans la pratique, pour un débit de prélèvement d’échantillons dans la plage de (0,2 à 0,4) g min et
-1
une concentration de MR dans la plage de (50 000 à 200 000) g sur une durée d’acquisition de (25 à 100) µs
-1
ou de (10 000 à 30 000) g sur une durée d’acquisition de (3 à 10) ms, un flux de particules type dans le
-1
plasma dans la plage de (1 000 à 3 000) min est observé sur la durée d’acquisition de (25 à 100) µs et de
-1
(150 à 1 000) min sur la durée d’acquisition de (3 à 10) ms.
En fonction des caractéristiques connues du MR, l’efficacité du transport (« η ») est ensuite calculée
transport
[5]
d’après la Formule (2) :
3 −9
Nd··ρπ··10
NP réf NP
η = ·100% (2)
transport
6··CQ ·t
msam i
où
N est le nombre d’événements détectés par balayage temporel (u.a./aucune unité) ;
NP
t est le balayage temporel (min) ;
i
d est le diamètre moyen équivalent en volume sphérique du cœur de particule (nm) ;
réf
-3
ρ est la densité des particules (g cm ) ;
NP
-1
C est la concentration massique élémentaire de la suspension de particules (pg g ) ;
m
-1
Q est le débit moyen de prélèvement des échantillons (g min ) .
sam
ou la Formule (3) :
N
NP
η = ·100% (3)
transport
CQ··t
NP sami
où
N est le nombre de particules détectées par balayage temporel (a.u./aucune unité) ;
NP
t est le balayage temporel (min) ;
i
-1
C est la concentration en nombre (g ) ;
NP
-1
Q est le débit moyen de prélèvement des échantillons (g min ).
sam
Il est important de noter que la mise en œuvre de la Formule (2) doit inclure la caractérisation de toutes
les caractéristiques d’entrée des particules, y compris la densité des particules (ρ ), car il a été démontré
NP
que la densité des particules n’est proche de la densité apparente que pour un nombre limité de matériaux
(par exemple l’or). Pour d’autres matériaux (le dioxyde de silicium, par exemple), les particules peuvent
-3
avoir des densités allant de moins de 1,9 g cm (sous la forme amorphe hydratée de la silice de Stöber) à
-3
plus de 2,6 g cm pour le quartz. Dans le cas des particules d’argent dont la taille varie de 30 nm à 100 nm, la
[6]
densité mesurée s’est avérée inférieure de 18 % à 24 % à la densité nominale de l’argent métallique .
Étant donné l’incertitude associée à tous les paramètres de la Formule (2) et de la Formule (3), l’incertitude
composée de η , estimée d’après la méthode basée sur la fréquence des particules, est relativement
transport
élevée. Elle constitue le principal facteur contribuant à l’incertitude globale associée aux mesurages de
la concentration en nombre de particules par spICP-MS dans ce cas (en présumant que la population de
particules est bien séparée du signal de fond).
À titre d’exemple, en utilisant des particules d’or sphériques de 60 nm (par exemple NIST RM 8013) et
la Formule (2), l’incertitude associée à η représente environ 12 % de l’incertitude élargie relative
transport
[7]
(voir référence, Tableau 8). Dans le cas de la Formule (3) et des matériaux ayant une valeur de concentration
en nombre donnée (par exemple LGCQC5050, nanoparticules d’or colloïdal de 30 nm), l’incertitude associée
à l’efficacité du transport calculée sera principalement affectée par l’incertitude associée au paramètre C
NP
indiqué sur le certificat d’analyse (par exemple, 19 % d’incertitude élargie relative pour LGCQC5050).
NOTE Les matériaux NIST RM 8013 et LGCQC5050 sont utilisés à titre d’exemples et ne sont peut-être pas
disponibles dans le commerce.
5.2.2 Méthode basée sur la taille des particules
Dans la méthode basée sur la taille des particules, une suspension de particules de MR certifiée pour le
diamètre sphérique équivalent des particules est utilisée pour calculer l’efficacité du transport. De plus,
une solution étalon élémentaire ayant une concentration massique connue du même élément est mesurée.
L’efficacité du transport est ensuite calculée d’après la Formule (4) :
R
ionique
η = ·100% (4)
transport
R
NP
où
-1
R est la réponse de l’instrument aux ions (cps µg ) ;
ionique
-1
R est la réponse de l’instrument à la suspension de particules (cps µg ).
NP
R et R peuvent être calculés comme suit à partir des Formules (5) et (6), respectivement :
ionique NP
RF ··610
ion
R = (5)
ionique
Qt·
samd
où
RF est le facteur de réponse de l’instrument à l’étalon élémentaire, dérivé de l’analyse de régression de
ion
-1
la courbe d’étalonnage (cps µg kg) ;
t est la durée d’acquisition (ms) ;
d
-1
est le débit de prélèvement des échantillons (g min ).
Q
sam
II−
NP diss
R = (6)
NP
m
NP
où
I est l’intensité moyenne des particules (cps) ;
NP
I est l’intensité moyenne du bruit de fond dissous (cps) ;
diss
m est la masse de l’élément dans une particule unique (µg).
NP
m peut être calculée d’après la Formule (7) :
NP
d ··ρπ
réf NP
m = (7)
NP
−15
61· 0
où
d est le diamètre sphérique équivalent du noyau de particule (nm) ;
réf
-3
ρ est la densité des particules (g cm ).
NP
Pour déterminer l’efficacité du transport par la méthode basée sur la taille des particules, une suspension
du MR de nanoparticules de taille connue est analysée en combinaison avec un étalon ionique du même
élément étudié. L’étalon ionique est généralement préparé à partir d’une solution étalon élémentaire d’ICP-
MS disponible dans le commerce et mesuré en utilisant les mêmes réglages d’ICP-MS (par exemple durée
d’acquisition, débit, etc.) que le MR de nanoparticules. Il convient que la réponse du détecteur soit linéaire
dans la plage des intensités mesurées car des particules plus grosses peuvent conduire à une saturation
du détecteur, ce qui entraîne une sous-estimation de la réponse de l’ICP-MS et donc une surestimation de
[8]
l’efficacité du transport. Par conséquent, les options suivantes sont actuellement possibles :
a) analyser des MR ou MER de nanoparticules de différentes tailles et contrôler la linéarité de la droite
de régression pour R ;
NP
b) analyser plusieurs étalons ioniques de différentes concentrations pour englober les intensités (en cps)
obtenues au cours de l’analyse des MR ou MER de nanoparticules.
La méthode basée sur la taille des particules repose sur plusieurs hypothèses, telles que la sphéricité
des particules, et sur le fait que les éléments dissous et les éléments d’analyte des nanoparticules ont des
efficacités d’ionisation égales dans le plasma, ainsi que des efficacités de collecte égales à travers le cône
de prélèvement dans le MS. Le diamètre sphérique équivalent des particules, la composition chimique et la
densité des particules sont tous des paramètres d’entrée requis dans les équations qui s’accompagnent de
leurs valeurs d’incertitude associées, ce qui signifie que l’incertitude associée à la valeur η estimée
transport
selon la méthode basée sur la taille des particules est comparable à la méthode basée sur la fréquence
des particules. Cependant, plusieurs rapports de la littérature mettent en évidence des différences dans
les valeurs moyennes de η obtenues avec les deux approches. Plusieurs auteurs démontrent que la
transport
méthode basée sur la fréquence sous-estime systématiquement η par rapport à la méthode basée sur
transport
[9]
la taille, d’un facteur pouvant atteindre 25 %, tandis que d’autres rapportent des différences nettement
[10,11]
plus faibles entre les deux méthodes. La raison de cette variabilité est encore inconnue, bien qu’une
explication puisse être avancée dans les différences de transmission des atomes provenant des matériaux
dissous par rapport aux atomes provenant des nanoparticules, un phénomène dépendant à la fois du débit
[3]
de prélèvement et du comportement du spectromètre de masse. D’autres facteurs, tels que l’impact d’un
stockage inadapté des échantillons, peuvent également être envisagés.
5.3 Méthodes d’étalonnage sans matériau de référence
5.3.1 Méthode du débit massique dynamique
Une méthodologie basée sur l’approche DMF et ne nécessitant pas de MR pour déterminer l’efficacité de
[12]
la nébulisation et l’efficacité du transport, a été développée . L’approche DMF consiste à mesurer en continu
la masse de prélèvement d’échantillons et la masse d’échantillons atteignant le plasma en ligne au fil du
temps (débit massique d’échantillons), alors que le système ICP-MS est à l’équilibre. La valeur de l’efficacité
de nébulisation de l’échantillon est ensuite calculée par le rapport entre le débit massique d’échantillon
atteignant le plasma et le débit massique de prélèvement d’échantillons, d’après la Formule (8) :
Mf
pl
η = (8)
transport
Mf
up
où
-1
Mf est la pente de l’analyse de régression représentant le débit massique atteignant le plasma (g min ) ;
pl
Mf est la pente de l’analyse de régression représentant le débit massique de prélèvement d’échantillons
up
-1
(g min ).
Dans ce cas, la détermination de η repose sur la pesée de la suspension dans le temps et, par
transport
conséquent, il a été démontré que son incertitude associée était principalement basée sur des mesurages de
masse. Ces mesurages peuvent être effectués avec une exactitude et une fidélité élevées et une incertitude
[12]
de mesure élargie relative d’environ 2,5 %, dans les conditions de travail spécifiées dans la littérature .
Jusqu’à présent, la fidélité et l’exactitude de la méthode ont été démontrées pour les systèmes d’introduction
d’échantillons comprenant une chambre de pulvérisation à double passage refroidie à environ 2 °C.
[12]
Dans ces conditions spécifiques, l’efficacité de nébulisation du solvant et de l’échantillon s’est avérée
égale à l’efficacité de la nébulisation et du transport de l’analyte. Le fait de travailler avec une chambre
de pulvérisation refroidie permet de réduire la quantité de vapeur d’eau (produite par l’évaporation de
l’eau à partir de l’aérosol dans la chambre de pulvérisation) pénétrant dans le plasma, en limitant ainsi la
contribution de cette source d’erreur à l’incertitude du η basé sur la masse.
transport
a)
b)
Légende
X temps (min) 1 débit massique d’échantillon atteignant le plasma
Y masse (g) 2 débit massique du prélèvement d’échantillons
A prélèvement d’échantillons
B tube d’évacuation
S1 pente 1
S2 pente 2
T1 45 minutes
T2 15 minutes
Figure 2 — Représentation schématique de la détermination de l’efficacité du transport
avec l’approche DMF
Ce mode opératoire est généralement mis en œuvre au début et à la fin de chaque journée d’analyse. Étant
donné les possibles fluctuations du débit massique de prélèvement d’échantillons dues à la pompe au cours
de l’analyse, et pour améliorer l’exactitude des mesurages, il convient également de surveiller le débit
[12]
massique de l’échantillon acquis tout au long de l’analyse .
L’efficacité de la nébulisation ou l’efficacité du transport déterminée par DMF, correctement mise en œuvre
(en utilisant, par exemple, une chambre de pulvérisation à double passage refroidie à 2 °C) concorde,
[11,12]
dans les limites de l’incertitude de mesure associée, avec les approches dépendant des MR. Une telle
méthodologie, bien que plus laborieuse que les approches dépendant des MR en raison du temps requis
pour mesurer les débits massiques (Figure 2), s’avère prometteuse pour la validation d’autres techniques de
laboratoire pour la concentration en nombre de particules, comme l’a démontré une étude de comparaison
[13] [14]
interlaboratoires (ILC) organisée dans le cadre de VAMAS TWA 34 et BIPM CCQM-P194. Ju
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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