本文件描述了对水中的样品进行分析测量时所使用的样品制备方法(即预处理和粒度筛分)。其制备方法包括样品的收集和存储、各种分析物的预浓缩及筛分。 本文件适用于包含相应数量和种类的金属和金属氧化物纳米物体的地表水或饮用水。

ICS07.030
CCSc04
中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB/Z43032—2023/ISO/TR20489:2018纳米技术
水样中金属与金属氧化物纳米
物体表征样品制备方法
Nanotechnologies-Characterization of metal and metal-oxidenano-objectsinwaterSamplepreparation(ISO/TR 20489:2018,Nanotechnologies—Samplepreparation for thecharacterization of metal and metal-oxide nano-objects in water,IDT)2023-09-07发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2024-04-01实施
GB/Z43032—2023/ISO/TR20489:2018前言
规范性引用文件
术语和定义
缩略语
金属基和金属氧化物基人造纳米物体类型水基质类型
样品收集和储存
样品收集和储存容器
样品预处理
沉降和离心
分步沉降与离心
离心和沉降影响因素
离心优势和局限性
粒度分级技术
场流分离（FFF)
优势和局限性
超滤（UF）
尺寸排阻色谱（SEC)
附录A（资料性）
参考文献
相关纳米物体表征技术
本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则起草。
GB/Z43032—2023/ISO/TR204892018第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件等同采用ISO/TR20489:2018《纳米技术水样中金属与金属氧化物纳米物体表征样品制备方法》。文件类型由ISO的技术报告调整为我国的指导性技术文件。本文件做了下列最小限度的编辑性改动：为与现有标准协调，将标准名称改为《纳米技术水样中金属与金属氧化物纳米物体表征样品制备方法》。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。
本文件由全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279）归口。本文件起草单位：枣庄学院、中国医学科学院基础医学研究所。本文件主要起草人：宗明吉、刘建波、温涛、许海燕。GB/Z43032—2023/IS0/TR20489:2018引言
人造纳米物体在消费品、保健产品、太阳能电池板、电池、表面涂层和水处理等商业产品的应用越来越多，这些纳米物体最终会释放到自然环境中，尤其是水环境中。然而，人造纳米物体释放到水环境后关于其\存在状态”\输运”\转归”的技术数据目前来说却十分有限。同时.随着当前全球水供应短缺和水循环利用需求的增加，人们对水中人造纳米物体潜在健康影响的担忧也在增加。纳米物体所处的水相基质的环境参数[如天然有机物含量、pH、离子强度（IS)等非常重要，因为这些参数可能会影响纳米颗粒的大小、最终产物、稳定性和化学组成。一份含有人造纳米物体的水样可能非常复杂·因为其中包含了一系列不同性质、粒径、反应活性、成分、团聚状态和形状的纳米颗粒。因此样品的前期准备过程，如预处理和粒度筛分，对纳米物体的后续分析来说非常关键，已有研究列出了常见的筛分技术。
尽管ISO/TR18196：2016中描述了几种用于检测和表征水基质中人造纳米物体的方法，但这些方法仍处于技术规范或标准的不同发展阶段。更重要的是，对于水样中的人造纳米物体来说，目前还没有在分析前处理（即收集、储存和粒度筛分）方面被接受的标准。本文件有助于不同实验室之间对数据进行比对，这将有助于对含有人造纳米物体的商业产品进行后续研究，从而最终支持纳米技术相关产业的发展。
GB/Z43032-2023/ISO/TR20489:2018纳米技术水样中金属与金属氧化物纳米物体表征样品制备方法
本文件描述了对水中的样品进行分析测量时所使用的样品制备方法（即预处理和粒度筛分）。其制备方法包括样品的收集和存储、各种分析物的预浓缩及筛分本文件适用于包含相应数量和种类的金属和金属氧化物纳米物体的地表水或饮用水2
规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
4manufacturednanomaterial
人造纳米材料
为了商业目的而制造的具有特定功能或特定组成的纳米材料。［来源：GB/T30544.1—2014,2.9]3.2
被测量measurand
拟被测的量。
［来源：ISO/IECGuide99:20072.3.有修改]3.3
纳米物体
nano-object
一维、二维或三维外部维度处于纳米尺度的物体注：用于所有相互分离的纳米尺度物体的通用术语。［来源：GB/T30544.1—2014，2.5]3.4
纳米结构材料
nanostructuredmaterial
内部或表面具有纳米结构的材料。注：本定义不排除纳米物体（3.3）具有内部或表面纳米结构的可能性。如果外部维度（一个或多个）处于纳米尺度，推荐用术语“纳米物体”。［来源：GB/T30544.12014，2.7]3.5
地表水surfacewater
在陆地表面流动或留存的水。
［来源ISO13164-1:20133.1.20]1
GB/Z43032—2023/ISO/TR20489:20183.6
饮用水drinkingwater
无论取自何处，用于饮用、烹饪食品制备或其他生活用途的处于原始状态或经过处理的水。注：也称为“可饮用水”。
［来源：ISO5667-5：2006.2.2，有修改］4缩略语
下列缩略语适用于本文件。
DLS：动态光散射（DynamicLightScattering）；FFF：场流分离（Field-FlowFractionation）；FlowFFF：流式场流分离（FlowField-FlowFractionation）：GPC：凝胶渗透色谱法（GelPermeationChromatography）；HDPE：高密度聚乙烯（HighDensityPolyethylene）；PES：聚醚矾（Polyethersulfone)：RC：再生纤维素（RegeneratedCellulose）；SDS：十二烷基硫酸钠（SodiumDodecylSulfate)；SEC：尺寸排阻色谱（SizeExclusionChromatography）；UF：超滤（Ultrafiltration）；UV-vis：紫外可见光谱（Ultraviolet-VisibleSpectroscopy）。金属基和金属氧化物基人造纳米物体类型5
根据现有商业产品的相关性”，在制定本文件时考虑了以下金属和金属氧化物的纳米物体。二氧化钛（TiO，）：许多普道消费品（如防晒霜、抗真菌涂料）和医疗产品中最常用的纳来材料之一。
一氧化锌（ZnO）：广泛用于防晒产品和医疗产品银（Ag）：通常在纺织消费品和医疗产品中用作抗菌剂。金（Au）：广泛应用于生物测定、给药和热疗等。6水基质类型
本文件考虑了两种水基质类型：地表水和饮用水。由于废液大部分都排放到地表水中，因此地表水很容易包含各种商业产品中的人造纳米物体。城市饮用水来自水处理厂，已经去除可能包括纳米物体在内的所有微粒。但是已有研究发现，在处理后的水样中发现了微量的纳米物体。因此，随着人造纳物体在商业产品中的使用越来越多，监测饮用水中的纳米物体也会变得越来越重要。7样品收集和储存
7.1通则
为了尽量减少水样从采集到最后分析过程中样品状态的变化，在采集、运输和储存过程中宜采取预1）行业应用：http：//www.understandingnano.com/nanoparticles.html2
GB/Z43032—2023/ISO/TR20489:2018防措施。目前还没有关于收集、运输和储存含纳米物体的地表水样品的标准，但是从下列关于水质的国际标准中可看出，采样宜作为开发纳来物体特定处理流程的基础：—ISO5667-1《采样程序和采样技术的设计指南》；—ISO5667-3《水样的保存和处理以及样品容器的使用》；ISO5667-4《湖泊采样指南》；
ISO5667-5《水处理厂和管道分配系统饮用水采样指南》；—ISO5667-6《河流和溪流采样指南》由于地表水中的纳来物体可能会发生连续的物理化学变化，因此最好在短时间内对样品进行分析。7.2样品收集和储存容器
除了ISO5667-3给出的建议外，在对纳来物体进行分析时，收集和储存淡水样品的常见容器包括HDPE[1SI16L171和硼硅玻璃LI8。相关容器（特别是HDPE)通常在使用前用稀酸液预洗。为了对纳米物体进行后续的物理化学分析，所收集的样品一般保存在常温或稍低温度下，但不需要冷冻。通常添加抗菌剂保持水样的稳定以便于储存。8样品预处理
8.1概述Www.bzxZ.net
从工业或自然环境中收集的初始水样品通常需要进行预处理，用以（i）去除大颗粒，和（或）（）浓缩待表征的纳米物体。包括稀释技术（本文件未涉及）在内，这些都是样品在能进行粒度分级和（或）后续分析之前所使用的主要预处理方法。警告：由于纳米物体能吸附在大颗粒上，以下预处理方法可能会在某种程度上去除掉纳米物体。8.2沉降和离心
8.2.1沉降
在样品预处理中，能使用沉降来减少初始水样品中的大颗粒，将纳米物体留在悬浮液中，以便能有效地进行后续的样品处理或分析。重力沉降过程中，尺寸较大的颗粒或密度较大的颗粒会在重力作用下从水体中沉降下来。该过程简单，广泛适用于从微量到大量样品（例如1mL～20L）的处理。这个过程通常需要几个小时完成，能去除水样中直径大于5um的颗粒9。重力沉降的优点是操作简单，不需要使用昂贵的仪器。该方法可用作快速方便去除（块状）大材料的初始处理方法，而不是去除亚微米颗粒。8.2.2离心
除了沉降，离心是另一种从初始水样中去除天颗粒的方法。而且，当水样中的纳来物体数量太少面无法进行下游分析时，离心还能用来浓缩纳米物体。离心是依据非均匀混合物中的不同组分的有效质量（密度和尺寸）的不同，利用离心力来对它们进行分离的过程。离心时，混合物中密度较大或尺寸较大的组分会迅速地从离心轴上分离，从而形成沉淀物。沉降速率由角速度决定，通常表示为每分钟转动的次数（revolutionsperminute，RPM），或将其离心加速度表示为重力加速度（g值）的倍数，每分钟转动的次数和名值之间的换算系数取决于离心机转子的半径。离心沉降速率与颗粒的天小和形状、离心加速度、固体的体积分数、颗粒与液体介质的密度差以及液体黏度有关。当颗粒和液体的密度相同时（即不存在密度差），其沉降速率为零。3
GB/Z430322023/IS0/TR20489：20188.2.3分步沉降与离心
为了处理含有不同尺寸纳来物体的水样，已有研究建立了“分步沉降与离心”这项技术8。首先，将水样（地表水或饮用水）放置2h以去除大颗粒。然后提取水样的最上层（顶部2cm，相当于1L或体积比为15%），在330g下离心30min，用以沉淀微米颗粒。然后再提取离心样品的最上层（顶部2cm或体积比为15%），在2700g下离心1h，用以沉淀粒径大于200nm的颗粒。纳米物体的浓度在上清液经过第二次离心后，宜相应地提高，当然也能通过更高的离心速度将其进一步浓缩。8.2.4离心和沉降影响因素
8.2.4.1沉降速率
离心分离的金属基纳米物体在上清液或沉淀物中都可能存在。在沉淀物中收集纳米物体更为常见.因为它可将待测的纳米物体从包含多种组分的水样中分离出来。一般来说，越小的纳米物体需要的离心加速度（g值）越大，或需要更快的旋转速度及更长的离心时间。例如，在7000g～10000g的离心加速度下，离心20min~30min可沉降粒径为15nm~20nm的金纳米物体。在15000g~18000g的离心加速度下·离心30min可沉降粒径为5nm10nm的金纳米物体2。另一方面，如果不需要样品中的天尺寸颗粒时，可收集上清液中的纳米物体。一般来说，收集粒径小于20nm的金属基纳米物体，用小于5000g的加速度离心不超过15min即可。收集粒径小于5nm的纳米物体，需要长时间的超速离心才可完全去除水样中的其他颗粒。研究人员利用离心方法研究了混入氧化锌等纳米物体的地表水，分析了不同时间内纳米物体的聚集和溶解情况[2122]，结果表明，氧化锌纳米物体的聚集体尺寸在2h～8h内逐渐增大，最终达到稳定尺寸8.2.4.2温度
商用冷冻离心机的操作温度通常在4℃~25℃（环境温度）。对于粒径大于20nm的金属基纳米物体，操作温度对沉积物采集的影响不大。而对于粒径小于10nm的纳米物体，采取较低的操作温度可保证更稳定的沉积，这是因为低温抑制了布朗运动和相关扩散，即抑制了沉淀物的再分散8.2.4.3密度梯度
在具有密度梯度的介质中进行离心操作能分离不同大小和形状的纳米物体。离心后，最大的纳米颗粒形成沉降，而最小的纳米颗粒仍停留在梯度介质的顶部附近。最常见的制备密度梯度介质的是甘油231.然而，多相密度介质产生的不连续密度梯度则可被用来分离不同尺寸和形状的纳米物体。例如，已有研究使用基于表面活性剂的三相介质[体积比为8.7%的月桂醇聚氧乙烯醚，浓度为10g/L的聚（2-乙基-2-嗯唑啉）和浓度为11.7g/L的聚蔗糖来分离金纳米颗粒、纳米棒和大尺寸颗粒L24。8.2.5离心优势和局限性
离心分离是一种简便的分离水样品中纳来物体的方法。离心不受缓冲溶液的影啊并兼容所有下游表征技术。目前的商用离心机每次能处理300mL～500mL的样品，并且离心操作不需要进行复杂培训。离心的主要缺点是可导致沉积的纳米物体发生团聚，特别是处于高离心加速度时。此外，这种方法不能很好地分离开尺寸和密度相似的纳米物体。8.3过滤
过滤是一种通过插人半透性阻挡物（通常是滤膜）来去除固体颗粒的操作，这是因为滤膜只能使液体或小尺寸的物体通过。过滤之所以成为原始水样预处理的常用技术，是因为滤孔尺寸范围选择较广4
GB/Z430322023/ISO/TR20489:2018（从亚微米到微米）并且可选择多种多样的膜材料（如聚四氟乙烯、再生纤维素、尼龙、硝酸纤维素、聚碳酸酯等）。孔径天小的选择通常由应用环境或过滤的物体来决定。0.1um的孔径能去除支原体，而0.2um的孔径能去除细菌和真菌。大颗粒的去除或预过滤一般使用0.45um或更大孔径的过滤膜完成。通过过滤对原始水样品进行预处理是纳米物体分析中的常用手段，不仅用于滤液中已存在的纳米物体[15125]，还用于为了后续分析而添加的人造纳米材料[261[27]。9粒度分级技术
9.1概述
样品预处理后，含有纳米尺度物体的水样能做进一步的处理或分析。粒度分级是纳米物体按粒度进行分离的常用技术之一，分级后还能得到除粒度以外的其他信息。也就是说，结合其他技术，能进一步对粒度分级中收集到的粒度群进行分析·从而能获取更多的性质信息，如颗粒的形状、结构、化学成分等。
这一部分将讨论3种常用的粒度分级技术：FFF、UF和SEC。附录A的表A.1给出了用于表征或分析粒度分级后纳米物体的技术清单。ISO/TS21362规范了场流分离技术在水相中检测和识别纳米物体方面的应用。
9.2场流分离（FFF)
9.2.1概述
FFF是一种不需要固定相的类色谱分离技术。分离过程通过力的平衡来实现，力的平衡涉及一外场力，且该力的方向垂直于通过扁平通道的样品流动方向。液体样品在通道流动时其流速部面为层流抛物线型，即贴近管壁的流动速度接近于零，而管道中心的流动速度最大。垂直方向的力场会使得颗粒向聚集壁的方向运动。与此同时，与布朗运动相关的扩散将导致纳来物体进行方向相反的运动。当力场的作用与扩散运动达到平衡时，具有较大扩散速率的小颗粒的平衡位置往往会处于较高的载流通道（高流速区域）。因此，不同粒径的颗粒在通道内根据速度梯度进行分离，较小的颗粒会较早地被洗脱。FFF技术在“正常模式”下适用于对各种类型的样品进行粒度分离，从粒径在1nm～100nm范围内的纳米物体到粒径接近1um的胶体粒子。FloWFFF技术是目前使用最广泛的FFF技术分支，应用于分离和表征天然胶体25JL28以及人造纳米物体28]-[32]。目前已应用于河流1513]、湖泊[1和溪流5343E3等地表水样品中的纳米物体的分离。在最近的一项研究中，利用FlowFFF技术对来自3个不同淡水地点的胶体颗粒进行了测定，结果显示出3个粒度范围：小于4.2nm4.2nm~15.8nm（不包含15.8nm）以及15.8nm~32.4nml4l。在另—项研究中，对河流样品中纳米物体的天小和组成进行分析，发现了3种胶体群：0.5nm4nm（与大部分元素相结合）3nm~8nm（类蛋白胶体）和5nm~40nm（富铁胶体）L33。利用此技术不仅得到分离物的粒径信息，还能对其浓度进行估算。然而，目前还没有对来自河流、湖泊和溪流的地表水中的人造纳米物体进行类似分析的参考资料，造成该情况的部分原因在于人们很难区分自然界产生的纳米物体和人造纳米物体。
9.2.2优势和局限性
使用FloWFFF技术进行程序洗脱，可能在较广的粒度范围内分离纳米物体。但如果粒度范围较大，峰值的分辨率可能会相应地降低。FlowFFF技术不仅能与多种检测技术在线联用，还能对收集后的分离物做进一步的离线分析。在线和离线探测器能提供颗粒的大量信息，包括粒径、形状、浓度、结构、化学成分和光学性质。为了分析低颗粒浓度的水样，需要在分离过程实施之前对其预浓缩或在通道5
GB/Z430322023/IS0/TR20489：2018内进行浓缩。使用UV-vis和DLS等在线技术分析低颗粒浓度的样品存在局限性，但如果纳米物体中含有金属、非金属和类金属，则使用电感耦合等离子体质谱和单粒子电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术是有效的。
理论上·pH处在2~11范围内的任何离子强度的水相或非水相介质都能用作载流物质，这样就通过载流物质的选择来保证胶体的稳定性，在纳米物体从样品转移到载流物质时，最大限度地减少了周围介质的化学变化。优化后的载流物质几乎不会对纳米物体的聚集、解聚集、构象变化以及样品-膜的相互作用和吸附产生影响。此外，研究人员已经证明功能化膜能减少纳米物体在膜表面的累积，以便提高纳米物体的回收率。
由于在通道中不同的纳米物体与膜的相互作用不同，可导致虽然某些纳米物体的尺寸相同，但由于表面包覆物的不同，其滞留或洗脱时间也会有所不同。即使某些纳米物体的表面性质相同，由于其内核物质的不同也能导致其滞留时间有所不同L36]。FloWFFF技术在纳来物体分离过程中的一大好处就是利用不同的表面包覆物来分离相同的颗粒。使用滞留时间来进行尺寸分析可能会影响尺寸结果的准确性37，但这个问题能通过使用在线尺寸测量来解决，而不是用理论上或尺寸校准得到的滞留时间数据来进行尺寸分析。
9.3超滤（UF）
UF是一种在溶液里将纳来物体与尺寸较小的可溶分子分离的技术。UF分离是依据分子膜孔径的大小来进行的。UF的优势在于，它可直接对环境样品进行处理，而且在分离前不对纳来物体进行预浓缩。UF技术已经被广泛应用于研究不同类型水样中胶体粒子对痕量金属分离的影响。然而，UF的缺点是膜表面可能发生凝固和堵塞，因此选择一种高效膜十分重要。FFF技术和SEC等方法都需要使用化学缓冲液或流动相，而这可能导致纳米物体的溶解或团聚，与之不同的是，UF对目标物质进行浓缩不需要特定缓冲液，此外该技术也能处理大体积的样品。对人工制品宜谨慎地评估，因其干扰因素能极大地影响分析结果。已有研究使用PES膜和RC膜两种商用膜，对淡水中的痕量金属胶体进行了分析81。这项关于UF膜的研究结果不仅证实了UF技术的有效性，还表明在低离子强度的水中，RC膜要优于PES膜，是淡水环境下进行汞分离的首要选择。9.4尺寸排阻色谱（SEC)）
SEC，也称为GPC，是一种将分子与颗粒分离的色谱技术，其分离依据为：不同的颗粒通过一个多孔的固定相时，其水合粒径的大小是不同的。粒径较小的颗粒能进人固定相的孔隙内，因此在色谱柱中停留的时间较长，而粒径大于固定相平均孔径的颗粒则被排除在外，并优先从色谱柱中洗脱出来。利用SEC进行分离包含了两部分，一是选择具有合适孔径的固定相，是与待测的纳来物体相匹配的流动相。但是，由于固定相具有较大的表面积，而纳米物体的表面能很高，纳米物体可能会在固定相上发生不可逆吸附。那么将表面活性剂引人到流动相能克服纳来物体的这种不良吸附，这是因为表面活性剂稳定纳米物体并防止其在孔内发生团聚。以金纳米物体为例，利用孔径为100nm的聚合物基固定相和浓度为1mmol/L～5mmol/L的SDS，能对含有粒径为5nm和38nm的混合物进行分离[海。
附录A
（资料性）
GB/Z43032—2023/ISO/TR20489:2018相关纳米物体表征技术2
用于表征或分析纳米物体的技术清单见表A.1表A.1
声谱法
俄款电子能谱
粒子计数器
差分迁移分析系统
动态光散射
电子能量损失能谱
基于电镜的X射线光谱
荧光光谱
傅里叶变换红外光谱/成像
感应光栅法
电感耦合等离子体质谱和单粒子电感耦合等离子体质谐激光衍射
粒子示踪分析
光学吸收光谱法
石英微量天平
拉曼光谱/成像
共振质量测量
扫描电子显微镜
扫描探针显微镜
二次离子质谱法
小角X射线散射
静态光散射光度计
单粒子光干扰法
透射电子显微镜
X射线衍射
X射线光电子能谱
激光诱导击穿光谱
引用自ISO/TR18196：2016。
EDX/EDS/WDS
ICP-MS
UV-Vis-NIR
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