Caracterización de nanopartículas

La caracterización de nanopartículas es una rama de la nanometrología que se ocupa de la caracterización o medición de las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas . ^[1] Las nanopartículas miden menos de 100 nanómetros en al menos una de sus dimensiones externas y, a menudo, están diseñadas para sus propiedades únicas. Las nanopartículas se diferencian de los productos químicos convencionales en que su composición química y concentración no son métricas suficientes para una descripción completa, porque varían en otras propiedades físicas como tamaño, forma, propiedades de superficie, cristalinidad y estado de dispersión. ^[2]

Las nanopartículas se caracterizan para diversos fines, incluidos los estudios de nanotoxicología y la evaluación de la exposición en los lugares de trabajo para evaluar sus riesgos para la salud y la seguridad , así como el control del proceso de fabricación . Existe una amplia gama de instrumentos para medir estas propiedades, incluidos los métodos de microscopía y espectroscopía , así como los contadores de partículas . Los estándares de metrología y los materiales de referencia para la nanotecnología, aunque todavía es una disciplina nueva, están disponibles en muchas organizaciones.

La nanotecnología es la manipulación de la materia a escala atómica para crear materiales, dispositivos o sistemas con nuevas propiedades o funciones. Tiene aplicaciones potenciales en energía , salud , industria , comunicaciones, agricultura, productos de consumo y otros sectores. Las nanopartículas miden menos de 100 nanómetros en al menos una de sus dimensiones externas y a menudo tienen propiedades diferentes de las versiones en masa de sus materiales componentes, lo que las hace tecnológicamente útiles. ^[3] Este artículo utiliza una definición amplia de nanopartículas que incluye todos los nanomateriales libres independientemente de su forma o de cuántas de sus dimensiones sean nanoescalares, ^[4] en lugar de la definición más restrictiva ISO/TS 80004 que solo se refiere a nanoobjetos redondos. ^[5]

Las nanopartículas tienen diferentes requisitos analíticos que los productos químicos convencionales, para los cuales la composición química y la concentración son métricas suficientes. Las nanopartículas tienen otras propiedades físicas que deben medirse para una descripción completa, como el tamaño , la forma , las propiedades de la superficie , la cristalinidad y el estado de dispersión . ^{[6] [7]} Las propiedades en masa de las nanopartículas son sensibles a pequeñas variaciones en estas propiedades, lo que tiene implicaciones para el control de procesos en su uso industrial. ^{[8] [9]} Estas propiedades también influyen en los efectos sobre la salud de la exposición a nanopartículas de una composición determinada. ^{[6] [7]}

Un desafío adicional es que los procedimientos de muestreo y de laboratorio pueden perturbar el estado de dispersión de las nanopartículas o sesgar la distribución de sus otras propiedades. ^{[6] [7]} En contextos ambientales, muchos métodos no pueden detectar bajas concentraciones de nanopartículas que aún pueden tener un efecto adverso. ^[6] Un alto nivel de fondo de nanopartículas naturales e incidentales puede interferir con la detección de la nanopartícula diseñada de destino, ya que es difícil distinguir entre ambas. ^{[6] [10]} Las nanopartículas también pueden mezclarse con partículas más grandes. ^[10] Para algunas aplicaciones, las nanopartículas pueden caracterizarse en matrices complejas como agua, suelo, alimentos, polímeros, tintas, mezclas complejas de líquidos orgánicos como en cosméticos o sangre. ^{[10] [11]}

Los métodos de microscopía generan imágenes de nanopartículas individuales para caracterizar su forma, tamaño y ubicación. La microscopía electrónica ^[2] y la microscopía de sonda de barrido son los métodos dominantes. Debido a que las nanopartículas tienen un tamaño por debajo del límite de difracción de la luz visible , la microscopía óptica convencional no es útil. Los microscopios electrónicos se pueden acoplar a métodos espectroscópicos que pueden realizar análisis elementales . Los métodos de microscopía son destructivos y pueden ser propensos a artefactos indeseables de la preparación de la muestra, como el secado o las condiciones de vacío requeridas para algunos métodos, o de la geometría de la punta de la sonda en el caso de la microscopía de sonda de barrido. Además, la microscopía se basa en mediciones de partículas individuales , lo que significa que se deben caracterizar grandes cantidades de partículas individuales para estimar sus propiedades en masa. ^{[6] [10] Un método más nuevo,} la microscopía de campo oscuro mejorada con imágenes hiperespectrales , parece prometedor para obtener imágenes de nanopartículas en matrices complejas como el tejido biológico con mayor contraste y rendimiento. ^[12]

La espectroscopia , que mide la interacción de las partículas con la radiación electromagnética en función de la longitud de onda , es útil para algunas clases de nanopartículas para caracterizar la concentración, el tamaño y la forma. Los puntos cuánticos semiconductores son fluorescentes y las nanopartículas metálicas exhiben absorbancias de plasmón superficial , lo que hace que ambas sean susceptibles de espectroscopia ultravioleta-visible . ^{[6] La espectroscopia} infrarroja , de resonancia magnética nuclear y de rayos X también se utilizan con nanopartículas. ^{[10] Los métodos} de dispersión de luz que utilizan luz láser , rayos X o dispersión de neutrones se utilizan para determinar el tamaño de las partículas, y cada método es adecuado para diferentes rangos de tamaño y composiciones de partículas. ^{[6] [10]}

Algunos métodos diversos son la electroforesis para la carga superficial, el método Brunauer-Emmett-Teller para el área superficial y la difracción de rayos X para la estructura cristalina; ^[6] así como la espectrometría de masas para la masa de partículas y los contadores de partículas para el número de partículas. ^{[10] Se pueden utilizar técnicas} de cromatografía , centrifugación y filtración para separar nanopartículas por tamaño u otras propiedades físicas antes o durante la caracterización. ^{[6] [2]}

El tamaño de partícula son las dimensiones externas de una partícula, y la dispersividad es una medida del rango de tamaños de partícula en una muestra. Si la partícula es alargada o de forma irregular, el tamaño diferirá entre dimensiones, aunque muchas técnicas de medición producen un diámetro esférico equivalente basado en la propiedad sustituta que se mide. El tamaño se puede calcular a partir de propiedades físicas como la velocidad de sedimentación , la tasa o coeficiente de difusión y la movilidad eléctrica . El tamaño también se puede calcular a partir de imágenes de microscopio utilizando parámetros medidos como el diámetro de Feret , el diámetro de Martin y los diámetros de área proyectada; la microscopía electrónica se utiliza a menudo para este propósito para nanopartículas. Las mediciones de tamaño pueden diferir entre métodos porque miden diferentes aspectos de las dimensiones de las partículas, promedian distribuciones sobre un conjunto de manera diferente, o la preparación o el funcionamiento del método pueden cambiar el tamaño efectivo de partícula. ^[9]

Para las nanopartículas en suspensión, las técnicas para medir el tamaño incluyen impactadores en cascada , impactadores eléctricos de baja presión, analizadores de movilidad y espectrómetros de masas de tiempo de vuelo . Para las nanopartículas en suspensión, las técnicas incluyen dispersión de luz dinámica , difracción láser , fraccionamiento de flujo de campo , análisis de seguimiento de nanopartículas , velocimetría de seguimiento de partículas , cromatografía de exclusión por tamaño , sedimentación centrífuga y microscopía de fuerza atómica . Para materiales secos, las técnicas para medir el tamaño incluyen microscopía electrónica , microscopía de fuerza atómica y difracción de rayos X. El cálculo retrospectivo a partir de mediciones del área de superficie se emplea comúnmente, pero está sujeto a error para materiales porosos. ^[9] Los métodos adicionales incluyen cromatografía hidrodinámica, dispersión de luz estática , dispersión de luz multiángulo , nefelometría , detección de ruptura inducida por láser y espectroscopia ultravioleta-visible ; ^[6] así como microscopía óptica de barrido de campo cercano , microscopía confocal de barrido láser , electroforesis capilar , ultracentrifugación , filtración de flujo cruzado , dispersión de rayos X de ángulo pequeño y análisis de movilidad diferencial . ^[10] El uso de un microscopio electrónico de barrido ambiental evita los cambios morfológicos causados ​​por el vacío requerido para la microscopía electrónica de barrido estándar, a costa de la resolución. ^{[6] [10]}

Una propiedad estrechamente relacionada es la dispersión , una medida del grado en el que las partículas se agrupan en aglomerados o agregados. Si bien los dos términos a menudo se usan indistintamente, según las definiciones de nanotecnología ISO, un aglomerado es una colección reversible de partículas unidas débilmente, por ejemplo, por fuerzas de van der Waals o entrelazamiento físico, mientras que un agregado está compuesto de partículas unidas o fusionadas de manera irreversible, por ejemplo, a través de enlaces covalentes . La dispersión a menudo se evalúa utilizando las mismas técnicas empleadas para determinar la distribución del tamaño, y el ancho de una distribución del tamaño de partícula a menudo se utiliza como sustituto de la dispersión. ^[9] La dispersión es un proceso dinámico fuertemente afectado por las propiedades de las partículas mismas, así como de su entorno, como el pH y la fuerza iónica. Algunos métodos tienen dificultades para distinguir entre una sola partícula grande y un conjunto de partículas aglomeradas o agregadas más pequeñas; en este caso, el uso de múltiples métodos de dimensionamiento puede ayudar a resolver la ambigüedad, siendo la microscopía particularmente útil. ^[13]

La morfología se refiere a la forma física de una partícula, así como a la topografía de su superficie, por ejemplo, la presencia de grietas, crestas o poros. La morfología influye en la dispersión, la funcionalidad y la toxicidad, y tiene consideraciones similares a las mediciones de tamaño. La evaluación de la morfología requiere la visualización directa de las partículas a través de técnicas como la microscopía electrónica de barrido , la microscopía electrónica de transmisión y la microscopía de fuerza atómica. ^[9] Se pueden utilizar varias métricas, como la esfericidad o circularidad , la relación de aspecto , la elongación, la convexidad y la dimensión fractal . ^[7] Debido a que la microscopía implica mediciones de partículas individuales, es necesario un tamaño de muestra grande para garantizar una muestra representativa, y se deben tener en cuenta los efectos de la orientación y la preparación de la muestra. ^[13]

La composición química a granel se refiere a los elementos atómicos de los que se compone una nanopartícula y se puede medir en métodos de análisis elemental de conjunto o de partícula única. Las técnicas de conjunto incluyen espectroscopia de absorción atómica , espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente o espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente , espectroscopia de resonancia magnética nuclear , análisis de activación de neutrones , difracción de rayos X , espectroscopia de absorción de rayos X , fluorescencia de rayos X y análisis termogravimétrico . Las técnicas de partícula única incluyen espectrometría de masas de tiempo de vuelo , así como el uso de detectores elementales como análisis de rayos X de energía dispersiva o espectroscopia de pérdida de energía de electrones mientras se utiliza microscopía electrónica de barrido o microscopía electrónica de transmisión . ^[9]

La disposición de los átomos elementales en una nanopartícula puede estar organizada en una estructura cristalina o puede ser amorfa . La cristalinidad es la relación entre la estructura cristalina y la amorfa. El tamaño de los cristalitos , el tamaño de la celda unitaria del cristal, se puede calcular mediante la ecuación de Scherrer . Generalmente, la estructura cristalina se determina utilizando difracción de rayos X en polvo o difracción de electrones de área seleccionada utilizando un microscopio electrónico de transmisión , aunque existen otros métodos como la espectroscopia Raman . La difracción de rayos X requiere del orden de un gramo de material, mientras que la difracción de electrones se puede realizar en partículas individuales. ^[9]

El área de superficie es una métrica importante para las nanopartículas diseñadas porque influye en la reactividad y las interacciones de la superficie con los ligandos . El área de superficie específica se refiere al área de superficie de un polvo normalizada a la masa o al volumen. Diferentes métodos miden diferentes aspectos del área de superficie. ^[9]

La medición directa del área superficial de las nanopartículas utiliza la adsorción de un gas inerte, como nitrógeno o criptón, en condiciones de presión variables para formar una monocapa de gas. La cantidad de moléculas de gas necesarias para formar una monocapa y el área de la sección transversal de la molécula de gas adsorbido están relacionadas con el "área superficial total" de la partícula, incluidos los poros y grietas internas, utilizando la ecuación de Brunauer-Emmett-Teller . ^[9] Se pueden utilizar moléculas orgánicas en lugar de gases, como el éter monoetílico de etilenglicol . ^[6]

Existen varias técnicas de medición indirecta para nanopartículas transportadas por el aire, que no tienen en cuenta la porosidad y otras irregularidades de la superficie y, por lo tanto, pueden ser inexactas. Los cargadores de difusión en tiempo real miden el "área de superficie activa", el área de la partícula que interactúa con el gas o los iones circundantes y es accesible solo desde el exterior. Los analizadores de movilidad eléctrica calculan el diámetro equivalente esférico, que se puede convertir utilizando relaciones geométricas. Estos métodos no pueden discriminar una nanopartícula de interés de las nanopartículas incidentales que pueden aparecer en entornos complejos, como las atmósferas de los lugares de trabajo. Las nanopartículas se pueden recolectar sobre un sustrato y sus dimensiones externas se pueden medir utilizando microscopía electrónica , luego se pueden convertir en área de superficie utilizando relaciones geométricas. ^[9]

La química de superficies se refiere a la química elemental o molecular de las superficies de las partículas. No existe una definición formal de lo que constituye una capa superficial, que suele definirse por la técnica de medición empleada. En el caso de las nanopartículas, una mayor proporción de átomos se encuentra en sus superficies en relación con las partículas a escala micrométrica, y los átomos de la superficie están en contacto directo con los disolventes e influyen en sus interacciones con otras moléculas. Algunas nanopartículas, como los puntos cuánticos, pueden tener una estructura de núcleo-capa en la que los átomos de la superficie exterior son diferentes de los del núcleo interior. ^[9]

Existen múltiples técnicas para caracterizar la química de la superficie de las nanopartículas. La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y la espectroscopia de electrones Auger son adecuadas para caracterizar una capa superficial más gruesa de 1 a 5 nm. La espectroscopia de masas de iones secundarios es más útil para caracterizar solo los primeros angstroms (10 angstroms = 1 nm) y se puede utilizar con técnicas de pulverización catódica para analizar la química en función de la profundidad. Las mediciones de la química de la superficie son particularmente sensibles a la contaminación en las superficies de las partículas, lo que dificulta los análisis cuantitativos y la resolución espacial puede ser deficiente. ^[9] Para las proteínas adsorbidas , se pueden utilizar métodos de radiomarcado o espectrometría de masas como la desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI). ^[13]

La carga superficial generalmente se refiere a la carga de adsorción o desorción de protones en sitios hidroxilados en la superficie de una nanopartícula. ^[9] La carga superficial es difícil de medir directamente, por lo que a menudo se mide el potencial zeta relacionado, que es el potencial en el plano de deslizamiento de la doble capa , que separa las moléculas de solvente móviles de las que permanecen adheridas a la superficie. ^[6] El potencial zeta es una propiedad calculada en lugar de medida, y es una función tanto de la nanopartícula de interés como de su medio circundante, lo que requiere una descripción de la temperatura de medición; la composición, el pH, la viscosidad y la constante dieléctrica del medio; y el valor utilizado para que la función Henry sea significativa. El potencial zeta se utiliza como un indicador de estabilidad coloidal y se ha demostrado que predice la absorción de nanopartículas por las células. ^[9] El potencial zeta se puede medir por titulación para encontrar el punto isoeléctrico , ^[13] o mediante electroforesis ^[6], incluida la electroforesis láser Doppler. ^[9]

La energía superficial o la humectabilidad también son importantes para la agregación, disolución y bioacumulación de nanopartículas. Se pueden medir mediante estudios de microcalorimetría por calor de inmersión o mediante mediciones del ángulo de contacto . La reactividad de la superficie también se puede monitorear directamente mediante microcalorimetría utilizando moléculas de sonda que experimentan cambios mensurables. ^[13]

La solubilidad es una medida del grado en el que el material se disuelve de una nanopartícula para entrar en solución. El material disuelto como parte de una prueba de solubilidad se puede cuantificar utilizando espectroscopia de absorción atómica , espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente y espectroscopia de masas de plasma acoplado inductivamente , siendo esta última generalmente la más sensible. Dos conceptos relacionados son la biodurabilidad, la velocidad de disolución en un fluido biológico o sustituto, y la biopersistencia, la velocidad a la que un material se elimina de un órgano como el pulmón mediante procesos de disolución física y química. ^[9]

Las técnicas analíticas de solubilidad miden cuantitativamente la concentración total de elementos en una muestra y no discriminan entre formas disueltas o sólidas. Por lo tanto, se debe utilizar un proceso de separación para eliminar las partículas restantes. Las técnicas de separación física incluyen cromatografía de exclusión por tamaño , cromatografía hidrodinámica y fraccionamiento de flujo de campo . Las técnicas de separación mecánica utilizan membranas y/o centrifugación . Las técnicas de separación química son la extracción líquido-líquido , la extracción sólido-líquido , la extracción del punto de enturbiamiento y el uso de nanopartículas magnéticas . ^[9]

Los fabricantes y usuarios de nanopartículas pueden realizar la caracterización de sus productos para fines de control de procesos o verificación y validación . ^[9] Las propiedades de las nanopartículas son sensibles a pequeñas variaciones en los procesos utilizados para sintetizarlas y procesarlas. Por lo tanto, las nanopartículas preparadas mediante procesos aparentemente idénticos deben caracterizarse para determinar si son realmente equivalentes. Cualquier material o propiedad dimensional de un nanomaterial puede ser heterogénea , y esto puede conducir a heterogeneidad en sus propiedades funcionales. Generalmente, se desean colecciones uniformes. Es ventajoso minimizar la heterogeneidad durante los procesos iniciales de síntesis, estabilización y funcionalización, en lugar de a través de pasos de purificación posteriores que disminuyen el rendimiento. La reproducibilidad de lote a lote también es deseable. ^[8] A diferencia de la nanometrología orientada a la investigación, las mediciones industriales enfatizan la reducción de tiempo, costo y número de métricas medidas, y deben realizarse en condiciones ambientales durante un proceso de producción. ^[14]

Las diferentes aplicaciones tienen diferentes tolerancias en cuanto a uniformidad y reproducibilidad, y requieren diferentes enfoques para la caracterización. Por ejemplo, los materiales nanocompuestos pueden ser tolerantes a una amplia distribución de propiedades de las nanopartículas. ^[8] Por el contrario, la caracterización es especialmente importante para las nanomedicinas , ya que su eficacia y seguridad dependen en gran medida de propiedades críticas como la distribución del tamaño de las partículas, la composición química y la cinética de la carga y liberación de fármacos . El desarrollo de métodos analíticos estandarizados para las nanomedicinas se encuentra en sus primeras etapas. ^[15] Sin embargo, se han desarrollado listas estandarizadas de pruebas recomendadas llamadas "cascadas de ensayo" para ayudar con esto. ^{[16] [17] [18]}

La nanotoxicología es el estudio de los efectos tóxicos de las nanopartículas en los organismos vivos. La caracterización de las propiedades físicas y químicas de una nanopartícula es importante para garantizar la reproducibilidad de los estudios toxicológicos y también es vital para estudiar cómo las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas determinan sus efectos biológicos. ^[13]

Las propiedades de una nanopartícula, como la distribución de tamaño y el estado de aglomeración, pueden cambiar a medida que se prepara y se utiliza un material en estudios toxicológicos. Esto hace que sea importante medirlas en diferentes puntos del experimento. Las propiedades "tal como se recibe" o "tal como se genera" se refieren al estado del material cuando se recibe del fabricante o se sintetiza en el laboratorio. Las propiedades "tal como se dosifica" o "tal como se expone" se refieren a su estado cuando se administra al sistema biológico. Estas pueden diferir del estado "tal como se recibe" debido a la formación de agregados y aglomerados si el material ha estado en forma de polvo, la sedimentación de agregados y aglomerados más grandes o la pérdida por adhesión a superficies. Las propiedades pueden ser nuevamente diferentes en el punto de interacción con los tejidos del organismo debido a los mecanismos de biodistribución y depuración fisiológica . En esta etapa, es difícil medir las propiedades de las nanopartículas in situ sin perturbar el sistema. El examen post mortem o histológico proporciona una forma de medir estos cambios en el material, aunque el tejido en sí puede interferir con las mediciones. ^[7]

La evaluación de la exposición es un conjunto de métodos utilizados para controlar la liberación de contaminantes y las exposiciones de los trabajadores y mitigar los riesgos para la salud y la seguridad de los nanomateriales en los lugares de trabajo donde se manipulan. En el caso de las nanopartículas diseñadas, la evaluación a menudo implica el uso de instrumentos en tiempo real, como los contadores de partículas , que controlan la cantidad total de partículas en el aire (incluidas las nanopartículas de interés y otras partículas de fondo), y métodos de muestreo de higiene ocupacional basados ​​en filtros que utilizan microscopía electrónica y análisis elemental para identificar las nanopartículas de interés. El muestreo personal ubica los muestreadores en la zona de respiración personal del trabajador, lo más cerca posible de la nariz y la boca y, por lo general, sujetos al cuello de una camisa. El muestreo de área es cuando los muestreadores se colocan en ubicaciones estáticas. ^[19]

El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos desarrolló un Informe Técnico: Muestreo de exposición ocupacional para nanomateriales diseñados ^[20] que contiene una guía para el muestreo en el lugar de trabajo para tres nanomateriales diseñados: nanotubos y nanofibras de carbono, plata y dióxido de titanio, cada uno de los cuales tiene un límite de exposición recomendado (REL) basado en la masa elemental de NIOSH. Además, NIOSH desarrolló un enfoque práctico para el muestreo de exposición para otros nanomateriales diseñados que no tienen límites de exposición empleando la Técnica de evaluación de exposición a nanomateriales (NEAT) 2.0, una estrategia de muestreo que se puede utilizar para determinar el potencial de exposición para nanopartículas diseñadas. El enfoque NEAT 2.0 utiliza muestras de filtro tanto en la zona de respiración personal del trabajador como muestras de área. Se utilizan muestras de filtro separadas para el análisis elemental y para recopilar datos morfológicos de la microscopía electrónica. Este último puede proporcionar una evaluación del orden de magnitud de la contribución de la nanopartícula de interés a la carga de masa elemental, así como una evaluación cualitativa del tamaño de la partícula , el grado de aglomeración y si la nanopartícula está libre o contenida dentro de una matriz . La identificación y caracterización de peligros se puede realizar con base en una evaluación holística de las muestras de filtro integradas. Además, se pueden utilizar instrumentos de lectura directa portátiles en el campo para el registro continuo de fluctuaciones normales en el recuento de partículas, la distribución del tamaño y la masa. Al documentar las actividades de los trabajadores, los resultados registrados de datos se pueden utilizar para identificar tareas o prácticas en el lugar de trabajo que contribuyen a cualquier aumento o picos en los recuentos. Los datos deben interpretarse con cuidado, ya que los instrumentos de lectura directa identificarán la cantidad en tiempo real de todas las nanopartículas, incluidas las partículas de fondo incidentales, como las que pueden ocurrir a partir del escape del motor, el escape de la bomba, los recipientes de calefacción y otras fuentes. La evaluación de las prácticas de los trabajadores, la eficacia de la ventilación y otros sistemas de control de exposición de ingeniería y estrategias de gestión de riesgos sirven para permitir una evaluación integral de la exposición. ^{[19] [21] [22]}

Para que sean eficaces, los contadores de partículas en tiempo real deben poder detectar una amplia gama de tamaños de partículas, ya que las nanopartículas pueden agregarse en el aire. Se pueden realizar pruebas simultáneas en áreas de trabajo adyacentes para establecer una concentración de fondo. ^[3] No todos los instrumentos utilizados para detectar aerosoles son adecuados para monitorear las emisiones de nanopartículas ocupacionales porque pueden no ser capaces de detectar partículas más pequeñas o pueden ser demasiado grandes o difíciles de enviar a un lugar de trabajo. ^{[3] [23]} Algunos métodos de NIOSH desarrollados para otras sustancias químicas se pueden utilizar para el análisis fuera de línea de nanopartículas, incluida su morfología y geometría, el contenido de carbono elemental (relevante para las nanopartículas basadas en carbono) y el análisis elemental de varios metales. ^{[3] [24]}

Todavía no se han establecido límites de exposición ocupacional para muchas de las grandes y crecientes nanopartículas diseñadas que se producen y utilizan actualmente, ya que sus peligros no se conocen por completo. ^[19] Si bien tradicionalmente se utilizan métricas basadas en la masa para caracterizar los efectos toxicológicos de la exposición a contaminantes del aire, aún no está claro qué métricas son las más importantes con respecto a las nanopartículas diseñadas. Los estudios en animales y cultivos celulares han demostrado que el tamaño y la forma pueden ser dos factores principales en sus efectos toxicológicos. ^[3] El área de superficie y la química de la superficie también parecen ser más importantes que la concentración de masa. ^{[23] NIOSH ha determinado} límites de exposición recomendados no reglamentarios (REL) de 1,0 μg/m ³ para nanotubos de carbono y nanofibras de carbono como carbono elemental corregido en función del fondo como una concentración de masa respirable promedio ponderada en el tiempo (TWA) de 8 horas, ^[25] y 300 μg/m ³ para dióxido de titanio ultrafino como concentraciones TWA de hasta 10 horas por día durante una semana laboral de 40 horas. ^[26]

Las normas de metrología para la nanotecnología están disponibles tanto en organizaciones privadas como en agencias gubernamentales. ^{[27] [28]} Estas incluyen la Organización Internacional de Normalización (ISO), ^{[29] [30]} ASTM International , ^{[31] [32]} la Asociación de Normas IEEE (IEEE), ^[33] la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), ^{[34] [35]} la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada , ^[36] el Instituto Nacional de Normas y Tecnología de los EE. UU. (NIST), ^[37] el Laboratorio de Caracterización de Nanotecnología del Instituto Nacional del Cáncer de los EE. UU., ^[17] y el Comité Europeo de Normalización . ^[38] El Instituto Nacional Estadounidense de Normas mantiene una base de datos de normas de nanotecnología. ^[39]

Los materiales de referencia son materiales que se establecen o producen para que sean homogéneos y estables en al menos una propiedad física medible para proporcionar una medición de control . Los materiales de referencia para nanopartículas pueden reducir el error de medición que puede contribuir a la incertidumbre en sus propiedades de peligro en la evaluación de riesgos. ^[40] Los materiales de referencia también se pueden utilizar para calibrar el equipo utilizado en la caracterización de nanopartículas, para el control estadístico de calidad y para comparar experimentos realizados en diferentes laboratorios. ^[11]

Muchas nanopartículas aún no cuentan con materiales de referencia disponibles. ^[6] Las nanopartículas tienen el desafío de que los materiales de referencia solo se pueden generar cuando los métodos de medición por sí mismos pueden producir mediciones precisas y reproducibles de la propiedad física relevante. ^[40] Las condiciones de medición también deben especificarse, porque propiedades como el tamaño y el estado de dispersión pueden cambiar en función de ellas, especialmente cuando existe un equilibrio termodinámico entre la materia particulada y la materia disuelta. ^[11] Los materiales de referencia de las nanopartículas a menudo tienen un período de validez más corto que otros materiales. Aquellos en forma de polvo son más estables que los proporcionados en suspensiones, pero el proceso de dispersión del polvo aumenta la incertidumbre en sus métricas. ^[6]

Las nanopartículas de referencia son producidas por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los EE. UU. ^[41], así como por el Instituto de Materiales y Medidas de Referencia de la Unión Europea , el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón , el Consejo Nacional de Investigación de Canadá , el Instituto Nacional de Metrología de China y Thermo Fisher Scientific . ^[40] El Instituto Federal Alemán de Investigación y Pruebas de Materiales mantiene una lista de materiales de referencia a nanoescala. ^[42]