空氣中懸浮顆粒物對(duì)人體健康和環(huán)境影響與其粒徑密切相關(guān)，粒徑不僅決定了它在空氣中的行為，也是影響其潛在毒性的一個(gè)重要因素。超細(xì)顆粒物（UFPs）相比于它的質(zhì)量濃度，其超高的數(shù)量濃度和巨大的表面積更深受關(guān)注。這些超級(jí)顆粒物可以沉積在肺部深處，并可能進(jìn)入血液，引發(fā)炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而與多種疾病相關(guān)。鑒于這些風(fēng)險(xiǎn)，了解超細(xì)顆粒物的排放和暴露水平對(duì)公共健康至關(guān)重要（2019 年ILAQH 關(guān)于環(huán)境超細(xì)顆粒物的白皮書）。因此，評(píng)估工業(yè)納米顆粒排放的潛在風(fēng)險(xiǎn)是全域工作場所安全評(píng)估的重要組成部分。

為什么粒徑重要：超細(xì)顆粒物的毒性

Why Size Matters: The Toxicity of Ultrafine Particles

本文通過一個(gè)案例研究，探討了工業(yè)不銹鋼激光切割工業(yè)設(shè)定過程中產(chǎn)生的納米顆粒物暴露，其帶來的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。本文收集了金屬切割操作過程中數(shù)據(jù)來評(píng)估工人的納米顆粒物暴露水平。該研究受到納米顆粒排放評(píng)估技術(shù)（NEAT）的啟發(fā)，該技術(shù)由 NIOSH（美國國家職業(yè)安全與健康研究所）納米技術(shù)現(xiàn)場研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)，用來評(píng)估工作場所空氣中的納米材料濃度。NIOSH 推薦采用“多指標(biāo)方法”，結(jié)合顆粒數(shù)量、粒徑、質(zhì)量和表面積等參數(shù)。因?yàn)槌?xì)顆粒物的濃度會(huì)隨著時(shí)間和空間的變化產(chǎn)生波動(dòng)。所以實(shí)時(shí)測量對(duì)于確保高精度和可重復(fù)性至關(guān)重要。（M. Methner et al., 2010, Part A & B）。

案例研究：測量激光切割過程中納米顆粒物排放

Case Study: Measuring Nanoparticle EmissionsDuring Laser Cutting

該部分實(shí)驗(yàn)由Ko?ice理工大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院和斯洛伐克歐洲科學(xué)與研究所合作完成，研究成果于 2024 年在捷克氣溶膠學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)表。

研究方法

Methodology

研究展示的案例是一個(gè)關(guān)于在不銹鋼激光切割過程中接觸納米材料可能對(duì)健康造成潛在影響的研究。它采集了數(shù)據(jù)來分析金屬切割操作過程中工人的暴露水平情況。它采用了 NIOSH 納米技術(shù)現(xiàn)場研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的納米顆粒排放評(píng)估技術(shù)（NEAT），評(píng)估工作場所空氣中的納米材料濃度。NIOSH 推薦采用“多指標(biāo)方法”，包括顆粒數(shù)量、粒徑、質(zhì)量和表面積等參數(shù)。

本研究使用了兩種先進(jìn)的便攜式儀器，監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)激光切割操作過程中的顆粒排放：

• 光學(xué)顆粒物粒徑譜儀（OPS）3330：測量大范圍內(nèi)的顆粒粒徑和濃度。

• NanoScan SMPS? 3910：專門用于檢測粒徑下限 10 nm 的納米顆粒。

儀器被放置在激光切割機(jī)的上方，每隔一分鐘進(jìn)行一次測量。實(shí)驗(yàn)首先建立了室內(nèi)空氣質(zhì)量的基線（背景顆粒粒徑分布 PSD 和背景顆粒數(shù)量濃度 PNC），然后集中關(guān)注了連續(xù) 36 分鐘激光切割操作期間的排放情況。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

Key Findings

測量結(jié)果顯示，整個(gè)生產(chǎn)區(qū)域的超細(xì)顆粒物數(shù)量濃度顯著升高。背景顆粒數(shù)量濃度在 110,000 #/cm3 左右波動(dòng)，沒有低于 100,000 #/cm3 的讀數(shù)。盡管目前沒有針對(duì)超細(xì)微粒的正式職業(yè)限值，但這一濃度令人擔(dān)憂。作為對(duì)比，世界衛(wèi)生組織的指南指出，顆粒數(shù)量濃度超過 10,000 #/cm3（24 小時(shí)平均值）或 20,000 #/cm3（1 小時(shí)平均值）可能帶來健康風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1：激光切割操作一小時(shí)內(nèi)釋放的 10-300 nm 粒徑范圍內(nèi)顆粒的總數(shù)量濃度。

在連續(xù)激光切割過程中，采樣區(qū)的顆粒數(shù)量濃度超過了 100 萬 #/cm3，在操作開始時(shí)達(dá)到 400 萬 #/cm3 的峰值。幾乎所有排放的顆粒均小于 250 nm，峰值集中在 65 nm 和 100 nm。

這一趨勢在整個(gè)測量期間持續(xù)存在，且與切割操作的活躍階段相對(duì)應(yīng)。

圖 2：激光切割操作過程中顆粒濃度和粒徑隨時(shí)間的等高線圖。

相比于納米顆粒物的質(zhì)量濃度。它的高表面積展現(xiàn)出更強(qiáng)的生物活性，這無疑增加了暴露工人的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)（Gurr et al., 2005）。

高數(shù)量濃度納米顆粒排放

High Number of Nanoparticles Emitted

從標(biāo)準(zhǔn)日常操作的金屬激光切割過程測量顯示，工業(yè)生產(chǎn)排放高濃度的納米顆粒數(shù)量。由于顆粒排放的間隔與切割操作密切相關(guān)，因此應(yīng)考慮采取適當(dāng)?shù)臏p排措施。一項(xiàng)關(guān)于激光切割過程中的減排設(shè)施研究，報(bào)告了顆粒數(shù)量濃度低于 5000 #/cm3，這表明存在降低排放的潛力。然而，為了獲得更全面的理解，建議進(jìn)行包括詳細(xì)的化學(xué)分析在內(nèi)的進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

Gurr, J.R., Wang, A.S., Chen, C.H., & Jan, K.Y. (2005). Ultrafine titanium dioxide particles in the absence of photoactivation can induce oxidative damage to human bronchial epithelial cells. Toxicology,213(1-2),66-73. https://doi.org/10.1016/j.tox.2005.05.007

Methner M. et al., 2010, “Nanoparticle Emission Assessment Technique (NEAT) for the Identification and Measurement of Potential Inhalation Exposure to Engineered Nanomaterials — Part A,” Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 7: 127-132.

Methner M. et al., 2010, “Nanoparticle Emission Assessment Technique (NEAT) for the Identification and Measurement of Potential Inhalation Exposure to Engineered Nanomaterials —Part B: Results from 12 Field Studies,” Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 7: 163–176.

White paper on ambient ultrafine particle evidence for policy makers. Queensland University of Technology's International Laboratory for Air Quality and Health (ILAQH), 2019, https://research.qut.edu.au/ilaqh/2019/11/08/white-paper-on-ambient-ultrafine-particle-evidence-for-policy-makers-published-on-the-efca-website/

WHO Global Air Quality Guidelines, 2021, https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228