工作場所超細顆粒物暴露評估與風險評估研究進展*

陳 瑞，王煜倩，周興藩，唐仕川

(北京市科學技術研究院城市安全與環境科學研究所 職業安全健康北京市重點實驗室，北京 100054)

0 引言

伴隨著納米科技的快速發展，納米材料(NMS)或稱工程納米材料(ENMS)已廣泛應用于微電子，化工，能源，環境，國家安全及生物醫學等領域。納米材料是指處于納米級大小的顆粒物類材料，至少在1個維度上尺寸小于100 nm，這些材料具有吸附能力強、催化活性大等特點。在納米材料的生產和使用過程中，納米顆粒物可能釋放到環境空氣中，在工作場所形成濃度高且漂浮時間長的懸浮顆粒。當環境空氣中懸浮顆粒物的空氣動力學直徑≤100 nm時被稱為超細顆粒物(UFPS)。相較于粉塵類的大顆粒物造成的環境污染情況，受暴露人員通常不容易用感官識別周圍環境空氣中漂浮的UFPS污染，從而容易導致工人形成職業接觸暴露[1-2]。工人最可能的接觸方式是通過呼吸道暴露UFPS。已有研究顯示，NMS相比大粒徑的同種材料通常具有更強的毒性[3-4]，容易誘發細胞炎癥、DNA損傷、凋亡、壞死、纖維化、組織增生甚至發生癌變[5-8]。UFPS的長期暴露可能導致受暴露人員出現潛在的健康危害，并誘發臨床癥狀，如肺纖維化、胸膜病變、心臟毒性等[9-11]。當前，我國接觸UFPS的職業人群不斷增加且暴露工種復雜，職業衛生安全防護意識薄弱，如何針對不同工作現場，科學地開展UFPS呼吸暴露評估并實施職業暴露健康風險評估工作，是面對此類未全面納入監管范圍的新型污染物時，職業衛生領域需要重點探討的問題。

1 現場暴露評估的策略與流程

工作場所中針對ENMS的暴露評估(Exposure assessment)可以用于識別UFPS的釋放和評估防護措施的有效性，在實施過程中需要選擇合理的評估方案，以切實保護環境安全與工人健康。暴露評估一般分為3個階段：1)信息收集階段：收集工作場所場地、人員情況、工藝流程等基本信息，以確定可能存在UFPS暴露的工位和工作區域；2)初步評估階段：識別顆粒物釋放的來源；3)深入評估階段：設置檢測點進行顆粒物的收集、數量濃度檢測及表征，進而結合工人調查問卷、作業場所背景值、通風設備、個體防護、暴露時間及頻率等方面，對工作場所UFPS職業暴露進行全面評估[12]。

圖1 工作場所納米材料釋放致超細顆粒物暴露的評估方法與流程Fig.1 Assessment method and procedure of ultrafine particle exposure caused by nanomaterials release in workplace

2 暴露檢測方法

傳統的粉塵濃度監測采用重量法，因此職業接觸限值以質量濃度為基準。UFPS暴露檢測與傳統粉塵相比，指標與方法呈現多樣化，常用檢測指標包括：質量濃度、數量濃度、表面積濃度。在UFPS誘發氧化應激及肺臟炎性損傷研究中發現，數量濃度和表面積濃度指標相比質量濃度呈現出更好的劑量-效應關系[13]。此項研究表明，單一的質量濃度可能無法科學地反映UFPS暴露劑量與人體健康危害之間的相關性，數量濃度與表面積濃度指標或能更好地用于評估工作現場UFPS的實際暴露風險[14-15]。基于已有信息，作者團隊近年來參與編訂了多項相關標準，規范超細顆粒數量總濃度的檢測方法[16-17]，同時提出納米相關職業場所健康和安全檢測方案與指南[18-19]。

2.1 超細顆粒物暴露評估實時檢測方法

2.1.1 數量濃度檢測

冷凝粒子計數法(CPC)，使用異丙醇或水等飽和蒸汽在顆粒物上冷凝，形成以顆粒物為核心的小液滴使顆粒物粒徑“變大”，基于儀器的高靈敏度可進行納米尺寸至1 μm顆粒物的計數。

光學粒子計數法(OPC)，通過測定散射光的信號模擬計算顆粒物的大小。適用于探測空氣中是否存在納米顆粒的聚集體或團聚體[20]，顆粒粒徑檢測通常大于300 nm[21]。

空氣動力學粒徑譜儀(APS)，基于光散射和沉降速率對不同粒徑大小顆粒物檢測均具有很高的分辨率，并配備有分級采樣器。亞微米級的顆粒粒徑小于光波長，很難用此類儀器所使用的光學方法檢測。該儀器測量范圍介于空氣動力學直徑0.5～20 μm。

2.1.2 質量濃度檢測

微量振蕩天平法(TEOM)，利用物體的固有振動頻率與質量之間的關系，對顆粒物進行在線的質量檢測，通過選用不同粒徑切割頭檢測不同粒徑范圍的顆粒物質量濃度，納米級、微米級顆粒物均可檢測。

2.1.3 表面積濃度檢測

UFPS粒徑小、表面積大，因此表面積濃度也是研究UFPS職業暴露的主要量度之一?；跀U散電荷的原理，表面積濃度檢測儀(NSAM)可以實時檢測10～1 000 nm粒徑顆粒物在肺泡和支氣管沉積2種模式下的表面積濃度。

2.1.4 粒徑分布

差分遷移率粒度儀(DMPS)和掃描遷移率粒度儀(SMPS)可以統稱為差分遷移分析儀，根據帶電粒子在電場中不同的遷移率，將特定流動性的粒子進行計數。主要通過控制電場電壓，只有很小粒徑范圍內的粒子可以通過輸出狹縫，到達冷凝粒子計數器，從而檢測出該粒徑段內粒子的濃度，通過掃描遷移率粒度儀可以得到測量范圍從納米尺寸至1 μm的顆粒物粒徑分布結果。

2.2 超細顆粒物暴露評估離線檢測分析方法

2.2.1 質量濃度

碰撞分級采樣器可根據顆粒物粒徑大小不同，通過旋風氣流碰撞將顆粒物按照粒徑從大到小分別收集在每1層級的過濾器上。對每層收集到的顆粒物采用重量法檢測質量濃度，也可進一步用于顆粒物的表征，并能反映不同粒徑顆粒物在氣溶膠狀態下的比重。

2.2.2 常用理化表征方法

UFPS具有不同的理化性質可能對人體健康產生不同的影響，明確粒徑、晶型、成分、比表面積等特性，是準確描述UFPS生物安全性的前提。列舉可供選擇的常用UFPS表征方法如表1所示。

表1 常用超細顆粒物表征方法Table 1 Common characterization methods of ultrafine particles

3 工作場所超細顆粒物接觸限值與風險評估方法

3.1 超細顆粒物職業暴露接觸限值

目前，工程納米材料職業暴露流行病學資料較為缺乏。限值制定多是以毒理學研究數據為基礎外推到暴露人群。由于納米顆粒物自身的特點，一般性粉塵的職業接觸限值并不適用于UFPS。同時，由于暴露人群年齡的差異，暴露途徑的不同，同1類材料的限值推薦值或標準值差異也較大。表2列舉了部分納米顆粒推薦接觸限值(REL)。美國職業安全與衛生研究所(NIOSH)提出了在每天工作不超過10 h或每星期不超過40 h的工作時間下，二氧化鈦細顆粒物的REL是2.4 mg/m3，而二氧化鈦UFPS的REL是0.3 mg/m3[22]；碳納米管/碳納米纖維的REL時間加權平均允許濃度(TWA)為1 μg/m3[23]，納米銀是0.9 μg/m3[24]。德國職業安全和健康研究所(IFA)提出8 h工作條件下顆粒物的建議濃度，對于粒徑范圍在1～100 nm的金屬、金屬氧化物及其他生物持久性顆粒物，當密度大于6 000 kg/m3時的建議數量濃度不超過20 000 particles/cm3；若是密度小于6 000 kg/m3的顆粒物則建議數量濃度不超過40 000 particles/cm3；對于碳納米管，纖維濃度不應超過0.01根/cm3[25]。

表2 不同機構推薦的超細顆粒物接觸限值Table 2 Contact limits of ultrafine particles recommended by different institutions

3.2 超細顆粒物職業暴露定性風險評估方法

目前，在缺乏納米材料暴露評估數據，職業接觸限值及毒性數據零散，以及材料種類特性信息有限的情況下，對納米材料采用定量風險評估的方法存在很大的挑戰。控制帶(CB)是1種常用的定性風險評估方法，是傳統定量評估方法的補充和替代方法，可用于工作場所材料毒理學性質未知或未確定的潛在有害物質的暴露控制，以及缺乏定量暴露評估數據時的情況。同時，該評估方法可用于管理工作場所風險，檢驗是否與控制措施相匹配。控制帶最初是由制藥業開發的，應用于毒性信息相對缺乏的新化學品，將其劃分到其他相似材料的毒性和控制措施“帶”，從而幫助工作場所風險防控?？刂茙б话憬Y合危害等級和暴露等級綜合評估風險等級并提出相應的措施建議，影響結果的因素包括：物質的毒性、進入人體的可能性、工作方式、暴露時間、暴露量等。運用控制帶評估前需要收集相關信息，比如作業類型、作業頻率、持續時間、產品總量、產品安全說明書等。加拿大職業健康與安全中心(CCOHS)開發的在線工具(COSHH e-tool)可完成類似評估工作。由于工作場所中納米材料常缺乏毒理學資料，暴露資料及其潛在健康風險的不確定性，控制分級技術對于納米材料的風險評估和風險管理非常實用。目前，國際標準化組織(ISO)[26]已提出了工程納米材料職業風險管理的控制分級方法標準，我國也頒布了相關標準[27]，介紹了Stoffenmanager nano工具的風險評估方法[28-29]。近期，我國許志珍等[30]，王煜倩等[31]，GAO等[26]等都很好地總結了納米材料常用的風險評估工具，并應用于存在UFPS暴露情形的不同種類作業現場的風險評估工作。

3.3 超細顆粒物職業暴露定量風險評估方法

通常情況下很難準確獲取人體UFPS呼吸暴露的實際數據，只能結合工作場所的實際暴露劑量通過模擬計算開展風險評估。工作現場暴露評估工作中，通常需要強調受暴露人員個人呼吸區的數據采集。因此，可以通過結合現場呼吸區的實際暴露濃度，進而定量估算受暴露人員在某一特定時間內、工作周期甚至整個職業周期內的暴露劑量，評估受到該種UFPS的職業暴露風險[1-2]。同時，不同種類UFPS的風險評估可以利用現有的毒理學數據進行推測，進而最大限度地準確制定不同種類顆粒物的接觸限值，用于工作場所職業健康保護[6]。

3.3.1 多路徑顆粒劑量模擬

多路徑顆粒劑量模擬(MPPD)是由美國哈姆納健康科學研究院與荷蘭國家公共衛生和環境研究所開發的用于估算顆粒物肺內沉積劑量的模型軟件，側重于計算顆粒物在下呼吸道，包括呼吸道肺泡、支氣管內的沉積率。該軟件的最新版本是EPA 2021 v.1.01，軟件中提供普通人群、特定人群以及大鼠的氣道模型，可供模擬顆粒物在呼吸系統的沉積。軟件從氣道形態計量、顆粒物性質、暴露水平3個方面，結合現場檢測和表征的顆粒物密度、粒徑、形貌、濃度等結果綜合計算沉積率，針對個體的呼吸量及接觸時間最終計算得到個體的沉積量。在風險評估中，這些數據可以進行等效作用劑量(Equivalent dose)轉換分析，并可與已有毒理學數據及流行病學數據相對比，根據最低可見有效作用劑量(Lowest observable effect concentration)推算出當前環境濃度下對人體可能造成損傷的暴露時間[32-33]。依托該理論的風險評估及推導健康允許濃度劑量(MAC)估算過程可參考圖2[6]。

圖2 風險評估中劑量相關因素的關聯性分析示意Fig.2 Schematic diagram of correlation analysis on dose-related factors in risk assessment

3.3.2 基于流體動力學的細顆粒物呼吸道暴露劑量估算

通過計算流體動力學(CFD)模擬定量計算人體內吸入或沉積的劑量。MPPD模型主要關注顆粒物進入肺部、支氣管及肺泡等下呼吸道的沉積情形，而顆粒物對上呼吸道的暴露影響也需要深入研究?？諝饨M成、顆粒數量與大小、個體呼吸狀況等決定了進入人體鼻孔的顆粒數量，其中一部分可到達鼻腔頂部的嗅上皮，通過嗅覺感受器神經跨越血腦屏障，甚至到達中樞神經系統[34]。而中樞神經系統的顆粒物長期暴露將極大可能誘發導致神經退行性類疾病，包括阿爾茨海默病或帕金森病等[34]。通過對大鼠的研究發現，沉積在鼻區的UFPS能夠沿嗅覺神經遷移進入大腦，OBERDRSTER等[35]估計沉積在大鼠嗅覺粘膜上的UFPS約有20%可以轉移到嗅球。作者團隊結合計算機斷層掃描(CT)技術建立人體呼吸道模型，并利用CFD模擬開發出上呼吸道與嗅球區UFPS暴露沉積的評估方法，實現針對工作場所UFPS呼吸暴露劑量的估算目標[36-38]。近期，作者團隊在已建立的CFD計算方法基礎上開發了評估軟件“細顆粒物呼吸道暴露劑量估算與風險評估軟件V1.1”(軟件著作權2021SR1773659)，為工作現場評估UFPS呼吸暴露風險提供了可應用的工具。

4 結論

1)工作場所內與納米材料生產及應用密切相關的UFPS污染是1種新型職業危害因素，給職業健康與勞動衛生領域提出了新的挑戰，UFPS污染與自然環境中的顆粒物氣溶膠存在顯著的不同，它們在形態上和化學組成上差異巨大。

2)為更好地評估工作場所中的UFPS釋放行為，在暴露評估中需要采用科學的策略與方法，對現場暴露情形進行全面解析，同時需要注意將顆粒物釋放源與其他可能的背景顆粒物來源進行區分。

3)工作場所UFPS暴露評估與風險評估是納米科技與安全應用之間的紐帶。隨著現場暴露評估的深入開展，現場評估步驟、方案逐漸規范，不同暴露現場數據及結論將能夠進行橫向對比，則可以幫助正確認識工作場所UFPS相關安全性問題。

4)UFPS暴露評估與風險評估始終面對如下挑戰：如測量參數的不確定性(如顆粒大小、數量、質量、表面積等)；測量儀器與方法的一致性問題(如暴露評估策略、校準方案、環境本底等)；評估方案的科學性問題(定性方案的嚴謹性、定量方法的可行性等)。UFPS職業暴露現場會越來越多，需要領域內研究人員及職業健康管理人員尋找更加高效和完善的解決方案，為行業發展與職業健康提供保障。