將納米物質(zhì)安全教學(xué)內(nèi)容納入化學(xué)課程*

趙明

(北京大學(xué)藥學(xué)院化學(xué)生物學(xué)系 北京100191)

1 從2003年的SARS病毒防護事件談起

2003年，全球爆發(fā)了嚴重急性呼吸道綜合征，英文縮寫為SARS(severe acute respiratory sydrome)，中國稱之為非典型肺炎。2003年春天，SARS在中國傳播。SARS的傳播源于一種新的冠狀病毒SARSCoV［1］，該病毒最先由世界衛(wèi)生組織的意大利醫(yī)生Carlo Urbani發(fā)現(xiàn)，由于病毒顆粒的大小約為100nm，遠小于口罩紗布孔徑(約為0.1mm，105nm)，故紗布口罩不能夠阻擋住病人咳嗽所產(chǎn)生的霧沫或者氣溶膠攜帶SARS病毒穿過口罩，導(dǎo)致在控制治療SARS的初期，出現(xiàn)了醫(yī)護人員被病毒感染的情況，甚至有醫(yī)護人員不幸殉職。面對病毒防護的問題，有人建議使用雙層紗布口罩，其實這是無濟于事的。當時3M公司及時提供了一種特殊的口罩，該口罩使用了一種特殊材料，其孔徑小于病毒顆粒的直徑，使病毒顆粒無法透過;而氧氣、氮氣及水蒸氣等小分子則可以穿過口罩，從而實現(xiàn)了醫(yī)護人員與病毒的隔離。

2 納米物質(zhì)安全教育的迫切性

納米(nm，nanometer)是一個關(guān)于物質(zhì)尺度大小的長度單位，1納米為10-9米。Nano一詞在古希臘語里是“侏儒”的意思，表示非常微小。

納米科學(xué)問題的提出可以追溯到1959年12月29日Richard Phillips Feynman教授在美國加州技術(shù)研究院物理學(xué)會年會上發(fā)表的題為“There's Plenty of Room at the Bottom”的經(jīng)典演講，他在演講中首次提出納米科學(xué)要解決“在小尺度操縱和控制物體”的問題［2］。1974年，日本東京大學(xué)的Norio Taniguchi教授在其論文“納米技術(shù)的基本概念”中首次給出納米技術(shù)的概念:納米技術(shù)主要包含通過單個原子及分子處理材料的分離、合成和變形［3］。現(xiàn)在人們普遍將納米科學(xué)定義為顆粒尺度在1至100納米物質(zhì)的物理學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)、制備、結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)。

納米科學(xué)深刻地影響了化學(xué)科學(xué)，導(dǎo)致了化學(xué)科學(xué)的重新整合。以往根據(jù)物質(zhì)的尺度大小將物質(zhì)簡單地分類為小分子物質(zhì)和大分子物質(zhì)，兩者的尺度界限并不清晰。納米科學(xué)的出現(xiàn)，可以將物質(zhì)分子依據(jù)其尺度分為:小分子(0～1nm)、納米分子(1～100nm，有些分類為1～200nm)、大分子(100nm以上)。除了僅由離子鍵和共價鍵形成的分子以外，納米物質(zhì)還包括以配位鍵形成的配合物或者復(fù)合物超分子、多個分子靠分子間相互作用形成的聚集體(aggregate或cluster)、納米尺度的微晶體或者無定形的固態(tài)物質(zhì)以及液體中靠氫鍵締合的分子鏈或網(wǎng)絡(luò)……。

納米物質(zhì)具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，除了小尺度、宏觀量子效應(yīng)、高比表面積等性質(zhì)以外，納米物質(zhì)具有特殊的熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)，因此，化學(xué)家將納米尺度的物質(zhì)作為研究對象發(fā)展出了納米化學(xué)這樣一個化學(xué)學(xué)科分支。

納米化學(xué)的發(fā)展也導(dǎo)致了科技產(chǎn)業(yè)的革命，出現(xiàn)了納米催化劑、納米染料、納米涂料、納米光伏材料、納米印刷顏料、納米生物傳感器等等，如果你翻閱一本藥典，你會發(fā)現(xiàn)其中幾乎全部原料藥物和藥劑輔料都是納米物質(zhì)，納米科技產(chǎn)業(yè)不再像半個世紀前那樣僅僅是一種設(shè)想，已成為普遍存在的現(xiàn)實。伴隨著這個龐大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，納米物質(zhì)的毒性和環(huán)境問題也日益突出。我們目前面對的霧霾——PM2.5的問題，在空氣中顆粒度小于2.5微米的顆粒中，有相當多的是納米顆粒，其中有些顆?？赡軐?dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病，有些具有皮膚刺激性。有毒納米物質(zhì)排入水系可能造成動物、植物基因變異和毒物殘留，最后影響人類的食物鏈。因此，納米物質(zhì)的職業(yè)暴露與公眾健康是不可忽視的問題。

當面對如此多的納米產(chǎn)業(yè)導(dǎo)致的問題時，目前在一些大學(xué)的課程中，卻沒有關(guān)于納米物質(zhì)安全教育的內(nèi)容，一些研究生在完成他們的學(xué)位論文時雖然使用了大量的納米技術(shù)和納米材料，卻幾乎沒有任何納米物質(zhì)安全的防護措施。這些問題的根源在于我們并沒有通過教育在全社會建立起納米物質(zhì)安全的意識，更沒有普及納米物質(zhì)防護知識。

3 各國及各國際組織在納米物質(zhì)安全方面所做的工作

由于納米科技產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，中國政府和科學(xué)界對于納米物質(zhì)安全問題給予了充分的關(guān)注。2007年1月，國家科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院以及中國化學(xué)會和中國毒理學(xué)會召開了專題為“納米安全性:納米材料的生物效應(yīng)與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用”的國家納米科學(xué)中心納米科技系列會議，會議的主旨是圍繞納米生物效應(yīng)(納米毒理學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米生物學(xué))以及納米環(huán)境效應(yīng)，從分子、細胞、器官到整體生物水平上，系統(tǒng)地探討納米材料與生命過程相互作用、與環(huán)境相互作用過程的共性規(guī)律;探討納米醫(yī)學(xué)、納米生物學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ);討論當前工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)使用的納米材料、納米藥物等可能引起的生物環(huán)境健康問題，探索將來前沿學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展方向;討論如何發(fā)展納米生物效應(yīng)預(yù)測模型，探索納米安全性問題解決方案，提高納米科技的國際競爭力。以納米生物效應(yīng)為核心，開展生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、毒理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、物理學(xué)與納米科學(xué)的交叉研究。會議強調(diào)對于納米物質(zhì)安全問題的國家層面的研究，成立“納米生物環(huán)境安全性學(xué)術(shù)委員會”，國家納米中心對于納米材料的評價檢測和標準制定所起的重要作用，以及對于公眾的宣傳教育，使公眾充分了解納米技術(shù)的益處和可能的危害。

2007年6 月，世界衛(wèi)生組織國際食品安全當局(INFOSAN)就納米物質(zhì)對于食品安全的問題發(fā)布文告。文告指出:目前正在將納米技術(shù)用于從農(nóng)莊到餐桌的食品工業(yè)，并已用于食品包裝領(lǐng)域。對于在食品和食品加工中使用的所有新型材料，在將其用于食品之前必須對納米材料潛在的健康和環(huán)境危險加以評估。必須充分認識到納米技術(shù)的好處與危險，并在工業(yè)、監(jiān)管者和消費者等所有利益攸關(guān)者之間進行公開討論。這篇文告的特點在于其對于納米物質(zhì)對食品安全影響問題的客觀性闡述。我們食用的很多物質(zhì)就是納米物質(zhì)(如多糖和某些蛋白質(zhì))，某些納米物質(zhì)對于健康是有益的，因此不應(yīng)該對于納米物質(zhì)有恐懼心理。但是，對于即將使用的納米材料應(yīng)該有標準化的健康和環(huán)境評估程序。

2008年9 月，政府間化學(xué)品安全論壇第6屆會議在塞內(nèi)加爾的達喀爾舉行，會議通過了“關(guān)于人造納米材料的達喀爾宣言”，會議確認必須開展研究，制定研究戰(zhàn)略，以支持對人類健康和環(huán)境的潛在風(fēng)險進行更好的分析。為盡可能降低人造納米材料的風(fēng)險，各國接受或拒絕人造納米材料的權(quán)利得到認可。通過材料安全數(shù)據(jù)表(MSDS)或其他方法，向整個供應(yīng)鏈中的下游用戶知會人造納米材料的健康和安全風(fēng)險以及其新穎特征。工業(yè)界在他們負責的工作計劃中，繼續(xù)或發(fā)起關(guān)于人造納米材料在環(huán)境和健康及職業(yè)安全方面的溝通和教育工作，包括工作場所監(jiān)測和在工業(yè)界與其他利益相關(guān)者中發(fā)起進一步合作。政府和利益相關(guān)者推廣和分享有關(guān)人造納米材料的安全信息。

在全球納米物質(zhì)安全防護的研究和教育方面，美國堪稱典范。首先是在納米物質(zhì)毒理和職業(yè)健康方面的科學(xué)研究非常全面;有國家科研機構(gòu)、州及大學(xué)的科學(xué)研究。比如，美國國家疾病控制與預(yù)防中心(CDC)所屬國立職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)主持的納米材料實驗室安全的研究項目提出通過風(fēng)險認證、職業(yè)暴露評估與控制等方法實現(xiàn)納米材料職業(yè)暴露風(fēng)險的全面管理［4］。還有些州一級的納米物質(zhì)安全的研究項目，如加利福尼亞州就有加州毒物控制機構(gòu)與加州多所大學(xué)合作的科研項目［5］。在教育方面，由于預(yù)計納米科技產(chǎn)業(yè)將在2020年達到萬億美元的規(guī)模，并出現(xiàn)龐大的就業(yè)人群(預(yù)計2015年將需要二百萬納米科學(xué)家和研究人員)，故有關(guān)納米科學(xué)的課程早已進入美國的中學(xué)和大學(xué)課堂［6］。納米科學(xué)教育包括納米物質(zhì)安全的教育，美國大學(xué)實驗室中普遍都有納米物質(zhì)安全控制和管理措施，比如斯坦福大學(xué)［7］的實驗室使用納米材料標準操作流程模板(standard operating procedure template for the laboratory use of nanomaterials)，流程模板要求填寫總體的實驗流程(process or experiment overview)、危險評估(risk assessment)和控制(control)方法，控制方法中包括工程控制(engineering control)、人員防護設(shè)備(personnel protective equipment)、最鄰近的安全設(shè)備所在位置(location of nearest emergency safety equipment)、操作流程、清洗(decontamination)、出現(xiàn)納米物質(zhì)溢出(spill and accident procedures)時所采取的步驟(包括危及健康的緊急事件，如燃燒爆炸、嚴重傷害和其他直接危險，人員出現(xiàn)納米物質(zhì)暴露時的緊急處置;以及不會危及健康的緊急事件，如少量納米物質(zhì)溢出)、納米廢物處置、安全訓(xùn)練的要求等。美國化學(xué)會(ACS)提出要建立安全文化(safety culture)，把實驗室和產(chǎn)業(yè)過程的安全作為資源，并且強調(diào)強大的安全文化可能成為大學(xué)吸引學(xué)生的一種競爭優(yōu)勢［8］。

歐盟國家對于納米物質(zhì)安全的研究和教育方面也做出了很多貢獻。在歐盟的兩個科研框架協(xié)議FP6和FP7中，曾有50個納米物質(zhì)安全方面的合作研究項目。歐盟注意到納米物質(zhì)安全問題在納米產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面的重要性，因此，歐盟在納米工程化材料(ENM)的暴露、潛在危險的機理、危險評估和管理4個方面開展了廣泛的研究工作。歐盟提出，目前我們正在面臨著第一代納米功能化產(chǎn)品(nano-enabled product)，或者叫做被動的納米結(jié)構(gòu)(passive nanostructures)產(chǎn)品，很快將面臨第二代含有活躍的納米結(jié)構(gòu)(active nanostructures)的產(chǎn)品，將來還會出現(xiàn)第三代整合的納米系統(tǒng)(integrated nanosystems)，到2020年，雜化的納米分子系統(tǒng)(heterogeneous nano-molecular systems)，即通過設(shè)計制造出的納米分子設(shè)備將會商業(yè)化。因此，納米物質(zhì)對人類的安全和對于環(huán)境影響的研究要與時俱進。相應(yīng)地，納米物質(zhì)安全教育也必須與時俱進。另外，在歐盟國家之間以及歐盟與美國在標準化和教育方面也有很多非常成功的國際合作［9］。

4 為什么要把納米物質(zhì)安全教學(xué)內(nèi)容納入到化學(xué)課程中?

納米物質(zhì)的安全問題(包括納米物質(zhì)的毒性、納米物質(zhì)對自然生態(tài)的影響等)源于納米物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，只有化學(xué)科學(xué)才能從分子水平探討納米物質(zhì)的安全問題。

此外，化學(xué)是高等院校內(nèi)普遍開設(shè)的課程。無論綜合大學(xué)的理科，還是農(nóng)林院校的農(nóng)、林、獸醫(yī)專業(yè)，醫(yī)藥院校的基礎(chǔ)及臨床醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、護理、公共衛(wèi)生專業(yè)，師范院校的理科，大部分專業(yè)學(xué)生都學(xué)習(xí)化學(xué)課程，化學(xué)課程的開設(shè)比生態(tài)學(xué)、毒理學(xué)、工業(yè)衛(wèi)生學(xué)課程更為普遍。因此，把納米物質(zhì)安全教學(xué)內(nèi)容納入到化學(xué)課程中會為更多的學(xué)生提供學(xué)習(xí)機會，是在高等院校內(nèi)普及納米物質(zhì)安全教育的一種必要的選擇。

5 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法

關(guān)于納米物質(zhì)安全的教學(xué)內(nèi)容可補充在普通化學(xué)或者醫(yī)藥院校的基礎(chǔ)化學(xué)課程中，課程教學(xué)程序、課時和知識點可參考表1。目前很多大學(xué)正在或計劃在學(xué)生選修化學(xué)類課程前開設(shè)實驗室安全課程，有必要在其中加入關(guān)于納米物質(zhì)安全的教學(xué)內(nèi)容。

在理論課程中，首先了解什么是納米物質(zhì)及納米物質(zhì)特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，之后通過圖片和實例分析簡述納米物質(zhì)存在的普遍性，納米物質(zhì)的生理毒理［10］和生態(tài)毒理問題以及可能造成的危害(如塵肺、皮膚刺激、器官毒性、細胞毒性、基因毒性等);了解納米物質(zhì)導(dǎo)致的生態(tài)問題及其對人類健康可能造成的危害(如霧霾、水系污染造成的危害，對農(nóng)作物和動物食物鏈的影響進而影響人類健康［11］等)。然后對納米物質(zhì)職業(yè)暴露與公眾健康問題進行討論(實驗室、產(chǎn)業(yè)過程及消費可能接觸納米物質(zhì)的途徑(呼吸、皮膚接觸和攝取)及其潛在的危險)。最后闡述納米物質(zhì)安全防護的原理和方法，隔離——手套箱(普通壓力和負壓)、防護面具及口罩等，納米材料制造過程(激光、微波及電弧法消解)的防護;主動防護——禁止向環(huán)境排放納米物質(zhì)，靜電和化學(xué)吸收裝置回收納米物質(zhì)，封存及固定技術(shù)，以及通過制度建設(shè)和調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局來防止納米物質(zhì)安全事故的發(fā)生。在校園內(nèi)建立網(wǎng)上教學(xué)社區(qū)，由學(xué)生和教師進行廣泛的納米物質(zhì)安全問題的討論。

表1 納米物質(zhì)安全課程教學(xué)程序和知識點

實驗教學(xué)包括顯微鏡觀察碳納米管、多糖納米顆粒，從實驗室內(nèi)和周邊環(huán)境取樣并使用顯微鏡觀察，使用空氣顆粒度傳感器、動態(tài)光散射(DSL)粒度儀測定顆粒度分布。實驗室防護方法訓(xùn)練包括手套箱、口罩和面具的使用操作等內(nèi)容。

6 化學(xué)教師在教學(xué)中可能遇到的困難

納米科學(xué)是跨越多個學(xué)科的科學(xué)，正如Lindsay［12］所說:“納米科學(xué)不是物理學(xué)，不是化學(xué)，不是工程學(xué)，也不是生物學(xué)，是所有這些學(xué)科的整合。”因此，當開設(shè)納米物質(zhì)安全課程時，對于那些完全沒有從事過生命科學(xué)研究的化學(xué)教師，可能遇到的第一個困難就是納米毒理學(xué)、納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)知識的匱乏。教師必須通過學(xué)習(xí)和研究，以具備能夠勝任教學(xué)工作的知識結(jié)構(gòu)。教師遇到的另一個困難是缺乏教學(xué)資源。如果教師沒有直接參與過相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)研究，要講述一些納米毒理學(xué)和納米物質(zhì)安全事故的實例，就非常需要資源共享。再有就是缺乏檢測和防護設(shè)備。

此外，化學(xué)教師需要控制課程講授的限度。畢竟講授的是化學(xué)課程，而不是納米毒理學(xué)課程或工業(yè)衛(wèi)生學(xué)課程;納米物質(zhì)防護的教學(xué)內(nèi)容還可能與病原微生物防護課程出現(xiàn)部分內(nèi)容的重疊。既不需超越化學(xué)課程范圍，又必須在很短的教學(xué)時間內(nèi)使學(xué)生學(xué)習(xí)到有關(guān)的知識，這是關(guān)于納米物質(zhì)安全教學(xué)需要探索的問題。

7 結(jié)束語

有關(guān)納米物質(zhì)安全教學(xué)的內(nèi)容應(yīng)作為化學(xué)教育改革的一個組成部分納入到化學(xué)課程中。在實施教學(xué)過程中，要強調(diào)學(xué)習(xí)國外先進的納米物質(zhì)安全管理經(jīng)驗的重要性。由于納米科學(xué)的跨學(xué)科特點，化學(xué)教師與納米醫(yī)學(xué)、納米藥物學(xué)、納米毒理學(xué)、納米生態(tài)學(xué)專家的合作是在化學(xué)課程中成功地開展納米物質(zhì)安全教育的關(guān)鍵。

由于納米科技產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及納米物質(zhì)在日常消費品中的廣泛應(yīng)用，所以不僅僅要在大學(xué)化學(xué)課程中，而且中小學(xué)、企業(yè)界乃至全體社會公眾都應(yīng)該接受納米物質(zhì)安全的普及教育。

［1］Guan Y，Zhang B J，He Y Q，et al.Science，2003，302:276

［2］Feynman R P.Engineering and Science，1960(February):22

［3］Ramson J J.Nanotechnology Perceptions，2005，1:3

［4］General Safe Practices for Working in Engineered Nanomaterials in Research Laboratories.DHHS(NIOSH)Publication 2012-147

［5］Nanotoolkit，Working Safely with Engineered Nanomaterials in Academic Research Settings.California Nanosafety Consortium of Higher Education，2012

［6］Andrew G.ACS Nano，2009，3(4):762

［7］http://www.stanford.edu/dept/EHS/prod/researchlab/IH/nano/index.html

［8］Advancing Graduate Education in the Chemical Sciences.Full Report of an ACS Presidential Commission.American Chemical Society.December 6，2012

［9］Savolainen K，Backman U，Brouwer D，et al.Nanosafety in Europe 2015-2025:Towards Safe and Sustainable Nanomaterials and Nanotechnology Innovations.Finnish Institute of Occupational Health，2013

［10］Monteiro-Riviere N A，Lang Tran C.納米毒理學(xué).莊志雄，劉建軍，袁建輝譯.北京:科學(xué)出版社，2009

［11］Nel A，Xia T，M?dler L，et al.Science，2006，311:622

［12］Lindsay S M.Introduction to Nanoscience.New York:Oxford University Press，2010