納米銀消費品中銀的總遷移量分析

劉迎春，王振國，王卓

1. 北京化工大學化學學院，化工資源有效利用國家重點實驗室，北京 100029 2. 中國標準化研究院，北京 100191

銀作為一種古老的抗菌材料很早就被人類熟知并利用，如用含有銀絲的紗布包扎傷口、用銀器來存放食物防止腐敗等[1-3]。納米銀(Ag NPs)是粒徑在納米尺度(1～100 nm)的銀顆粒。與普通的銀材料相比，納米銀具有更高的比表面積和更多的活性位點，因此具有更好的抗菌活性[4-5]。納米銀抗菌機制包括破壞細菌細胞壁、抑制DNA復制、抑制呼吸酶作用和產生活性氧等[6-9]。如今，納米銀被廣泛研究和應用于食品包裝、紡織品等各類消費品中。根據(jù)美國、歐盟等的相關機構發(fā)布的納米技術消費產品數(shù)據(jù)庫，在所有已知成分的納米消費品當中，銀的占比最高[10-11]。在紡織品和食品包裝中納米銀的應用已有較多報道，如Mahdi等[12]將納米銀顆粒摻入到聚氯乙烯基質中制成抗菌的食品包裝。該包裝對微生物(大腸桿菌和金黃色葡萄球菌)的生長具有明顯抑制作用，顯著延長了食物的保質期。Dastjerdi等[13]將銀納米顆粒沉積在滌綸樹脂紡織物表面。織物的抗菌測試結果表明在納米銀顆粒含量低至10 μg·g-1時，對金黃色葡萄球菌的抑菌率依然可達99%。

隨著納米銀消費品的廣泛使用，納米銀帶來的安全問題也逐漸引起了人們的關注[14-16]。添加在消費品中的納米銀顆粒會在不同的使用環(huán)境中釋放，給人體和環(huán)境帶來潛在的安全隱患。Choi等[17]研究了市售3類嬰兒奶包裝制品(奶瓶、奶嘴和奶袋)中納米銀顆粒的釋放情況。測試結果表明，大多數(shù)釋放的銀以Ag+的形式存在，最高遷移水平為2.25 ng·mL-1。Wagener等[18]研究了含納米銀嵌入和涂層的紡織纖維在模擬汗液中的銀釋放問題，在浸泡24 h后，釋放的銀濃度在1.7～21.9 μg·g-1之間，濃度的差異可能來源于功能化的類型及紡織品中銀的起始形式。Rogers等[19]調查了22種可商購的膠態(tài)銀噴霧產品。所有產品中的總銀濃度在0.54～960 μg·mL-1之間變化，且都在懸浮液中存在銀納米粒子。但是測量值與產品標注值存在高度差異。Mackevica等[20]研究了商用成人和兒童用牙刷中銀納米顆粒的釋放。最大總銀釋放量為每把牙刷10.2 ng。與兒童牙刷相比，成人牙刷通常釋放更多的銀。這些產品中釋放的銀可以通過吸入、口服和皮膚滲透等多種暴露方式進入人體，也可以通過多種遷移轉化在生態(tài)環(huán)境中積累，給人體和環(huán)境造成安全隱患[21-24]。納米銀顆粒已經被證明會對各種生物體細胞、系統(tǒng)、微生物以及植物等產生毒性[25-26]。納米銀尺寸小，具有極大的比表面積，能夠透過生物膜上的孔隙和細胞的胞吞作用進入細胞以及線粒體、細胞核等細胞器內，并與蛋白質核酸等生物大分子發(fā)生結合，影響細胞的功能。Moradi-Sardareh等[27]的研究表明，在一定范圍內(≥0.25 μg·g-1)，不同濃度的納米銀顆粒都具有在Balb/C小鼠的不同組織中誘導毒性的潛力。濃度高于0.25 μg·g-1的納米銀顆粒會導致肝臟、脾、腦、心臟、肺、腎臟和睪丸組織的病理變化；并會導致精子的質量和數(shù)量以及血腦屏障的通透性發(fā)生變化。最低濃度為0.25 μg·g-1的納米銀顆粒顯著改變了血清和肝組織的氧化應激水平。除了可以對哺乳動物產生毒性外，納米銀顆粒還會引起潛在的生態(tài)風險。在洗滌后從紡織品中釋放的銀主要流入廢水處理廠，當廢水處理不充分時，一定濃度的納米銀將會直接排放到水中，對水生生物以及下游受水的農田造成影響。除此之外，那些沒有脫落的納米銀最終會隨著消費品沉積到垃圾填埋場中，在經一系列轉化之后可能生成毒性較低的的AgCl和Ag2S。從納米銀顆粒中釋放的Ag+也會與環(huán)境中存在的帶負電荷物質相互作用，延長其保留時間，從而增加其毒性[28]。

目前我國納米消費品市場發(fā)展迅速，我國科研工作者已經開展了關于此方面的研究[29-31]，但總體關于消費品的安全性研究較少。為科學準確評估納米銀釋放給人體和環(huán)境帶來的潛在風險，亟待對含銀消費品中銀遷移情況進行分析。本文以我國消費者可接觸到的含納米銀的食品包裝和紡織品為研究對象，分析其在不同環(huán)境模擬液中的銀總遷移量，希望為納米銀消費品的相關安全評估提供研究基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 材料

根據(jù)國內納米銀消費品市場現(xiàn)狀，選擇了食品包裝和紡織品進行銀的遷移測試。具體包括口罩、襪子、內衣、儲奶袋、奶瓶(各2種)以及保鮮盒、銀母粒共12種樣品進行測試(表1)。銀母粒以聚丙烯塑料為納米銀的載體，可與各種原料切片進行共混。根據(jù)各種塑料制品、纖維制品的使用方法進行加工，形成含納米銀的各種成品。所有樣品都通過線上平臺購得。其他主要試劑及來源：超純水(哇哈哈，中國)、乙酸(分析純，北京化工廠，中國)、正己烷(分析純，北京化工廠，中國)、硝酸(MOS級，北京化學試劑研究所，中國)、乳酸(分析純，Innochem，中國)、奶粉(Friso，荷蘭)、無水碳酸鈉(分析純，北京化工廠，中國)、L-鹽酸組氨酸一水物(分析純，Acros，中國)、二水合磷酸氫二鈉(分析純，北京化工廠，中國)、十二水合磷酸二氫鈉(分析純，北京化工廠，中國)、氯化鈉(分析純，北京化工廠，中國)和氫氧化鈉(分析純，北京化工廠，中國)。主要測試儀器：電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)(iCAP Q, Thermo, Waltham, USA)、電子天平(ME104，梅特勒-托利多國際貿易有限公司，上海，中國)、電熱板(EH45A Plus，北京萊伯泰科，中國)和馬弗爐(SX-G，天津中環(huán)電爐，中國)。

表1 納米銀(Ag NPs)消費品相關信息Table 1 Information of Ag nanoparticles (Ag NPs)-containing consumer products

1.2 銀總遷移量浸出和測試方法1.2.1 浸泡試驗條件

對于保鮮盒，參考國家標準《食品接觸材料及制品遷移試驗通則》(GB 31604.1—2015)[32]，選擇蒸餾水、4%醋酸溶液和正己烷為模擬液，分別模擬中性、酸性和油性食物環(huán)境。對于奶瓶和奶袋，選取奶粉溶液作為模擬液。對于紡織品類消費品，在使用中會被人體皮膚分泌的汗液浸漬，因此選擇人工汗液作為模擬液對3類紡織品(襪子、口罩和內衣)進行銀的遷移測試。大多數(shù)人的汗液為酸性，pH在5.5左右，但有少部分人的汗液為堿性，pH可達8.0。參考Kulthong等[33]和Yan等[34]的研究方法，采用表2所示的4種汗液模擬液。

將所有的樣品用去離子水沖洗后自然晾干，裁剪為1 cm×1 cm的正方形塊。每12 g樣品全浸入100 mL模擬液，常溫密封避光保存[35]。其中，所有食品包裝樣品在加入模擬液后70 ℃加熱2 h，然后常溫密封避光保存。在浸泡后的第1、3、7、15、21和30天取樣，每次取樣后補充同體積的浸泡液。

1.2.2 總銀含量的測定

對于所有固體樣品，先采用干法灰化消解，再通過ICP-MS測銀總含量。具體操作如下：稱取約0.5 g樣品于坩堝中，于500 ℃馬弗爐中灰化6 h，取出至室溫，加入5 mL硝酸，置于180 ℃電熱板上消解至無明顯反應現(xiàn)象且剩余溶液<2 mL，取下冷卻至室溫，用超純水定容至10 mL，用ICP-MS分析銀含量。每個樣品進行5次重復處理。不同樣品加標回收率為82.6%～103.4%。

1.2.3 銀總遷移量的測定

所有模擬汗液浸泡液樣品、水浸泡樣品和4%醋酸溶液浸泡樣品直接上機測試。奶粉溶液浸泡混合物樣品中加入1.5 mL硝酸，振蕩后移至燒杯中，重復3次，置于180 ℃電熱板上反應，至無明顯反應現(xiàn)象且剩余液<2 mL，取下冷卻至室溫后，用超純水定容至10 mL后上機測試。對于正己烷浸泡樣品，將正己烷自然揮發(fā)干后，加入2 mL硝酸80 ℃加熱10 min，使樣品完全溶于酸中，轉移至燒杯中，加入1 mL硝酸振蕩后轉移至燒杯，重復3次，置于180 ℃電熱板上反應，至無明顯反應現(xiàn)象且剩余溶液<2 mL，取下冷卻至室溫后，用超純水定容至10 mL，用ICP-MS分析銀含量。每個樣品進行5次重復處理。

表2 模擬汗液成分表Table 2 Composition of simulated sweat

2 結果(Results)

2.1 銀總含量分析

如圖1所示，選取的6種紡織品中都含有銀，范圍在0.1～20 μg·g-1之間。同類產品不同品牌間的含量差別較大。銀含量最高為口罩B，達到了19.77 μg·g-1。而內衣B的銀含量最低，僅為0.12 μg·g-1。

同樣，在所有的食品包裝樣本中均檢測到了銀(圖2)。其中銀母粒作為加工原料，其銀含量高達到23.34 μg·g-1。保鮮盒的銀含量也達到8 μg·g-1。但4個奶制品包裝中(奶瓶A和B，奶袋A和B)的銀含量都較低，其中有3個都在1 μg·g-1以下。

2.2 銀總遷移量分析

對于選取的2個品種的口罩(口罩A和口罩B)，在不同浸泡液中的銀的總遷移量都與浸泡時間呈正相關(圖3)。圖3中總遷移量為模擬液中的銀的濃度。在浸泡1 d后口罩A和口罩B在模擬液A、D中總遷移量要明顯高于模擬液B、C。隨后各自的總遷移量以不同的速率增加。對于口罩A，在浸泡30 d中每個時間點(第1、3、7、15、21和30天)模擬液A、D中的銀總遷移量都要高于模擬液B、C。口罩B在前5個時間點各浸泡液銀含量變化與口罩A相似。但在浸泡21～30 d時，口罩B在模擬液C中的銀含量迅速增加，在第30天時超過了模擬液D。從總的銀遷移程度看，口罩A和口罩B的銀總遷移量差別較大?？谡諦在浸泡的第1天后4種模擬液中的銀濃度都高于0.1 μg·mL-1，口罩A在浸泡30 d后的最大量也未超過0.1 μg·mL-1，而口罩B在30 d后的最大總遷移量達到了1.7 μg·mL-1。不同品牌間總遷移量的巨大差異可能是源于初始銀含量的不同。由圖1可知，由于口罩B的初始銀含量較高，所遷移出的銀也較多。模擬液對于每一種口罩總遷移量以及遷移速率的影響是較為復雜的，這還可能取決于不同的口罩材料在不同模擬液中的溶解度不同。

圖1 6種納米銀紡織品中銀總含量(n=5)Fig. 1 Total silver content in 6 kinds of Ag NPs-containing textiles (n=5)

圖2 5種納米銀食品包裝及銀母粒中銀總含量(n=5)Fig. 2 Total silver content in 5 kinds of Ag NPs-containing food packagings and silver masterbatch (n=5)

圖3 納米銀口罩的銀總遷移量(n=5)注：(a)口罩A；(b)口罩B。Fig. 3 The total migration content of silver from masks (n=5)Note: (a) Mask A; (b) Mask B.

對于2種不同的襪子(襪子A和襪子B)，總遷移量差別顯著(圖4)。襪子A的銀初始含量遠高于襪子B，經過模擬汗液浸泡后遷移的銀也遠高于襪子B。2種襪子都在酸性模擬液中取得了最大總遷移量。值得注意的是，襪子B的整體總遷移量偏低，且在去離子水和堿性模擬液中的遷移的銀的量都低于ICP-MS的檢測限。這可能和襪子B的初始銀含量低以及生產工藝有關。對于襪子A，在浸泡的前21 d內，模擬液A、B和C中銀的量增長緩慢。但模擬液D中銀的量在前7 d內增長緩慢，隨后迅速增長。對于襪子B的模擬液B，與襪子A相反，在前7 d內迅速增長，隨后增長緩慢。遷移速率的差別可能來源于生產工藝的不同。納米銀作為抗菌添加劑可以通過浸漬、涂覆的形式存在于這些紡織品的表面。同樣也可以在生產過程中與纖維、棉和麻等紡織品原材料共混，存在于產品的內部。當紡織品接觸浸泡液之后，存在于表面的納米銀首先開始脫落，隨著浸泡時間的增加，存在于材料內部的納米銀也可能會逐漸釋放。而且，不同材料在各種模擬液中的溶解度差異也會導致實際的遷移行為差異?？偟慕Y論是原料中銀的含量直接影響了最終銀的總遷移量。生產加工工藝和模擬液性質的差別，可能是導致樣品在不同時間段銀離子的溶出速率不同的原因。

在2種內衣在4種汗液浸泡液中的銀含量都低于檢測限，說明這2種內衣材料與納米銀結合力較強，不易脫落。

4種奶制品包裝(奶瓶A、奶瓶B、奶袋A和奶袋B)在奶粉溶液中的銀總遷移量各有差異。奶瓶A的總遷移量達到0.55 μg·mL-1，奶瓶B的總遷移量達到0.3 μg·mL-1，奶袋的總遷移量要低于奶瓶(圖5)。這4類奶制品包裝的銀總遷移量在浸泡的前15 d內增長緩慢，從15 d后開始迅速增加。奶瓶A較為明顯，后15 d的銀總遷移量約是前15 d的10倍?？赡艿脑蚴情L時間的浸泡使得材料內部的納米銀也開始脫落，造成銀總遷移量迅速增加。奶瓶和奶袋在去離子水浸泡后，都沒有檢測到銀的遷移。同樣，保鮮盒浸泡在水和酸性浸泡液中都沒有檢測到銀，在油性模擬液中的銀最大總遷移量約為2 μg·mL-1。這是由于正己烷對于高分子聚合物的溶脹效應[35]。

通過遷移曲線，發(fā)現(xiàn)有部分樣品的銀總遷移量在浸泡30 d時呈現(xiàn)顯著的增長趨勢。因此，我們延長浸泡時間，在浸泡第100天取樣檢測，計算其最大銀總遷移量(圖6)。結果表明，和第30天相比，在100 d時的總遷移量沒有明顯變化。所有樣品在浸泡30 d后的總遷移量已基本達到飽和。

為了比較不同材料對于納米銀的結合能力，我

圖4 納米銀襪子的銀總遷移量(n=5)注：(a)襪子A；(b)襪子B。Fig. 4 The total migration content of silver from socks (n=5)Note: (a) Socks A; (b) Socks B.

圖5 奶制品包裝在奶粉溶液中的銀總遷移量(n=5)(a)和保鮮盒在油性模擬液中的銀總遷移量(n=5)(b)Fig. 5 The total migration content of silver from dairy packagings in milk powder solution (n=5) (a) and from food container in oily simulant (n=5) (b)

圖6 部分樣品最大銀總遷移量(n=5)Fig. 6 Maximum migration content of silver from some samples (n=5)

們計算了所有產品的最大總遷移率(圖7)。口罩A、口罩B，襪子A、襪子B以及奶袋B的銀總遷移率都<10%，說明納米銀與這些材料本身的結合程度較強，在浸泡30 d后只有不到10%的銀脫離。但是3種奶制品包裝的最大總遷移率都超過了50%，奶袋A的總遷移率達到了70%。表明了納米銀與奶袋A原材料間具有較弱的相互作用。

3 討論(Discussion)

本研究選取了11種含有納米銀的消費品，包括口罩、襪子、內衣、保鮮盒、奶瓶和奶袋，它們的總銀含量為0.12～19.8 μg·g-1。材料本身的銀含量以及在模擬液中的不同溶解度導致了總遷移量的不同。銀的總遷移量與浸泡時間存在明顯的正相關。長時間的浸泡使納米粒子更加充分地向溶液中擴散。達到平衡狀態(tài)后，溶液中的銀濃度趨于穩(wěn)定。所選的11種材料在達平衡后的最大銀遷移率可達70%。不同材料間銀的遷移行為差異較大，根據(jù)先前的報道，材料本身銀含量和納米銀的添加方式在對于銀的遷移起決定性作用[18,36]。

圖7 9種納米銀消費品的最大銀總遷移率(n=5)Fig. 7 Maximum migration rate of silver from 9 kinds of Ag NPs-containing consumer products (n=5)

消費品中釋放的銀主要通過呼吸道、消化道和皮膚進入人體。呼吸進入人體的納米銀顆粒，根據(jù)尺寸不同會沉積在不同位置。納米尺寸的顆粒多沉積在支氣管和肺泡，會造成更大的危險[37]。Quadros和Marr[38]測試了3種納米銀相關噴霧在正常使用期間產生氣霧中的銀的排放。3種噴霧液相中銀的總濃度在12.5～27.5 μg·mL-1之間。每次噴霧操作會釋放出0.24～0.56 ng的銀。建立的暴露模型表明，對于70 kg的成年人來說，每天最多有69 ng的銀可能會沉積在呼吸道中。雖然該劑量比美國環(huán)境保護局(US EPA)建議的銀的口服參考劑量0.005 mg·(kg·d)-1要低。但是隨著納米銀產品越來越多的使用，使用多種產品產生的累加作用也應該引起人們的關注。本文中測試的食品包裝在經不同食物模擬液浸泡后會釋放納米銀。這些納米銀會伴隨不同的食物介質進入消化道。小粒徑的納米顆?？煽缭轿改c道粘膜，進入粘膜下層組織，經淋巴和血液循環(huán)轉運對人體產生損傷。除了呼吸道和消化道，皮膚暴露也是納米顆粒進入人體的重要途徑。皮膚是人體的天然屏障，對于外界的損害有著較強的防御作用。雖然納米顆粒通常難以穿過完整的表皮層，但是當皮膚病變或者受損時，納米顆粒便有很大可能經皮膚滲透，進入人體[39]。正如本文前述所示，納米銀紡織品會在汗液的浸泡下釋放銀。已經有報道表明，從紡織品中釋放的納米銀可以穿過表皮層進入真皮層[40]。在這項研究中，納米銀會在汗液的浸漬下從紡織品中脫落并滲透進入皮膚。真皮和表皮中的銀濃度分別為0.33 μg·cm-2和0.07 μg·cm-2。這表明釋放的銀能夠穿透皮膚的主要屏障——角質層。除此之外，用于實驗的不同皮膚中的銀含量差異巨大。原因之一可能是皮膚中的毛發(fā)含量不同，因為毛囊也可作為固體顆粒滲透的重要途徑。除了對人體造成潛在的危害外，這些消費品在除浸泡外的其他使用環(huán)境中，如磨損[41]、洗滌[42]和光照[43]下均會釋放納米銀，給生態(tài)環(huán)境帶來一定的風險。這些納米銀會隨著生活廢水進入廢水處理廠，最終排入到環(huán)境中。在水生環(huán)境中，不同的理化參數(shù)(有機物含量、配體濃度、pH和離子強度)會影響納米銀的轉化，最終可能轉化為AgCl和Ag2S等不同的銀化合物[44]。Farkas等[45]的研究表明，含納米銀的洗衣機會在使用過程中釋放平均粒徑為10 nm、濃度為11 μg·L-1的納米銀。當天然淡水細菌群落暴露于納米洗滌流出物中時，細菌豐度降低超過50%，表明在洗衣機平均釋放濃度下，細菌群落對納米洗滌水非常敏感。Cleveland等[46]觀察了納米銀消費品在60 d實驗期內的遷移情況。這些消費產品在60 d內浸出的銀占總銀量的82%～99%。大量釋放的銀會被河口的生物區(qū)、沉積物、沙子和生物膜吸收，使其在草蝦、蝸牛、草莖和樹葉等的暴露量不斷增加。

為了對納米銀的人體暴露劑量進行評估分析，參考Nazarenko等[47]建立的對于化妝品中納米材料的吸入暴露評估方法，通過公式(1)可以計算人體通過呼吸對納米顆粒的攝入量：

ID=fnano×cinh×Qinh×Tcontact/Bw

(1)

式中：ID表示吸入顆粒的劑量(ng·kg-1)，fnano代表吸入介質中的納米材料的質量分數(shù)，cinh代表空氣中納米顆粒的濃度(ng·L-1)，Qinh代表特定情境下的吸入流量(L·min-1)，Tcontact代表每次接觸的時間(min)，Bw代表體質量(kg)。但在實際評估過程中，cinh通常難以確定。因此，納米銀消費品的暴露劑量分析及它們給人體和環(huán)境帶來的安全隱患等問題還處于研究的初級階段，缺少必要的標準和分析流程，亟待進一步的規(guī)范和研究。本研究內容是對目前市場上種類較多的納米銀消費品中的納米銀溶出量進行了分析，初步探討了細胞毒性，后續(xù)還需建立更系統(tǒng)完善的評價體系，包括針對不同消費品的材質工藝及暴露途徑，建立不同的實驗方法和生物安全性評價模型等相關內容，納米銀消費品的安全性分析和系統(tǒng)評價方法的建立還有較大的提升空間。