工作場(chǎng)所超細(xì)顆粒物暴露評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展*

陳 瑞，王煜倩，周興藩，唐仕川

(北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所 職業(yè)安全健康北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100054)

0 引言

伴隨著納米科技的快速發(fā)展，納米材料(NMS)或稱工程納米材料(ENMS)已廣泛應(yīng)用于微電子，化工，能源，環(huán)境，國(guó)家安全及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。納米材料是指處于納米級(jí)大小的顆粒物類材料，至少在1個(gè)維度上尺寸小于100 nm，這些材料具有吸附能力強(qiáng)、催化活性大等特點(diǎn)。在納米材料的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，納米顆粒物可能釋放到環(huán)境空氣中，在工作場(chǎng)所形成濃度高且漂浮時(shí)間長(zhǎng)的懸浮顆粒。當(dāng)環(huán)境空氣中懸浮顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤100 nm時(shí)被稱為超細(xì)顆粒物(UFPS)。相較于粉塵類的大顆粒物造成的環(huán)境污染情況，受暴露人員通常不容易用感官識(shí)別周圍環(huán)境空氣中漂浮的UFPS污染，從而容易導(dǎo)致工人形成職業(yè)接觸暴露[1-2]。工人最可能的接觸方式是通過(guò)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(qiáng)的毒性[3-4]，容易誘發(fā)細(xì)胞炎癥、DNA損傷、凋亡、壞死、纖維化、組織增生甚至發(fā)生癌變[5-8]。UFPS的長(zhǎng)期暴露可能導(dǎo)致受暴露人員出現(xiàn)潛在的健康危害，并誘發(fā)臨床癥狀，如肺纖維化、胸膜病變、心臟毒性等[9-11]。當(dāng)前，我國(guó)接觸UFPS的職業(yè)人群不斷增加且暴露工種復(fù)雜，職業(yè)衛(wèi)生安全防護(hù)意識(shí)薄弱，如何針對(duì)不同工作現(xiàn)場(chǎng)，科學(xué)地開(kāi)展UFPS呼吸暴露評(píng)估并實(shí)施職業(yè)暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，是面對(duì)此類未全面納入監(jiān)管范圍的新型污染物時(shí)，職業(yè)衛(wèi)生領(lǐng)域需要重點(diǎn)探討的問(wèn)題。

1 現(xiàn)場(chǎng)暴露評(píng)估的策略與流程

工作場(chǎng)所中針對(duì)ENMS的暴露評(píng)估(Exposure assessment)可以用于識(shí)別UFPS的釋放和評(píng)估防護(hù)措施的有效性，在實(shí)施過(guò)程中需要選擇合理的評(píng)估方案，以切實(shí)保護(hù)環(huán)境安全與工人健康。暴露評(píng)估一般分為3個(gè)階段：1)信息收集階段：收集工作場(chǎng)所場(chǎng)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(qū)域；2)初步評(píng)估階段：識(shí)別顆粒物釋放的來(lái)源；3)深入評(píng)估階段：設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行顆粒物的收集、數(shù)量濃度檢測(cè)及表征，進(jìn)而結(jié)合工人調(diào)查問(wèn)卷、作業(yè)場(chǎng)所背景值、通風(fēng)設(shè)備、個(gè)體防護(hù)、暴露時(shí)間及頻率等方面，對(duì)工作場(chǎng)所UFPS職業(yè)暴露進(jìn)行全面評(píng)估[12]。

圖1 工作場(chǎng)所納米材料釋放致超細(xì)顆粒物暴露的評(píng)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(cè)方法

傳統(tǒng)的粉塵濃度監(jiān)測(cè)采用重量法，因此職業(yè)接觸限值以質(zhì)量濃度為基準(zhǔn)。UFPS暴露檢測(cè)與傳統(tǒng)粉塵相比，指標(biāo)與方法呈現(xiàn)多樣化，常用檢測(cè)指標(biāo)包括：質(zhì)量濃度、數(shù)量濃度、表面積濃度。在UFPS誘發(fā)氧化應(yīng)激及肺臟炎性損傷研究中發(fā)現(xiàn)，數(shù)量濃度和表面積濃度指標(biāo)相比質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出更好的劑量-效應(yīng)關(guān)系[13]。此項(xiàng)研究表明，單一的質(zhì)量濃度可能無(wú)法科學(xué)地反映UFPS暴露劑量與人體健康危害之間的相關(guān)性，數(shù)量濃度與表面積濃度指標(biāo)或能更好地用于評(píng)估工作現(xiàn)場(chǎng)UFPS的實(shí)際暴露風(fēng)險(xiǎn)[14-15]。基于已有信息，作者團(tuán)隊(duì)近年來(lái)參與編訂了多項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范超細(xì)顆粒數(shù)量總濃度的檢測(cè)方法[16-17]，同時(shí)提出納米相關(guān)職業(yè)場(chǎng)所健康和安全檢測(cè)方案與指南[18-19]。

2.1 超細(xì)顆粒物暴露評(píng)估實(shí)時(shí)檢測(cè)方法

2.1.1 數(shù)量濃度檢測(cè)

冷凝粒子計(jì)數(shù)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(jìn)行納米尺寸至1 μm顆粒物的計(jì)數(shù)。

光學(xué)粒子計(jì)數(shù)法(OPC)，通過(guò)測(cè)定散射光的信號(hào)模擬計(jì)算顆粒物的大小。適用于探測(cè)空氣中是否存在納米顆粒的聚集體或團(tuán)聚體[20]，顆粒粒徑檢測(cè)通常大于300 nm[21]。

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

2.1.2 質(zhì)量濃度檢測(cè)

微量振蕩天平法(TEOM)，利用物體的固有振動(dòng)頻率與質(zhì)量之間的關(guān)系，對(duì)顆粒物進(jìn)行在線的質(zhì)量檢測(cè)，通過(guò)選用不同粒徑切割頭檢測(cè)不同粒徑范圍的顆粒物質(zhì)量濃度，納米級(jí)、微米級(jí)顆粒物均可檢測(cè)。

2.1.3 表面積濃度檢測(cè)

UFPS粒徑小、表面積大，因此表面積濃度也是研究UFPS職業(yè)暴露的主要量度之一?；跀U(kuò)散電荷的原理，表面積濃度檢測(cè)儀(NSAM)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)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(tǒng)稱為差分遷移分析儀，根據(jù)帶電粒子在電場(chǎng)中不同的遷移率，將特定流動(dòng)性的粒子進(jìn)行計(jì)數(shù)。主要通過(guò)控制電場(chǎng)電壓，只有很小粒徑范圍內(nèi)的粒子可以通過(guò)輸出狹縫，到達(dá)冷凝粒子計(jì)數(shù)器，從而檢測(cè)出該粒徑段內(nèi)粒子的濃度，通過(guò)掃描遷移率粒度儀可以得到測(cè)量范圍從納米尺寸至1 μm的顆粒物粒徑分布結(jié)果。

2.2 超細(xì)顆粒物暴露評(píng)估離線檢測(cè)分析方法

2.2.1 質(zhì)量濃度

碰撞分級(jí)采樣器可根據(jù)顆粒物粒徑大小不同，通過(guò)旋風(fēng)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(jí)的過(guò)濾器上。對(duì)每層收集到的顆粒物采用重量法檢測(cè)質(zhì)量濃度，也可進(jìn)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(tài)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(zhì)可能對(duì)人體健康產(chǎn)生不同的影響，明確粒徑、晶型、成分、比表面積等特性，是準(zhǔn)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(xì)顆粒物表征方法Table 1 Common characterization methods of ultrafine particles

3 工作場(chǎng)所超細(xì)顆粒物接觸限值與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

3.1 超細(xì)顆粒物職業(yè)暴露接觸限值

目前，工程納米材料職業(yè)暴露流行病學(xué)資料較為缺乏。限值制定多是以毒理學(xué)研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)外推到暴露人群。由于納米顆粒物自身的特點(diǎn)，一般性粉塵的職業(yè)接觸限值并不適用于UFPS。同時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(guó)職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所(NIOSH)提出了在每天工作不超過(guò)10 h或每星期不超過(guò)40 h的工作時(shí)間下，二氧化鈦細(xì)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(shí)間加權(quán)平均允許濃度(TWA)為1 μg/m3[23]，納米銀是0.9 μg/m3[24]。德國(guó)職業(yè)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(duì)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(dāng)密度大于6 000 kg/m3時(shí)的建議數(shù)量濃度不超過(guò)20 000 particles/cm3；若是密度小于6 000 kg/m3的顆粒物則建議數(shù)量濃度不超過(guò)40 000 particles/cm3；對(duì)于碳納米管，纖維濃度不應(yīng)超過(guò)0.01根/cm3[25]。

表2 不同機(jī)構(gòu)推薦的超細(xì)顆粒物接觸限值Table 2 Contact limits of ultrafine particles recommended by different institutions

3.2 超細(xì)顆粒物職業(yè)暴露定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

目前，在缺乏納米材料暴露評(píng)估數(shù)據(jù)，職業(yè)接觸限值及毒性數(shù)據(jù)零散，以及材料種類特性信息有限的情況下，對(duì)納米材料采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法存在很大的挑戰(zhàn)?？刂茙?CB)是1種常用的定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，是傳統(tǒng)定量評(píng)估方法的補(bǔ)充和替代方法，可用于工作場(chǎng)所材料毒理學(xué)性質(zhì)未知或未確定的潛在有害物質(zhì)的暴露控制，以及缺乏定量暴露評(píng)估數(shù)據(jù)時(shí)的情況。同時(shí)，該評(píng)估方法可用于管理工作場(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)，檢驗(yàn)是否與控制措施相匹配?？刂茙ё畛跏怯芍扑帢I(yè)開(kāi)發(fā)的，應(yīng)用于毒性信息相對(duì)缺乏的新化學(xué)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(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)防控。控制帶一般結(jié)合危害等級(jí)和暴露等級(jí)綜合評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并提出相應(yīng)的措施建議，影響結(jié)果的因素包括：物質(zhì)的毒性、進(jìn)入人體的可能性、工作方式、暴露時(shí)間、暴露量等。運(yùn)用控制帶評(píng)估前需要收集相關(guān)信息，比如作業(yè)類型、作業(yè)頻率、持續(xù)時(shí)間、產(chǎn)品總量、產(chǎn)品安全說(shuō)明書(shū)等。加拿大職業(yè)健康與安全中心(CCOHS)開(kāi)發(fā)的在線工具(COSHH e-tool)可完成類似評(píng)估工作。由于工作場(chǎng)所中納米材料常缺乏毒理學(xué)資料，暴露資料及其潛在健康風(fēng)險(xiǎn)的不確定性，控制分級(jí)技術(shù)對(duì)于納米材料的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理非常實(shí)用。目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)[26]已提出了工程納米材料職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理的控制分級(jí)方法標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也頒布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[27]，介紹了Stoffenmanager nano工具的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[28-29]。近期，我國(guó)許志珍等[30]，王煜倩等[31]，GAO等[26]等都很好地總結(jié)了納米材料常用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具，并應(yīng)用于存在UFPS暴露情形的不同種類作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。

3.3 超細(xì)顆粒物職業(yè)暴露定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

通常情況下很難準(zhǔn)確獲取人體UFPS呼吸暴露的實(shí)際數(shù)據(jù)，只能結(jié)合工作場(chǎng)所的實(shí)際暴露劑量通過(guò)模擬計(jì)算開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。工作現(xiàn)場(chǎng)暴露評(píng)估工作中，通常需要強(qiáng)調(diào)受暴露人員個(gè)人呼吸區(qū)的數(shù)據(jù)采集。因此，可以通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)呼吸區(qū)的實(shí)際暴露濃度，進(jìn)而定量估算受暴露人員在某一特定時(shí)間內(nèi)、工作周期甚至整個(gè)職業(yè)周期內(nèi)的暴露劑量，評(píng)估受到該種UFPS的職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。同時(shí)，不同種類UFPS的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以利用現(xiàn)有的毒理學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行推測(cè)，進(jìn)而最大限度地準(zhǔn)確制定不同種類顆粒物的接觸限值，用于工作場(chǎng)所職業(yè)健康保護(hù)[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(guó)哈姆納健康科學(xué)研究院與荷蘭國(guó)家公共衛(wèi)生和環(huán)境研究所開(kāi)發(fā)的用于估算顆粒物肺內(nèi)沉積劑量的模型軟件，側(cè)重于計(jì)算顆粒物在下呼吸道，包括呼吸道肺泡、支氣管內(nèi)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(tǒng)的沉積。軟件從氣道形態(tài)計(jì)量、顆粒物性質(zhì)、暴露水平3個(gè)方面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和表征的顆粒物密度、粒徑、形貌、濃度等結(jié)果綜合計(jì)算沉積率，針對(duì)個(gè)體的呼吸量及接觸時(shí)間最終計(jì)算得到個(gè)體的沉積量。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行等效作用劑量(Equivalent dose)轉(zhuǎn)換分析，并可與已有毒理學(xué)數(shù)據(jù)及流行病學(xué)數(shù)據(jù)相對(duì)比，根據(jù)最低可見(jiàn)有效作用劑量(Lowest observable effect concentration)推算出當(dāng)前環(huán)境濃度下對(duì)人體可能造成損傷的暴露時(shí)間[32-33]。依托該理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及推導(dǎo)健康允許濃度劑量(MAC)估算過(guò)程可參考圖2[6]。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中劑量相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)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(dòng)力學(xué)的細(xì)顆粒物呼吸道暴露劑量估算

通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬定量計(jì)算人體內(nèi)吸入或沉積的劑量。MPPD模型主要關(guān)注顆粒物進(jìn)入肺部、支氣管及肺泡等下呼吸道的沉積情形，而顆粒物對(duì)上呼吸道的暴露影響也需要深入研究。空氣組成、顆粒數(shù)量與大小、個(gè)體呼吸狀況等決定了進(jìn)入人體鼻孔的顆粒數(shù)量，其中一部分可到達(dá)鼻腔頂部的嗅上皮，通過(guò)嗅覺(jué)感受器神經(jīng)跨越血腦屏障，甚至到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)[34]。而中樞神經(jīng)系統(tǒng)的顆粒物長(zhǎng)期暴露將極大可能誘發(fā)導(dǎo)致神經(jīng)退行性類疾病，包括阿爾茨海默病或帕金森病等[34]。通過(guò)對(duì)大鼠的研究發(fā)現(xiàn)，沉積在鼻區(qū)的UFPS能夠沿嗅覺(jué)神經(jīng)遷移進(jìn)入大腦，OBERDRSTER等[35]估計(jì)沉積在大鼠嗅覺(jué)粘膜上的UFPS約有20%可以轉(zhuǎn)移到嗅球。作者團(tuán)隊(duì)結(jié)合計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)建立人體呼吸道模型，并利用CFD模擬開(kāi)發(fā)出上呼吸道與嗅球區(qū)UFPS暴露沉積的評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)針對(duì)工作場(chǎng)所UFPS呼吸暴露劑量的估算目標(biāo)[36-38]。近期，作者團(tuán)隊(duì)在已建立的CFD計(jì)算方法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了評(píng)估軟件“細(xì)顆粒物呼吸道暴露劑量估算與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件V1.1”(軟件著作權(quán)2021SR1773659)，為工作現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估UFPS呼吸暴露風(fēng)險(xiǎn)提供了可應(yīng)用的工具。

4 結(jié)論

1)工作場(chǎng)所內(nèi)與納米材料生產(chǎn)及應(yīng)用密切相關(guān)的UFPS污染是1種新型職業(yè)危害因素，給職業(yè)健康與勞動(dòng)衛(wèi)生領(lǐng)域提出了新的挑戰(zhàn)，UFPS污染與自然環(huán)境中的顆粒物氣溶膠存在顯著的不同，它們?cè)谛螒B(tài)上和化學(xué)組成上差異巨大。

2)為更好地評(píng)估工作場(chǎng)所中的UFPS釋放行為，在暴露評(píng)估中需要采用科學(xué)的策略與方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)暴露情形進(jìn)行全面解析，同時(shí)需要注意將顆粒物釋放源與其他可能的背景顆粒物來(lái)源進(jìn)行區(qū)分。

3)工作場(chǎng)所UFPS暴露評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是納米科技與安全應(yīng)用之間的紐帶。隨著現(xiàn)場(chǎng)暴露評(píng)估的深入開(kāi)展，現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估步驟、方案逐漸規(guī)范，不同暴露現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及結(jié)論將能夠進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，則可以幫助正確認(rèn)識(shí)工作場(chǎng)所UFPS相關(guān)安全性問(wèn)題。

4)UFPS暴露評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估始終面對(duì)如下挑戰(zhàn)：如測(cè)量參數(shù)的不確定性(如顆粒大小、數(shù)量、質(zhì)量、表面積等)；測(cè)量?jī)x器與方法的一致性問(wèn)題(如暴露評(píng)估策略、校準(zhǔn)方案、環(huán)境本底等)；評(píng)估方案的科學(xué)性問(wèn)題(定性方案的嚴(yán)謹(jǐn)性、定量方法的可行性等)。UFPS職業(yè)暴露現(xiàn)場(chǎng)會(huì)越來(lái)越多，需要領(lǐng)域內(nèi)研究人員及職業(yè)健康管理人員尋找更加高效和完善的解決方案，為行業(yè)發(fā)展與職業(yè)健康提供保障。