工作场所超细颗粒物暴露评估与风险评估研究进展*

陈 瑞，王煜倩，周兴藩，唐仕川

(北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所 职业安全健康北京市重点实验室，北京 100054)

0 引言

伴随着纳米科技的快速发展，纳米材料(NMS)或称工程纳米材料(ENMS)已广泛应用于微电子，化工，能源，环境，国家安全及生物医学等领域。纳米材料是指处于纳米级大小的颗粒物类材料，至少在1个维度上尺寸小于100 nm，这些材料具有吸附能力强、催化活性大等特点。在纳米材料的生产和使用过程中，纳米颗粒物可能释放到环境空气中，在工作场所形成浓度高且漂浮时间长的悬浮颗粒。当环境空气中悬浮颗粒物的空气动力学直径≤100 nm时被称为超细颗粒物(UFPS)。相较于粉尘类的大颗粒物造成的环境污染情况，受暴露人员通常不容易用感官识别周围环境空气中漂浮的UFPS污染，从而容易导致工人形成职业接触暴露[1-2]。工人最可能的接触方式是通过呼吸道暴露UFPS。已有研究显示，NMS相比大粒径的同种材料通常具有更强的毒性[3-4]，容易诱发细胞炎症、DNA损伤、凋亡、坏死、纤维化、组织增生甚至发生癌变[5-8]。UFPS的长期暴露可能导致受暴露人员出现潜在的健康危害，并诱发临床症状，如肺纤维化、胸膜病变、心脏毒性等[9-11]。当前，我国接触UFPS的职业人群不断增加且暴露工种复杂，职业卫生安全防护意识薄弱，如何针对不同工作现场，科学地开展UFPS呼吸暴露评估并实施职业暴露健康风险评估工作，是面对此类未全面纳入监管范围的新型污染物时，职业卫生领域需要重点探讨的问题。

1 现场暴露评估的策略与流程

工作场所中针对ENMS的暴露评估(Exposure assessment)可以用于识别UFPS的释放和评估防护措施的有效性，在实施过程中需要选择合理的评估方案，以切实保护环境安全与工人健康。暴露评估一般分为3个阶段：1)信息收集阶段：收集工作场所场地、人员情况、工艺流程等基本信息，以确定可能存在UFPS暴露的工位和工作区域；2)初步评估阶段：识别颗粒物释放的来源；3)深入评估阶段：设置检测点进行颗粒物的收集、数量浓度检测及表征，进而结合工人调查问卷、作业场所背景值、通风设备、个体防护、暴露时间及频率等方面，对工作场所UFPS职业暴露进行全面评估[12]。

图1 工作场所纳米材料释放致超细颗粒物暴露的评估方法与流程Fig.1 Assessment method and procedure of ultrafine particle exposure caused by nanomaterials release in workplace

2 暴露检测方法

传统的粉尘浓度监测采用重量法，因此职业接触限值以质量浓度为基准。UFPS暴露检测与传统粉尘相比，指标与方法呈现多样化，常用检测指标包括：质量浓度、数量浓度、表面积浓度。在UFPS诱发氧化应激及肺脏炎性损伤研究中发现，数量浓度和表面积浓度指标相比质量浓度呈现出更好的剂量-效应关系[13]。此项研究表明，单一的质量浓度可能无法科学地反映UFPS暴露剂量与人体健康危害之间的相关性，数量浓度与表面积浓度指标或能更好地用于评估工作现场UFPS的实际暴露风险[14-15]。基于已有信息，作者团队近年来参与编订了多项相关标准，规范超细颗粒数量总浓度的检测方法[16-17]，同时提出纳米相关职业场所健康和安全检测方案与指南[18-19]。

2.1 超细颗粒物暴露评估实时检测方法

2.1.1 数量浓度检测

冷凝粒子计数法(CPC)，使用异丙醇或水等饱和蒸汽在颗粒物上冷凝，形成以颗粒物为核心的小液滴使颗粒物粒径“变大”，基于仪器的高灵敏度可进行纳米尺寸至1 μm颗粒物的计数。

光学粒子计数法(OPC)，通过测定散射光的信号模拟计算颗粒物的大小。适用于探测空气中是否存在纳米颗粒的聚集体或团聚体[20]，颗粒粒径检测通常大于300 nm[21]。

空气动力学粒径谱仪(APS)，基于光散射和沉降速率对不同粒径大小颗粒物检测均具有很高的分辨率，并配备有分级采样器。亚微米级的颗粒粒径小于光波长，很难用此类仪器所使用的光学方法检测。该仪器测量范围介于空气动力学直径0.5～20 μm。

2.1.2 质量浓度检测

微量振荡天平法(TEOM)，利用物体的固有振动频率与质量之间的关系，对颗粒物进行在线的质量检测，通过选用不同粒径切割头检测不同粒径范围的颗粒物质量浓度，纳米级、微米级颗粒物均可检测。

2.1.3 表面积浓度检测

UFPS粒径小、表面积大，因此表面积浓度也是研究UFPS职业暴露的主要量度之一。基于扩散电荷的原理，表面积浓度检测仪(NSAM)可以实时检测10～1 000 nm粒径颗粒物在肺泡和支气管沉积2种模式下的表面积浓度。

2.1.4 粒径分布

差分迁移率粒度仪(DMPS)和扫描迁移率粒度仪(SMPS)可以统称为差分迁移分析仪，根据带电粒子在电场中不同的迁移率，将特定流动性的粒子进行计数。主要通过控制电场电压，只有很小粒径范围内的粒子可以通过输出狭缝，到达冷凝粒子计数器，从而检测出该粒径段内粒子的浓度，通过扫描迁移率粒度仪可以得到测量范围从纳米尺寸至1 μm的颗粒物粒径分布结果。

2.2 超细颗粒物暴露评估离线检测分析方法

2.2.1 质量浓度

碰撞分级采样器可根据颗粒物粒径大小不同，通过旋风气流碰撞将颗粒物按照粒径从大到小分别收集在每1层级的过滤器上。对每层收集到的颗粒物采用重量法检测质量浓度，也可进一步用于颗粒物的表征，并能反映不同粒径颗粒物在气溶胶状态下的比重。

2.2.2 常用理化表征方法

UFPS具有不同的理化性质可能对人体健康产生不同的影响，明确粒径、晶型、成分、比表面积等特性，是准确描述UFPS生物安全性的前提。列举可供选择的常用UFPS表征方法如表1所示。

表1 常用超细颗粒物表征方法Table 1 Common characterization methods of ultrafine particles

3 工作场所超细颗粒物接触限值与风险评估方法

3.1 超细颗粒物职业暴露接触限值

目前，工程纳米材料职业暴露流行病学资料较为缺乏。限值制定多是以毒理学研究数据为基础外推到暴露人群。由于纳米颗粒物自身的特点，一般性粉尘的职业接触限值并不适用于UFPS。同时，由于暴露人群年龄的差异，暴露途径的不同，同1类材料的限值推荐值或标准值差异也较大。表2列举了部分纳米颗粒推荐接触限值(REL)。美国职业安全与卫生研究所(NIOSH)提出了在每天工作不超过10 h或每星期不超过40 h的工作时间下，二氧化钛细颗粒物的REL是2.4 mg/m3，而二氧化钛UFPS的REL是0.3 mg/m3[22]；碳纳米管/碳纳米纤维的REL时间加权平均允许浓度(TWA)为1 μg/m3[23]，纳米银是0.9 μg/m3[24]。德国职业安全和健康研究所(IFA)提出8 h工作条件下颗粒物的建议浓度，对于粒径范围在1～100 nm的金属、金属氧化物及其他生物持久性颗粒物，当密度大于6 000 kg/m3时的建议数量浓度不超过20 000 particles/cm3；若是密度小于6 000 kg/m3的颗粒物则建议数量浓度不超过40 000 particles/cm3；对于碳纳米管，纤维浓度不应超过0.01根/cm3[25]。

表2 不同机构推荐的超细颗粒物接触限值Table 2 Contact limits of ultrafine particles recommended by different institutions

3.2 超细颗粒物职业暴露定性风险评估方法

目前，在缺乏纳米材料暴露评估数据，职业接触限值及毒性数据零散，以及材料种类特性信息有限的情况下，对纳米材料采用定量风险评估的方法存在很大的挑战。控制带(CB)是1种常用的定性风险评估方法，是传统定量评估方法的补充和替代方法，可用于工作场所材料毒理学性质未知或未确定的潜在有害物质的暴露控制，以及缺乏定量暴露评估数据时的情况。同时，该评估方法可用于管理工作场所风险，检验是否与控制措施相匹配。控制带最初是由制药业开发的，应用于毒性信息相对缺乏的新化学品，将其划分到其他相似材料的毒性和控制措施“带”，从而帮助工作场所风险防控。控制带一般结合危害等级和暴露等级综合评估风险等级并提出相应的措施建议，影响结果的因素包括：物质的毒性、进入人体的可能性、工作方式、暴露时间、暴露量等。运用控制带评估前需要收集相关信息，比如作业类型、作业频率、持续时间、产品总量、产品安全说明书等。加拿大职业健康与安全中心(CCOHS)开发的在线工具(COSHH e-tool)可完成类似评估工作。由于工作场所中纳米材料常缺乏毒理学资料，暴露资料及其潜在健康风险的不确定性，控制分级技术对于纳米材料的风险评估和风险管理非常实用。目前，国际标准化组织(ISO)[26]已提出了工程纳米材料职业风险管理的控制分级方法标准，我国也颁布了相关标准[27]，介绍了Stoffenmanager nano工具的风险评估方法[28-29]。近期，我国许志珍等[30]，王煜倩等[31]，GAO等[26]等都很好地总结了纳米材料常用的风险评估工具，并应用于存在UFPS暴露情形的不同种类作业现场的风险评估工作。

3.3 超细颗粒物职业暴露定量风险评估方法

通常情况下很难准确获取人体UFPS呼吸暴露的实际数据，只能结合工作场所的实际暴露剂量通过模拟计算开展风险评估。工作现场暴露评估工作中，通常需要强调受暴露人员个人呼吸区的数据采集。因此，可以通过结合现场呼吸区的实际暴露浓度，进而定量估算受暴露人员在某一特定时间内、工作周期甚至整个职业周期内的暴露剂量，评估受到该种UFPS的职业暴露风险[1-2]。同时，不同种类UFPS的风险评估可以利用现有的毒理学数据进行推测，进而最大限度地准确制定不同种类颗粒物的接触限值，用于工作场所职业健康保护[6]。

3.3.1 多路径颗粒剂量模拟

多路径颗粒剂量模拟(MPPD)是由美国哈姆纳健康科学研究院与荷兰国家公共卫生和环境研究所开发的用于估算颗粒物肺内沉积剂量的模型软件，侧重于计算颗粒物在下呼吸道，包括呼吸道肺泡、支气管内的沉积率。该软件的最新版本是EPA 2021 v.1.01，软件中提供普通人群、特定人群以及大鼠的气道模型，可供模拟颗粒物在呼吸系统的沉积。软件从气道形态计量、颗粒物性质、暴露水平3个方面，结合现场检测和表征的颗粒物密度、粒径、形貌、浓度等结果综合计算沉积率，针对个体的呼吸量及接触时间最终计算得到个体的沉积量。在风险评估中，这些数据可以进行等效作用剂量(Equivalent dose)转换分析，并可与已有毒理学数据及流行病学数据相对比，根据最低可见有效作用剂量(Lowest observable effect concentration)推算出当前环境浓度下对人体可能造成损伤的暴露时间[32-33]。依托该理论的风险评估及推导健康允许浓度剂量(MAC)估算过程可参考图2[6]。

图2 风险评估中剂量相关因素的关联性分析示意Fig.2 Schematic diagram of correlation analysis on dose-related factors in risk assessment

3.3.2 基于流体动力学的细颗粒物呼吸道暴露剂量估算

通过计算流体动力学(CFD)模拟定量计算人体内吸入或沉积的剂量。MPPD模型主要关注颗粒物进入肺部、支气管及肺泡等下呼吸道的沉积情形，而颗粒物对上呼吸道的暴露影响也需要深入研究。空气组成、颗粒数量与大小、个体呼吸状况等决定了进入人体鼻孔的颗粒数量，其中一部分可到达鼻腔顶部的嗅上皮，通过嗅觉感受器神经跨越血脑屏障，甚至到达中枢神经系统[34]。而中枢神经系统的颗粒物长期暴露将极大可能诱发导致神经退行性类疾病，包括阿尔茨海默病或帕金森病等[34]。通过对大鼠的研究发现，沉积在鼻区的UFPS能够沿嗅觉神经迁移进入大脑，OBERDRSTER等[35]估计沉积在大鼠嗅觉粘膜上的UFPS约有20%可以转移到嗅球。作者团队结合计算机断层扫描(CT)技术建立人体呼吸道模型，并利用CFD模拟开发出上呼吸道与嗅球区UFPS暴露沉积的评估方法，实现针对工作场所UFPS呼吸暴露剂量的估算目标[36-38]。近期，作者团队在已建立的CFD计算方法基础上开发了评估软件“细颗粒物呼吸道暴露剂量估算与风险评估软件V1.1”(软件著作权2021SR1773659)，为工作现场评估UFPS呼吸暴露风险提供了可应用的工具。

4 结论

1)工作场所内与纳米材料生产及应用密切相关的UFPS污染是1种新型职业危害因素，给职业健康与劳动卫生领域提出了新的挑战，UFPS污染与自然环境中的颗粒物气溶胶存在显著的不同，它们在形态上和化学组成上差异巨大。

2)为更好地评估工作场所中的UFPS释放行为，在暴露评估中需要采用科学的策略与方法，对现场暴露情形进行全面解析，同时需要注意将颗粒物释放源与其他可能的背景颗粒物来源进行区分。

3)工作场所UFPS暴露评估与风险评估是纳米科技与安全应用之间的纽带。随着现场暴露评估的深入开展，现场评估步骤、方案逐渐规范，不同暴露现场数据及结论将能够进行横向对比，则可以帮助正确认识工作场所UFPS相关安全性问题。

4)UFPS暴露评估与风险评估始终面对如下挑战：如测量参数的不确定性(如颗粒大小、数量、质量、表面积等)；测量仪器与方法的一致性问题(如暴露评估策略、校准方案、环境本底等)；评估方案的科学性问题(定性方案的严谨性、定量方法的可行性等)。UFPS职业暴露现场会越来越多，需要领域内研究人员及职业健康管理人员寻找更加高效和完善的解决方案，为行业发展与职业健康提供保障。