научная статья по теме ДОЧЕРНИЕ ПРОДУКТЫ РАДОНА КАК МАРКЕРЫ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДЕЙСТВИЯ НАНОАЭРОЗОЛЕЙ НА ЗДОРОВЬЕ ЛЮДЕЙ Биология

Текст научной статьи на тему «ДОЧЕРНИЕ ПРОДУКТЫ РАДОНА КАК МАРКЕРЫ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДЕЙСТВИЯ НАНОАЭРОЗОЛЕЙ НА ЗДОРОВЬЕ ЛЮДЕЙ»

РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2009, том 49, № 3, с. 372-382

^ ПРИКЛАДНАЯ

РАДИОБИОЛОГИЯ

УДК 57.043::539.1.004.14

ДОЧЕРНИЕ ПРОДУКТЫ РАДОНА КАК МАРКЕРЫ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДЕЙСТВИЯ НАНОАЭРОЗОЛЕЙ

НА ЗДОРОВЬЕ ЛЮДЕЙ

© 2009 г. Л. С. Рузер*, М. Г. Апте

Environmental Energy Technologies Division, Indoor Environment Department Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA

Обсуждаются вопросы, связанные с возможным использованием так называемой неприсоединен-ной активности дочерних продуктов радиоактивного газа радона в качестве экспериментального средства измерения локального осаждения частиц нанодиапазона и дозиметрии легких человека. Вопросы безопасности, связанные с такими экспериментами на людях, рассматриваются на базе сравнения трех вариантов исследований: население, шахтеры, а также эксперимент, проведенный в институте Paul Scherer (PSI, Швейцария). Приводятся результаты измерения параметров дыхания шахтеров с помощью радиоактивной метки (дочерние продукты радона). Одной из особенностей дочерних продуктов радона является то, что в их составе имеется фракция радиоактивных частиц размером около 1 нм, называемых неприсоединенной активностью, которая в силу предельно малых размеров и высокого коэффициента диффузии может служить очень полезным инструментом при различных исследованиях наночастиц. В настоящей работе приводится теоретическое и экспериментальное исследование корреляции между неприсоединенной активностью и важной характеристикой наноаэрозолей - площадью поверхности наночастиц - совместно с описанием калибровки и метода измерения неприсоединенной фракции.

Наноаэрозоли, наночастицы, неприсоединенная активность, площадь поверхности частиц, дочерние продукты радона, прямые измерения активности в легких, фильтрующая способность легких, счетная, массовая и поверхностная концентрация аэрозолей, дозиметрия.

Воздействию аэрозольной загрязненности воздуха на здоровье людей посвящена обширная научная литература. Эта проблема приобрела особо важное практическое значение в последние годы в связи с нанотехнологией, новой революционной и стремительно развивающейся отраслью, финансовые вложения в которую, согласно прогнозам [1], должны составить около 1 триллиона долларов к 2015 г.

Нанотехнология - это разработка, производство и применение структур, устройств и систем при помощи контроля их формы и размера в интервале диаметров от 1 до 100 нм. Соответственно наночастицами считаются частицы, у которых по крайней мере один размер менее 100 нм по диаметру и которые обладают новыми или улучшенными, зависимыми от размера свойствами по сравнению с частицами больших размеров из того же материала. Когда наночастицы находятся во взвешенном состоянии в воздухе, они представляют собой наноаэрозоли.

*Адресат для корреспонденции: Environmental Energy Technologies Division, Indoor Environment Department Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA; e-mail: lruzer@aol.com.

Количественная оценка осаждения и дозиметрия в легких аэрозолей и особенно аэрозолей в диапазоне наночастиц (0.001-0.1 микрона, 1-100 нм по диаметру) остается неудовлетворительной, несмотря на исследования, проводившиеся в течение многих лет.

Без прямых измерений на людях практически очень важный вопрос риска, связанного с нано-аэрозолями, так и не будет никогда решен. Согласно [2], существует большое число пробелов в наших знаниях о поведении аэрозольных частиц в диапазоне наноразмеров, которые необходимо заполнить, чтобы было возможно произвести корректную оценку доз и соответственно риска, связанного с наноаэрозолями, включая:

1) измерение концентрации наночастиц на рабочих местах;

2) оценку защитного действия респираторов;

3) измерение поверхности частиц как характеристики наноаэрозолей;

4) дозиметрию и оценку риска;

5) эффективность типовых фильтров для респираторов в нанодиапазоне;

6) оценку осаждения и транслокации наноча-стиц в различных частях легких.

Одна из возможностей решения этой проблемы состоит в использовании радиоактивных частиц-маркеров. После того, как частицы попадут в легкие, их распределение в легких определяется при помощи двух- или трехмерного спектрометрического изображения. В последние годы в опубликованной литературе этому подходу уделяется большое внимание.

Как указано в [3], в настоящее время неясно, какова будет дозовая нагрузка для легочной ткани при концентрации в воздухе одного из наиболее распространенных видов наночастиц - углеродных нанотрубок. Например, при очень малой массовой концентрации в 10 мкг/м3 для частиц размером 20 нм счетная концентрация в воздухе будет более 106 частиц/см3. Вопрос состоит в том, какова будет плотность частиц на поверхности в различных частях легочной ткани при такой концентрации в воздухе. Опыты на животных показали, что наночастицы вызывают значительные воспалительные процессы как в легочной ткани, так и в других органах [2].

И все-таки без прямых измерений на людях при тщательной дозиметрии мы не сможем получить достоверных данных о риске, связанном с воздействием наноаэрозолей. Примеры использования радиоактивной метки для этих целей представлены в литературе.

В эксперименте [4] 10 взрослых мужчин вдыхали монодисперсные частицы тефлона с геометрическим диаметром 3 мкм, меченые 195Au. Было показано, что, в зависимости от использованного детектора, период полувыведения составляет соответственно для детекторов Nal и Ge 740 и 680 дней. В другом эксперименте [5] частицы углерода, меченные аэрозолями 99Tc с диаметром в интервале от 50 до 150 нм, использовались для исследования по вдыханию на людях.

В работе [6] измерялась так называемая "ингаляционная доза" высокодисперсных частиц размером 40, 60, 80 и 100 нм. В работе [7], в которой исследовалось осаждение в легких частиц размером 35 и 100 нм, не было найдено существенной транслокации частиц из легких в кровеносную систему. Авторы полагают, что результаты других работ, в которых такая транслокация обнаружена, могут быть объяснены нестабильностью радиоактивной метки.

Обзор литературы по вопросам оценки риска от воздействия наноаэрозолей в новых, быстро развивающихся отраслях промышленности, связанных с нанотехнологией, показывает, что проблема воздействия наночастиц на человека пока еще не получила адекватной оценки [3]. Здоровье и безопасность персонала, непосредственно со-

прикасающегося с наноматериалами, включая и наноаэрозоли, вызывают особые опасения. Существует большой разрыв между существующими методами измерения и теми, которые необходимы в настоящее время для оценки воздействия наноаэрозолей на организм. До настоящего времени основными методами для измерения аэрозолей наноразмеров являются конденсационные счетчики частиц и дифференциальные анализаторы подвижности. Оба типа устройств имеют ограничения в области малых размеров (до 10 нм).

В ряде исследований, посвященных воздействию высокодисперсных и особенно наноаэрозолей [3, 8], показано, что биологический эффект, связанный с малорастворимыми вдыхаемыми частицами, зависит от площади поверхности частиц, а не от массовой концентрации. Такие данные по корреляции между численной, площадью поверхности и массовой концентрацией необходимы для исследования на организм, но средства измерения площади поверхности аэрозольных частиц практически отсутствуют.

Проблема площади поверхности аэрозольных частиц как характеристики воздействия рассматривается в целом ряде официальных документов [9-16]. В этих отчетах отмечается, что площадь поверхности аэрозольных частиц в диапазоне от 1 до 100 нм в диаметре дает наиболее достоверный критерий для оценки воздействия при вдыхании. Особое значение это имеет для так называемых свободных наноаэрозолей, т.е. наночастиц, не включенных в более сложные структуры, поскольку такие частицы, в силу их предельно малых размеров, наиболее способны к поглощению и распространению в различных частях тела. Отмечается также, что если нагрузка на легкие и скорость выделения выражаются в функции площади поверхности, то корреляция с биологическим эффектом получается более близкой.

Необходимо также отметить, что вопрос о том, какие характеристики концентрации аэрозолей в области наноразмеров следует использовать в исследованиях по биологическому воздействию, является сложным.

С одной стороны, ввиду того, что наноаэрозоли во многих практических случаях представляют не отдельные частицы, а структуры, у которых, согласно определению, по крайней мере один размер находится в пределах 1-100 нм, невозможно использовать размер частиц наноаэрозолей сам по себе в качестве их характеристик.

С другой стороны, с точки зрения оценки дозы облучения легких при использовании массовой концентрации в качестве характеристики, следует иметь в виду:

1. Для оценки дозы и биологического эффекта при вдыхании наночастиц массовая концентрация

не является представительной, ибо даже при очень малых значениях массовых концентраций количество осажденных в легких частиц будет очень велико. А доза и эффект зависят именно от плотности осаждения на мишени.

2. При одной и той же массовой концентрации распределение частиц по размерам, а следовательно, и биологический эффект будут различными.

3. Для оценки дозы, а следовательно, и биологического эффекта, важными являются только респирабельные частицы, т.е. частицы с размером, не превышающим 5-7 микрон. К тому же сам по себе этот "предел респирабельности" не может быть достаточно точно определен.

В [17] предложен метод измерения площади поверхности наноаэрозолей, базирующийся на одновременном измерении счетной и массовой концентрации.

Как уже указывалось ранее [9-16], в настоящее время складывается впечатление, что именно площадь поверхности частиц является одной из важнейших характеристик наночастиц.

Среди оборудования для измерения параметров аэрозолей в диапазоне наноразмеров следует упомянуть прибор, выпускаемый в США фирмой TSI (TSI 3550, Nanoparticle Surface Area Monitor, 2005), в котором измерение осаждения в легких базируется на выведенной [18] корреляции между величиной электрического сигнала и осаж

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком