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.