本研究參考ISO 10801與ISO 10808的標準，建立一套奈米物質吸入毒性試驗 用的奈米微粒產生、監測、檢測及化學分析平台，並建立奈米微粒質量分析之 績效評估樣品之製備技術與標準作業程序，實驗的流程如圖3.15所示，系統如圖 3.16所示。產生的工程奈米微粒為Ag及ZnO，當系統可產生穩定粒徑分佈的奈 米微粒後，參考ISO/WD 27891校正數目濃度與使用20、40、64、81及102 nm的 微粒粒徑標準品--聚苯乙烯乳膠(3000 Series Nanosphere Size Standards, Thermo Scientific, USA)校正SMPS量測的粒徑。當校正完成後，即可進行微粒採樣及監 測，使用的儀器與監測參數分別為量測質量濃度分布的MOUDI、量測總質量濃
度的濾紙採樣器、量測肺泡及胸腔的表面積濃度的奈米微粒表面積濃度測定儀 (AerotrakTM 9000, TSI Inc., St. Paul, MN, USA)、即時量測粒徑分佈的SMPS、即 時量測微粒質量的氣膠微粒質量分析儀(Aerosol Particle Mass Analyzer, Model APM 3061, Kanomax Inc., USA)，而微粒大小與形貌觀察是將銅網裝置在個人奈 米微粒採樣器或MOUDI的基板上，再以TEM觀測。以濾紙採樣器採集的奈米微 粒的BET表面積以高解析比表面積分析儀(High Resolution Surface Area and Porosimetry Analyser, ASAP 2020, Micromeritics, GA, USA)分析。奈米物質化學 分析使用ICP-MS與LA-ICP-MS分析濾紙採樣器所採集的微粒。
圖 3.15 奈米微粒產生及監測檢測系統之實驗流程。
tubular furnace powder, 96%, Panreac Quimica S.A., Spain)放入高溫爐中加熱至 500oC 及 600oC。
為了預防鋅蒸氣和氧氣反應並在裝載鋅粉末的陶瓷小船表面形成氧化鋅，進而
成氧化鋅微粒。
圖 3.17 當管式高溫爐設定溫度為 600oC 時，高溫爐的溫度曲線。
圖 3.18 核凝稀釋系統之設計圖(上)與冷卻管之示意圖(下)。
奈米銀微粒的產生 奈米銀微粒的產生 奈米銀微粒的產生 奈米銀微粒的產生
如圖 3.16 所示，以噴霧法由銀膠溶液(colloidal silver)產生奈米銀微粒時，
本研究使用定量霧化器(Constant output atomizer, Model 3076, TSI Inc., MN, USA) 霧化銀膠懸浮液(永郑材料，微粒粒徑 75- 100 nm，溶液濃度為 1000 µg/mL)以產 生多徑奈米氣懸銀微粒。霧化出來的液滴之中，較大顆的液滴內可能包含多顆 銀微粒，這些微粒可能會形成團聚微粒，為了減少這些團聚微粒，本研究在定 量霧化器後方加裝一個 Marple 個人多階衝擊器，以去除氣動直徑大於 530 nm
的液滴，最後再經由擴散式乾燥管(Diffusion Dryer, PD-50T-12, Perma Pure PD.
USA)將包覆在微粒上之水分。為了使數目中間粒徑(NMD)較小且純度較高，本 研究也使用蒸發/凝結法產生奈米銀微粒，利用高純度銀粉末(silver powder, 2-3.5 µm, 99.9+ %, Sigma-Aldrich, USA)在管狀高溫爐中加熱，並以新設計的核凝冷卻 系統產生產生銀微粒，高溫爐加熱溫度則根據 Weon et al. (2009) 的實驗方法設 定為 1100oC。
以噴霧法及蒸發/核凝法產生出銀微粒後，再分別將產生的微粒導入第二台 高溫爐，使得部分團聚微粒燒結為圓形微粒。為了觀察在不同的燒結溫度下微 粒粒徑及形貌的改變，本研究將微粒在第二台高溫爐中的停留時間控制在 3 秒 以上。而第二台高溫爐的不同溫度設定則是參考 Ku et al. (2005)的方法，分別為 24、100、150、200、250、300、400 和 500 oC。
奈米微粒監測檢測系統 奈米微粒監測檢測系統 奈米微粒監測檢測系統 奈米微粒監測檢測系統
奈米微粒的監測檢測系統包含量測微粒粒徑分佈的SMPS，量測胸腔區及肺 泡區沈積的微粒表面積濃度的Aerotrak，即時量測微粒質量的APM，量測各粒徑 區間質量濃度的MOUDI及總質量濃度的濾紙採樣器，其中濾紙採樣器的濾紙樣 本可用ICP-MS及LA-ICP-MS作元素成份分析。
由於 LA-ICP-MS 分析濾紙樣本時，微粒需均勻的分布在濾紙上，因此使用 如圖 3.19 的濾紙採樣器採集微粒。從高溫爐產生的奈米微粒導入採樣器的擴張 段後，氣流流速降低使微粒有足夠的時間混合，可均勻分布在開放式濾紙夾所 夾持的濾紙上，使用秤重之方法確認微粒重量後，再將濾紙裁半後分別使用 ICP-MS 與 LA-ICP-MS 分析微粒元素成份，確認兩種方法的回收率。另外亦可 使用 MOUDI 採集微粒，因衝擊板及噴嘴板相對旋轉可使微粒更加均勻分布在 濾紙上，有利於 LA-ICP-MS 的分析。
圖 3.19 濾紙採樣器(圖中虛線為微粒軌跡)。
奈米微粒的有效密度是用 MOUDI 採集奈米微粒後，再將各粒徑區所採集 到濾紙上的微粒以秤重的方法定出各階的微粒質量濃度，同時以 SMPS 量測數 目濃度分布，利用公式(3.3)計算出正確的質量濃度(CM)，再使用公式(3.4)將質 量濃度除以 SMPS 內的體積濃度(CV)即可得到各粒徑區間微粒的有效密度。
W
CM = Qt (3.3)
V M
eff C
= C
ρ (3.4)
本研究亦使用微分電動度分析儀(DMA, Differential Mobility Analyzer)篩選 不同的單徑微粒，微粒進入 APM 與 CPC 後可得到微粒的質量與數目濃度，可 算出不同的單徑微粒的有效密度。以上兩種方式得到的有效密度可互相比較。
使用 Aerotrak 可量測胸腔區及肺泡區的表面積濃度外，本研究亦將使用 ASAP 分析微粒的 BET 表面積作比較。
微 粒 大 小 與 形 貌 觀 察 則 使 用 個 人 奈 米 微 粒 採 樣 器 (PNS, Personal Nanoparticle Sampler)與 MOUDI 作為掃描式電子顯微鏡(SEM)及穿透式電子顯 微鏡(TEM)之樣品製備儀器，兩者分別使用 PCTE 濾紙(Polycarbonate Membrane Filters, P/N PCT30013100, Sterlitech)及銅網(Prod No. 01800-F, 200 Mesh Copper Grids, TED PELLA, INC) 作為樣品之載體，以觀察奈米微粒之團聚型貌。PNS 為本團隊最近所開發的一組小型奈米微粒分徑器，在 2 L/min 的操作流量下壓損 約 0.14 atm，其示意如圖 3.20 所示。此奈米分徑器由上游的一個高效率旋風器(改 良 IOSH-Cyclone)及下游一個多微孔一階慣性衝擊器所組成。本團隊先透過理論 計算，然後根據計算的結果再個別進行旋風器及慣性衝擊器收集效率的實驗室 校正，並完成兩設備結合後實驗室與 MOUDI 的比對。
圖 3.20 個人奈米微粒採樣器示意圖。
MOUDI 與個人奈米採樣器比對實驗結果如表 3.13 所示。比對次數共兩次，
第一次比對時間為 90 min。MOUDI 與個人採樣器的後端濾紙採樣重量分別為 1.09 mg 與 0.116 mg；第二次比對時間為 30 min，MOUDI 與個人奈米微粒採樣 器後端濾紙採樣重量分別為 0.347 mg 與 0.043 mg。透過流量比例的換算，我們 得到這兩次的比對誤差分別為 10.0%與 4.72%，顯示本研究的奈米分徑器與 MOUDI 有相當接近的奈米微粒重量濃度。
表 3.13 MOUDI 與個人奈米採樣器實驗室比對結果。
MOUDI 本採樣器 MOUDI 本採樣器
第一次, 90min 第二次, 30min 採樣前重量(mg) 180.558 159.320 186.360 174.015 採樣後重量(mg) 181.648 159.436 186.707 174.058 採樣重量(mg) 1.09 0.116 0.347 0.043
濃度差異 10.0% 4.72%
利用 TEM 或 SEM 等儀器觀察氣態奈米微粒的型貌時，常因微粒收集在銅 網上的位置過於分散而不易觀察，因此本研究結合 PNS 與靜電收集器之原理，
將奈米微粒收集在個人採樣器的衝擊板上，利於顯微鏡觀測。圖 3.21 為改裝後 的 PNS。使用高壓電(正電)產生電場後，由 EC 篩選出帶正電的單徑微粒會因電 場使其軌跡曲線改變，當調整至適當的電壓時微粒的軌跡曲線即座落在 PNS 內 TEM 銅網或 PTCE 濾紙上。
圖 3.21 加裝電場之 PNS。
以上說明本研究擬開發的平台包含有傳統的微粒質量濃度、微粒粒徑分 布、表面積濃度及其它物化監測的方法(TEM觀測及成分分析)，其中表面積濃 度測定、MOUDI的微粒質量分布測定及TEM樣本製備方法為超越ISO的新構 想，相信研究成果可提供吸入毒性測試所需較完整的參數。
3.2.2 即時量測儀器即時量測儀器即時量測儀器之校正即時量測儀器之校正之校正之校正與比對與比對與比對與比對
為了可正確地量測奈米微粒的粒徑分佈，本研究團隊針對常用的掃描式電 移動度粒徑分析儀(SMPS)進行粒徑量測正確性的比對以及數目濃度校正。在 SMPS量測正確性比對方面，本研究使用驗證奈米參考物質，粒徑標準品-聚苯 乙烯(PSL)微粒進行校正比對。CPC數目濃度的校正則是參考ISO 27891標準，將 CPC和氣膠靜電計(AE, Aerosol Electrometer, Model 3068, TSI Inc., MN, USA)量 測到的數目濃度進行比對。最後再將校正過後的SMPS和快速電移動度分析儀 (FMPS, Fast mobility particle sizer, Model 3091, TSI Inc., Paul, MN)所測得的粒徑 分布進行比對，驗證FMPS量測結果的準確性。除了上述數目濃度的即時量測儀 器之外，本研究也針對可即時量測微粒質量的APM進行校正。
SMPS 粒徑量測粒徑量測粒徑量測的正確性粒徑量測的正確性的正確性 的正確性
為了確認SMPS對微粒粒徑量測的準確度，本研究使用粒徑分別為21、40、
64、82及102 nm的聚苯乙烯乳膠(PSL)標準微粒對SMPS進行校正。圖3.22為校正 之實驗系統圖，如圖所示，該實驗首先以定量霧化器(Constant Output Atomizer) 產生PSL微粒。產生出來的微粒中，較大的液滴內可能會有2個以上的聚集PSL 微粒，由於這些聚集微粒可能對粒徑分布結果產生多峰值的干擾，故本研究利 用Marple個人多階衝擊器(Marple Series 290 , Andersen Instruments, Smyrna, Ga.) 去除氣動直徑大於0.53 µm的水滴。剩餘粒徑小於0.53 µm的水滴及PSL微粒則會 先由一部靜電微粒粒徑篩分器(Electrostatic Classifier, EC)篩選出和待測PSL微粒 標示粒徑相同的單徑微粒，再由後方的SMPS系統掃描其微粒粒徑分布，以比對 掃描到的粒徑分布峰值是否與廠商標示的PSL粒徑相同。由於PSL為圓球形微 粒，其電移動度直徑相當於幾何直徑，故由EC篩分出特定電移動度直徑的微粒 其粒徑會與SEM觀察到的微粒相同。
圖 3.22 粒徑量測比對之實驗系統配置圖。
核核
核核凝微粒計數器之凝微粒計數器之凝微粒計數器之凝微粒計數器之數目濃度數目濃度數目濃度數目濃度校正校正校正校正
在進行奈米微粒物化分析技術開發前，本研究參考 ISO/WD 27891 使用法 拉第杯氣膠靜電器結合靜電篩選技術(electrostatic classification)來校正 CPC，實 驗系統如圖 3.23 所示。奈米銀微粒使用高溫爐已蒸發/核凝法產生，產生的微粒 進入混合腔均勻混合後，利用靜電分徑器(Electrostatic Classifer, Model 3080, TSI Inc., MN, USA)篩選某單徑微粒(3-100 nm)，接著分別導入 CPC 及氣膠靜電計 (Aerosol Electrometer, Model 3068, TSI Inc., MN, USA)，帶電微粒即會被 AE 裡 的法拉第杯捕捉，並以電流的型式輸出。利用公式(3.5)換算氣膠靜電計的電流
在進行奈米微粒物化分析技術開發前，本研究參考 ISO/WD 27891 使用法 拉第杯氣膠靜電器結合靜電篩選技術(electrostatic classification)來校正 CPC，實 驗系統如圖 3.23 所示。奈米銀微粒使用高溫爐已蒸發/核凝法產生，產生的微粒 進入混合腔均勻混合後，利用靜電分徑器(Electrostatic Classifer, Model 3080, TSI Inc., MN, USA)篩選某單徑微粒(3-100 nm)，接著分別導入 CPC 及氣膠靜電計 (Aerosol Electrometer, Model 3068, TSI Inc., MN, USA)，帶電微粒即會被 AE 裡 的法拉第杯捕捉，並以電流的型式輸出。利用公式(3.5)換算氣膠靜電計的電流