第四章 國內外環境奈米EHS之最新發展及知識文件
4.2 奈米物質對環境和健康的影響
一、食品級二氧化鈦的特性分析研究
奈米科技為人類的生活帶來許多好處，但對人類的健康和生態環境可能衍
生許多潛在的風險，過去已有文獻指出吸入奈米微粒(如奈米二氧化矽、奈米二 氧化鈦、奈米銀、及奈米碳管等)會與人體不良健康效影有關(Quadros and Marr 2011; Stebounova et al. 2011; Nazarenko et al. 2012)。但目前食品中的奈米物質的 安全性研究卻相當少，所以有必要進行更進一步的研究。奈米食品的安全性已 逐漸成為全球觀注的議題，以歐盟與美國對此議題最為關注，且已提出奈米食 品的定義與管理的建議，我國應利用目前現有的風險評估原則或加入其他可行 的方法，發展出一套奈米食品的風險評估準則和奈米食品的相關規範，以確保 消費者的健康權益。
二氧化鈦(TiO2)俗稱鈦白粉，因化學性質相當穩定且具有非常好的著色及遮 色能性，因此成為目前用量最大的白色色素之一。TiO2被廣泛運用在食品當中 (Yang et al. 2014)，在藥品、非乳製奶精、糖果、果凍及牙膏等產品都可以發現 TiO2。這些食品最終將會進入廢水處理場、陸地或水生環境，但食品中的奈米 二氧化鈦所占比例、以及影響人體與環境宿命與毒性的物化特性資訊仍不足。
Yang et al. (2014)使用多種市售的食品級TiO2進行特性研究分析，食品級TiO2及 其TEM、XPS與UV/Vis DR分析如圖 4.2.1 所示，作者利用光譜法及其他分析技 術定量出多種被報導出會影響環境宿命與毒性的參數(元素組成、晶型結構、尺 寸及表面組成)。此外，作者也使用了一個常用於毒性研究的固體觸媒奈米TiO2 (P25)作為實驗比對的對象。此研究所使用到的 5 種食品級TiO2與一種P25 皆是 由純化的鈦的前驅物合成的工程製品，並非由塊材研磨所製程。
圖 4.2.1 食品級TiO2示意圖及其TEM、XPS與UV/Vis DR分析(Yang et al. 2014) 食品級TiO2樣品 1-4 皆由中國廠商製造，樣品 5 則是由義大利廠牌 FiorioColori製造，其中樣品 1、2、4 與 5 為粉末狀，樣品 3 為糊狀，上述 5 種 食品級TiO2的TEM影像及微粒粒徑分布如圖 4.2.2 所示。根據TEM的量測結果顯 示樣品 1-5 的粒徑分別為 106 ± 38、122 ± 48、132 ± 56、124 ± 42 及 117 ± 41 nm，
其中<100 nm的微粒所占整體數目比例分別為 35、 23、21、17 及 19%，而P25 的原始粒徑大小約 23 ± 10 nm (所有原始微粒都小於 100 nm)。此外作者也分析 5 種食品級TiO2在超純水內的水力粒徑分布，樣品 1-5 的水力粒徑(hydrodynamic diameter)分別為 273、405、209、504 及 127 nm，其中樣品 1-4 水力粒徑皆大於
100 nm，樣品 5 的水合粒徑小於 100 nm的微粒約占 29%，P25 的水力粒徑為 210
± 62，遠大於其原始粒徑。各樣品的XRD分析結果如圖 4.2.3 所示，樣品 4 包含 了銳鈦礦與金紅石，其比例為 22:78，其晶相結構與P25 十分類似，但是P25 的 晶相組成以金紅石為主，其他樣品多則以銳鈦礦型式為主。
圖 4.2.2 (a)食品級TiO2與P25 之TEM影像；(b)TEM (ImageJ)分析出之微粒粒徑 分布圖(Yang et al. 2014)
圖 4.2.3 食用級TiO2及P25 的XRD分析結果(Yang et al. 2014)
Yang et al. (2014)將 0.2 g的食品級TiO2至入純水中均勻混合後，分別以 0.2
μm與 30 kDa (1 Da=1 dalton=1 道爾頓=1 個原子質量=1.66 x 10-27 kg)的濾紙過 濾，濾出液再以ICP-MS分析鈦、磷、鋁與矽。在所有食品級TiO2的含鈦比例當 中，除了樣品 3 的含鈦比例為 51%之外，其他樣品皆接近 100%。食品級二氧化 鈦的濾出液皆檢測出含有磷成分，總磷濃度介於 0.5-1.8 mg/g TiO2，P25 的濾出 液未偵測到磷成分。圖 4.2.4 (a)為經過 0.2 μm濾紙的食品級TiO2濾出液分析結 果，5 種樣品的磷濃度分別為 0.7、0.7、0.3、0.1 與 0.7 mg/g TiO2，分別占了總 磷含量的 52、51、61、4 與 45%。在經過 0.2 μm濾紙過濾的濾出水中，大約有 30-70%的磷含量為無機磷離子，其中僅有樣品 4 偵測不出磷離子。除了偵測鈦 與磷之外，濾出水也檢測出微量的矽與鋁的成分。磷離子的存在表示無機磷(而 非存在於食品級表面活性劑的有機磷)附著在TiO2的表面。XPS的分析結果顯示 食品級TiO2的表面確實有磷的鍵結存在，而這些磷的鍵結主要來自於磷酸鹽的 塗敷，使得食品級TiO2的表面擁有更多的負電，因此也提高它們在溶液與食品 製備過程中的穩定性。
圖 4.2.4 食品級TiO2溶液含磷成分及比例：(a)經過 0.2 μm濾紙的濾出液分析結 果；(b)經過 30 kDa濾紙的濾出液分析結果(Yang et al. 2014)
圖 4.2.5(a)為食品級TiO2樣品與P25 的界達電位(iso-electric points, IEPs)的量 測結果，樣品 1、3 與 4 的IEPs分別為 3.2、3.5 與 4，樣品 2 與 5 則低於 2.5，P25 的IEPs為 6.8，皆高於測試的 5 種食品級TiO2。作者發現在將 3.22 μg P/g Ti磷酸 鹽與P25 懸浮液混合後，P25 的IEPs將會有所變動，但變動的幅度不大。但加入
200 μg P/g Ti的磷酸鹽後，其IEPs將明顯的降低至 3.2，並且在pH>6 後IEPs便非 常穩定，如圖 4.2.5(b)所示，證實了TiO2表面吸附磷酸鹽後，可以降低IEPs。
圖 4.2.5 平均界達電位：(a)食品級TiO2與P25；(b)加入不同磷酸鹽濃度的P25 (Yang et al. 2014)
根據光催化測試結果，作者發現 5 種食品級TiO2皆具有光敏材料的特性，
其中以樣品 3 具有最高的光催化活性。若與P25 比較，陽離子染料更容易吸附 於食品級二氧化鈦上，這個結果表示食品級二氧化在環境中會有特別的反應潛 勢。此研究最後指出食品級二氧化鈦的工程奈米物質特性與常用於毒性研究的 P25 的特性截然不同，而且食品級二氧化鈦比P25 更容易進入環境當中(即有較 高的環境暴露潛勢)，因此建議未來應對食品級TiO2與P25 的環境宿命與毒性作 進一步的研究。
二、奈米碳管在大氣中的轉化可能會影響其毒性
CNTs 因具低質量密度、高機械強度、電子/電洞移動性與熱傳導等特性，
廣泛的使用在消費產品中，如紡織品、汽車、電子設備、X 光管與電池。在這 些含 CNTs 產品的生命週期中，CNTs 被預期會進入環境(水、土壤與空氣)，最 終進入人體。CNTs 的高比表面積與親油性所產生的生物活性可能會使大眾產生 擔憂，CNTs 的毒性也受到大量的關注。雖然目前已有許多 CNTs 在水體與土壤 生態系統中的研究，但 CNTs 暴露於大氣中的資訊仍嫌不足。
Liu et al. (2015) 研 究 由 臭 氧 與 氫 氧 自 由 基 化 學 改 質 的 單 壁 奈 米 碳 管 (SWCNTs)，並透過模擬預期的對流層微粒(tropospheric particulate matter)的壽 命，以了解其在大氣中的化學演化與毒性變化。研究結果顯示 SWCNTs 的氧化 反應大多會傾向羧酸的官能基化，但明顯的低於其它非大氣條件下的結果。Liu et al. (2015)指出儘管有發現官能化的證據，但也無法證明是臭氧與氫氧自由基 導致 SWCNTs 的氧化還原活性的變化與細胞毒性終點的變化。相反的，當 SWCNTs 暴露於城市的大氣環境中，它可能會因為吸附了有機碳蒸氣，使其氧 化還原活性以及細胞毒性明顯降低。Liu et al. (2015)提出 SWCNTs 在大氣中的
轉化/官能基化可能會顯著的改變它的毒性，並建議未來應進一步研究大氣中的 有機氣體與微粒對 SWCNTs 毒性的影響。
三、國際癌症研究署發表一份奈米碳管、氟淺閃石、矽化碳的致癌性評估報告 國際癌症研究署(International Agency for Research on Cancer, IARC)在 2014 年 10 月召開了一場致癌性評估會議，來自不同國家的 21 位專家依據 IARC 的 致癌性分類標準，評估 SWCNTs 與 MWCNTs、氟淺閃石(fluoro-edenite)、矽化 碳(silicon carbide, SiC)纖維與晶鬚的致癌性，並發表了一份致癌性評估報告。
CNTs 可以由外徑為 1-3 nm 的單石墨烯圓柱體組成(即 SWCNTs)，或是在相同軸 心內由多個直徑為 10-200 nm 在的石墨烯圓柱體組成(即 MWCNTs)。奈米碳管 的長度通常介於幾百奈米到數十微米之間，其物化特性會因生產技術而有所變 化。CNTs 的應用包含改進紡織品、塑膠、橡膠、電子以及其他復合材料的結構。
報告指出 CNTs 在生產、處理以及反應器的清潔保養過程會有最高的逸散情況，
而逸散出的通常可能為可呼吸範圍的團聚體。由於職業暴露的測量資料有限，
消費者的暴露數據也尚未量化，且沒有人體致癌的資料可提供給 IARC 工作小 組，因此現階段 CNTs 對人體致癌性的證據仍然不足。
目前有些 CNTs 的囓齒動物試驗數據。IARC 的報告指出 MWCNT-7 (lot
#05072001K28, Mitsui & Company, Japan)在大鼠(rats)的腹腔注射(intraperitoneal injection)與陰囊注射(intrascrotal injection)試驗，以及小鼠(mice)的腹腔內注射試 驗中，會引起腹膜間皮瘤(peritoneal mesotheliomas)。也有研究顯示 MWCNT-7 的吸入會誘發雄性小鼠的細支氣管肺泡腺瘤(bronchioloalveolar adenoma)與上皮 癌(carcinoma)。在一個腹腔注射研究中發現，兩種與 MWCNT-7 的尺寸相似的 MWCNTs(長度為 1-19 µm；直徑為 40-170 nm)也會引起雄性與雌性大鼠的間皮 瘤；然而在另兩項 SWCNTs 的老鼠試驗研究的結果尚無法對 SWCNTs 的致癌性 下定論。除此之外，CNTs 的吸入除了會引起囓齒動物的急性或持續性肺部發 炎、肉芽腫、纖維化、以及細支氣管或細支氣管肺泡增生，也會誘導遺傳病變，
如 DNA 鍵斷裂、氧化的 DNA 鹼基、突變、微核形成與染色體的畸變。
總結來講，IARC 工作小組認為大多數的研究並沒有考量致癌機轉的證據，
特別是與慢性終點(chronic endpoints)有關者。此外，由於缺乏多種不同的 CNTs 的一致性的致癌證據，所以無法針對其他種類的 CNTs 作成概括性的結論。根 據既有的動物致癌性試驗結果，IARC 工作小組認為 MWCNT-7 有充分的致癌證 據，其他兩種與 MWCNT-7 尺寸相似的 MWCNTs 則證據有限，而 SWCNTs 的 致癌性證據不足。因此 IARC 工作小組將 MWCNT-7 歸類為可能致癌物(Possibly carcinogenic to humans, Group 2B)，其他的 SWCNTs 與 MWCNTs (除 MWCNT -7 外)因無足夠的動物或人體的致癌資料，所以無法歸類為人體的致癌物(Not classifiable as to its carcinogenicity to humans, Group 3)，等將來有更多研究數據 時，ICRA 會再重新審定並作致癌性的分類。
四、防曬油和船底塗料內的奈米物質會對海洋生物造成傷害
奈米微粒可以通過皮膚接觸、食入或吸入進到人體。近年來，它們被迅速 應用在材料、電子與醫藥等科技領域，以製造高效能源電池、石油洩漏的清理 技術、抗癌技術、以及許多其他用途。然而，奈米物質對於環境和健康的影響 較鮮為人知。目前有些機構正進行這方面的研究，如加州大學戴維斯分校的研 究指出，常用於防曬油和船底塗料的奈米物質，會造成海膽胚胎易受到毒素的 侵害。研究人員指出這可能會對沿海，海洋和淡水環境造成危害。這項研究結 果發表於 Environmental Science and Technology，首次指出奈米物質可以用作化
奈米微粒可以通過皮膚接觸、食入或吸入進到人體。近年來，它們被迅速 應用在材料、電子與醫藥等科技領域，以製造高效能源電池、石油洩漏的清理 技術、抗癌技術、以及許多其他用途。然而，奈米物質對於環境和健康的影響 較鮮為人知。目前有些機構正進行這方面的研究，如加州大學戴維斯分校的研 究指出，常用於防曬油和船底塗料的奈米物質，會造成海膽胚胎易受到毒素的 侵害。研究人員指出這可能會對沿海，海洋和淡水環境造成危害。這項研究結 果發表於 Environmental Science and Technology，首次指出奈米物質可以用作化