奈米物質的物理化學特性 奈米物質的物理化學特性 奈米物質的物理化學特性 奈米物質的物理化學特性

以奈米物質生產的商業化商品數目目前正在快速的增加中，產品涵蓋健 康、衣物、汽車等，使用的物質包括奈米銀、奈米金、奈米碳管(CNT)及奈米氧 化鋅等，但是當奈米產品提供功能性的好處的同時，人們暴露在奈米物質下的 風險也隨著增加，特別是從事與奈米科技產業相關的工作人員(產品的加工及包 裝作業)，此外可能從產品中再釋出之奈米物質也會對消費者的健康造成威脅。

為了確保工人和消費者的健康，奈米物質的吸入毒性測試為一項十分重要的工 作。雖然目前奈米物質對人體毒理機制並沒有完全的釐清，不過很多相關的研 究正在進行中。人體可能暴露奈米物質的途徑包含呼吸(inhalation)、皮膚接觸及 食入(ingestion)，其中以呼吸為最容易進入人體的途徑。

目前奈米物質毒性評估主要分為體內實驗與體外實驗，體外實驗是將細胞 株暴露於奈米微粒，再利用分子生物技術進行分析，以找出造成細胞毒性反應 的機制；體內實驗主要是以老鼠作為奈米微粒吸入的試驗對象，再由試驗結果 推估對人體的影響。目前雖然沒有規定進行吸入毒性實驗需以何種方式來產生 奈米微粒，而目前文獻常分散奈米級粉體做為吸入毒性試驗的微粒來源，但此 方法所分散的微粒會因聚集(aggregation)或團聚(agglomeration)而使得粒徑遠大 於原始粒徑，例如Tsai et al. (2011)發現原始粒徑約為20 nm的TiO2粉體經分散後 微粒數目中間粒徑增大至200-300 nm。

在相同質量下，奈米微粒(nanoparticles，粒徑＜100 nm)因較大微粒具有更 大的表面積及活性，所以被吸入人體並沉積於肺部時，將可能對呼吸及循環系 統造成較大的危害(Oberdörster et al., 2005)，因此研究奈米微粒之粒徑分佈、形 貌及化學組成等物理化學特徵極為重要。Xia et al. (2006)比較環境奈米微粒與一 些工程奈米微粒的細胞毒性，研究中使用的環境奈米微粒是加州都會區的大氣 微粒，而工程奈米微粒則有：二氧化鈦(TiO2)、碳黑(carbon black)、富勒醇(fullerol) 及聚苯乙烯(polystyrene)等，結果發現環境奈米微粒因附著有毒有機物質、鹽類 及重金屬等成份(Donaldson et al., 2002 及 Oberdörster et al., 2005)所以毒性較大 多數的工程奈米粉體高，除了陽離子聚苯乙烯(polystyrene)外。環境奈米微粒和 陽離子聚苯乙烯(如胺基聚苯乙烯)奈米微粒皆較有能力產生活性氧化物，進而導 致粒腺體(mitochondrial)損害，因此毒性較大。因此準確地量測並分析環境奈米 微粒的化學成分很重要，因為所得到的數據可供人體暴露及健康危害相關研究 之用。

ISO 10801以蒸發以蒸發以蒸發/核凝法產生金屬奈米微粒作為呼吸毒性測試之用以蒸發核凝法產生金屬奈米微粒作為呼吸毒性測試之用核凝法產生金屬奈米微粒作為呼吸毒性測試之用 核凝法產生金屬奈米微粒作為呼吸毒性測試之用

為了獲得吸入奈米微粒與健康的實際相關性，國際標準組織ISO建議以蒸發 /核凝法來產生金屬奈米微粒(ISO 10801)，因該方法可以供應高濃度、高純度的 微粒，且可以長時間產生粒徑分佈穩定的奈米微粒，因此較為適合作短期或長 期的吸入毒性研究。蒸發/核凝法是一種利用加高溫將物質蒸發，所產生的蒸氣 以攜帶氣體(carrier gas)帶出，爾後蒸氣以大量的乾淨稀釋氣體降溫，因而凝結 成小微粒。ISO 10801中規範了使用蒸發/核凝法作為奈米微粒吸入毒性實驗時需 要依循的標準，例如所產生微粒的幾何標準偏差之值及微粒粒徑分佈、形貌及 質量濃度皆需測定。ISO 10801的標準內容為：(1) 產生系統的微粒特性量測、

(2)微粒之物理及化學特性分析、(3) 毒性測試暴露腔相關操作參數及必要的安 全規範。

(1)產生系統的微粒特性量測產生系統的微粒特性量測產生系統的微粒特性量測產生系統的微粒特性量測

呼吸毒性試驗中，量測奈米物質的粒徑分佈及總質量濃度是必要的 (ISO 10801)，這是因為粒徑會影響劑量與劑量-粒徑分布，而質量濃度在呼吸實驗試 驗中通常為劑量參數。因此監測儀器必須可以量測微粒粒徑分布，且量測的粒 徑分佈範圍要夠廣，以減低在進行微粒數目濃度轉換成表面積或體積濃度時可 能造成的誤差。例如掃描式電移動度粒徑分析儀(SMPS, Scanning mobility particle sizer, Model 3936, TSI Inc., St. Paul, MN)即為一個適當的儀器。ISO 10801 建議以濾紙採樣器採集腔體內的微粒，再以秤重的方法定出腔體內微粒的質量

濃度，此濾紙樣本可再作後續的化學分析。質量濃度真正的單位應表示為每單 遵守下列規範：幾何平均粒徑(GMD, geometric mean diameter)必需要小於100 nm ；幾何標準偏差(GSD, geometric standard deviation)必須小於2 。GMD及GSD 會受到金屬蒸發及核凝速度、滯留時間等參數影響。GMD與GSD的計算方式如

其中di為粒徑區間i (size channel)中的中點直徑(midpoint diameter)，N為總濃度，

ΔN_i為粒徑區間i中的濃度，m為第一個微粒區間，N為最後一個微粒區間。

微粒純度及微粒表面純度為影響吸入毒性實驗的一項重要因子，如微粒純 度過低(即含有雜質)，則產生出來的微粒則會包含其它非指標物質進而影響毒性 劑量，微粒表面純度亦相同，因此必須使用高純度的粉末作為微粒來源。此外 應避免在產生微粒時使微粒表面受到汙染，攜帶氣體中不能含有揮發性物質。

除了上述特性，ISO 10801規範產生的微粒的初始微粒(primary nanoparticles)的 形貌必須接近圓形，然而根據個別的研究目的，可以使用不同形狀的初始微粒。

可能的話可使用可行的方法確認微粒團聚、聚集或分散的程度。微粒的形貌可 使用穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM)或掃描式電子顯 微鏡( Scanning Electron Microscope, SEM)等方法來測定。另外在做TEM分析時 可使用X射線能量分散分析儀(EDXA, Energy Dispersive X-ray Analyzer)定性量 測微粒的化學組成。

體中的氧氣含量不得低於19%，確保在實驗中動物不會因氧氣含量過低無法呼 吸而死亡，此外將奈米微粒帶入腔體內的氣體溫度不能高到使腔體內的動物受 到傷害。系統操作安全守則為確保實驗人員在進行實驗時不會吸入奈米微粒等 因素受到傷害，例如在卸除腔內多餘氣體時必須經過高效率空氣過濾器(HEPA, high-efficiency particulate air)將產生的奈米微粒過濾，防止微粒進入環境中。

ISO 10808吸入毒性試驗用的暴露腔中奈米微粒的特吸入毒性試驗用的暴露腔中奈米微粒的特吸入毒性試驗用的暴露腔中奈米微粒的特性吸入毒性試驗用的暴露腔中奈米微粒的特性性性分析分析分析分析

ISO 10801是金屬奈米微粒利用蒸發/核凝法產生的方法標準，為了能夠將產 生微粒的特性和吸入毒性的分析結果作相互關聯，ISO/TC229提出另一個研究計 畫 - 「 ISO/FDIS 10808- 吸 入 毒 性 試 驗 用 的 暴 露 腔 中 奈 米 微 粒 的 特 性 分 析 (Characterization of nanoparticles in inhalation exposure chambers for inhalation toxicity testing)」來規範暴露腔中奈米微粒的特性監測方法。監測系統必須要能 監測暴露腔內的微粒粒徑分佈、微粒表面積濃度及估算動物暴露的微粒質量劑 量等，這些數據可作為吸入毒性試驗分析的參數。微粒粒徑分佈及表面積濃度 是使用微分電移動度分析系統(Differential Mobility Analyzing System, DMAS)測 定，TEM及EDXA用來觀察微粒形貌以及化學組成。若吸入毒性測試還需要其 它額外的參數，該標準也同意另使用其它方法測定微粒質量劑量(秤重)及其它物 化特性(其它化學分析法)。

Ji et al. (2007) 進行了和 ISO 10808 相關之實驗，該研究群同時以銀奈米微 粒進行生物吸入毒性試驗及微粒特性分析，圖 1.1 為其實驗系統圖。實驗方法為 將四組大鼠(sprague-dawley rats)分別放入四個呼吸性腔體中，並分別通入乾淨空 氣(控制對照組)、低、中及高濃度的銀奈米微粒進行 28 天的生物吸入毒性試驗，

其中三個通有銀奈米微粒的暴露腔體在試驗其間均會導出部分微粒樣本以 DMAS 進行特性分析，結果如表 1.2 所示，該研究群即利用此微粒特性分析結 果和生物毒性試驗結果作相互驗證。

圖 1.1 生物吸入毒性試驗及微粒特性分析試驗之實驗系統圖(Ji et al., 2007)。

表 1.2 28 天的生物吸入毒性試驗中，腔體內銀奈米微粒的各項量測濃度(Ji et al., 2007)。

核核

核核凝微粒計數器之校正凝微粒計數器之校正凝微粒計數器之校正凝微粒計數器之校正

上 節 中 提 及 微 粒 粒 徑 分 佈 為 一 個 重 要 參 數 ， 而 核 凝 微 粒 計 數 器 (Condensation Particle Counter, CPC)為量測奈米微粒數目濃度最常用之儀器，因 此其量測的正確性很重要，ISO/CD 2789 目前也正在訂定核凝微粒計數器之校 正標準(現階段為草案)。

CPC 利用光散射技術偵測並計數已知體積流量內的微粒數目。此技術和光 學微粒計數器(Optical Particle Counter, OPC)類似，兩者的主要差異在於 CPC 多 了微粒核凝成長的機制，讓 CPC 可偵測到更小的微粒。原理為讓微粒在通過偵

素，均會造成量測上的誤差。因此 CPC 需定期進行校正，才能確保量測結果的 準確性。

CPC 通常以法拉第杯氣膠靜電計(Faraday-cup aerosol Electrometer, FCAE)作 為其校正之參考標準。在許多情況下，校正的主要目的是為了確認 CPC 對極小 微粒的偵測極限，而會選擇 FCAE 的原因是因為它對於任何粒徑微粒的偵測效 率皆一致。所謂的 CPC 的偵測效率為偵測同一數目的單電荷單徑微粒時， CPC 測出的濃度與參考 FCAE 所偵測出的濃度比值。

ISO/CD 27891 提供了兩種 CPC 的標準校正方法：參考 FCAE (reference FCAE)及參考 CPC (reference CPC)的比對，圖 1.2 及圖 1.3 分別為兩種方法的實 驗設置圖(圖中以灰色字體的設備建議裝設在系統中，但可因實驗目的等需求更 改)。若採用前者的比對方法，則還須對作為參考用的 FCAE 進行驗證。上述兩 種作為參考驗證用的儀器對於偵測微粒數目濃度、粒徑大小以及微粒組成皆須 要有標準的校正認證書，該證書必須出自於以下兩個單位其中之一:

ISO/CD 27891 提供了兩種 CPC 的標準校正方法：參考 FCAE (reference FCAE)及參考 CPC (reference CPC)的比對，圖 1.2 及圖 1.3 分別為兩種方法的實 驗設置圖(圖中以灰色字體的設備建議裝設在系統中，但可因實驗目的等需求更 改)。若採用前者的比對方法，則還須對作為參考用的 FCAE 進行驗證。上述兩 種作為參考驗證用的儀器對於偵測微粒數目濃度、粒徑大小以及微粒組成皆須 要有標準的校正認證書，該證書必須出自於以下兩個單位其中之一: