מערכת ליצור אירוסולים Nanoparticle יציבים מן ננו אבקות
Summary
We designed and developed an effective nanopowder aerosolization setup and operating protocol. The system generated nanoparticle aerosols with stable number concentrations and size distributions for long durations, requiring only small quantities of test material (min. 200 mg).
Abstract
Nanoparticle aerosols released from nanopowders in workplaces are associated with human exposure and health risks. We developed a novel system, requiring minimal amounts of test materials (min. 200 mg), for studying powder aerosolization behavior and aerosol properties. The aerosolization procedure follows the concept of the fluidized-bed process, but occurs in the modified volume of a V-shaped aerosol generator. The airborne particle number concentration is adjustable by controlling the air flow rate. The system supplied stable aerosol generation rates and particle size distributions over long periods (0.5-2 hr and possibly longer), which are important, for example, to study aerosol behavior, but also for toxicological studies. Strict adherence to the operating procedures during the aerosolization experiments ensures the generation of reproducible test results. The critical steps in the standard protocol are the preparation of the material and setup, and the aerosolization operations themselves. The system can be used for experiments requiring stable aerosol concentrations and may also be an alternative method for testing dustiness. The controlled aerosolization made possible with this setup occurs using energy inputs (may be characterized by aerosolization air velocity) that are within the ranges commonly found in occupational environments where nanomaterial powders are handled. This setup and its operating protocol are thus helpful for human exposure and risk assessment.
Introduction
אבקות nanomaterial נמצאות בשימוש נרחב בתחומים תעשייתיים שונים, כמו חומרי גלם לייצור מוצרים חדשים או תוספים עבור היישומים הפונקציונליים שלהם 1-4. עם זאת, את פוטנציאל החשיפה של העובדים אירוסולים nanopowder כבר ציין במהלך פעילויות טיפול בעיסוק שונים 5-8, ואת הסיכונים הבריאותיים הקשורים נחקרו ב-vivo ו-גופית מחקרים טוקסיקולוגית 9-12. כדי להקל על הפיתוח של אסטרטגיות אפקטיביות כדי להגן על עובדים העוסקים ננו, אנשי מקצוע בתחום בריאות תעסוקתיים דורשים הבנה טובה יותר של איך אירוסולים nanoparticle נוצרים מחומרי אבקת נתון תשומות אנרגיה חיצוניות.
מערכות מעבדה שונות פותחו כדי לדמות התנהגות aerosolization אבקה בתנאים מציאותיים. ביניהם, שני נהלים קבועים הן השיטות הנקבעות <sup> 13 עבור אבק אבקת בדיקות, אשר מוגדר כנטייה של אבקה, נתון השקעת אנרגיה נתונה, כדי לשחרר חלקיקים הנישאים באוויר. השיטה הראשונה משתמשת בתוף מסתובב כמדיה השקעת אנרגיה ואת aerosolization של חלקיקי אבקה 14,15. השיטה השנייה טיפות אבקה בקצב קבוע דרך גליל אנכי aerosolizes חלקיקי האבקה באמצעות זרימת אוויר עולה 16. עם זאת, שיטות אלו דורשים כמויות גדולות יחסית של חומרי הבדיקה (35 ס"מ 3 או 500 גרם), וזה יכול להיות בעיה עם אבקות nanomaterial בשל עלותם הגבוהה ואת הסיכונים החשיפה הפוטנציאלית. מערכת הבדיקה מוקטנת שילוב תהליכים תוף בודד ושחרר וסיבוב פותחה, המאפשר שימוש של כמויות קטנות יותר של אבקות מבחן (6 דגימות גרם) 17. מערכת aerosolization שפותחה לאחרונה מבוססת על שייקר מערבולת גם שמשה במשך nanopowders, בדיקות המאפשרות עד 1 סנטימטר 3 של חומרי גלם <sup> 18.
כאן, אנו מציגים aerosolization רומן ומערכת deagglomeration לבדיקת nanopowder מבוססת על משפכי מעבדה. הוא מספק תהליך יצירת תרסיס יציב צורך פחות מ 1 גרם של אבקת בדיקה. יכול להישמר aerosolization יציב עבור משכי זמן מספיק אפיונים אירוסול חזקים. ביצועי מערכת תוארה בפירוט בשני פרסומים קודמים 19,20.
התקנת המבחן מורכבת מחלקים מחוללים אירוסול, ערבוב ותאי מדידה, ומכשירי אפיון, כפי שמוצגת באיור 1. צינורות הובלת חלקיקים ומחברי לקשר הגורמים האלה. מקלט זרימה ושני מדי צריך לשלוט ולפקח על תנאי זרימת אוויר במערכת. מד לחץ וחיישן טמפרטורה ולחות לניטור הסביבה בתוך החדר המדיד. אוויר יבש דחוס מסונן באמצעות hyperfilter לפני שהוא נכנס למערכת.מוארך, בצורת V, מחולל אירוסול זכוכית משמש aerosolization אבקה. גיאומטריה זה מקלה על תהליך aerosolization חזק ותחבורת חלקיק חלקה לתוך התא הבא. משטר הזרימה בתחתית המשפך סוער בשל האינטראקציה עם חלקיקי האבקה, בעוד הוא למינרית בחלק העליון (Re-מספר <15). עובי קירות גנרטור תוכנן במיוחד כדי לעמוד בלחצים גבוהים (עד 400 kPa ΔP) זקוקים לבדיקת deagglomeration באמצעות נקבים קריטיים. מקלט זרימת דיוק גבוה שולט בקצב הזרימה בצעדים של 0.01 L / min. צינורות מוליך (קוטר חיצוני 6 מ"מ, 1 מ"מ עובי) משמש כדי למנוע הפסדים החלקיקים בשל בתצהיר אלקטרוסטטית במהלך ההובלה. אורך הצינור הוא כ -50 ס"מ בין גנרטור אירוסול לתא ערבוב, 20 ס"מ בין החדר ערבוב לתא המדידה, ו 100 ס"מ עבור צינורות הדגימה. בקבוק מתכת 1 L משמש צ'אם הערבובבער ותוף מתכתי 12 L משמש לתא המדידה. דגימות חלקיקים נמשכות מהחלק העליון של תא המדידה. יציאת יציאה מכוונת את הזרימה הנוספת לתוך מערכת סינון. תאי הערבוב ומדידת מעוגנים חשמליים כדי למנוע הפסדים אלקטרוסטטי של חלקיקים. המכשירים למדידה כוללים סייזר חלקיקים ניידי סריקה (SMPS) וכן מונה חלקיקים אופטיים (OPC) עבור ריכוז מספר חלקיקים והפצת גודל, וכן במיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים (TEM) סמפלר (MPS) לניתוח מורפולוגיה חלקיקים.
הליך aerosolization של ההתקנה דומה תהליך המיטה-מרחף. זרם האוויר נכנס מהפתח התחתון לתוך משפך (בקוטר 2 מ"מ) ו aerosolizes האבקה. החלקיקים אבקת לנוע באופן דומה למים במזרקה. אירוסול שנוצר פוגש זרימת דילול בתא ערבוב. זרם אוויר הדילול ניתן להתנות על רמות שונות של לחות אם ההשפעהשל פרמטר זה דורש ניתוח. האוויר של החדר משמש גם נפח מאגר חלק לערבב אירוסול עם אוויר דילול יבש בהתאם לצרכי הדגימה. התזרים אירוסול מכן מוחדר לתא המדידה באמצעות לשקע צינור רגיל (לבדיקת aerosolization) או פתח קריטי (לבדיקת deagglomeration). הפתח יכול לספק תנאי לחץ ושחרר שונים, החלת כוחות גזירה על החלקיקים העוברים דרכו. מנגנון זה מאפשר לימוד של פוטנציאל deagglomeration שלהם (יציבות מכנית).
איור 1. תרשים של מערכת aerosolization ו deagglomeration. כברירת מחדל, צינור המחבר את קאמרית ערבוב עם תא המדידה. הפתח המוצג הנו הרחבה אופציונלית (לא תאר בפרוטוקול זה). אנא לחץ כאן to לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Protocol
Representative Results
Discussion
התקנת aerosolization מבוססת המשפך יכולה להפעיל חלקיקי אבקה ביעילות ברמת השקעת אנרגיה שנבחרה (ניתן לכמת ידי מהירות זרימת אוויר במשך aerosolization). תנועות חלקיקים והתנגשויות באתר ההדור להגיע למצב של שיווי משקל, פירוק agglomerates אבקת פולטת חלקיקים הנישאים באוויר של אותה התפלגות הגודל בקצב קבוע. Aerosolization יציב יכול להימשך בין 30 דקות עד 2 שעות, וזה מספיק זמן עבור מכשירי מדידה איטיים אפילו עם רזולוציות גודל גבוהות, כגון SMPS, כדי להניב תוצאות משמעותיות מבחינה סטטיסטית. ההתקנה דורשת רק כמויות קטנות של חומרי בדיקה, אשר יכול להיות יתרון לבדיקת חומרים יקרים כגון אבקות ננו-חלקיקים.
עם זאת, הפרמטרים הסביבה בתהליך של המערכת יכול להשפיע על תוצאות הבדיקה באופן משמעותי. כדי לייצר נתונים הדיר, נהלי עבודה סטנדרטיים חייבים להיות מלווה בהקפדה בכל רחבי ההתנסותמפעלים. כאשר עורכים בדיקות aerosolization באמצעות מערכת זו, את ההיבטים הבאים יש לשקול בזהירות.
ראשית, כדי להשיג תוצאות משמעותיות, זה קריטי, כי את החלקים הפנימיים של ההתקנה לספק סביבה נקיה עבור הבדיקות. מקורות פוטנציאליים של מזהמים הם חלקיקי סביבה וחומרי מבחן מניסויים קודמים. השפעת חלקיקי הסביבה בדרך כלל נעלם במהירות יחסית, ברגע תזרימי aerosolization ודילול הוכנסו. עם זאת, התערבות מחומרים שיורית יכולה להתמיד לאורך הניסוי. כמו חלקיקי אירוסול שנוצרו לזרום דרך המערכת, הם יכולים להפקיד על הקירות הפנימיים של צינורות ההובלה, נקודות כיפוף התעלה הצרה של המחברים, ואת המשטחים הפנימיים של ערבוב לתא המדידה. אם חלקים אלה לא מנקים כמו שצריך לפני ניסויים חדשים, חומרים שהופקדו בעבר ניתן מחדש תלויה כל הזמן אל תוך הזרם המרכזישל זרימת אירוסול, ובכך להפריע את תוצאות הבדיקה.
שנית, תהליך מילוי האבקה צריך להתנהל בזהירות רבה. הנושא המשמעותי ביותר כאן הוא כמות האבקה מוזנת לתוך ההתקנה, במיוחד כאשר כמויות קטנות מאוד של חומרים המשמשות. בקצב זרימת aerosolization נתון, כמויות קטנות יותר של אבקה ליצור ריכוזי תרסיס נמוכים, ואולי חלקיקים בגדלים קטנים יותר, בשל השקעת האנרגיה הגבוהה ליחידת משקל של אבקה. יתר על כן, תנאי האחסון לחומרי בדיקה (למשל, לחות וטמפרטורה יחסית) הוכחו להשפיע על התנהגות aerosolization אבקה ורמות של אבק 22. לכן, אבקות גלם תמיד צריך להישמר באותם תנאים אטמוספריים, במידת האפשר.
שלישית, התאמות תזרים aerosolization בתחילת הניסוי מאוד להשפיע על תוצאות הבדיקה. עליות חדות בזרימה לפוצץ חלקיקי אבקה גדולים up לאוויר ולהפיץ אותם בכל רחבי שטח המשפך, הפחתת הכמות דרמטית של חומר זמינה למשך שארית הניסוי. התוצאות עלולות להיות מבחן נכשל עקב אבקה מספיק.
מכיוון ההתקנה המתוארת כאן היא לא נבנתה באמצעות ציוד מעבדה סטנדרטי, כאשר מנסה לשכפל את חלקי הליבה של מערכת זו, בהיבטים הבאים צריכים להיחשב. משפכים separatory מעבדה רגיל יכול לשמש מחולל אירוסול (לציין כי הם לא צריכים להשתמש בה בתנאי דחוס). משפכים separatory של גאומטריות שונות נבדקו בניסויים, והם סיפקו פונקציונליות דומה המשפך מחויטת. זינוק גומי איטום עם צינור הובלה מוטבע יכול לשמש את מכסת המשפך.
ערבוב ותאי מדידת גיאומטריות שונות אך בהיקפים דומים ניתן להשתמש. שימו לב תאים כי הם גדולים מדי יעכבו את ne הזמן משמעותיeded להגיע תנאי אירוסול יציבים (ריכוז). הזמן הדרוש יכול להיות מוערך על ידי לקיחה בחשבון את קצב זרימת אוויר סך ההיקף בתא. למרות התהליך יכול להיות מואץ באמצעות זרימת דילול גדולה, יש לזכור כי ריכוז מספר חלקיקים הסופי יכול להיות ירידה דרמטית עקב דילול, והדבר עלול להשפיע על התפלגות גודל אירוסול וכן את הביצועים של מכשירי המדידה (בהתאם על מגבלות זיהוי שלהם). בונד למוצרי מוליכי חשמל חומרים מומלצים.
אורכו של צינור התחבורה עשוי להשתנות, בהתאם להגדרות מעבדה הכלליות. עם זאת, האורך צריך להישמר קצר ככל האפשר על מנת למנוע פסדי חלקיקים משמעותיים במהלך ההובלה שלהם. היעילות החדירה חלקיקים יכולה להיות מחושבת על ידי לקיחה בחשבון קוטר חלקיקים, קצב זרימת אוויר, בקוטר צינור אורך, בשים או שמוח בתצהיר הכביד אואובדן דיפוזיה, או שניהם.
יכולות להיות מועסקות שיטות אפיון שונות. עם זאת, את אספקת האוויר (זרימת דילול) צריכה להיות מותאמת כדי להתאים את קצב זרימת דגימה הכולל. אספקת אוויר מספקת תגרום ללחץ שלילי בתא המדידה, ציור בחלקיקי הסביבה ובכך להוביל לטעויות במסקנות. מקורות אספקת האוויר שונים יכולים לשמש, אבל לוודא שהן ללא חלקיק או טרום לטפל באוויר עם מסנן-יעילות גבוהה.
מגבלה עיקרית אחת של שיטת aerosolization זו היא שהיא דורשת flowability טוב של אבקות מבחן על מנת לשמור על דור חלקיק יציב לאורך תקופה ארוכה יחסית. חומרים דביקים, כגון אבקות הידרופילי עם תכולת לחות גבוהה, לעתים קרובות יפסיקו לזרום בשלב מוקדם של תהליך aerosolization ולייצר ריכוזי חלקיקים נמוכים מאוד. דרכים אפשריות לפתרון בעיה זו יכולה לכלול טיפול מקדים של אבקה-כגון הגלם כמו-ים הייבושo במטרה לשפר flowability שלה. תנאי האחסון של חומרי הגלם לאחר שימושים צריך מטופח, למשל, כל זמן בסביבה יבשה ותחת הטמפרטורה מתאימה. במהלך הניסויים, קצב זרימת aerosolization גבוה (0.5-1 ליטר / דקה) ואת כמויות גדולות יותר של חומר גלם (למשל, 500 מ"ג) יכולים לשמש. בנוסף, הוריד קצב זרימת הדילול יכול להגדיל ריכוז חלקיקים בתא המדידה.
מגבלה נוספת של שיטה זו היא השחזור של תעריף ייצור חלקיקים הנישאים באוויר (ובכך ריכוז מספר חלקיקים בתא המדידה). רמה מסוימת של וריאציה עדיין קיימת. דרכים אפשריות של שיפור הן תהליך האכלה מוגדר עדיף להפחית הפסדים מהותיים, ואת קצב זרימת aerosolization מבוקר היטב.
המערכת והפרוטוקולים המתואר כאן יכולים לשמש ליישומים שונים. שימוש כמויות קטנות יחסית של חומרי בדיקה עושה את השיטה באופן פוטנציאלי נaluable ככלי חלופי אבק אבקת בדיקות. הדירוג של רמות החלקיקים הנישאים באוויר נוצרים על ידי המערכת שלנו עבור כמה חומרים נפוצים היה דומה לאלו שנצפו מערכות aerosolization קיימים 19, כמו בתוף מסתובב 15,17, ירידה רציפה 23, ושיטות שייקר מערבולת 24. יתר על כן, השקעת האנרגיה מתכווננת (שיעור זרימת אוויר) יכולה לשמש גם ללימוד יציבות agglomerates אבקת ננו-חלקיקים. לבסוף, דור אירוסול יציב יכול לשמש מקור אמין של חלקיקים מהונדסים באוויר במשך in vivo או במחקרים טוקסיקולוגית במבחנה. ריכוז החלקיקים לשליטה יאפשר ניתוח תגובות ביולוגיות-תלוי-מינון. בהשוואה לשיטות aerosolization אחרות באמצעות השעיות נוזליות, השיטה המוצגת תמנע בעיות פוטנציאליות כגון suspendability ושינוי המהותיים של תכונות פיסיקליות-כימיות של חלקיקים בתרחיף (למשל,gglomeration, מאפייני השטח).
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful for the financial support given to this study by EU FP7 project “Managing Risks of Nanomaterials“ (MARINA) (grant agreement no: 263215).
Materials
| titanium dioxide nanopowder | JRC | NM-103/104 | Reference materials provided within EU FP7 MARINA project |
| silicon dioxide nanopowder | AEROSIL | R974 | |
| silicon dioxide nanopowder | JRC | NM-200 | Reference materials provided within EU FP7 MARINA project |
| zinc oxide nanopowder | JRC | NM-110/111 | Reference materials provided within EU FP7 MARINA project |
| cerium dioxide nanopowder | JRC | NM-211/212 | Reference materials provided within EU FP7 MARINA project |
| The V-shaped aerosol generator | Souffleur de verre S.A. | Specially made based on conditions required in the experiments (e.g., geometry, thickness) | |
| scanning mobility particler sizer (SMPS) | GRIMM | Model N° 5.403 | Size range: 11.1–1083.3 nm (impactor: d50=1082 nm); composed of a condensation particle counter (CPC) and a dynamic mobility analyzer (DMA); sampling flow ate: 0.3 L/min; sheath flow rate: 3.0 L/min; with standard multiple charge correction and diffusion loss correction; |
| optical particle counter (OPC) | GRIMM | Model N° 5.403 | Size range: 0.25-32 µm |
| mini-particle sampler (MPS) | ECOMESURE | ||
| transport tubes | Milian S.A. | 8 mm-conductive | 6 mm inner diameter |
References
- Devaprakasam, D., Hatton, P. V., Möbus, G., Inkson, B. J. Effect of microstructure of nano- and micro-particle filled polymer composites on their tribo-mechanical performance. J. Phys. Conf. Ser. 126, 012057 (2008).
- Mukhopadhyay, A., Basu, B. Consolidation-microstructure-property relationships in bulk nanoceramics and ceramic nanocomposites: a review. Int. Mat. Rev. 52, 257-288 (2007).
- Svintsitskiy, D. A., et al. Study of cupric oxide nanopowders as efficient catalysts for low-temperature CO oxidation. J. Mol. Catal. A: Chemical. 368-369, 95-106 (2013).
- Schmid, K., Riediker, M. Use of nanoparticles in Swiss Industry: a targeted survey. Environ. Sci. Technol. 42, 2253-2260 (2008).
- Bello, D., et al. Particle exposure levels during CVD growth and subsequent handling of vertically-aligned carbon nanotube films. Carbon. 46, 974-977 (2008).
- Brouwer, D. Exposure to manufactured nanoparticles in different workplaces. Toxicol. 269, 120-127 (2010).
- Demou, E., Peter, P., Hellweg, S. Exposure to Manufactured Nanostructured Particles in an Industrial Pilot. Ann. Occup. Hyg. 52, 695-706 (2008).
- Kuhlbusch, T., Asbach, C., Fissan, H., Gohler, D., Stintz, M. Nanoparticle exposure at nanotechnology workplaces: A review. Part. Fib. Toxicol. 8, 22 (2011).
- Castranova, V. Overview of current toxicological knowledge of engineered nanoparticles. J. Occup. Environ. Med. / American College of Occupational and Environmental Medicine. 53, 14-17 (2011).
- Fukui, H., et al. Association of zinc ion release and oxidative stress induced by intratracheal instillation of ZnO nanoparticles to rat lung. Chem.-Biol. Interact. 198, 29-37 (2012).
- Lewinski, N., Colvin, V., Drezek, R. Cytotoxicity of Nanoparticles. Small. 4, 26-49 (2008).
- Kreyling, W., et al. Translocation of ultrafine insoluble iridium particles from lung epithelium to extrapulmonary organs is size dependent but very low. J. Toxicol. Environ. Health. 65, 1513-1530 (2002).
- Verlag, B. . European Norm 15051, Workplace exposure-measurement of the dustiness of bulk materials. , (2014).
- Breum, N. O. The rotating drum dustiness tester: Variability in dustiness in relation to sample mass, testing time, and surface. Ann. Occup. Hyg. 43, 557-566 (1999).
- Tsai, C., et al. Dustiness test of nanopowders using a standard rotating drum with a modified sampling train. J Nanopart Res. 11, 121-131 (2009).
- Bach, S., Schmidt, E. Determining the Dustiness of Powders-A Comparison of three Measuring Devices. Ann. Occup. Hyg. 52, 717-725 (2008).
- Schneider, T., Jensen, K. Combined Single-Drop and Rotating Drum Dustiness Test of Fine to Nanosize Powders Using a Small Drum. Ann. Occup. Hyg. 52, 23-34 (2008).
- Morgeneyer, M., Le Bihan, O., Ustache, A., Aguerre-Chariol, O. Experimental study of the aerosolization of fine alumina particles from bulk by a vortex shaker. Powd. Technol. 246, 583-589 (2013).
- Ding, Y., Riediker, M. A system to assess the stability of airborne nanoparticle agglomerates under aerodynamic shear. J. Aerosol Sci. 88, 98-108 (2015).
- Ding, Y., et al. Dustiness and Deagglomeration Testing: Interlaboratory Comparison of Systems for Nanoparticle Powders. Aerosol Sci. Technol. 49, 1222-1231 (2015).
- R’milli, B., Le Bihan, O. L. C., Dutouquet, C., Aguerre-Charriol, O., Frejafon, E. Particle Sampling by TEM Grid Filtration. Aerosol Sci. Technol. 47, 767-775 (2013).
- Levin, M., et al. Influence of relative humidity and physical load during storage on dustiness of inorganic nanomaterials: implications for testing and risk assessment. J. Nanopart. Res. 17, 1-13 (2015).
- Dahmann, D., Monz, C. Determination of dustiness of nanostructured materials. Gefahrst. – Reinhalt. L. 71, 481-487 (2011).
- Ogura, I., et al. Dustiness testing of engineered nanomaterials. J. Phy. Conf. Ser. 170, 012003 (2009).
