一种从纳米粉末产生稳定纳米颗粒气溶胶的系统

摘要

我们设计并开发了一种高效的纳米粉末气溶胶化装置及操作方案。该系统能够长时间生成具有稳定粒子数量浓度和粒径分布的纳米颗粒气溶胶，且仅需少量测试材料（最少200 mg）。

摘要

工作场所中由纳米粉末释放出的纳米颗粒气溶胶与人类暴露及健康风险相关。我们开发了一种新型系统，仅需少量测试材料（最少200 mg），可用于研究粉末气溶胶化行为及气溶胶特性。该气溶胶化过程遵循流化床工艺的概念，但在V型气溶胶发生器的改进腔室内进行。通过调节气流速率，可控制空气中颗粒物的数量浓度。该系统在较长时间内（0.5–2小时甚至更长）可提供稳定的气溶胶生成速率和颗粒粒径分布，这对于研究气溶胶行为以及开展毒理学研究均具有重要意义。在气溶胶化实验过程中严格遵守操作规程，可确保获得可重复的测试结果。标准操作流程中的关键步骤包括材料准备与系统组装，以及气溶胶化操作本身。该系统适用于需要稳定气溶胶浓度的实验，也可作为粉尘性测试的一种替代方法。该装置所实现的受控气溶胶化过程所采用的能量输入（可通过气溶胶化气流速度表征）处于职业环境中处理纳米材料粉末时常见的能量范围之内。因此，该装置及其操作规程对于人类暴露评估和风险评估具有重要帮助。

引言

纳米材料粉末被广泛应用于不同的工业领域，既可作为制造新产品所需的原材料，也可作为功能性添加剂^1-4。然而，在多种职业操作过程中，已发现工作人员可能暴露于纳米粉末气溶胶的风险^5-8，相关健康风险也已在体内（in-vivo）和体外（in-vitro）毒理学研究中得到探讨^9-12。为了推动制定有效策略以保护接触纳米材料的工作人员，职业健康专业人员亟需深入了解当粉体材料受到外部能量输入时，纳米颗粒气溶胶的生成机制。

已开发出多种实验室系统，用于在真实条件下模拟粉末气溶胶化行为。其中，两种标准方法被确立为测试粉末扬尘性（即粉末在特定能量输入下释放悬浮颗粒倾向）的参考方法¹³。第一种方法采用旋转鼓作为能量输入手段，使粉末颗粒发生气溶胶化^14,15。第二种方法以恒定速率将粉末通过垂直圆筒下落，并利用上升气流使粉末颗粒气溶胶化¹⁶。然而，这些方法需要相对大量的测试材料（35 cm³ 或 500 g），对于因成本高昂及潜在暴露风险而难以获取大量样品的纳米材料粉末而言，这可能构成问题。为此，已开发出一种结合单次下落与旋转鼓过程的缩小版测试系统，可使用更少量的测试粉末（6 g 样品）¹⁷。此外，一种基于涡旋振荡器的新型气溶胶化系统也已被用于纳米粉末，可将测试所需原材料减少至 1 cm³¹⁸。

本文介绍了一种基于实验室漏斗的新型纳米粉末气溶胶化与去团聚系统，用于纳米粉末的测试。该系统利用少于1 g的测试粉末即可实现稳定的气溶胶生成过程，并可在足够长的时间内维持稳定的气溶胶输出，从而满足对气溶胶进行可靠表征的需求。该系统的性能已在先前发表的两篇文献中进行了详细描述^19,20。

测试装置由气溶胶发生器、混合室和测量室以及表征仪器组成，如图1所示。颗粒物传输管路和连接件将这些不同部件连接在一起。一个流量调节器和两个流量计用于控制和监测系统内的气流条件。一个压力计以及温湿度传感器用于监测测量室内的环境条件。干燥的压缩空气在进入系统前需通过一个超滤器进行过滤。采用一种细长V形玻璃气溶胶发生器用于粉末的气溶胶化。该几何结构有助于实现稳定的气溶胶化过程，并使颗粒物平稳地传输至后续腔室。漏斗底部由于与粉末颗粒相互作用，流态为湍流，而上部区域则为层流（雷诺数 < 15）。发生器壁厚经过专门设计，以承受使用临界孔径进行去团聚测试时所需的大压力（最高可达400 kPa ΔP）。高精度流量调节器可实现以0.01 L/min为增量的流量控制。采用导电管路（外径6 mm，壁厚1 mm）以避免颗粒在传输过程中因静电沉积而损失。气溶胶发生器与混合室之间的管路长度约为50 cm，混合室与测量室之间为20 cm，采样管长度为100 cm。使用一个1 L的金属瓶作为混合室，一个12 L的金属桶作为测量室。颗粒样品从测量室顶部抽取。出口端口将多余的气流导向过滤系统。混合室和测量室均进行电气接地，以防止颗粒发生静电损失。测量仪器包括扫描迁移率粒径谱仪（SMPS）和光学粒子计数器（OPC），用于测量颗粒数浓度和粒径分布，以及透射电子显微镜（TEM）采样器（MPS），用于颗粒形貌分析。

该装置的气溶胶化过程类似于流化床工艺。气流从底部开口进入漏斗（直径2 mm），使粉末气溶胶化。粉末颗粒的运动方式类似于喷泉中的水。生成的气溶胶在混合室中与稀释气流相遇。若需分析湿度参数的影响，稀释气流可调节至不同的湿度水平。腔室内的空气还起到缓冲体积的作用，根据采样需求，使气溶胶与干燥的稀释空气平稳混合。随后，气溶胶流通过普通管路出口（用于气溶胶化测试）或临界孔径（用于去团聚测试）进入测量室。该孔径可提供不同的压降条件，对通过的颗粒施加剪切力。此机制可用于研究颗粒的去团聚潜力（机械稳定性）。

图 1. 气溶胶化与去团聚系统的示意图。 默认情况下，混合室与测量室之间通过一根管子连接。图中所示的孔口为可选附加组件（本方案中未作描述）。请点击此处查看此图的放大版本。

方案

1. 系统准备

1. 组装系统时，请使用全新或经过充分清洁的颗粒物传输管路和连接件。确保腔室壁清洁且无颗粒物（参见本方案末尾的清洁方法）。
2. 为去除可能存在的本底颗粒物，将经过滤的干燥空气气流（5–10 L/min）直接接入混合腔室（在 图1 中位置 a 和 b 之间不安装漏斗），持续至少 30 分钟。
3. 根据仪器制造商的操作说明，使用 SMPS 测量测量腔室中的颗粒物数量浓度。若连续三次扫描后浓度低于 10 #/cm³，则可认为环境已达到洁净状态。注意：使用 SMPS 测量时，气流流速可能会减慢。
4. 停止气流，并用塑料或橡胶塞子封闭采样管出口和排气管出口（图1 中位置 c），以防止环境颗粒物进入系统。
5. 准备并预热用于测量的仪器（SMPS 和 OPC）以及用于显微分析的颗粒物采样器。

2. 材料准备 

1. 将待测材料储存在温湿度严格控制的环境中。这对于确保后续实验结果的可重复性至关重要。
2. 在通风良好的环境中，使用分析天平或高精度天平仔细称量粉末例如，实验室通风橱）。
   注意：250-500 mg TiO的重量_2, SiO₂，ZnO 和 CeO₂ 纳米颗粒粉末经过测试，通常证明至少可实现30分钟的稳定气溶胶化。然而，所需合适用量在很大程度上取决于粉末类型，对于块体材料、水泥或有机粉末，其用量可能存在显著差异。
3. 将气溶胶发生器垂直固定，使用已适当清洁的实验室漏斗从气溶胶发生器顶部开口加入粉末。实验前，先用清水冲洗漏斗，并用过滤空气吹干，以去除内壁上的任何灰尘沉积。轻轻敲击漏斗，确保所有粉末颗粒均进入装置。切勿剧烈摇晃漏斗，以免材料过早气溶胶化而造成显著损失。
   1. 确保大部分粉末颗粒到达发生器底部，而非落在周围的斜面上。轻轻敲击发生器的侧壁，使附着的粉末颗粒滑落至底部。
   2. 或者，使用长漏斗将粉末颗粒直接送入发生器底部。出于安全考虑，应在通风橱内或负压环境中进行这些操作。
4. 由于不粘性材料可能会从发生器底部的开口滑出，因此在加入粉末前，先用直径为2 mm的针暂时堵住开口。
5. 移除漏斗，并关闭发生器的顶部和底部开口，以避免在转移过程中产生颗粒物排放。

3. 气溶胶化

1. 安装气溶胶发生器，移除漏斗进样和出样管路上的堵塞物，将其底部连接至过滤空气供应源，顶部出口连接至混合腔室（分别对应图1中的位置a和b），并使用金属支架垂直固定。
2. 移除装置出口处的堵塞物（对应图1中的位置c）。
3. 开启气溶胶化气流。通过流量调节器将流速从0缓慢增加至0.3–0.5 L/min。切勿过快升至高流速——目标是达到一个可维持至少30分钟稳定气溶胶生成的流速。
   1. 为实现稳定气溶胶输出，在此期间应尽量减少粉末的消耗量。根据经验法则，建议使用约1 cm的流化床高度（以图1中的H表示），以在相对较长时间内维持稳定浓度的同时产生稳定的气溶胶流。若输入气溶胶化过程的能量过强，则材料会迅速耗尽，导致实验后续阶段无法持续稳定地生成气溶胶。需注意，不同粉末所需的流速范围可能有所差异；上述数值适用于前述已测试的纳米粉末。
4. 开启稀释气流。将流速从0缓慢增加至2 L/min。所需总稀释流量取决于采样设备。本系统中使用的SMPS、OPC和微型采样器要求总流量为1.6–1.8 L/min。

4. 表征

1. 在气溶胶化和稀释气流开始后，立即同时启动在线测量仪器（此处为SMPS和OPC）。
   注意：若达到稳定的气溶胶化状态，气溶胶颗粒数浓度及粒径分布应在约30分钟后趋于稳定。应从该时间点开始采集测量数据，用于比较不同条件下气溶胶特性的差异。例如，湿度）并使用不同的粉末。分析连续10次SMPS扫描的结果，以计算平均浓度和粒径分布。
2. 气溶胶化状态稳定后，开启连接透射电子显微镜（TEM）采样器的泵，开始采集空气中的颗粒物。使用涂有孔状碳膜的TEM载网，流速控制在0.3 L/min。若流速过高，载网上的薄膜可能受损。有关采样器使用的详细信息可参见相关说明 ²¹通常，采样过程持续约3分钟。
   1. 根据不同的颗粒浓度调整采样时间，并通过考虑颗粒沉积在透射电镜载网上的表面覆盖度适中来进行估算（例如，50%）。较厚的沉积物可能由于原位团聚而改变颗粒形态。

5. 采样后操作与清理 

1. 完成测量后，先关闭稀释气流，再关闭气溶胶化气流。
2. 将气溶胶发生器从系统上拆下，封闭其顶部和底部开口，并转移至清洁区域。如果处理过有害物质，应在通风良好的清洁设施或密闭空间内进行清洁。
3. 根据颗粒表面的亲水性，使用水或有机溶剂分散粉末残留物。将溶液倒入化学废液容器中以便安全回收。长时间实验后，测试粉末往往牢固附着在玻璃壁上且不易溶解。若出现此情况，可使用酸或碱配合超声清洗器溶解粘附物质。
4. 为去除器壁上残留的水分并彻底干燥发生器内部，需通入干燥空气至少1小时。使用有机溶剂时，务必确保无明火或点火源，并保证空间通风良好。
5. 拆下颗粒传输管路和连接件，用水或溶剂冲洗。用湿润的纸巾或布擦拭混合室和测量室的内壁。在下次实验前，将其置于开放空间干燥至少一天，或用干燥气流吹扫1小时。
6. 定期清洁SMPS撞击器（如使用）。

结果

图2展示了使用上述方案在疏水性SiO₂气溶胶化实验中测得的总气溶胶粒子数浓度及粒径随时间变化的典型示例。一旦引入气溶胶化气流，粒子浓度即开始上升，粒子的几何平均粒径也逐渐增大。经过约10次SMPS扫描（每次扫描3.5分钟），气溶胶开始进入稳态，此时粒子浓度和平均直径不再发生显著变化。该稳态持续超过30分钟，足以完成十次3分钟的SMPS扫描。图3以单个粒径分布的形式展示了粒子浓度的变化（数据与图2相同）。峰值随时间缓慢上升，一旦气溶胶达到稳定状态，其粒径范围在整个后续测试过程中保持不变。

实验初期显示的极小平均直径并非由粉末气溶胶不稳定所致，而是因为在粉末填充过程结束后，漏斗内残留的环境空气所引起。这部分空气首先进入测量室，并在SMPS初始扫描期间被采样（图4）。如果科学研究问题有要求，可通过在洁净室中进行所有实验来避免此现象。事实上，首次扫描的粒径分布与环境空气的分布非常相似。随着粉末气溶胶颗粒持续流入，环境颗粒的干扰迅速减弱，并在数次SMPS扫描后几乎完全消失。

图 2. 气溶胶实验中总颗粒物数量浓度和平均直径的变化（241 mg 疏水性 SiO₂；气溶胶流速 0.3 L/min）。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 3. 气溶胶实验中粒径分布的变化。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 4. 气溶胶化测试开始时的气溶胶颗粒尺寸分布。 颗粒浓度以相对尺度表示（归一化至总颗粒数），以便将极低浓度下首次扫描的谱图与后续较高浓度扫描的谱图进行比较。 请点击此处查看该图的放大版本。

颗粒物浓度的变化并不总是遵循相同的模式。在气溶胶化测试中通常可以观察到四种可能的情况。在图5A中，浓度缓慢上升至一个“平台”区域，然后在实验的剩余时间内基本保持不变。在图5B中，浓度首先上升至最大值，随后逐渐下降至较低水平，并在此后保持稳定超过1.5小时。在图5C中，浓度持续下降至零。在图5D中，浓度上升至最高水平，维持一段时间后再次下降。

情况（a）通常出现在遵循标准操作程序时。气溶胶化气流被缓慢引入，并最终稳定在适当范围内。相对于气溶胶化水平，原料量充足，能够长时间维持恒定的气溶胶生成速率。情况（b）最可能的原因是在整个实验过程中气溶胶化气流过大，同时粉末量不足。粉末被迅速消耗，无法维持稳定的气溶胶生成。情况（c）与情况（b）类似，粒子数浓度均出现下降，但不同之处在于，经过短暂时间后，气流速率被重新调整至合适范围，并在后续测试过程中保持恒定，从而使粒子浓度逐渐恢复至稳定水平。情况（d）出现在使用原料量不足时。在实验的后期阶段，测试粉末已不足以像气溶胶化初期那样以恒定速率生成气溶胶粒子，因此系统中的粒子浓度逐渐降低。

图5. 气溶胶化实验中总颗粒物浓度变化的典型模式：（A）缓慢上升直至达到平台期；（B）逐渐下降至零；（C）迅速达到峰值后下降至稳定水平；（D）上升至稳态并维持一段时间后下降。请点击此处查看该图的放大版本。

为研究不同气溶胶化流速对气溶胶生成的影响，测试了多种气溶胶化流速。使用的流速范围为 0.3–1.1 L/min，所得颗粒粒径分布如图6所示。随着流速增加，谱图峰值上升。在最高流速（1.1 L/min）下，微米级的悬浮颗粒开始进入系统（出现次级峰）。在相同气溶胶化流速下，气溶胶颗粒的众数粒径保持相近；然而，当气流在 0.3–0.7 L/min 范围内逐渐增加时，众数粒径随之逐步减小（图7）。随着流速增加，颗粒生成速率上升，同时平均粒径减小，这表明更剧烈的气溶胶化过程（伴随显著的颗粒运动与碰撞）促进了粉末颗粒的去团聚，从而改变了所生成气溶胶颗粒的粒径分布。

图6. 随着空气流速增加（0.3–1.1 L/min），颗粒粒径分布的变化。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 7. 不同流速下粒径分布的比较。 谱图在相对尺度上被调整为相似高度（归一化至总粒子数），从而更清晰地显示了峰位的偏移。 请点击此处查看该图的放大版本。

在重复测试中产生的气溶胶的颗粒数量浓度可能相差数倍，但通常仍在一个数量级以内。而平均颗粒尺寸则具有高度可重复性。图8展示了使用相同材料进行四次重复测试时颗粒尺寸分布变化的一个示例。总颗粒浓度的标准偏差为39.7%，几何平均尺寸的标准偏差为6.6%。数量浓度的变异可能由以下几个原因造成：1）原料状态不同（例如，团聚程度）；2）粉末填充过程中的人为因素（影响沉积在漏斗底部的粉末量，从而影响可用于气溶胶化的粉末量）；或3）气溶胶化开始时的气流调节。

图8. 重复气溶胶化实验中疏水性SiO₂测试结果的变异₂. 误差棒表示各个粒径通道中颗粒物浓度的标准偏差。 请点击此处以查看此图的放大版本。

讨论

基于漏斗的气溶胶化装置可在选定的能量输入水平（可通过气溶胶化过程中的气流速度量化）下有效激活粉末颗粒。在发生位置，颗粒的运动和碰撞达到平衡状态，从而打破粉末团聚体，并以恒定速率释放出具有相同粒径分布的悬浮颗粒。稳定的气溶胶化过程可持续30分钟至长达2小时，足以使SMPS等具有高粒径分辨率但测量速度较慢的仪器获得具有统计学意义的结果。该装置仅需少量测试材料，这对于纳米颗粒粉末等珍贵材料的测试具有优势。

然而，系统的环境和工艺参数可能会显著影响测试结果。为了获得可重复的数据，必须在整个实验过程中严格遵守标准操作程序。使用该系统进行气溶胶化测试时，应仔细考虑以下方面。

首先，为了获得有意义的结果，确保实验装置内部组件为测试提供一个洁净的环境至关重要。潜在的污染源包括环境颗粒物以及先前实验残留的测试材料。环境颗粒物的影响通常在引入气溶胶化和稀释气流后相对较快地消失。然而，残留材料的干扰可能在整个实验过程中持续存在。当生成的气溶胶颗粒流经系统时，可能沉积在传输管的内壁、弯折处、连接器的狭窄通道，以及混合室和测量室的内表面。如果这些部件在新实验开始前未得到妥善清洁，先前沉积的物质可能会不断重新悬浮进入气溶胶主流中，从而干扰测试结果。

其次，粉末填充过程应非常谨慎地进行。此处最关键的問題是加入装置中的粉末量，尤其是在使用极少量材料时。在给定的气溶胶化气流速率下，由于单位质量粉末所受的能量输入更高，较小量的粉末会产生较低的气溶胶浓度，以及可能粒径更小的颗粒。此外，测试材料的储存条件（例如，相对湿度和温度）已被证明会影响粉末的气溶胶化行为及粉尘性水平²²。因此，原料粉末应尽可能始终保存在相同的环境条件下。

第三，实验开始时气溶胶化气流的调整会显著影响测试结果。气流急剧增加会将大量粉末颗粒吹入空中并散落在漏斗表面，从而大幅减少实验后续阶段可用的物料量。其后果可能是因粉末不足而导致测试失败。

由于此处描述的装置并非使用标准实验室设备构建，因此在尝试复制该系统的核心部件时，应考虑以下方面。标准实验室分液漏斗可用作气溶胶发生器（注意：不得在加压条件下使用）。实验中测试了不同几何形状的分液漏斗，其功能与定制漏斗相似。可使用带有嵌入式传输管的橡胶密封块作为漏斗盖。

可使用不同几何形状但体积相近的混合与测量腔室。需要注意的是，过大的腔室会显著延长达到稳定气溶胶条件（浓度）所需的时间。该时间可通过总气流速率和腔室体积进行估算。尽管使用较大的稀释气流可加快这一过程，但应注意到，由于稀释作用，最终的颗粒数浓度可能显著降低，这可能同时影响气溶胶的粒径分布以及测量仪器的性能（取决于其检测限）。建议使用导电材料。

传输管路的长度可根据实验室的一般设置而变化。但应尽可能缩短管路长度，以避免颗粒在传输过程中发生显著损失。可通过考虑颗粒直径、气流流速、管路直径和长度，并结合重力沉降或扩散损失（或两者同时考虑），计算颗粒的穿透效率。

可采用不同的表征方法。然而，气源（稀释气流）应调节至与总采样流速相匹配。气源不足会导致测量室中产生负压，从而吸入环境颗粒物，造成结论错误。可使用不同的气源，但需确保其为无颗粒状态，或通过高效过滤器对空气进行预处理。

该气溶胶化方法的一个主要局限性在于，需要测试粉末具有良好的流动性，以在相对较长的时间内维持稳定的颗粒生成。黏性较大的材料（例如含水量较高的亲水性粉末）通常在气溶胶化过程的早期阶段即停止流动，并产生极低的颗粒浓度。解决此问题的潜在方法包括对原始粉末进行预处理（例如干燥），以改善其流动性。使用后，原材料的储存条件应妥善维持，例如，保存在干燥环境并处于适宜温度下。在实验过程中，可采用较高的气溶胶化流速（0.5–1 L/min）以及较大用量的原始材料（例如，500 mg）。此外，降低稀释流速可提高测量室中的颗粒浓度。

该方法的另一个局限性在于气载颗粒物生成速率（即测量室内的颗粒物数量浓度）的可重复性，仍存在一定程度的变异。可能的改进方法包括优化进样过程以减少材料损失，以及精确控制气溶胶化气流速率。

此处描述的系统与方案可用于多种应用。由于所需测试材料相对较少，该方法有望作为测试粉末起尘性的替代工具。本系统产生的常见材料的空气中颗粒物水平排序，与现有气溶胶化系统中观察到的结果相似。 关键词：系统，方案，应用，测试材料，粉末起尘性，空气中颗粒物，气溶胶化系统 ¹⁹，例如旋转鼓 ^15,17，连续液滴 ²³和涡旋振荡器方法 ²⁴此外，可调节的能量输入（气流速率）也可用于研究纳米粒子粉末聚集体的稳定性。最后，稳定的气溶胶生成可作为空气中工程纳米粒子的可靠来源 体内 或 体外 毒理学研究。可控的颗粒浓度将有助于分析剂量依赖性的生物学反应。与使用液体悬浮液的其他气溶胶化方法相比，该方法避免了潜在的问题，例如材料在悬浮液中的分散性以及颗粒在悬浮状态下理化性质的改变（例如，团聚，表面性质）。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
二氧化钛纳米粉末	JRC	NM-103/104	欧盟FP7 MARINA项目提供的标准物质
二氧化硅纳米粉末	AEROSIL	R974
二氧化硅纳米粉末	JRC	NM-200	欧盟FP7 MARINA项目提供的标准物质
氧化锌纳米粉末	JRC	NM-110/111	欧盟FP7 MARINA项目提供的标准物质
二氧化铈纳米粉末	JRC	NM-211/212	欧盟FP7 MARINA项目提供的标准物质
V型气溶胶发生器	Souffleur de verre S.A.		根据实验所需条件（如几何形状、厚度等）特别定制
扫描迁移粒径谱仪（SMPS）	GRIMM	型号 N° 5.403	粒径范围：11.1–1083.3 nm（撞击器：d50=1,082 nm）；由凝结粒子计数器（CPC）和动态迁移率分析器（DMA）组成；采样流量：0.3 L/min；鞘气流量：3.0 L/min；具备标准的多重电荷校正和扩散损失校正功能。
光学粒子计数器（OPC）	GRIMM	型号 N° 5.403	粒径范围：0.25–32 µm
微型粒子采样器（MPS）	ECOMESURE
传输管	Milian S.A.	8 mm-导电型	内径6 mm