Introduction
纳米材料的粉末被广泛用于不同的工业部门，作为用于生产新产品，或作为添加剂用于他们的功能性应用1-4的原料。然而，对于工人暴露于纳米粉末气溶胶的潜力已在各种职业搬运活动5-8所指出的，并且在体内 和体外毒理学研究9-12相关联的健康风险已研究英寸为了方便有效的发展战略，以保护处理纳米材料的工人，职业卫生专业人员需要更好地了解纳米颗粒气溶胶如何从受到外部能源投入粉状物料产生的。
不同实验室系统已被开发，以模拟在实际条件粉末雾化行为。其中，两个标准程序建立的参考方法 在这里，我们提出了基于实验室纳米粉体漏斗测试一种新型的气雾化和去聚集系统。它提供了使用小于1g试验粉末的稳定气溶胶生成过程。稳定雾化可维持足够长的持续时间为强大的气溶胶特征。系统的性能进行了详细两个以前的出版物19,20进行了描述。 测试设置由气雾剂发生器，混合和计量室，和表征仪器， 如图1。粒子输送管道和连接器的连接这些不同的元件。的流调谐器和两个流量计控制和监视系统中的空气流的条件。压力计和一个温度和湿度的传感器监测测量室内部的环境。干燥的压缩空气是使用hyperfilter在进入系统之前过滤。一个细长的V形，玻璃气雾剂发生器用于粉末雾化。这种几何形状便于健壮雾化过程和光滑颗粒输送到随后的隔室。在漏斗的底部的流动状态是湍流由于与粉末颗粒的交互作用，而它是层中的上部（重新编号<15）。发电机壁的厚度是专门设计用来抵御需要使用临界孔解凝集试验的高压（高达400千帕△P）。一个高精度流量控制调谐器在0.01升/分钟为单位的流量。导电管（6外径，厚度为1毫米）被用来避免由于在运输过程中的静电沉积粒子的损失。管长是气溶胶发生器和混合室，20厘米混合室和测量室之间，和100厘米为取样管之间约50cm。向1L的金属瓶被用作混合湛误码率，和一个12升的金属鼓被用作测量室。颗粒样品从测量室的顶部绘制。一个出口引导额外流入过滤系统。混合和测量室电接地，以防止颗粒的静电损耗。测量仪器包括一个扫描移动粒度仪（SMPS）和颗粒数浓度和粒度分布的光学粒子计数器（OPC），以及用于颗粒形态分析的透射电子显微镜（TEM）采样器（MPS）。 安装的雾化过程类似于流化床工艺。空气流从底部开口成漏斗（2毫米直径）进入并aerosolizes的粉末。粉末颗粒以类似的方式移动到水在一个喷泉。生成的气雾剂满足在混合腔室中的稀释液的流动。稀释空气流量可被调节为，如果效果不同水平的湿度的此参数的需要的分析。腔室的空气兼作缓冲容积根据采样需要用干燥稀释空气平滑地混合所述气雾剂。气溶胶流然后经由正常管出口（用于气雾化测试）或临界孔（为解凝聚测试）引入到测量室。孔可以提供不同的压力降的条件下，施加剪切力，以通过它的颗粒。这种机制允许其解聚势（机械稳定性）的研究。 
图1.雾化和解聚体系的示意图。缺省情况下，一个管连接与所述测量室中的混合室中。中所示的小孔是一个可选的附加 （在本协议中没有说明）。 请点击此处ŤØ查看此图的放大版本。
Protocol
1.系统准备
- 确保使用新的或很好地清洗粒子输运管道和接头装配该系统。确保室壁清洁和无颗粒（参照该清洁方法在协议结束时）。
- 以除去潜在的背景颗粒，连接一个过滤干燥空气流（5-10升/分钟）直接到混合室（没有安装位置a和b之间的漏斗中图1），在至少30分钟。
- 测量根据制造商的协议使用SMPS在测量室中的粒子个数浓度。如果浓度低于10＃/ cm 3的后三扫描，然后再考虑环境的清洁。请注意，使用的SMPS测量当流量可能会减缓。
- 停止空气流，并在FIGUR用塑料或橡胶塞关闭取样管出口和出口管的出口（位置Cë1），以防止进入系统环境颗粒。
- 准备和热身测量仪器（SMPS和OPC）和微粒采样器进行微观分析。
2.材料准备
- 存储测试材料相对于温度和湿度的良好控制的环境。这是确保在后续实验重复的结果非常重要。
- 小心使用分析天平或高精度的平衡，在一个通风良好的空间称量粉末（ 例如 ，实验室罩）。
注： 二氧化钛，SiO 2的250-500毫克重量，ZnO和的CeO 2纳米粒子粉状体进行了测试，这些通常被证明为稳定雾化的至少30分钟是足够的。然而，适量的强烈依赖于粉末的类型，并且可以为散装材料，水泥或有机粉末显著变化。 - 固定垂直气溶胶发生器LY，并从用适当清洁实验室漏斗气溶胶发生器的顶部开口进料粉末。在实验前，用清水冲洗漏斗和过滤的空气干燥，除去内壁上的灰尘沉积。轻轻敲击漏斗以确保所有的粉末颗粒被送入该过程。不以避免该材料的显著损失早期气雾硬摇动漏斗。
- 确保大多数粉粒到达发电机的底部，而不是落入周围倾斜壁上。轻轻敲击产生的侧壁移动敷粉末颗粒跌到了谷底。
- 可替代地，使用长漏斗直接沉积在发电机底部的粉末颗粒。为安全起见，在一个通风橱或负压室内部进行这些操作。
- 如不粘材料可以滑动通过在底部的开口发电机，用直径2毫米的针在送粉前暂时封闭开口。
- 取下漏斗，并关闭发生器的顶部和底部开口，以避免传输期间粒子发射。
3.气雾
- 安装气溶胶发生器，卸下入口和出口管连接到所述漏斗的块，其底部连接到过滤空气供应和其顶部的出口到混合室（分别为图1中的位置a和b），并与一垂直连接它金属支架。
- 卸下设置退出（ 图1位置C）的块。
- 交换机上的雾化流。使用流调谐器从0到0.3-0.5升/分钟慢慢提高速度。不移动到高流速过快-目的是要达到的流速可以为至少30分钟提供稳定的气溶胶生成。
- 为了实现这一目标，在此期间，稳定的雾化的不消耗显著粉末量。作为一个经验法则，使用约1厘米，用于产生一个强大的气雾流，同时维持稳定的浓度在相对 长期间的流化床高度（用H在图1中表示）。如果进入雾化过程中的能量过强则材料将迅速用完，否则该实验的其余部分期间，以维持一个稳定的气溶胶生成。注意，流速范围可以针对不同的粉末变化;上述的值被用于测试上述纳米粉末。
- 交换机上的稀释气流。慢慢地从0到2升/分钟增加的速率。所需的总稀释流被采样设备来确定。开关电源，OPC和在这里介绍的系统中使用的微型采样要求的1.6-1.8升/分钟的总流量。
4.表征
- 启动在线测量仪器同时（这里，SMPS和OPC），一旦雾化和稀释流被引入。
注意：如果雾化的稳定状态下实现的，气溶胶粒子数浓度和大小分布应后约30分钟，成为稳定的。使用来自不同的条件（ 例如 ，湿度），并使用不同的粉末下气溶胶特性的比较这时间点开始测量。分析来自10个连续SMPS扫描结果来计算平均浓度和粒径分布。 - 一旦雾化是稳定的，打开连接于TEM采样开始采样气载粒子的泵。使用通过涂覆有多孔碳膜的TEM网格的0.3升/分钟的流速。如果流速太高网格上的薄膜可能被损坏。对使用采样的详细信息，可21。通常情况下，在采样过程持续从头出3分。
- 根据不同的颗粒浓度变化的取样持续时间，并且通过粒子沉积（ 例如 ，50％）考虑TEM网格的一个适中的表面覆盖近似。厚厚的沉积可能会修改粒子形态，由于现场集聚。
5.后取样操作和清理
- 在完成测量后，关闭稀释流，然后将雾化流。
- 断开系统的气溶胶发生器，阻断其顶部和底部开口，并将其转移到清洁的空间。清洗在通风良好的清洗设备或一封闭空间，特别是如果危险材料已被处理。
- 分散粉末残基与水或有机溶剂，这取决于粒子表面的亲水性。将溶液倾入关安全回收化学品的容器。长期实验，测试粉末往往STIC坚决ķ到玻璃墙，并且不容易溶解。如果发生这种情况，用酸或碱连同超声波清洗，以溶解粘材料。
- 为了去除留在壁和彻底干燥发电机的内部的任何水分，穿过它的干燥空气为至少1小时。确保不存在明火或与有机溶剂工作时的火源，保证了空间良好的通风。
- 断开粒子输运管道和连接器。与水或溶剂冲洗。擦拭的混合和测量室的内壁，用湿纸巾或布。干他们在一个开放的空间，至少一天或与下次试验之前1小时的干燥空气流。
- 定期清洁SMPS冲击（如果使用）。
Representative Results
图2示出的随时间的总气溶胶粒子数浓度和大小的变化，使用上述的协议中的雾化实验疏水SiO 2的一个典型的例子。颗粒浓度开始就引入了雾化气流上升。颗粒的几何平均大小逐渐增加了。后大约10 SMPS扫描（3.5分钟/扫描），气溶胶开始进入稳定状态，其中，颗粒浓度和平均直径不再由任何显著量变化。这种状态持续了30分钟以上，这是足以完成10个3分钟的SMPS扫描。 图3示出了在个人尺寸分布的形式在粒子浓度的变化（基于相同的数据在图2中）。高峰缓慢上升一段时间，并且一旦该气溶胶变得稳定，它仍然在整个第相同尺寸范围内测试电子休息。
在实验开始时示出的非常小的平均直径是不是由于不稳定粉末雾化。相反，它是通过将粉末填充过程之后漏斗内的残留周围空气造成的。空气的这种体积是第一流入测量室，并在它的初始扫描（ 图4）是由SMPS采样。这可以通过，如果这是需要通过手边的科学问题在一个干净的房间进行所有的实验来避免。事实上，在第一次扫描的尺寸分布非常类似于环境空气。作为粉末气雾颗粒继续从迅速减少环境粒子流中的干扰，以及之后的效果几SMPS扫描几乎已经消失。
图2. 更改总粒子数浓度和平均气雾实验直径（241毫克疏水的SiO 2;气雾流量0.3升/分钟）。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3. 在气雾实验粒度分布变化。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4. 气雾剂的粒度分布在雾化试验开始。粒子浓度上呈现的相对比例（归一吨Ø为了频谱从一个非常低的浓度后浓度较高的扫描，光谱扫描先比较总人数）。 请点击此处查看该图的放大版本。
在颗粒浓度的变化并不总是遵循同样的模式。四种可能性通常可以在雾化测试可以看出。在图5A中 ，浓度缓慢升 至一个“高原”区域，则仍然是实验的其余部分几乎不变。在图5B中 ，浓度先上升至最高点，逐渐下降到一个较低的水平，然后超过1.5小时保持稳定。在图5C中 ，浓度继续降低到零。在图5D中 ，浓度增加至最大值，仍然保持，ð有一段时间，然后再次下降。
当标准操作程序之后方案（一）通常看到。雾化气流慢慢引入和最后的适当的范围内稳定。原料的量足以相对于所述雾化水平，并以恒定的气溶胶发生速率可维持相当长的时间周期。方案（b）是最有可能是由于在整个实验过大的雾化流，与粉末的数量不足组合。粉末被迅速消耗，不能够维持稳定的悬浮微粒产生。方案（c）示出在粒子个数浓度，只是一个很短的时间后，空气流速被重新调整到一个适当的范围内，并在整个试验的其余保持恒定的类似下降到场景（b）中。这使粒子浓度逐渐达到一个稳定范围内。方案（D）一当使用原料的量不足ppears。在实验的后期阶段，不再有足够的测试粉末以恒定的速率来产生气溶胶粒子，如在雾化的早期阶段是可能的。因此，在系统中的微粒浓度降低。
图 5. 在气雾实验改变总颗粒物浓度典型模式：（A）慢慢增加，直至达到一个平台; （B）逐渐减小至零; （ 三 ）迅速达到高峰，然后下降到一个稳定的水平; （ 四 ）提高到一个稳定的状态，并保持一定的时间周期，然后下降。 请点击此处查看该图的放大版本。 不同的雾化流速，以研究其对气溶胶的产生的影响进行了测试。从0.3-1.1，流量率/分钟被使用，并且将所得的粒径分布如图6所示。在光谱的峰上升作为流增加。在最高流速（1.1升/分钟），微米级的空气中的颗粒开始进入系统（二次峰）。气溶胶粒子的模态尺寸停留相似时相同的雾化气流下，但是，它们逐渐降低时的空气流通过的范围内增加从0.3-0.7升/分钟（ 图7）。日益增加的颗粒产生速率及减少平均粒径为流速增加表明更为动态雾化处理（与显著粒子运动和碰撞）促进粉末颗粒的解聚，从而导致该气溶胶的变形大小分布产生的颗粒。
图6. 改变粒度分布随空气流量（0.3〜1.1 L /分钟）。 请点击此处查看该图的放大版本。
图7. 在不同的流量粒度分布的比较。光谱变成了相对规模相似的高度（归总粒子数），它具有更好的高峰期转变。 请点击此处查看这个大版本数字。
图8示出了从使用相同的材料四个重复试验中的粒度分布的变化的一个例子。标准偏差为总颗粒浓度为39.7％，为几何平均大小为6.6％。数量浓度的变化可能是由于以下几个原因：1）的不同的原料的状态（ 例如 ，附聚水平）; 2）在灌粉过程中的人为因素（影响沉积在漏斗底部的粉量，从而可用于气雾化的量）;或3）在雾化的开始空气流量调节。
Discussion
基于漏斗气雾化的设置能有效激活在选定的能量输入级粉末颗粒（可通过空气流速雾化过程中量化）。粒子运动和碰撞在产生站点达到平衡状态，分手粉末附聚物并以恒定的速率发射相同尺寸分布的空气中的颗粒。一个稳定的雾化可以持续30分钟至至多2小时，这是足够的时间以高尺寸的分辨率，如SMPS甚至慢测量仪器，以产生统计学上显著的结果。设置只需要少量的测试材料，它可以是一个优点，用于测试贵重材料如纳米颗粒粉末。
然而，该系统的环境和工艺参数能显著影响试验结果。为了产生重复的数据，标准作业程序必须严格遵循整个experi求。在进行使用这个系统雾化测试中，以下几个方面应慎重考虑。
首先，为了获得有意义的结果，这是至关重要的设置的内部部件提供用于测试一个清洁的环境。污染物的潜在来源是环境颗粒和从以前的实验测试材料。环境粒子的影响通常消失比较快，一旦被引入雾化和稀释流。然而，从残留的材料干扰可以在整个实验持续。作为生成的气雾颗粒流动通过该系统，可以在输送管，弯曲点和连接器的窄的通道，并且该混合的内表面和测量室的内壁上沉积。如果这些部件不正常之前，新实验清洗，先前沉积的材料可以被不断地重新悬浮于主流气溶胶流的，从而干扰测试结果。
其次，粉末灌装过程应该非常仔细地进行。这里最显著的问题是供入设置的粉末的量，特别是当使用的材料的极少量。在给定的气雾流率，较少量的粉末的产生降低气溶胶浓度，并且可能具有较小尺寸的颗粒，由于每粉末的单位重量更高能量输入。此外，已经示出了测试材料（ 如 ，相对湿度和温度）的储存条件以影响粉末雾化行为和含尘22的水平。因此，原料粉末应始终保持在相同的大气条件下，在可能的情况。
第三，调整在实验开始时的气雾流大大影响检测结果。在流动急剧增加吹大的粉末颗粒ū峰值到空气和传播他们遍布漏斗状表面，显着降低了材料的可用于实验的其余部分的量。其后果可能是一个失败的测试，由于粉不足。
由于这里描述的设置不使用标准化的实验室设备，试图复制这一系统的核心部件时建，应从以下几个方面加以考虑。标准实验室分液漏斗可以用作气溶胶发生器（请注意，它们不应在加压条件下使用）。不同几何形状的分液漏斗中的实验进行了测试，并且它们的定制漏斗提供类似的功能。具有嵌入输送管的橡胶密封块可用作漏斗盖。
不同的几何形状，但类似的卷混合和测量室可以使用。请注意，车厢太大的将显著拖延时间NEEDED达到稳定的气溶胶条件（浓度）。所需的时间可以通过考虑的总空气流率和隔室的体积来估计。虽然该方法可以通过使用大量的稀释流被加速，应该记住的是，最终粒子个数浓度，可显着降低由于稀释，这可能会影响气溶胶的粒度分布，以及测量仪器的性能（取决于在他们的检测限）。电被推荐的导电材料。
运输管道的长度可以根据一般实验室设置而改变。然而，长度应，以便其在运输过程中，以避免显著粒子损失保持尽可能短。微粒穿透性效率可以通过考虑粒径，空气流速，管的直径和长度，并考虑两种重力沉积轴承或计算扩散损失，或两者。
不同的表征方法可以采用。然而，空气供应（稀释流）应调节以匹配总采样流速。不足的空气供应量将导致在测量室的负压，在室温粒子从而导致在结论中的错误绘图。不同的空气供应源可以使用，但确保它们无颗粒或预治疗与高效率过滤器的空气。
这种雾化方法的一个主要的限制是，它需要的测试粉末的良好的流动性，以便在相对长的时期内保持稳定的颗粒的产生。粘的材料，如具有高水分含量的亲水性粉末，通常停止在雾化过程的早期阶段中流动，并产生非常低的粒子浓度。解决这一问题的可能方式可以包括一个预处理原料粉末，如烘干-S的O作为改善其流动性。用途后的原料的贮存条件应保持良好， 例如 ，保持在干燥的环境中和适当的温度下。在实验中，更高的气雾流动速度（0.5-1升/分钟）和较大量的原材料（ 例如 ，500毫克）的可使用。此外，降低了稀释流量可以增加在测量室的颗粒浓度。
这种方法的另一个限制是尘埃粒子的生成速率（因此粒子个数浓度在测量室）的可重复性。变化一定程度依然存在。改进的可能途径是更好的界定喂养过程中减少材料损耗，并控制良好的气雾流量。
该系统和这里描述的方案可用于各种应用。使用相对少量的试料，使潜在诉方法aluable作为测试含尘粉的替代工具。由我们的系统的一些常见的材料产生的空气中的颗粒的水平的排名是类似于在现有雾化系统19，旋转鼓15,17，连续滴23和涡旋振荡器的方法24，如观察到的。此外，可调节的能量输入（空气流量），也可以用于研究纳米粒子粉末附聚物的稳定性。最后，稳定气溶胶的产生可以作为在体内或体外毒理学研究空降工程纳米颗粒的可靠来源。可控粒子浓度将允许的剂量依赖的生物反应的分析。相比，使用液体悬浮其他雾化方法，该方法避免了诸如材料悬浮性和悬浮颗粒的物理-化学性质修饰（潜在的问题例如 ，一个gglomeration，表面特性）。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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=1,082 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).
