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).
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.
Nanomateriale pulvere er meget udbredt i forskellige industrielle sektorer, som råvarer til fremstilling af nye produkter eller som additiver til deres funktionelle applikationer 1-4. Imidlertid har potentialet for arbejdstagernes udsættelse for nanopowder aerosoler blevet bemærket i løbet af forskellige erhvervsmæssige håndtering aktiviteter 5-8, og de dermed forbundne sundhedsrisici er blevet undersøgt i in-vivo og in-vitro toksikologiske undersøgelser 9-12. For at lette udviklingen af effektive strategier til beskyttelse af arbejdstagere, der beskæftiger sig med nanomaterialer, erhvervsmæssige sundhedsprofessionelle kræver en bedre forståelse af, hvordan nanopartikler aerosoler fra pulveriserede materialer udsat for eksterne energitilførsel.
Forskellige laboratoriesystemer er blevet udviklet til at simulere pulver aerosolisering adfærd i realistiske forhold. Blandt dem, to standard procedurer er de etablerede referencemetoder <sup> 13 til test pulver støvethed, der er defineret som tendensen af et pulver, underkastes en given energitilførsel, at frigive luftbårne partikler. Den første metode anvender en roterende tromle som medium for energitilførsel og aerosolisering af pulverpartikler 14,15. Den anden metode falder et pulver ved en konstant hastighed gennem en lodret cylinder og aerosolizes pulverpartiklerne ved hjælp af en opadstigende luftstrøm 16. Men disse metoder kræver relativt store mængder af testmateriale (35 cm 3 eller 500 g), og dette kan være et problem med nanomateriale pulvere på grund af deres høje omkostninger og de potentielle risici for eksponering. En nedskaleret testsystem kombinerer single-drop og roterende tromle processer blev udviklet, der tillader anvendelse af mindre mængder af test-pulvere (6 g prøver) 17. En nyligt udviklet aerosolisering system baseret på vortex shakers er også blevet anvendt til nanopowders, tillader test ned til 1 cm3 råmaterialer <sup> 18.
Her præsenterer vi en ny aerosolisering og deagglomeration system til nanopowder test baseret på laboratorie skorstene. Det giver en stabil aerosol generation proces bruger mindre end 1 g test pulver. Steady aerosolisering kan opretholdes i tilstrækkeligt lange varigheder for robuste aerosol karakteriseringer. Systemets ydelse er blevet beskrevet i detaljer i to tidligere publikationer 19,20.
Testopstilling er sammensat af en aerosolgenerator, blanding og måling rum, og karakterisering instrumenter, som vist i figur 1. Particle transport slanger og konnektorer forbinde disse forskellige elementer. En flow-tuner og to flowmålere kontrollere og overvåge luften strømningsforholdene i systemet. Et manometer og en temperatur og fugtighedssensor overvåge miljøet inde i målekammeret. Tør trykluft filtreres under anvendelse af et hyperfilter før den kommer ind i systemet. enaflang, V-formet, er glas aerosolgeneratoren bruges til pulver aerosolisering. Denne geometri muliggør en robust aerosolisering proces og transport glat partikel i det efterfølgende kammer. Den strømningssystem ved bunden af tragten er turbulent på grund af samspillet med pulverpartiklerne, det er laminar i den øvre sektion (Re-nummer <15). Tykkelsen af generator væggene var specielt designet til at modstå de høje tryk (op til 400 kPa delta P), der er nødvendige for deagglomeration test vha kritiske åbninger. En høj præcision flow tuner styrer flowet i trin på 0,01 l / min. Ledende rør (6 mm ydre diameter, 1 mm tykkelse) anvendes til at undgå tab af partikler som følge af elektrostatisk afsætning under transport. Røret længde er ca. 50 cm mellem aerosol generator og blandekammeret, 20 cm mellem blandekammeret og målekammeret, og 100 cm for prøveudtagning rør. En 1 L metallisk flaske anvendes som blanding chamber, og en 12 L metallisk tromle anvendes som målekammeret. Partikel udtages fra toppen af målekammeret. En udgangsport dirigerer ekstra strømmen ind filtreringssystem. Blanding og måling kamre er jordforbundet, således at elektrostatiske tab af partikler. Måleinstrumenterne indbefatter en scanning mobilitet Particle Sizer (SMPS) og en optisk partikeltæller (OPC) for partikelantal koncentration og størrelsesfordeling, og et transmissionselektronmikroskopi (TEM) sampler (MPS) til partikelmorfologi analyse.
Opsætningen er aerosolisering procedure ligner en fluidiseret proces. Luftstrømmen kommer ind fra bundåbningen i tragten (2 mm diameter) og aerosolizes pulveret. Pulverpartiklerne bevæge sig på en lignende måde til vand i et springvand. Aerosolen genereres møder en fortynding strømning i blandekammeret. Fortyndingsluftens flow kan konditioneres for forskellige niveauer af fugtighed, hvis effektenaf denne parameter kræver analyse. Kammeret luft fungerer også som en buffer volumen til glat blande aerosol med tør fortyndingsluft i henhold til behovene prøveudtagning. Aerosolen flow indføres derefter i målekammeret via en normal rør udløb (for aerosolisering afprøvning) eller en kritisk blænde (for deagglomeration afprøvning). Åbningen kan tilvejebringe forskellige trykfald omstændigheder vil forskydningskræfter til partiklerne passerer gennem det. Denne mekanisme gør det muligt at studere deres deagglomeration potentiale (mekanisk stabilitet).
Figur 1. Diagram over aerosolisering og deagglomeration system. Som standard et rør forbinder blandekammeret med målekammeret. Den viste åbning er en valgfri add-on (ikke beskrevet i denne protokol). Klik her to se en større version af dette tal.
Tragten baseret aerosolisering setup effektivt kan aktivere pulverpartikler på et valgt energitilførsel niveau (kan kvantificeres ved luftstrømningshastigheden under aerosolisering). Partikel bevægelser og kollisioner på genereringen stedet nå en ligevægtstilstand, opbrydning pulveragglomerater og udsender luftbårne partikler af det samme størrelsesfordeling ved en konstant hastighed. En stabil aerosolisering kan vare fra 30 min til op til 2 timer, hvilket er tilstrækkelig tid til selv langsomme måleinstrumenter med høje størrelse resolutioner, såsom SMPS, at producere statistisk signifikante resultater. Opsætningen kræver kun små mængder testmateriale, som kan være en fordel for test af kostbare materialer såsom nanopartikler pulvere.
Dog kan systemets miljø og procesparametre væsentlig indflydelse på testresultaterne. At producere gentagelige data, skal standardprocedurer følges nøje hele erfamenter. Ved udførelse aerosolisering tests med dette system, bør følgende aspekter overvejes nøje.
For det første at opnå meningsfulde resultater, er det afgørende at opsætningen interne dele giver et rent miljø for prøverne. Potentielle kilder af forurenende stoffer ligger omgivende partikler og testmateriale fra tidligere eksperimenter. Virkningen af omgivende partikler sædvanligvis forsvandt forholdsvis hurtigt, så snart aerosoliseringskanalerne og fortyndingsforhold strømme blev indført. interferens fra restmaterialer, kan dog fortsat under hele forsøget. Som de genererede aerosolpartiklerne strømmer gennem systemet, kan de aflejres på de indre vægge af transportrørene, de bøjende punkter og de smalle kanaler af stik, og de indre overflader af blandingen og målingen kamre. Hvis disse dele ikke er ordentligt rengjort før nye eksperimenter, der tidligere deponerede materialer kan konstant resuspenderes i de vigtigste streamaf aerosolen flow, dermed forstyrre testresultaterne.
For det andet bør pulveret fyldeprocessen udføres meget omhyggeligt. Den vigtigste spørgsmål her er den mængde af pulveret føres ind i setup, især når der anvendes meget små mængder af materialer. Ved en given aerosolisering strømningshastighed, mindre mængder af pulver generere lavere koncentrationer aerosol, og eventuelt partikler med mindre størrelser, på grund af den højere energi input per vægtenhed af pulver. Endvidere har de opbevaringsbetingelser for testmaterialer (f.eks relativ fugtighed og temperatur) vist sig at påvirke pulver aerosolisering adfærd og niveauer af støvafgivelse 22. Derfor bør rå pulvere altid holdes i de samme atmosfæriske forhold, hvor det er muligt.
For det tredje, tilpasninger af aerosolisering strømning ved begyndelsen af forsøget i høj grad påvirke testresultaterne. Kraftige stigninger i strømmen blæse store pulver partikler up i luften og sprede dem over hele tragten overflade, hvilket reducerer den mængde materiale til rådighed for resten af eksperimentet. Konsekvenserne kan være en mislykket test på grund af utilstrækkelig pulver.
Fordi den her beskrevne setup ikke er bygget ved hjælp standardiseret laboratorieudstyr, når de forsøger at kopiere de centrale dele af dette system, bør overvejes følgende aspekter. Almindeligt laboratorieudstyr skilletragte kan anvendes som aerosolgeneratoren (bemærk, at de ikke bør anvendes under tryksatte betingelser). Skilletragte af forskellige geometrier blev testet i eksperimenterne, og de leveres lignende funktioner skræddersyet tragt. En gummitætning blok med en indlejret transportrør kan anvendes som tragten låg.
kan bruges Blanding og måling rum i forskellige geometrier, men lignende mængder. Bemærk, at rum der er for store i væsentlig grad vil forsinke tiden needed at nå stabile aerosol forhold (koncentration). Den nødvendige tid kan estimeres ved at tage hensyn til den samlede strømningshastighed og volumenet af kammeret. Selv om processen kan fremskyndes ved hjælp af en stor fortynding flow, bør det erindres, at den endelige partikelantal koncentrationen kan faldet drastisk på grund af fortynding, og dette kan påvirke aerosol fordeling størrelse samt udførelsen af måleinstrumenter (afhængigt på deres detektionsgrænser). Elektrisk ledende materialer anbefales.
Længden af transporten slangen kan variere, afhængigt af de generelle indstillinger laboratorie. Imidlertid bør længden holdes så kort som muligt for at undgå væsentlige tab af partikler under transport. Den partikelindtrængning effektivitet kan beregnes under hensyntagen partikeldiameter, luftstrømningshastighed, rør diameter og længde, og i betragtning af enten tyngdefelt afsætning ellerdiffusion tab, eller begge dele.
Forskellige karakteriseringsmetoder kan anvendes. Dog bør justeres indblæs- (fortynding flow) til at matche den samlede sampling flow. Utilstrækkelig lufttilførsel vil resultere i undertryk i målekammeret, tegning i omgivende partikler dermed fører til fejl i konklusionerne. Forskellige luft forsyningskilder kan anvendes, men at de er partikelfri eller præ-behandle luften med en højeffektiv filter.
En væsentlig begrænsning ved denne aerosolisering fremgangsmåde er, at det kræver god flydeevne test pulvere for at opretholde stabil partikel generation over en relativt lang periode. Klæbrige materialer, såsom hydrofile pulvere med et højt vandindhold, ofte stoppe flyder på et tidligt stadium af aerosolisering proces og producere koncentrationer meget lave partikel. Potentielle måder at løse dette problem kunne omfatte en forbehandling af det rå pulver-såsom tørring-so at forbedre dets flydeevne. Lagringen tilstand af råmaterialerne efter anvendelser bør være godt vedligeholdt, f.eks opbevares i et tørt miljø og under passende temperatur. Under forsøgene, kunne højere aerosolisering strømningshastighed (0,5-1 l / min) og større mængder af råvarer (fx 500 mg) anvendes. Derudover kan sænke fortynding strømningshastighed stige partikelkoncentration i målekammeret.
En anden begrænsning ved denne metode er reproducerbarheden af luftbårne partikel generation rate (således partikelantal koncentration i målekammeret). eksisterer stadig vist niveau af variation. Mulige måder at forbedringer er en bedre defineret fodring proces for at reducere materielle tab, og velkontrollerede aerosolisering flow.
Systemet og protokollerne beskrevet her kan anvendes til forskellige formål. Brugen af relativt små mængder af testmateriale gør metoden potentielt valuable som et alternativt værktøj til test pulver støvethed. Rangordningen af niveauer af luftbårne partikler genereret af vores system for nogle almindelige materialer svarede til dem, der observeres i eksisterende aerosoliseringsegenskaber systemer 19, såsom den roterende tromle 15,17, kontinuerlig drop 23, og vortex shaker metoder 24. Endvidere kan den justerbare energitilførsel (luftstrømsraten) også anvendes til undersøgelse af stabiliteten af nanopartikel pulveragglomerater. Endelig kan stabil aerosol generation tjene som en pålidelig kilde til luftbårne nanopartikler til in vivo eller in vitro toksikologiske undersøgelser. Koncentrationen kontrollerbar partikel ville tillade en analyse af dosis-afhængige biologiske reaktioner. Sammenlignet med andre aerosoliseringsegenskaber fremgangsmåder, der anvender flydende suspensioner, den præsenterede metode undgår potentielle problemer såsom materiale suspenderbarhed og ændring af fysisk-kemiske egenskaber af partikler i suspension (fx engglomeration, overfladeegenskaber).
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |