我們?nèi)绾瘟炕w粒物？

      顆粒物可以用許多不同的方式測量。傳統(tǒng)上，測量單位空氣體積的顆粒質(zhì)量，通常以 x 微米為上限（PMx - 最常見的是 PM10、PM2.5、PM1）。替代指標(biāo)包括顆粒數(shù)量或單位體積顆粒表面積。這些是純物理指標(biāo)。也可以考慮化學(xué)因素，例如通過測量黑碳或多環(huán)芳烴 (PAH) 的含量。沒有所謂的“最佳”指標(biāo) - 它總是取決于應(yīng)用或您想要回答的問題。但是，有些東西比其他東西更容易測量。肺沉積表面積可以非常容易地大致測量。

肺部顆粒沉積

       在討論顆粒物對健康的影響時，一個普遍的看法是，傳統(tǒng)的單位體積空氣量報告意義不大。只有進(jìn)入人體的顆粒才會對健康產(chǎn)生影響，因此才應(yīng)該測量。下圖顯示了我們呼吸道三個不同區(qū)域的沉積分?jǐn)?shù)與顆粒大小的關(guān)系。

總沉積量在 200-300nm 左右有一個明顯的最小值，其中空氣中存在的顆粒只有約10%沉積在我們體內(nèi)，而直徑為 40nm 的顆粒中約有一半最終會進(jìn)入我們體內(nèi)。從質(zhì)量上講，單個 200nm 顆粒（單位密度，球形）比 40nm 顆粒重 125 倍，對測量的 PMx 的貢獻(xiàn)是 125 倍，盡管它對最終進(jìn)入人體的質(zhì)量的貢獻(xiàn)“僅”是 20 倍，因為它的沉積可能性要小得多。因此，我們可以得出結(jié)論 - 至少就健康影響而言 - 我們應(yīng)該只關(guān)注沉積顆粒。

顆粒表面積相關(guān)

多項實驗室研究表明，從質(zhì)量上看，較小的顆粒似乎比較大的顆粒更具毒性。這是由于較小顆粒具有更大的表面積：因為顆粒表面是人體與顆粒發(fā)生相互作用的部位。顆?？梢栽谄浔砻孢\輸吸附的毒素，或者其表面可以在細(xì)胞內(nèi)充當(dāng)催化劑，產(chǎn)生活性氧 (ROS)。研究表明，在體外和體內(nèi)實驗中，毒性作用與顆粒表面積成正比。當(dāng)然，這些說法僅適用于生物持久性顆粒，而不適用于可溶性顆粒。醫(yī)學(xué)界的普遍看法似乎是，與生物持久性顆粒相比，可溶性顆粒大多無害。

我們認(rèn)為，有明確證據(jù)表明，對于生物持久性顆粒物而言，表面積是比顆粒質(zhì)量或顆粒數(shù)量更重要的指標(biāo)。因此，我們應(yīng)該測量肺沉積表面積 (LDSA)，由于表面積在量化顆粒物暴露時，是最具相關(guān)性的物理指標(biāo)。

測量肺沉積表面積

原則上，測量肺部沉積表面積（LDSA）需要先測定完整的顆粒物粒徑分布，然后對每個粒徑區(qū)間的顆粒表面積進(jìn)行加權(quán)求和（權(quán)重為該粒徑顆粒在肺部的沉積概率）。也就是說，這一測量過程較為復(fù)雜，且需進(jìn)行一定的計算。然而，幸運的是，LDSA（肺部沉積表面積）可以通過擴(kuò)散充電法直接測量。擴(kuò)散充電器會對通過的顆粒施加一個與粒徑相關(guān)的電荷量q，這一過程可以通過以下公式準(zhǔn)確描述：

?? ? ?????????? ? ??^1.1

其中 d 為顆粒直徑。在肺沉積曲線中，我們可以看到，在直徑范圍為 20-300nm 的顆粒沉積在下呼吸道中與顆粒直徑大致成反比。因此，LDSA 與擴(kuò)散電荷信號大致成正比：

???????? = ?????????????? ???????? ? ???????????????????? ?????????????????????? ? ??² ? ??^?1 = ??¹ ≈ ??

該計算僅近似正確，且只適用于球形顆?！欢@然沒有任何物理指標(biāo)能夠真正衡量顆粒毒性，如果我們必須在物理指標(biāo)中做出選擇，LDSA 是最佳選擇。

LDSA 測量結(jié)果有多準(zhǔn)確

在討論通過單極充電（如 Dekati efilter）測量 LDSA 的準(zhǔn)確性時，有兩件事很重要：（1）指示的 LDSA 作為粒子尺寸的函數(shù)有多準(zhǔn)確；（2）測量的是什么粒子——它們是否在儀器準(zhǔn)確的尺寸范圍內(nèi)？下圖給出了第一個問題的答案：其中，將單極充電產(chǎn)生的信號比與根據(jù) ICRP 模型計算出的球形均勻密度球體的 LDSA 進(jìn)行了比較。

     乍一看，這張圖相當(dāng)令人失望，但請注意 x 軸是對數(shù)的，而 y 軸不是對數(shù)的。在 20 到 350nm 之間，便攜式的擴(kuò)散充電法LDSA儀指示的 LDSA 準(zhǔn)確度在 25% 以內(nèi)。對于較小的顆粒，它被高估了，對于較大的顆粒，它被低估了。如果大部分肺沉積表面積來自 20 到 350nm 之間的顆粒，便攜式的擴(kuò)散充電法LDSA儀將是準(zhǔn)確的；如果它測量的是小得多或大得多的顆粒，它將與真實的 LDSA 值相差很大（它仍然可以準(zhǔn)確測量顆粒電荷，但將其解釋為 LDSA 是不正確的）。

      請注意，該圖是純理論計算。在實際儀器中，非常小的顆粒的顆粒損失是不可避免的，因此儀器對非常小的顆粒直徑的靈敏度會降低。因此，在實際儀器中，小顆粒的大幅上升會減少。

      下圖顯示了 SMPS 測量的全年平均顆粒尺寸分布，以及計算出的顆粒表面積、肺沉積顆粒表面積和典型的單極充電器響應(yīng)：

      粒子數(shù)尺寸分布在約 30nm 處達(dá)到最大值；計算出的粒子表面積尺寸分布在約 200nm 處達(dá)到最大值。肺沉積表面積分布（這是最有趣的部分）和充電響應(yīng)在約 100nm 處達(dá)到最大值。20nm 以下和 350nm 以上的粒子幾乎不影響總信號（曲線下面積），因此在這種情況下，LDSA 測量是準(zhǔn)確的。我們預(yù)計大多數(shù)城市環(huán)境通常都是這種情況。

FAQ on LDSA

Q1：LDSA 測量對所有人都有效嗎？

A1：不適用。每個人的呼吸模式都不相同，因此，每個人的肺沉積功能也不完全相同，但大多數(shù)人的肺沉積功能相似。

Q2：LDSA 測量對所有類型的顆粒都適用嗎？

A2：不適用。顆粒在肺中的沉積機(jī)制不同。對于最小的顆粒，擴(kuò)散沉積占主導(dǎo)地位，這只是顆粒大小的函數(shù)。對于較大的顆粒，撞擊是另一種重要的沉積機(jī)制。撞擊取決于顆粒大小和顆粒密度。在我們儀器的單極充電器中，顆粒獲得的電荷僅取決于顆粒大小，而不取決于顆粒密度。因此，儀器響應(yīng)無法區(qū)分不同密度的顆粒。

Q3：顆粒形態(tài)如何？

A3：眾所周知，顆粒形態(tài)會影響顆粒充電。分形狀顆粒將比具有相同移動直徑的緊湊顆粒獲得更高的電荷。眾所周知，基于遷移率直徑分布 (SMPS) 的質(zhì)量估計對于分形粒子來說可能非常錯誤（例如，偏差 10 倍）。幸運的是，對于粒子表面積來說，情況并非如此。分形粒子具有緊湊粒子所沒有的大內(nèi)表面，因此在擴(kuò)散充電器中測量的較高電荷仍然大致正確（對于小于 400nm 的分形粒子，誤差在 2 倍以內(nèi)）

Q4：對于處于靜止?fàn)顟B(tài)的健康個體，LDSA 至少對單位密度的緊湊粒子是正確的嗎？

A4：不。在上述條件下，我們的儀器測得的信號是 LDSA 的良好近似值，但這實際上只是一個幸運的巧合。對于大于約 400nm 的粒子直徑，這種幾乎 1:1 的對應(yīng)關(guān)系會失效，我們的儀器會低估較大粒子的 LDSA。然而，在典型的城市環(huán)境中，大多數(shù) LDSA 都處于近似值成立的尺寸范圍內(nèi)，因此這不是一個嚴(yán)重的限制。

Q5：納米顆粒的化學(xué)成分呢？這難道不重要嗎？

A5：當(dāng)然。海邊發(fā)現(xiàn)的鹽顆粒相當(dāng)無害，而一些納米顆粒特別危險（例如金屬、表面含有大量 PAH 的顆粒）。因此，任何物理測量（顆粒質(zhì)量、數(shù)量、表面積，甚至顆粒尺寸分布）都不足以評估納米顆粒的毒性。

Q6：所以您的儀器報告的 LDSA 不準(zhǔn)確，是因為呼吸模式、顆粒成分、顆粒形態(tài)和較大的顆粒。此外，它無法區(qū)分無害顆粒和危險顆粒。您不是在浪費我的時間嗎？

A6：一點也不。雖然所有這些限制都是真實的，但您不應(yīng)忘記，類似的限制也適用于您可以進(jìn)行的所有其他納米顆粒測量！例如，想象一下您有一個完美的粒子數(shù)計數(shù)器 - 一個理想的 CPC。它會準(zhǔn)確地告訴您每立方厘米空氣中有多少個顆粒。但是，由于個體呼吸模式的差異，每個人的實際劑量再次略有不同。而且 CPC 也無法檢測顆粒化學(xué)、密度或形態(tài)的差異。最流行的顆粒測量方法 PM10 也存在無法區(qū)分不同類型顆粒的問題。然而，PM10 被發(fā)現(xiàn)與各種有害健康影響有關(guān)，因此可以作為顆粒毒性的替代測量。我們認(rèn)為，LDSA 很可能會得出類似的結(jié)論——它是納米顆粒毒性的良好替代品，而 PM10 則會低估納米顆粒的毒性，因為納米顆粒的質(zhì)量非常低。