Dynamik und Analytik luftgetragener, synthetischer Nanopartikel

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1 Dynamik und Analytik luftgetragener, synthetischer Nanopartikel Wolfgang Koch Fraunhofer ITEM, Hannover 6. BFR-Forum, November 2008, Berlin

2 Gliederung Was sind synthetische Nanopartikel? Wo werden Nanopartikel in die Atemluft freigesetzt? Welche Eigenschaften sind für eine Risikobewertung wichtig? Wie verhalten sich Nanopartikel in der Luft? Wie kann man die Nanopartikel in der Atemluft nachweisen?

3 Definition Nanotechnologie Herstellung von Strukturen mit einer oder mit mehreren Dimensionen kleiner als 100 nm. Technische Nanopartikel Persistente Teilchen mit einem (diffusionsäquivalenten) Durchmesser kleiner als 100 nm und deren Agglomerate Pharmazeutische Nanopartikel Suspensionen aus Wirkstoff- und Trägerteilchen kleiner als 1000 nm.

4 Produkte auf dem Markt Metalloxide SiO2, TiO2, Al2O3, ZnO,... Kohlenstoffprodukte Nanoröhrchen, Fullerene,.. Verbundwerkstoffe Elektronische Bauteile Kosmetische Produkte (Sonnenschutz)... Textilfasern Quantenpunkte PbS, CdSe/Zns... Marker für analytische Zwecke Elektronik Photonik... Abbildungen aus Simon-Deckers et al. Toxicology, 2008

5 Metriken 10 nm 150 m²/g 2 x /mg 100 nm 15 m²/g 5 x /mg 1000 nm 1.5 m²/g 5 x /mg

6 Eigenschaften Nennenswerte Massenfraktion an der Oberfläche Oberflächenenergie Reaktivität Löslichkeit # molecules 1.0E E E E E E E E fraction of surface molecules 1.0E diameter [nm]

7 Nanopartikel: Definitionen Singlet: Primärteilchen: vereinzeltes Nanoteilchen Grundbaustein größerer Einheiten Aggregate: Agglomerate: Gruppe fest verbundener Primärpartikel Lockerer Verbund aus Aggregaten und/oder Primärteilchen 100 nm nm

8 Herstellungsverfahren In der Gasphase Chemische / physikalische Umsetzung von Vorläufersubstanzen in Hochtemperaturprozessen Laserablation In der Flüssigphase Chemische Reaktionen, Ausfällung

9 Weiterverarbeitung Direkte Beschichtung von Oberflächen Abscheidung und Abfüllen als Pulver zur Weiterverarbeitung Verwendung in Form von Suspensionen

10 Freisetzung in die Atemluft Arbeitsplatz Kontrollierte Umgebung, bekannte Freisetzungspfade Guter Kenntnisstand 0.2 µm Implementierung von Schutzmaßnahmen Medizinisch überwachtes Personal Umwelt / Innenraum SiO 2 - Füllmaterial Freisetzungspfade weitgehend unbekannt Potentiell hohe Zahl an exponierten Personen Gefahr von Fehlanwendungen

11 Freisetzung in die Atemluft Spraying Sunscreen < 5µm Abbildungen aus ww.cache.daylife

12 Freisetzung in die Atemluft

13 Zielorgan Lunge Weber, W., Anatom. Institut, Univ. Bern Abdruck der Lunge

14 Weibel model Weibel et al., 2005 Air conditioning: Temp., Air space: rel. 18 Humidity mm, 2.5 cm² Liquid layer: 10 µm Air conduction Fast particle clearance Air conduction space: mm, Gas 200 cm² exchange Slow Liquid particle layer: 3 clearance µm Gas Air space: exchange 0.4 mm Very slow particle clearance cm² Liquid layer: 0.1 µm

15 Mobilität der Nanoteilchen Nanoteilchen bewegen sich durch Konevktion und Diffusion im Suspensionsmedium. u r D

16 Diffusionsbewegung Luft Wasser x [µm/10s] 20 nm nm Durchmesser der terminalen Atemwege: 500 µm, Dicke der Lungenflüssigkeitsschicht: µm

17 Respiratory deposition 70 Probability [%] head airways central airways peripheral airways Diameter [µm] International Commission on Radiological Protection (ICRP) 1994

18 molecules particles Wirkungsrelevante Partikeleigenschaften Nanoteilchen werden nach Inhalation bioverfügbar Diffusionsdurchmesser spezifische Oberfläche Löslichkeit Primärpartikeldurchmesser Bindungsstärke zwischen den Teilchen

19 Nanopartikel in der Umgebungsluft Quelle Abscheidung auf begrenzende Oberflächen Anlagerung an schon vorhandene Teilchen des Hintergrundaerosols Rezeptor

20 Partikelabscheidung Massenfluss zur Oberfläche Depositionsgeschwindigkeit Halbwertsszeit [h] 10 nm Innen: nm 10 Deposition velocity [cm/s] Aussen: G. A. Sehmel, J. Aerosol Sci., 4, 125, 1973 Particle diam. [µm]

21 Nanopartikelanlagerung Friedlander und Koch, nm 1000 nm F = 2π D x C N

22 Lebensdauer 1.E+05 Tag 1.E+04 Stunde Umwelt 50 µg/m³ 0.5 µm Halbwertzeit [s] 1.E+03 1.E+02 1.E+01 Minute Arbeitsplatz 1 mg/m³ 1 µm 1.E Durchmesser der NP [nm]

23 Exposition Geringe Exposition gegenüber luftgetragenen, synthetischen Nanopartikeln < 20 nm. Inhalative Exposition: in Form von Agglomeraten; im Verbund mit gröberen Partikeln des Hintergrunds

24 Messtechnik Unspezifisch: Anzahlkonzentration- Kondensationskernzähler

25 Messtechnik Unspezifisch: Ladungsmonitor Fierz et. al, 2008

26 Messtechnik Anzahlgrößenverteilung

27 Analytik Materialspezifische Verfahren Elektronenmikroskopie Energy Dispersive X-Ray Analysis Laser Induced Break Down Spectroscopy (LIBS) Aerosol Massenspektrometrie Chemische Analyse von Inhaltsstoffen größenklassierter Partikelproben

28 Fazit Was sind synthetische Nanopartikel? Wo werden synthetsiche Nanopartikel in die Atemluft freigesetzt? Anwendung, Bearbeitung von Produkten, Verwitterung/Abrieb, Entsorgung/Verbrennung Welche Eigenschaften sind für eine Risikobewertung wichtig? Wie verhalten sich Nanopartikel in der Luft? Wie kann man synthetische Nanopartikel in der Atemluft nachweisen? Spezifische Messverfahren: Nadel im Heuhaufen?