環境中奈米物質量測、特性分析及即時毒性測試平台技術開發

Abstract

體內實驗利用動物暴露於奈米微粒，以得知其影響健康效應之毒理，而體外實驗則是將細胞株暴露於奈米微粒，再利用分子生物技術進行分析，以找出造成細胞毒性反應的機理。與體內實驗相較，細胞株的實驗較為快速且便宜，然而傳統的細胞株暴露於微粒的方式受到許多的科學家的質疑。在傳統的測試方法中微粒以濾紙收集至一定量後以液體將微粒萃取下來，再將萃取的液體加到培養細胞上，但此過程有時需用到溶劑，萃取效率無法達到100%，且會引起微粒聚集、溶解及可能發生反應。另外添加在細胞株上的液體內的微粒無法與細胞直接接觸，也容易造成微粒劑量的高估，使毒性測試結果無法與體內實驗的數據比較。本研究使用一新設計之奈米分徑濕式靜電微粒採樣器 (Wet Nanoparticle Sampler, WNS)來採集大氣或實驗室製備之工程奈米微粒。WNS中的液體連續迴流系統可使採集下來的微粒在液體介質中濃縮。取得奈米水溶液樣本後，再與「配合即時監測環境樣品奈米微粒細胞毒性篩選技術」研究計畫合作，利用細胞連續及即時生長分析儀，建立更穩定、快速及可測試大量奈米微粒樣品的篩選平台。本研究另設計一細胞暴露奈米微粒靜電沉積器(Cell ESP)，其根據液相電泳理論，在底部養有細胞的液態介質中產生一微弱電場，讓奈米微粒(先前WNS所採集的濃縮奈米微粒)可沈降至底部，確實與細胞接觸，以探究真實的奈米微粒劑量與細胞毒性的關係，釐清目前普遍高估細胞毒性劑量的問題，較正確的數據將來也可與體內毒性測試的結果做比較。目前WNS結合Cell ESP的奈米微粒細胞毒性測試平台已建立，正在進行細胞毒性測試中。 環境奈米微粒對細胞的毒性比一般工程製造的奈米粉體還高(Xia et al., 2006)，因為環境奈米微粒附著有機物質、鹽類及重金屬等成份(Donaldson et al., 2002及Oberdörster et al., 2005)所致。因此準確地量測並分析環境奈米微粒的化學成分相當的重要，得到的數據可供人體暴露及健康危害相關研究之用。然而目前國際上尚沒有任何一個研究團隊能準確的採集並分析奈米微粒的所有物種。透過前兩期的研究，本團隊已能準確地採集環境奈米微粒並分析其主要化學成分，包括有機碳(OC)、元素碳(EC)、水溶性離子(Ions)及金屬元素(Element)，正確的修正有機碳正誤差(positive artifact)，本研究得到很好的不同大氣環境奈米微粒的化學平衡(化學成分的重量總和微粒秤重得到的重量之比)及計算出其有效密度，研究成果已發表4篇學術論文於Atmospheric Environment及Aerosol Science and Technology。 本期研究以前兩期的研究成果為基礎，繼續選擇一般民眾、學生、駕駛乘客、遊客及作業勞工或工廠附近居民容易長時間暴露奈米微粒的地方，探究人體可能暴露奈米微粒的情形。此外為進一步做出具國際水準的研究，本期於鹿林山環保署背景測站、恆春海森館背景站及隧道入口附近進行奈米物質濃度及物化特性等的研究。在創新的研究方面，我們將領先使用VOC denuder加裝於MOUDI上游來移除氣態有機物，可準確地得到不同大氣環境奈米物質的總有機碳、PAHs及水溶性有機酸的濃度。我們也設計並製造更平滑的MOUDI噴嘴，來減低微粒在噴嘴中的損失及避免因噴嘴阻塞造成採樣結果的錯誤，此設計目前也正在申請專利中。最後我們也發展了一套加濕、乾燥裝置來改變微粒進入MOUDI或其它採樣器時的相對溼度，找出徹底解決微粒在慣性衝擊器中彈跳的方法，增加奈米微粒採集的正確性，以此為基礎，將來可嘗試設計更高流量的衝擊器來增加奈米微粒的收集量。以上這些研究都至少與國際水平相當，甚至更為前瞻、具競爭力。 本研究團隊於前兩年的研究計畫中曾針對針對環境中奈米物質未來暴露評估與風險評估可能的知識缺口進行文獻收集及整理，並列出部份主題的國內研究現況，且舉行了國內專家座談會(蔡, 2007(a), 2008(a))，作成了具體的結論及建議。根據前兩年的研究報告及目前在ICON資料庫 (ICON, http://icon.rice.edu/virtualJournal.cfm)、Environmetal Science and Technology及Nano Letters期刊收集的2008-2010年的文獻，本研究已完成「奈米物質量測分析技術與暴露評估」有關之最新資訊整理(critical review)文件70%以上，待完整的報告完成後將至少在環保署「環境奈米科技知識庫」中具名發表，以供各界參考。 根據環保署評選須知中詳列的計畫工作內容(如第二章所述)與本研究目前已得到的成果，本團隊已完成本計畫之目標達65%以上。待後續35%的研究成果後，預計在11月底前提出期末報告初稿，並進行期末審查。本研究之成果預計在1年內投稿1-2篇國際期刊論文，主題包括奈米微粒細胞毒性之研究及環境奈米微粒之來源及車輛排放係數之研究等。