簡弘民

工業技術研究院環境安全與衛生技術發展中心

環境衛生與空氣污染組  副組長

一、摘要

目前全世界奈米科技研究人員正極力開發新的奈米材料或是奈米微粒，希望利用他們的物理化學新特性，創造新技術以增進人類的生活品質。但是另一方面，也有許多科學家正深入調查評估這些新材料可能導致人體健康或是生態環境的負面影響。美國著名毒理學家的生物研究顯示，同等質量的二氧化鈦奈米微粒比細微粒更容易造成氣管發炎現象，這與微粒接觸表面積有直接關係。本研究針對小型量產直流電漿奈米粉體製程，進行作業環境微粒數目濃度監測，發現設備運轉時容易逸散奈米微粒，其濃度顯著高於背景值。此外，隨機選用市售口罩，評估其過濾效率，並且提供操作人員防護準則供業界參考使用。

關鍵字：奈米微粒，危害，評估，監測

二、前言

西元1959年12月29日，二十世紀最著名的物理學家之一，理查費曼（Richard Feynman）向美國物理學會發表了名為「浩瀚的底層世界」（There’s Plenty of Room at the Bottom），揭示了利用一個個原子建構人為製品的可能性，並且認為操控原子組成不可避免地終將成為生產有用設備的方法【1】。1986年，麻省理工學院的教授艾瑞克卓斯勒（Eric Drexler）出版了一本名為『創新引擎』（Engines of Creation）的書，進一步描述奈米科技的可能發展，認為未來世界的科技能力充滿著深深影響社會和經濟的可能性，包括終止疾病的技術能力、替每個人創造財富、終止污染以及提供用之不竭的能源【2】。雖屬於臆測性質，但若有部份成真，則奈米科技對人類的影響就會不可限量。令人驚喜的是，該書描寫的科技能力已有部分成為商業化的技術。奈米技術與奈米產品可能為全球帶來科技長足進步的〝光明面〞，一直是奈米科技推動者或研究人員所強調的；然而，對其可能為生態環境或人體健康帶來的〝黑暗面〞，卻仍處於未知、不確定的狀態。奈米科技的發展目前面臨一些環保團體的抵制，著名的例子就是加拿大ETC團體倡議先進國家應基於“事前預防原則(Precautionary Principle)”暫時禁止奈米材料的製造，直到證明其生產是無害的方可解禁【3】。

奈米(nanometer)是長度的單位，微米的千分之一就是奈米(nm)，1nm=10^-3μm=10^-6mm =10^-9m。人類的頭髮直徑約100微米，一奈米僅是頭髮直徑的十萬分之一大小。許多塊狀材料降低尺寸到達幾個奈米的範圍，其原先的物理化學特性將會產生巨大的改變，甚至會產生所謂的量子效應。所以目前全世界奈米科技研究人員正極力開發新的奈米材料或是奈米微粒，希望利用他們的物理化學新特性，創造新技術以增進人類的生活品質。但另一方面，也有許多科學家正深入調查評估奈米材料或奈米微粒可能導致人體健康或生態環境的負面影響，期能避免因新科技的發展而造成不可預知的危害。

本文探討奈米粉體生產製程中可能逸散的奈米微粒（粒徑小於100 奈米的懸浮微粒）造成的暴露危害問題。藉由健康影響研究文獻回顧，現場微粒數目濃度監測與口罩效率評估來提供研究或是操作人員保護健康的參考依據。

三、人體健康影響研究

美國環保署贊助紐約羅徹斯特大學粒狀物質中心(Particulate Matter Center)有關空氣中超細微粒(粒徑小於100nm的粒狀空氣污染物)對人體健康影響之議題含蓋相當多的研究【4 - 7】。Günter Oberdörster（美國羅徹斯特大學之教授）曾整理其研究成果發表「Pulmonary effects of inhaled ultrafine particles」，主要研究內容為吸入的超細微粒對肺臟之影響情形，其代表性的研究成果如下所示：

針對二氧化鈦（TiO₂）的超細微粒和細微粒(平均初期微粒尺寸為20 nm和250 nm)之長期吸入研究結果顯示，與細微粒相互比較，吸入之聚集的超細微粒重量濃度約低十倍，即能在老鼠體內產生相同的腫瘤數量。此外，將碳黑（CB）和二氧化鈦之聚集的超細微粒以及細微粒以氣管外滴入方式置入老鼠體內之研究結果顯示，超細微粒顯著地有較大的發炎潛能。滴入的劑量若以顆粒表面積來表示，則二氧化鈦的超細微粒和細微粒的反應落在相同的劑量─反應曲線，如圖1所示。此項結果顯示，在超細微粒毒性方面，表面積是一個重要的參數。在許多長期吸入不同微粒的研究結果亦顯示，當肺部負荷以積留之顆粒表面積(retained particle surface area)來表示時，所導致的肺臟腫瘤反應與顆粒表面積有很好的相關性。

圖 1 超細和微細TiO₂微粒之劑量-反應相關圖

德國國家環境與健康研究中心之Wolfgang G. Kreyling及其研究團隊關於奈米微粒毒理研究所發表之論文【8】顯示，使用兩種不同尺寸(15 nm和80 nm)且標記有放射性元素之不可溶解性銥微粒(192Ir)與可溶解性銥化合物微粒（192IrCl3），為避免胸腔外氣道之污染與微粒的沉積，使用氣管內插管(intubation)方式進行吸入實驗，採取吸入後6小時到7天之樣本，以γ光譜分析老鼠體內與排泄物中之192Ir活性。對不可溶解之超細銥微粒(7天的溶解度小於1%)而言，尺寸為15 nm和80 nm之192Ir超細微粒在胸部的沉積率分別為0.49和0.28；此不可溶解的超細微粒在吸入後的1星期，主要藉由氣道清除至胃腸道和排泄物中，極少部分會轉移到肝、脾、心臟和腦等續發器官中(轉移比率小於1%)；粒徑80 nm之超細銥微粒的轉移率遠小於粒徑15 nm超細銥微粒，此項結果顯示尺寸導向之輸送現象。對可溶解性之超細銥化合物微粒所做的實驗結果顯示，在肺部施予192IrCl3可溶解性超細微粒之後，可快速藉由尿液排泄掉，僅有一小部份停留在肺臟和其他的器官與組織之中。

英國著名科學家 Donaldson研究團隊的研究主旨在於說明超細微粒肺部傷害之機制【9,10】，他們使用的三種材料超細微粒引起之發炎現象均高於細微粒。latex和二氧化鈦之劑量為125μg，CB之劑量為500μg。以相同質量之超細微粒與細微粒滴入老鼠肺臟中，超細微粒引起之發炎現象均顯著增加。分別使用64 nm, 202 nm和535 nm三種不同尺寸的latex微粒，劑量分別為125μg和500μg，觀察其滴入老鼠肺臟中之發炎反應；結果顯示，劑量為125μg時，僅粒徑為64 nm的latex微粒引起較嚴重的發炎情形；劑量提升到500μg時，三種尺寸的微粒均有較多的發炎情形，尤以粒徑為64 nm之latex微粒更甚，其顯著引起較多的發炎情形。超細CB比微細CB有較大的氧化壓力誘發之活性。檢視硫醇類抗氧化劑（NAL）是否會保護因超細碳黑微粒引起之發炎情形；結果顯示，當微粒與NAL共同滴入老鼠肺部時，對發炎情形有顯著的改善。NAL的保護效果對超細CB和超細latex最為具體，對超細TiO₂則較不顯著。

四、奈米微粒的數目濃度監測

國內目前針對懸浮微粒的健康危害管制標準都是基於質量濃度(mg/M³)。例如勞委會公告的作業環境容許濃度標準【11】，厭惡性粉塵的PEL (Permissible Exposure Limits)，可吸入粉塵量為5 mg/M³，總粉塵量為10 mg/M³，環保署則對一般大氣中懸浮微粒(PM₁₀)訂定標準為125 mg/ M³ (24小時值)。因超細微粒所造成的發炎現象與微粒的接觸表面積有直接正比的關係，而目前尚無表面積即時監測的方法，所以採用數目濃度的監測值來間接代表表面積的大小。本研究使用掃瞄式電移動微粒分析儀(Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS)，來監測懸浮於氣體中多徑分佈的微粒數目濃度，量測範圍在15至661 nm之間，儀器反應時間需135秒，採樣地點與可能之污染源暴露位置之距離小於1公尺。

所評估的小型量產奈米粉體製程為一「直流電漿熱反應式奈米粉體製程」。它以直流電漿提供合成反應所需的能源，反應器之最高淨輸出功率為150 KW，最高反應溫度可達10000 ℃。電漿在反應區內形成電漿射流，其速度依電漿功率、電漿氣體種類、及流速等予以控制。將先驅物噴入電漿中，使其產生化學反應，在奈米級生成物以同質成核(Homogenous nucleation)方式形成後，隨即用大量的空氣快速冷卻(進一步氧化)奈米氧化物粒子，以控制其成長速率。整個反應約在10^-2∼10^-1秒內完成。本技術之流程如圖2所示。在適當的條件下，可獲得各種結構之奈米氧化物粉體，最大產量可達2 kg/hr，圖中並標示可能之微粒逸散點。

圖 2  直流電漿熱反應式奈米粉體製造流程圖

針對「直流電漿熱反應式奈米粉體製程作業環境」的評估結果，當作業環境中僅有操作人員在進行一些例行性的工作時，由上午9：00至12：00連續監測三個小時，奈米微粒平均數目濃度為9918±1546 #/cm3，製程在下午1：30開始運轉，顯示作業環境中的奈米微粒會隨著製程持續運轉而逐漸增加，在下午3：15製程停止運轉後，作業環境中的奈米微粒數目濃度即慢慢下降。製程運轉時奈米微粒平均數目濃度為22774±3672 #/cm3，比製程未運轉前增加13000 #/cm3左右。若比較製程未運轉與運轉時微粒分佈的狀況，如圖3所示，粒徑超過150 nm以上的微粒在未運轉與運轉時幾乎相同，但製程運轉時奈米微粒的部分則明顯比未運轉時高出數倍之多。未運轉時微粒粒徑在30至70 nm的數目濃度幾乎相同，製程運轉後微粒的最高數目濃度落在粒徑為38.5 nm的地方，顯示本製程所產生的奈米微粒明顯改變原有的數目濃度分佈【12】。

圖 3  「直流電漿熱反應式奈米粉體製程」

未運轉與運轉期間微粒數目濃度分佈圖

五、口罩效率評估

研究中也隨機選購了市售常見的口罩，並根據NIOSH 42 CRF part 84【13】及CNS14755 Z2125【14】測試方法評估拋棄式防塵口罩之防護效率。待測濾材必須事先置於恆溼恆溫箱(相對溼度85±5 %、溫度38±2.5 ℃)中，約25±1小時後取出，並於10小時內測試完畢。濾材取出後剪成Respirator Holder的大小，然後放置在holder中測試。測試時必須維持濾材表面之流速在8.5cm/sec，也就是氣體流量維持在85 lpm左右。測試結果如表1所示，所有濾材中效率最差者為平面手術用口罩，它對粒徑小於100 nm的微粒過濾效率只有28.8 %，整體之總過濾效率亦只有30.3 %左右。而活性碳口罩對粒徑小於50 nm的微粒，其防護效率最高，可達76.1 %，但整體效率只有61.7 %。95等級的口罩，以N95口罩效率較佳，不論對細微粒(粒徑100 nm以上)或超細微粒(粒徑100 nm以下)其效率皆可達95 %以上，整體效率則達96.3 %。R95口罩之效率則較N95口罩稍差，其對粒徑小於50 nm微粒的效率最好，可達96.3 %，而對粒徑介於101~300 nm間微粒之效率最差，只有93.8 %，總體效率則達94.7 %，與理論上其應達95 %的效率相差0.3 %。在濾罐方面，臭味氣體濾罐對氣懸微粒的總防護效率只有43.9 %，但對超細微粒其效率則較高，對粒徑小於50 nm微粒的效率可達62.7 %。而P100濾罐在理論上其過濾效率應達99.97 %，但測試之結果其總過濾效率只有97.6 %。而當Gas filter及P100兩個濾罐串聯使用時，其防護效率也只較P100稍稍提高到97.9 %而已。

表1  各種濾材防護效率測試結果

六、人員防護準則

 根據以上評估過程及結果，我們研擬了相關的奈米粉體製程作業人員防護準則，未來可根據準則，建立各項作業的標準作業程序(SOP)【15】。

1.界定具有危害源：依據製程資料先行研判可能發生危害的奈米粉體種類，以及發生危害的型態(火災、爆炸、吸入性暴露等)。

2.界定暴露途徑：依據前項資料及判讀，研判暴露可能發生的方式(皮膚吸收、吸入、食入等)。

3.現場視察：經由現場實地走訪，並依據前兩項資料判斷製程現場可能發生暴露危害的工作場所、或可能發生危害的操作步驟或過程，並依可能發生危害的程度劃定可能發生危害的區域為危險區、警戒區等，進入該區之人員均需管制。

4.實施作業環境奈米粉體逸散監測：依據可能發生危害的程度進行不同程度的作業環境奈米粉體逸散監測。監測項目包括奈米粉體的粒徑分佈及數目濃度，並依據環境背景、製程操作、設備維修等不同條件實施微粒逸散監測。

5.設置相關防護設備：製程需採用連續且密閉式操作，隔離製程設備與作業人員，或對製程現場局部或全面性負壓抽氣，以減少作業人員直接接觸或暴露於奈米粉體的情況。

6.配戴個人防護具：凡進入管制區內的工作人員或維修人員，均依可能發生的型態提供相關作業人員不同等級的口罩、防護衣或手套，減少作業人員直接接觸或暴露於奈米粉體情況。

7.檢查防護設備效能及個人防護具之效率：定期檢查相關防護設施效能，並定期進行設備維修，以維護現場工作人員之安全。同時定期評估個人防護具之效率。

8. 機台檢修啟動：在開啟機台時，相關的操作人員均應使用適當的個人防護設備，並針對維護區域進行抽氣。

9. 在適當的位置安裝微粒逸散警示器，遇大量逸散時警示器的警示功能可供人員疏散及啟動警急應變措施之依據。

10.定期檢查作業人員的健康狀況：每年針對不同作業區的操作人員，實施健康檢查。

11.實施教育訓練及防災演練：透過定期的教育訓練提醒作業人員及維修人員發生奈米粉體大量暴露時的緊急處置程序，以及人員大量暴露後之急救方法及相關設施的存放位置等，以減少災害發生時的人員及財物的損失。

12.處理意外洩漏事故：廠區內發生大量奈米粉體逸散時，應先行疏散該區域所有人員，並隔絕發生災害的區域，以及進行廠內抽氣及過濾去除作業環境中的奈米粉體，待作業環境中奈米粉體濃度降至警戒值以下，方可派員進入該區域進行災後處理。

七、總結

以老鼠為對象的研究結果顯示，一般奈米微粒（超細微粒）對生物體所造成的發炎反應可能比同等質量的細微粒嚴重，這個現象與微粒的接觸表面積有直接關係。根據我們初步的量測結果，直流電漿熱反應式的奈米粉體生產過程中可能逸散多量的奈米微粒，操作人員必須配戴相當等級的口罩，才能有效降低個人暴露量。雖然奈米微粒的毒性可能較強，但根據健康風險評估的基本公式，風險值=毒性x 暴露，只要暴露量非常少，甚至是零，則個人的健康風險值就非常低，即使是面對毒性非常強的奈米微粒。目前工程上應用的各種奈米微粒的種類與數量，正以非常高的速度成長，許多潛在的人體健康與生態環境影響皆尚未可知，所以亟需政府部門與相關研究機構投入資源與人力研究，推動負責任與永續經營的奈米科技產業。

八、參考文獻

1.Feynman RP, There’s Plenty of Room at the Bottom, Annual Meeting of the American Physical Society, California Institute of Technology, Dec. 29, 1959.

2.Drexler, KE, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. New York: Anchor Press/Doubleday, 1986.

3.ETC Group, No Small Matter Ⅱ: The Case for a Global Moratorium, Size Matter! TC group, Volume 7, No. 1, April 2003.

4.Oberdörster G, Ferin J, Gelein R, et al. Role of the alveolar macrophage in lung injury: studies with ultrafine particles. Environmental Health Perspectives 1992; 977: 193-199.

5.Oberdörster G, Ferin J, Gelein R, et al. Association of particulate air pollution and acute mortality: involvement of ultrafine particles. Inhalation Toxicology 1995; 111-124.

6.Oberdörster G. Toxicology of ultrafine particles: in vivo studies. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 2000; 358: 2719-2740.

7.Oberdörster G, Pulmonary effects of inhaled ultrafine particles, Int Arch Occup Environ Health 2001; 74: 1-8.

8.Kreyling WG., Semmler M, Erbe F, Mayer P, Takenaka S, Schulz H, Oberdörster G, Ziesenis A. Translocation of ultrafine insoluble iridium particles from lung epithelium to extrapulmonary organs is size dependent but very low, Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A 2002; 65:1513-1530.

9.Donaldson K, Li XY, MacNee W. Ultrafine (nanometer) particle mediated lung injury. Journal of Aerosol Science 1998; 29: 553-560.

10.Donaldson K, Stone V, Gilmour PS, Brown DM, MacNee W. Ultrafine particles: mechanisms of lung injury. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 2000; 358: 2741-2749.

11.行政院勞委會勞工安全衛生研究所，http://www.iosh.gov.tw/index.html。

12.簡弘民、徐禮業、陳光宇、徐玉杜、黃俊超、陳姿名，「奈米技術於環保領域應用研究」期末報告（定稿本），行政院環保署，2004年。

13.U.S. National Institute for Occupational Safety and Health, http://www.cdc.gov/niosh/npptl/topics/respirators. 

14.行政院經濟部標準檢驗局，http://www.cnsonline.com.tw/index.html。 

15.簡弘民、 徐禮業、 陳光宇、 徐玉杜、 鄭弘珮、 陳姿名、 黃俊超，「奈米技術於環保領域應用研究」，第二屆環境保護與奈米科技學術研討會，新竹，2005年5月。