Fritt flygande partiklar i utomhusluften. Bild: Lennart Nilsson Källa: Dagens nyheter 060304
Frisöres arbetsmiljö Mål: Karakterisera exponeringen i luften vid blekning samt mäta biomarkörer i blodet. Specifikt ska skillnad för olika blekmedel studeras och olika arbetsmoment. Metod: 12 frisörer utför tre blekningar vardera i EAT:s experimentkammare då två olika blekmedel används: dammfritt och icke dammfritt. Mätningar: Bakgrund: APS (ToF) och filter Emission: APS (ToF) och filter Personburet: SidePak (optisk metod) och filter
Partikelmasskoncentration vid blekning 1.2 Total mass (mg/m3) 1 0.8 0.6 0.4 Serie1 Pour up powder and start stirring Stop stirring pour up powder and start stirring Pour up Hydrogenperoxide and start stirring Pour up powder and stirring 0.2 0 13:48:00 13:55:12 14:02:24 14:09:36 14:16:48 14:24:00 14:31:12 14:38:24 Time
Optiska mätinstrument Detekterar partiklar > 200 nm
Vilken storlek mäter ett optiskt mätinstrument? Spritt ljus Geometrisk diameter (um)
Photometrar Ofta kalibrerade med en oljeaerosol eller Arizona dust, men när de används för andra aerosoler Aerosol Mass konc. ug/m 3 DOS 100 Flygaska 250 Trädamm 55 Jordstoft 22 Olika optiska egenskaper och olika densitet medför skillnaden!
APS, Aerodynamic particle sizer Aerodynamisk diameter proportionell mot TOF
Partikelstorleksfördelningar
Resultat: Exponeringsmätningar Persulfates (µg/m 3 ) Particles (µg/m 3 ) Persulfates not DF/DF Background not dust-free 4.9 4.2 dust-free 2.4 2.3 2 Emission not dust-free 17.6 8.7 dust-free 6 3.8 2.9 Personal not dust-free 25.9 14 dust-free 11.1 21 2.3 Personal/Background not dust-free 5.2 dust-free 4.6 Personal/Emission not dust-free 1.5 dust-free 1.9
Arbetsmiljö för asfaltsläggare Mål: Karakterisera exponeringen i luften för asfaltsläggare samt mäta biomarkörer i blodet. Specifikt ska skillnad för asfalt vid olika läggningstemperaturer studeras. Metod: Längs E20 utanför Örebro lägger Trafikverket fyra olika beläggningar (totalt 40 km): Vanlig asfalt, temperatur 160 ºC Vanlig asfalt, temperatur 140 ºC Gummiasfalt, temperatur 160 ºC Gummiasfalt, temperatur 140 ºC
Asfaltsrök
APS Gummiasfalt,sänkt temperatur, 140 ºC Asfaltläggning Bakgrund 11:45 Start mätning vid läggaren 15:30 Avbryter mätningarna
SMPS Gummiasfalt, sänkt temperatur, 140 ºC Asfaltläggning bakgrund 11:45 Start mätning vid läggaren 15:30 Avbryter mätningarna
Preliminära lab.mätningar
Att mäta luftburna nanopartiklar Anders Gudmundsson Ergonomi och aerosolteknologi Lunds tekniska högskola 17
Inget nytt under solen Det har alltid funnits nanopartiklar i människans omgivning. När människan lärde sig göra eld, tillverkade hon de första nanopartiklarna. Det nya är att vi tillverkar nanopartiklar med avsikt och med speciella egenskaper, vilket kan användas i olika tillämpningar. En nanopartikel har minst en dimension som är mindre än 100 nm (0.1 mikrometer). 18
Luftburna partiklar Molecules N Pollen Cloud Droplets Cement damm Fungal spores Bacteria Viruses Metall fume Diesel exhaust Nanopartiklar 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Particle Size (µm) Primärpartiklar 1 nm 50 µm 5 µm 0.1 µm
Vad är partikelstorleken? Olika mätmetoder, baserade på olika fysikaliska principer kommer att ge olika partikelstorlek. Viktigaste: Ekvivalent Aerodynamisk Ekvivalent Mobilitet Varför är partikelstorlek så viktigt????
Partikeldeponering i andningsvägarna Mobilitet-diameter Aerodynamisk-diameter Totala Sannolikhet Näsa,mun Alveolerna Luftrören Partikeldiameter (µm)
Fotograf: Lennart Nilsson Sotpartikel (gul) deponerad i en alveol.
Sedimentation losses in a tube Penetration = C out / C in Losses = 1 - Penetration C in C out Airflow Penetration (%) 100 80 60 40 20 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Lenght (m) 1 µm 2 µm 4 µm 8 µm
Impakaktorn Separerar partiklar med avseende på deras aerodynamiska partikeldiameter
Deposition av luftburna partiklar med avseende på diffusion och sedimentation Partikel diameter (µm) Diffusion Antal/cm 2 Sedimentation Antal/cm 2 Kvot Diffusion/ Sedimentation 0.001 2.5 0.00006 40000 0.01 0.25 0.0006 400 0.1 0.03 0.008 4 1 0.006 0.4 0.02 10 0.002 30 0.00006 100 0.0006 2500 0.0000002
Deposition av partiklar inomhus
Fastnar tillverkade nanopartiklar i partikelfilter? ENP = engineered nano particles 27
Filtereffektivitet U o = lufthastighet genom filter Effektivitet (%) 100 90 80 diffusion U 0 =1 cm/s U 0 =10 cm/s impaktion E = = C in C collected C in in C C out 70 0.01 0.1 1 C in C out Mobilites partikeldiameter Partikeldiameter (µm) Aerodynamisk partikeldiameter
Forts. Filtereffektivitet 100 TOTAL impaktion Effektivitet (%) 80 60 40 diffusion gravitation 20 interception 0.01 0.1 1 Partikeldiameter (µm) 10
Fiberstorleken minskar Effektivitet (%) 100 90 80 70 d f =0.5 µm d f =2 µm d f =10 µm tryckfall tu 0α d f 2 t=filtertjocklek U 0 =lufthastighet α=soliditet d f =fibertjocklek 60 0.01 0.1 1.0 Partikeldiameter (µm)
SEM bilder av luftburna agglomerat av ENP 2 µm 0.2 µm 1 µm
Kolnanorör
Results from emission measurement 10 000 CPC, Ptrak emission (>0.02 µm) (> 0.01 µm) APS, emission (>0.5 µm) (>0.5 µm) CPC, background (>0.01 µm) Number concentration [cm -3 ] 1 000 100 10 1 1 2 3 4 No Back activity HT SDG DMA 00:00 00:10 00:20 00:30 00:40 00:50 Time [hh:mm]
Luftens partiklar Gas-partikel övergång Number Nukleeringsmod Ackumuleringsmod Förbränning Agglomerering av nukleeringspart. tillverkade nanopartiklar Volume Nukleeringsmod Ackumuleringsmod Grov mod Mekaniska processer jordstoft, slipning Nanopartiklar < 0.1 µm Grova partiklar >1 µm Ultrafina partiklar < 0.1 µm Fina partiklar < 1 µm
Olika kemiska sammansättningar förbränning Jord- och väggdamm jordbruk vågdroppar sot Metallind.
Fastnar nu tillverkade nanopartiklar i filter? Javisst, med hjälp av diffusion fastnar de NANOpartiklar, men nu är inte alla nano utan de finns också i agglomerat som har större partikelstorlek. 36
Nanodevice Uppdraget: Nya koncept och teknologier för tillverkning av portabla och lättanvända instrument för mätning och analys av tillverkade nanopartiklar i arbetsmiljön. Lättanvända (Easy to use) - det svåra är inte att använda instrument utan att veta: är mätningen representativ (i tid och rum, tillfälligheter) har jag gjort allt rätt (flöde, inställningar,..) hur ska mätresultaten tolkas 37
Realtidsmätningar Ger resultatet omgående, inom minuter Inget drygt efterarbete Kan analysera förändringar, snabba förlopp och olika arbetsmoment. Maria Hedmer och Linus Ludvigsson kommer senare idag att redogöra för metoder som innebär insamling och efterföljande analys. 38
Om vi visste att det bara våra tillverkade nanopartiklar som fanns i luften kunde vi ta fram våra gamla kära trotjänare: Condensation Particle Counter, som räknar alla partiklar mellan ca 10 nm till 5000 nm (5 µm). Med föravskiljare kan vi begränsa största partikel storlek och mäta mellan 10 nm och 300 nm. 39
40
Antalskoncentration: Condensation Particle Counter (CPC) Minsta storlek: 3-20 nm (kan påverka uppmätt koncentration) Största storlek: 1 µm till 5 µm Max antalskoncentration: 50 000 part/cm 3 1 000 000 part/cm 3 Portabla eller handhållna Kräver påfyllning av vätska: butanol (luktar illa), andra alkoholer eller vatten
Antalskoncentration med elektrisk mätmetod MiniDisc, Matter Aerosol Nanotracer, Aerasense NanoCheck/ NanoDiff, Grimm 10 till 300 nm Små, personburna, batteridrivna Lättanvända Easy to use Beräknar antalskoncentration Kan uppskatta medelpartikelstorlek
Mäter strömmarna för att uppskatta antalskoncentrationen Mäter skillnaden på strömmarna för att uppskatta medelpartikelstorlek Elektrisk laddare mätbara strömmar Finmaskigt nät Filter Figur av Martin Fierz
Antalskoncentration och medelpartikeldiameter för stearinljus Ref-metod, avancerad CPC Ref-metod, avancerad CPC Mätnoggrannheten är kring 10-50% Dahl et al., 2009
Max koncentration Partikelstorleksområde Ref-metod, avancerad CPC - CPC 3025A - MiniDisc - NanoCheck - Nano Tracer Antalskoncentration vid väg 46
Partikelegenskaper som kan vara relevanta för hälsoeffekter Antalskoncentration Masskoncentration (PM 2.5, PM10, PM1) Areakoncentration Partikelstorleksfördelning Kemisk sammansättning (Hundratusentals olika kemiska föreningar kan finnas i partiklar!) Biologiskt innehåll Radioaktivitet Vattenlöslighet Hygroskopicitet Form
Storleksfördelningar SMPS-Scanning Mobility Particle Sizer Beräkning av dator In: alla storlekar Storleksuppdelning med hjälp av partiklars laddning och elektrisk avskiljning - - - - - - - + + + + + + Ut: en storlek konc. Be diameter Räknar antalet CPC 48
Antalsfördelningar vid olika aktiviteter i en lägenhet dn/dlogdp (#/cm 3 ) 400000 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 From Wierzbicka et al. 0 1 10 100 1000 Mobilty equivalent diameter (nm) frying sausages omelette 3 events average frying veg wok peeling tangerines peeling oranges frying onions party dinner + candles frying average background no active source 49
Areakoncentration partiklarnas yta NSAM - Nanoparticle Surface Area Monitor Speciell laddning av partiklar och sedan mäts elektriska strömmen 50
microaethalometer - Black Carbon -Sotmätningar Liten, batteridriven Mäter masskoncentration av sotpartiklar. Mäter minskning av ljusabsorptionen orsakat av sotpartiklar som fastnat på filter. Mätnoggranhet ±0.1 μg BC/m 3,
Översikt av NanoDevice, ej kommersiella än ENP= engineered nano particles Företag/ Institut Arbetsnamn Detektera ENP typer av ENP Uppmätt partikelegenskap Detektionsteknik Storleksområde Vikt Dekati (Finland) No alla activ partikelyta elektrisk 10-3 000 nm bärbar TSI/UITA (Duisburg) NanoGuard No alla storleksfördel., fingeravtryck av struktur elektrisk 20-450 nm portabel Grimm Nanodevice Ja (?) alla storleksfördenlning elektrisk + optisk 10 nm- 27 um portabel DTU, (Danmark) MEMS Ja alla, utom CNT masskonc. och kemisk sammansättning vibrerande fiber +ramanspektroskopi 3-300 nm bärbar KIT, (Karlsruhe) CAAM Ja alla med katalytisk aktivitet katalytisk aktivitet katalytisk aktivitet+ IRanalys av bildade gaser alla storlekar portabel Naneum (England) Ja Fraunhofer CNT-detect Ja CNT (kolnanorör) antalskonc. fysisk-kemisk förbehandling + optisk analys (patent) alla storlekar portabel CNT (kolnanorör) masskonc. ramanspektroskopi alla storlekar bärbar Naneum insamlare efteranalys 2-5 000 nm bärbar SU/LTH avskiljare/insamlare, Näsa efteranalys 5-400 nm bärbar SU/LTH avskiljare/insamlare, Alveol efteranalys 20-5 000 nm bärbar Mycket annat också på gång t ex micro-resonans, micro-optik 52
Asbach et al., 2012 Comparability of portable nanoparticle exposure monitors. Annals of Occupational Hygiene Partikelstorleksområde Specificerad koncentration CPCs MiniDisc NanoTracer NanoCheck 10-1000 nm 10-300 nm 10-300 nm 25-300 nm ±20% ±30% ±1500 cm-3 ±5% Uppmätt ±20% ±30% ±30% ±30% Specificerad partikelstorlek ±30% ±10 nm ±5% Uppmätt ±30% ±30% ±6% för ljus > För sot
Luftburen smittspridning som arbetsmiljö- och patientsäkerhetsproblem - ett nytt forskningsområde
Vilka möjligheter finns att genom samverkan mellan områden som smittspridning/sjukhushygien, mikrobiologi, aerosolteknologi, arbets- och miljömedicin, termisk miljö med mera, öka förståelsen om luftburen smitta? Frågeställning: Varför överförs smitta trots att god vedertagen smittskyddspraxis tillämpas? Detta gäller t ex för vinterkräksjuka (calcivirus).
Aerosolpartiklar: 1 nm -100 µm Virus: 10 300 nm Bakterier: 300 nm 5 µm Koncentrationer i inomhusmiljöer: 10 2 10 7 partiklar/cm 3
Globen ( 100 µm) knappnålshuvud ( 1 nm)
Bildning transport -deposition Hur blir mikroorganismer luftburna? Hosta, nysningar, kräkning, utandning, hudemissioner, hantering av textilier (kläder, bäddning), uppvirvling från ytor, toalettspolning, tömning av kärl, duschning etc. Hur transporteras mikroorganismer? Brownsk diffusion, turbulent diffusion, ren konvektion, sedimentation, fria eller med andra partiklar Överlevnad? Hur beror överlevnad på fuktighet (relativ och absolut), temperatur och närvaro av värdpartikel (hudflaga, vattendroppe, oljedroppe, damm med högt näringsinnehåll, sotpartiklar, förbränning i miljön, zeoliter, saltpartiklar). Hur inverkar värdpartiklarnas partikelkoncentration och storleksfördelning? Upptag/Deposition? Andningsvägar, ögon, hud. Hur påverkas depositionen av om mikroorganismen är fri eller finns på värdpartikel? Behov av tillförlitliga och snabba mätmetoder WIBS eller odlingar Medicinska faktorer immunförsvar, slemhinnor (RH) etc.
Överlevnad Luftburna virus har sämst överlevnad för RH mellan 40 och 75%. Utifrån modellförsök med marsvin. Testar hur det översförs via luft mellan två fysiskt avskilda grupper, men samma luft. Absolut luftfuktighet viktigare än relativ! För bakterier än mer komplicerat!!!
WIBS Wideband Integrated Bioaerosol Sensor
Tack till medarbetare på Arbets- och miljömedicin och Ergonomi och aerosolteknologi Ekonomiskt stöd från MetaLund, FAS och NanoDevice 61