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Physikalische Aspekteder Partikeltoxikologie
Wolfgang Koch
ExpositionKonzentration
Zeit
AufnahmeInhalation
Deposition
Verteilung
min] )mg/m[( TCD 3expext = ]mg/kg[( WRMV TCD DEPexpint =
Dosis
Bestimmt durch Partikeleigenschaften
d in μmp
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Smog, fossile Verbrennung resuspendierter Staub
Dieselruß Flugasche
Schweißrauch Metallstäube
Viren BakterienPollen
Spraysind. GrundstoffeTiO, Ind.-Ruße2
Partikeleigenschaften
Größe
Flüchtigkeit
Löslichkeit, chemische Zusammensetzung
Partikeleigenschaften
Morphologie
isometrisch
5.84 µm
faserförmig
0.2 µm
Silica fume
agglomeriert
molecules
particles
Volume equiv. diam.- volume
Äquivalentdurchmesser
molecules
particles
Volume equiv. diam.
Aerodynamic diam.
- volume
- settling in air- inertiavsed
Äquivalentdurchmesser
molecules
particles
Volume equiv. diam.
Aerodynamic diam.
Mobility diameter
- volume
- settling in air- inertia
- air resistance- diffusion
vsed
uF
Äquivalentdurchmesser
Eine Glasfaser der Dicke 1 μm und der Länge 30 μm hat einen aerodynamischen Durchmesser von ca. 3 μm
molecules
particles
Beweglichkeit
x ( m)p μ
s (c
m) 1 s
10 s
diffusion inertia
Dosisberechnung, WDEP
International Commission on Radiological Protection (ICRP) 1994
Tracheo-bronchial
Nasal, pharyngeal, laryngea
Alveolar
]mg/kg[( WRMV TCD DEPexpint =
Konventionen zur Expositionsbewertung
alveolengängig
thoraxgängig
einatembar
1 105 50 1002 20
10
50
100
aerodynamischer Durchmesser (µm)
Pen
etra
tions
eff.
(%)
Konzentration von 3 Partikelgrößenfraktionen
0.010.001 0.1
Particle size [µm]
Frac
tion
depo
site
d [%
]
1 10
10
20
30
40
50
60ultrafine particles
nano-particles
Ultrafeine Partikeln
Konventionen zur Expositionsbewertung
Dosisberechnung, Interspeziesvergleich]mg/kg[( WRMV TCD DEPexpint =
human
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.1 1 10
aerodyn. diameter [µm]
depo
sitio
nef
ficie
ncy
headtracheo-bronchialpulmonarytotal
rat
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.1 1 10
aerodyn. diameter [µm]
headtracheo-bronchialpulmonarytotal
Dosisberechnung, Interspeziesvergleich]mg/kg[( WRMV TCD DEPexpint =
0.1
1
0.01 0.1 1 10 100
body weight [kg]
RV [l
/(min
kg)
]
0.2
0.5
man
dog
mouse
rat
Lokale biologische Wechselwirkung
Oberfläche
Surface area instilled (cm2)
Neutrophiles in der BAL
PM
N in
BA
L (x
106
)
Brown et al. Toxicol Appl Pharmacol 2001; 175: 191
Systemische Verfügbarkeit
Löslichkeit Translokation(Oberfläche) (Partikelgröße)
Geiser et. al. Env. Health Persp. 2006; 114: A212
EC_TC99mleaching
TC99m pertechnetrate EC_TC99m
Non leaching
Beispiel: Amorphe Kieselsäure
SiO2 + C SiO + CO
SiO2 + 2SiO Si + 2 SiO2
Si + O2 SiO2
Quarzschmelze
Produkte: 1. Siliziummetall2. hochdisperses Siliziumdioxid (Füllmaterial)
Beispiel: Amorphe Kieselsäure
Gas-Partikel-transformation
LiquidSolidSi O2
Coagulation / Surface growth
Aerosol material
Reaction Evaporation
Nucleation
Temperature
0.2 µm
Typische Arbeitsplätze
Ofenbereich Absacken
Lungengängigkeit
Ofenbereich90 % alveolengängig
Absacken10 % alveolengängig
Verteilung
mAD LL /κ=
Löslichkeit
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0 2 4 6 8 10time, t [h]
frac
tion
diss
olve
d, c
[-]
tDc L=
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0 2 4 6 8 10time, t [h]
frac
tion
diss
olve
d, c
[-]
tDc L=
Spez. Ober-fläche
Verteilung
Löslichkeit
Probe LR 103
[1/h]
A/m [cm²/g]
Lκ
[μg/cm²h]
T
[d]
M2 Abstich 2.9 228 000 0.013 14
M4 Abstich 11.7 333 000 0.035 4
M6 Abguss 4.5 219 000 0.021 9
Aerosil 38.7 1 403 000 0.027 1
Gleichgewichtslungenbeladung
Deposition – Löslichkeit – alveoläre Clearance10 Tage 600 Tage
C =1 mg/m³, Texp = 8 h/d
Kieselsäure: mLunge= 0.03 gUnlöslicher Staub: mLunge= 0.5 g
MessenKonzentration
Größenverteilung
Inhaltsstoffe
Feststellen der Exposition durch Messung
E/A-FraktionenUltrafeinfraktion
c [m
g/m
³]
Zeit [min]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 100 200 300 400 500
einatembar 7.9 mg/m³1.1 mg/m³alveolen-
gängig
Exposition bei wechselnden Tätigkeiten50% der Exposition durch Konzentrationsspitzen sind einer speziellen Tätigkeit zuzuordnen
Feststellen der Exposition durch Messung
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
0 4 8 12 16 20 24 28
time [min]
tota
l con
c. [c
m-3
]
S: hall
PB: at open cellsS: near closed cells
PB: hall
General site background
UFP Screening at polluted workplacesS: SoederbergPB: Prebake
Average urbanbackground
In street canyon at peak traffic hours
Feststellen der Exposition durch Messung
Empirische, datenbasierte Modelle:
EASE (HSE)
Deterministische, mechanistische Modelle:
CONSEXPO (RIVM)
SprayExpo (ITEM/BAUA)
Feststellen der Exposition durch Modellrechnung
Expositionsberechnung „SprayExpo“: Biozide
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 10 20 30 40
time [min]
con
c. [
mg
/m³]
respirable
inhalable
model, inh.
model, resp.
Can 1 Can 2
înhalable
alveolar
MMD 120 μm Source strenght 1 g/s
Expositionsberechnung „SprayExpo“: Sprays
Expositionsberechnung „SprayExpo“: Sprays
1
10
100
1000
10000
Spraynozzle(large)
Spraynozzle(small)
Spray gun(airless)
Nebulizer
inh
aled
do
se [μ
g]
alv.thor.inh.
Exposition und Tropfengröße
expositionsrelevanter,
lungengängiger Anteil aus
Expositionsmessungen in
Modellräumen
1,00E-04
1,00E-03
1,00E-02
1,00E-01
1,00E+00
10 100 1000
x,50 [µm]
Frei
setz
ungs
ante
il (<
10
µm)
Treibgassprays
Pumpsprays
Zusammenfassung
Wirkungsrelevante Partikeleigenschaften
Partikelgröße Inhalierbarkeit und Lungendeposition
Morphologie/ Systemische VerfügbarkeitMaterialeigen- und Persistenz in der Lungeschaften
Technischer Prozess der Schadstoffentstehung und Schadstofffreisetzung
