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Physikalische Aspekte der Partikeltoxikologie Wolfgang Koch

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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]

[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