بخشی از مقاله
بررسی روشهاي ارزیابی مواجهه شغلی با نانو مواد در محیط هاي کار
چکیده
نانوتکنولوژي علمی مبتنی بر ذرات و مواد در مقیاس بسیار کوچـک (انـدازه هـاي 1تـا 100 نـانومتر) اسـت کـه بـه سرعت در حال رشد بوده و پیشرفت هاي قابل ملاحظه بالقوه اي در زمینه هاي مختلف داشته است. مـواد در مقیـاس نانو خصوصیات و رفتار کاملا متفاوتی در مقایسه با اندازه هاي معمولی همان ترکیبات شـیمیایی از خـود بـروز مـی دهند. علت این تفاوت ها عبارت از اندازه، شکل و سطح می باشد. شناخت خصوصیات شیمیایی و فیزیکـی نـانو مـواد گامی اساسی در مطالعات سم شناسی شغلی و محیطی است که با استفاده از آن می توان راه هاي مواجهه بالقوه سم شناسی و مخاطرات مرتبط را نیز ارزیابی نمود. خصوصیات اساسی فیزیکوشیمیایی مواد در مقیاس نانو از نظر سـم شناسی بسیار اهمیت دارد. نانومواد تنها به خاطر اندازه شان سمی نیستند بلکه به دلیل ویژگی هاي فیزیکـی شـیمیایی که شامل اندازه نیز می باشد ممکن است براي انسان خطرزا باشند. با افزیش اسـتفاده از نـانو مـواد، انتظـار مـی رود مواجهه با این مواد در محیط هاي کاري که با تولید و مصرف آنها سر و کار دارند نیز فزونـی یابـد. امـا تحقیقـات در زمینه ارزیابی مواجهه نانومواد با انسانها و محیط هنوز در مراحل ابتدایی خود می باشد و این در حالیست که صـنایع وابسته به نانوتکنولوژي به سرعت در حال گسترش می باشند. بررسی ها نشـان داده اسـت کـه بسـیاري از صـنایع وابسته در دنیا بدنبال اطلاعاتی براي اندازه گیري مواجهه با این مـواد و راههـاي حفاظـت از کـارگران شـاغل در ایـن صنایع هستند. در این مقاله سعی شده است تحقیقات انجام شده تا کنـون در زمینـه انـدازه گیـري مواجهـه شـغلی بـا نانومواد و روش هاي بکار گرفته شده براي ارزیابی را مورد بررسی قرار دهد. انتظار می رود این مقاله بتواند کاستی ها و خلاء هاي موجود در زمینه اندازه گیري و ارزیابی مواجهات شغلی با نانو مواد را معرفی نماید.
کلید واژه ها: نانو توکسیکولوژي، نانو مواد، مواجهه شغلی
1
1 مقدمه
از نانوتکنولوژي، بیوتکنولوژي و فناوري اطلاع رسانی به عنوان سه قلمـرو علمـی نـام مـی برنـد کـه انقـلاب سـو م صنعتی را شکل می دهد. از همین روست که کشورهاي در حال توسعه که اغلب از دو انقلاب قبـل جـا مانـده انـد، مـی کوشند با سرمایه گذاري در این سه قلمرو، عقب ماندگی خود را جبران کنند. نانوتکنولوژي کاربردهاي گسـترده اي در تمام حیطه هاي زندگی دارد و از این رو توسعه آن می تواند به بهبود و تسهیل زندگی کمک فراوان کند.
نانوتکنولوژي به تمام فناوري هاي پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می شـود. منظـور از مقیـاس نـانو، ابعادي در حدود 1 تا 100 نانومتر می باشد. اولین بار ریچـارد فـاینمن در سـال 1959 طـی یـک سـخنرانی بـا عنـوان “فضاي زیادي در سطوح پایین وجود دارد” ایده فناوري نانو را مطرح کرد. فناوري نانو بر پایه دستکاري تک تک اتـم ها و مولکول ها است تا بتوان ساختاري پیچیده را با خصوصیات اتمی تولیـد کـرد. بـه کمـک فنـاوري نـانو توسـعه و استفاده از ادوات و قطعاتی که اندازه آنها تنها چند نانومتر است مدنظر قرار می گیرد. اما برخـی تحقیقـات نشـان داده اند که نانو تکنولوژي مانند شمشیر دو لبه است. نگرانی آن محققین این است که نانو ذرات می توانند وارد بدن شـده و در آنجا تجمع نمایند و به طور بالقوه براي انسان مضر و کشنده باشند. از طرفی مـی توانـد گسـترش آنهـا د ر محـیط زیست باعث تخریب اکوسیستم ها گرددبنابراین. اسـتفاده ایمـن از نـانوتکنولوژي احتمـالاً موضـوع اصـلی در یـافتن فرصت مناسب براي پیشرفت صنایع وابسته می باشد(.(1
مواد در مقیاس نانو خصوصیات و رفتار کاملا متفاوتی در مقایسه با اندازه هاي معمولی همـان ترکیبـات شـیمیایی از خود بروز می دهند. علت این تفاوت ها عبارتند از: اندازه، شکل، سطح. شناخت خصوصیات شیمیایی و فیزیکی نـانو مواد گامی اساسی در مطالعات سم شناسی شغلی و محیطی است کـه بـا اسـتفاده از آن مـی تـوان راه هـاي مواجهـه بالقوه سم شناسی و مخاطرات مرتبط را نیز ارزیابی نمود .(2)
مطالعات اخیر روي ذرات در مقیاس نانو مانند نانو لوله هاي کربنی، فولرین ها، اکسـیدهاي فلـزي، سـیلیس و نقـاط کوانتومی نشان میدهد که تعیین خصوصیات نانو مواد هنگام تحقیق روي پتانسیل اثرات زیستی آنها بسیار مهم است. براي استفاده از نانوتکنولوژي ضروریست که به دقت مواجهه با نانو مواد در طول فراینـد تولیـد و کـاربرد ایـن مـواد کنترل شود. زیرا کارگران می توانند مستقیما با این مواد براي مدت طولانی مواجهـه یابنـد. روش هـاي مختلفـی بـراي اندازه گیري مواجهه با این مواد در محیط هاي کاري ارائه شده است .(3,4,5,6) اطلاعات مواجهه هنگـامی مفیـد واقـع خواهد شد که تصمیم گیري ها با نقطه نظر مدیریت ریسک و یا ارزیابی اثربخشی کنترل هـاي مهندسـی و روش هـاي انجام کار براي کاهش مواجهه کارگران صورت پذیرد.
بدون اطلاعات مواجهه شغلی در محیط هاي کار، مشخص کردن دقیق محیط کار، شناسایی منابع منتشر کننده نانو مواد بسیار مشکل است و نمی توان تخمین درستی از مقدار مواجهه با نانو ذراتی که کارگران دریافت مـی کننـد ارائـه نمود .(7)
در این مقاله سعی شده است ضمن معرفی این مواد و خصوصیات آنها به روش هاي اندازه گیـري و ارزیـابی آنهـا در محیط کار بپردازد. بدیهی است راه بسیاري تا رسیدن به ناشناخته ها در این زمینه و پر کردن خـلاء هـاي موجـود باقی است و امید است تلاش وسیعی توسط متخصصان سم شناسی شغلی و بهداشت حرفه اي در ایـن زمینـه انجـام پذیرد.
2
2 ویژگی هاي مهم مواد در مقیاس نانو
خصوصیات اساسی فیزیکوشیمیایی مواد در مقیاس نانو از نظر سم شناسی بسیار اهمیت دارد. ویژگـی هـاي مهـم نانو مواد تحت عناوین زیر تقسیم بندي میشوند: خصوصیات فیزیکی شیمیایی به عنوان میانجی هاي سـمیت، صـفات اختصاصی حین آماده سازي و فرموله شدن، صفات اختصاصی نانو مواد پس از بکار گیري
1-2 خصوصیات فیزیکی شیمیایی به عنوان میانجی هاي سمیت اندازه نانو ذرات
اندازه نانو ذرات نقش کلیدي در تعیین ویژگی هـاي نهـایی آنهـا دارد. انـدازه ذره مـی توانـد ویژگـی هـاي فیزیکـی شیمیایی نانو ماده را تغییر دهد و فرصتی براي افزایش جـذب و تعامـل بـا بافتهـاي بیولـوژیکی فـراهم آورد. فعالیـت بیولوژیکی نانو مواد با کاهش اندازه ذره افزایش می یابد. نانو ذرات فعالیت زیستی بیشتري داشـته و در زمـان تـنفس به مناطقی می رسند که سایر ذرات بزرگتر به آنجا دسترسی ندارند.
مساحت سطح
کاهش در اندازه ذره تا مقیاس نانومتري باعث افزایش یکنواختی در نسبت سطح به حجم ذره مـی شـود و بنـابراین درصد بالاتري از اتمها در سطح خارجی ذره قرار میگیرند. افزایش مساحت سطح سـبب افـزایش بسـیار شـدید تعـداد گروه هاي فعال در واحد جرم و در نتیجه افزایش واکنش پذیري کلی ماده می شود.
وجود ذرات کوچکتر به معنی تعداد بیشتري ازذرات در واحد جرم همراه بـا افـزایش توانـایی در تعـاملات بیولـوژیکی است.
شکل ذره
نانومواد شکلها و ساختارهاي گوناگونی مانند کروي، سوزنی،لوله اي،میلـه اي،صـفحه اي و... دارنـد. شـکل ذره دو اثر اصلی دارد: -1 در فرم محلولی و آئروسولی اختلافـاتی بـین شـعاع هیـدرودینامیکی ذرات کـروي و دراز بـا جـرم مشابه آنها وجود دارد و باعث تفاوت در تحرك و انتشار ذرات در فاز گازي یا مایع میشود. -2 شکل ذرات بر رسوب و جذب فعال در واسطه هاي زیستی مؤثر است .
ترکیب شیمیایی
ترکیب شیمیایی ویژگی ذاتـی مـاده بـوده و عامـل مهمـی در شـرح رفتـار بیولـوژیکی نـانو ذرات اسـت . نـانوذرات ســــاختارهاي متفــــاوتی را داشــــته و طیــــف وســــیعی را شــــامل میشــــوند از جملــــه: ترکیبــــات غیرآلــــی (آهن،نیکل،روي،تیتانیوم،طلا،نقره و..)، اکسیدهاي فلزي (اکسیدتیتانیوم، اکسیدروي و ... ) و ترکیبات آلی ( فـولرین هـا، نانوپلیمرها، نانو لوله کربن)
ساختار شبکه اي
بسیاري از مواد با ترکیب شیمیایی یکسان ساختار شبکه اي متفاوتی دارند که منجر به خصوصیات کـاملا متفـاوت فیزیکی و شیمیایی می شود. کوارتز که از اتم هاي سیلسیوم و اکسیژن تشکیل میشود ممکـن اسـت برحسـب شـرایط دمایی هنگام سنتز مولکول ساختار شبکه اي مختلفی پیدا کند. ساختار شبکه اي کریستالی نقش مهمی نسبت بـه سـایر ساختارهاي نانوذرات دارد که ناشی از افزایش بسیار زیاد سطح اتمها نسبت به مواد توده اي شکل است.
3
شیمی سطح
نانوذرات تمایل زیادي به متراکم شدن دارند. این رفتاري طبیعی از ذرات بسیار ریز است زیرا نسبت ویژه و بسـیار بــالاي ســطح بــه حجــم آنهــا باعــث ایجــاد جاذبــه بــین ذره اي نیروهــاي لانــدن و وانــدروالس و همچنــین تعــاملات الکترواستاتیک می شود. گروههاي عاملی نانوذرات معمولا با مولکول هاي آلی هیدروفیلیک پوشانده می شوند که مـی توانند نانوذرات ناپایدار و یا نامحلول را به ترکیبات بشدت محلول تبدیل نمایند.
بار الکتریکی سطحی
اندازه و بار الکتریکی سطحی از عوامل مؤثر بر پخش نانوذرات در محیط هاي واسط هستند. این دو عامل میتواننـد بر جذب یون ها، آلاینده ها و بیومولکول ها و نیز بر چگونگی واکنش سلول هنگـام مواجهـه بـا چنـین مـوادي اثرگـذار باشد. بار الکتریکی سطحی بر پاسخ زیستی در برابر نـانوذرات یـا بـه عبـارت دیگـر بـر فراینـدهاي زیسـتی از جملـه فاگوسیتوز، سمیت ژنتیکی و حساسیت زایی نیز مؤثر می باشد.
2-2 توصیف صفات اختصاصی حین آماده سازي و فرموله شدن
تعیین خصوصیات نانوذراتی که براي انجام پژوهش ها در آزمایشگاه ساخته شده و یا از تولید کننده هاي تجـاري خریداري می شود از مهمترین رویکردها در برنامه ریزي آزمایش هاي سم شـناختی مـی باشـد تـا اطلاعـات فیزیکـی شیمیایی لازم براي شرح رفتار بیولوژیکی فراهم آید.
طیف وسیعی از روشها و فرایندهاي تجزیه اي را می توان براي بررسی خصوصیات کلی نانومواد بکار گرفـت کـه عباتند از:
الف- روشهاي میکروسکوپی:
FIB, AFM, STM, MFM, SCM, SEM,TEM
ب- روشهاي براساس پراش:
XRD, XRF
ج- روشهاي طیف سنجی:
NMR, RAMAN, FTIR, RBS, SMIS, XPS
3-2 توصیف صفات اختصاصی نانومواد پس از بکار گیري
تعیین خصوصیات نانومواد تجـویزي در مطالعـات سـم شناسـی بـراي تبیـین نحـوه تعامـل و تغییـر خصوصـیات فیزیکوشیمیایی نانومواد هنگام مطالعه ضروري می باشد. دوز نانومواد که میتواند موجب ایجـاد پاسـخ فیزیولـوژیکی در بررسی بافت هاي زنده و محیط مصنوعی شود باید تعیین گردد.
پاسخهاي فیزیولوژیکی به نانومواد بستگی به خصوصیات فیزیکـی شـیمیایی و شـرایط تجـویز آنهـا دارد. واسـطه بیولوژیکی انتخاب شده و فرایند رسوب نانومواد و افزودن پایدار کننده ها و نمک ها میتواند بر پتانسیل تـأثیر گـذاري بیولوژیکی نانومواد مؤثر باشد.
تعیین صحیح ویژگی ها براي درك ارتباط خصوصیات فیزیکی شیمیایی نانو مواد و مواجهه، برداشت و پاسـخ اثـر به منظور ایجاد رابطه دوز-پاسخ بسیار مهم است. روش هاي آماده سـازي آزمایشـگاهی، راههـاي مواجهـه، شـرایط
4
کشت سلولی و سیستم ها و حیوانات مواجهه داده شده با نانومواد باید مورد توجه قرار گیرد. تعیـین رفتـار نـانومواد در محیط هاي هدف (آب، هوا یا سلولهاي کشت داده شده) از اهمیت بسیاري برخوردار است.
براي تعیین مشخصات نانو مواد ساخته شده چندین موضوع حائز اهمیت است که باید به آنها توجه شـود. الـف) نـانو مواد باید به همان شکلی که سازنده تولید می کند از لحاظ خصوصیات مورد شناسـایی قـرار گیـرد. ب) خصوصـیات نانو مواد باید در حالتی که در سیستم هاي بیولوژیکی بدن مورد استفاده قرار می گیرند نیز شناسایی شوند. زیـرا در این حالت ممکن است نانو مواد تماس یافته با مایعات بیولوژیکی با پروتئین ها یا سایر بیومولکول ها پوشیده شـوند و این می تواند بر روي خصوصیات نانو مواد اثرگذار باشد و تغییراتی در آنها ایجاد نماید، بویژه در توزیع سـایز ذرات به خاطر خاصیت توده اي شدن ذرات. ج) موضوع دیگر مورد توجه براي شناسایی خصوصیات نانو مـواد، توجـه بـه آنها در حالتی است که به شکل واقعی در محصولاتی به کار می روند و در واقع شکلی از نانو مواد است که مشـتریان محصولات با آنها مواجهه می یابند.
3 روش هاي اندازه گیري
اگر چه سازمان هاي بین المللی بسیاري در جهان در خصوص روش هاي مختلف ارزیابی مواجهه با نـانو مـواد در محیط کار تحقیق می کنند (از جمله NIOSH، EPA، ISO، HSE، JNIOSH و غیره) اما تاکنون هیچ روش اسـتاندارد و یا مورد توافق همه محققین ایجاد نشده است. دلیل اصلی در این مورد مشکل در آنالیز دقیـق نـانو مـواد هـوابرد در محیط کار است(.(8,9,10,11 زیرا این مواد خصوصیات فیزیکوشیمیایی متفاوتی با سایر ذرات در مقیاس هاي بـزرگ تر از نانو دارند.
اغلب روش اندازه گیري پیشنهادي توسط سازمان هاي تحقیق کننده شکلی اصلاح شده و تغییر یافته از روش هاي اندازه گیري قدیمی است که براي ذرات و مواد در مقیاس میکرونی به کار می رفته است.
1-3 طبقه بندي فرایندهاي تولید
در ابتدا اندازه گیري نانو مواد در محیط هاي کاري باید در فرایندهاي تولیدي انجام شـود. اغلـب روش هـاي سـنتز نانو ذرات در فاز گازي بر اساس هسته دار کردن همگون بخار فوق اشباع و رشد بیشتر ذره توسط کندانسـه شـدن و کواگولاسیون می باشد. در کل روش هاي سنتز این مواد را می توان بـه دو دسـته حرارتـی و فراینـد تبخیـري تقسـیم نمود. ذراتی که در فاز گازي ابتدا تولید می شوند به سرعت ذرات بزرگتري را تشکیل می دهند کـه بـراي پیشـگیري از این حالت، نانو مواد از طریق واکنش در یک محلول با کمک مواد تثبیت کننده (مثل سورفکتانت) تولید می شوند. در این حالت امکان مواجهه از طریق استنشاقی براي کارگران نیز کاهش می یابد.
در نوعی دیگر از فرایند تولید نانو ذرات، این مواد از طریق روش هاي خرد کردن مکانیکی تولید می شـوند؛ بـه ایـن ترتیب که نانو ذرات از ذرات بزرگتر تولید می شوند. کاهش سایز ذرات با استفاده از روشهایی مثـل آسـیاب کـردن و پودر کردن بخوبی در فرایند هاي صنعتی براي تولید ذرات بسیار ریز مـواد معـدنی نظیـر خـاك رس، ذغـال و فلـزات امکان پذیر شده است.
