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標題: 奈米物質在環境中的傳輸(上篇)
日期: 2013/03/27
內容:
由於奈米技術領域的持續快速增長並轉化為商業產品,越來越多的奈米物質出現於生物圈中。工程奈米物質的製造包括至少有一個尺寸是奈米級尺度(約1-100奈米)。自然發生的奈米物質也普遍存在於環境中,其產生包括了自然的過程和人為的影響(如絮凝,奈米級的金屬氧化物的酸性礦山排水等)。奈米物質對環境和人類健康的影響評估,需要了解其潛在的暴露途徑和毒性作用,急性和慢性接觸。至目前為止,主要研究的重點在於確定原始的或“剛製造出的” 奈米物質的宿命、傳輸和毒性特性的屬性。美國國家研究委員會(U.S. National Research Council)最近提出一個有關奈米環境健康與安全(nano EHS)研究的新架構,建議相關之研究應聚焦於了解”奈米物質交互作用的關鍵元素”,這些關鍵元素包含了會影響奈米物質最終耐受度、生物有效性、反應性與毒性等之物理、化學與生物轉化作用。奈米物質一般需要有表面包覆劑(capping agent)或穩定劑(stabilizer)以避免顆粒的團聚維持奈米狀態,通常是小的陰離子或聚合物,包含生物性或非生物性的物質,可生物分解或不易生物非解的穩定劑皆有。因此,在討論奈米物質的環境議題時,這些表面修飾劑的影響是需要被納入的。
本文將以系列式的報導,分別說明這些關鍵轉化作用對奈米物質在奈米環境健康與安全議題上的重要性與扮演之角色,本期先就化學性與物理性轉化作用做一介紹。
在奈米物質轉換的化學程序上,自然系統中的氧化和還原過程牽涉電子的轉移是最重要的化學程序之一。某些情況下,氧化可能會導致相對性不溶物在奈米顆粒表面的累積而減少氧化,還具有高容量結合離子的金屬氧化物相。在其他情況下,例如,銀粒子,將零價銀氧化成氧化銀需要溶解和釋放殺菌性的銀離子。陽光催化氧化還原反應(光氧化和光還原)可能被證明是影響奈米物質塗料非常重要的轉化過程,氧化狀態產生的活性氧(ROS)。許多奈米物質將成為天然的光敏性(例如,氧化鈦和奈米碳管),當暴露在陽光下有可能產生活性氧。溶解和硫化是影響奈米顆粒表面性能的重要流程。從B類的軟金屬陽離子(例如,銀,鋅,銅)製成的奈米物質,因為它們形成部分可溶的金屬氧化物,以及它們與無機和有機硫化物配體具有很強的親和力。大分子或有機和無機配體的奈米物質表面吸附可以顯著地影響其表面的化學在生物和環境系統產生的行為。例如,吸附的聚合物塗層對奈米粒子通常會降低其附著於矽表面,意味著更大的流動性會降低飲用水的處理。表面以阿拉伯膠(gum arabic)修飾穩定之奈米銀可因光分解作用而使阿拉伯膠被分解導致科力的團聚作用發生,另外,氧化作用也會使其釋出具殺菌效果之銀離子,並在表面形成氧化銀之殼核結構。由於銀與硫的化學鍵結力強,當奈米銀排放至環境中,很容易與硫形成硫化銀之奈米科之奈米科顆粒,這些都是透過氧化還原之化學作用造成。
在物理轉化作用方面,奈米粒子的團聚(aggregation)會降低的表面積和體積的反應性,是最主要的物理性作用,由於顆粒總體規模的增加,影響他們在多孔介質中的傳輸、沉澱、反應、吸收的有機體和毒性。團聚現象包含兩種形式:均相團聚(homoaggregation)與異相團聚(heteroaggregation),前者是同類奈米顆粒的聚集,後者是奈米顆粒與環境中其它顆粒的聚集。一般而言,在環境中,異相團聚發生的機會較高,除了會造成顆粒粒徑的增加與移動性的降低外,也會使奈米顆粒的行為傾向於較大顆粒(如黏土)的行為。由於團聚作用會造成有效表面積的下降,因此將降低顆粒的反應性,進而降低其毒性,不過由於團聚顆粒的保護效果較佳,故使顆粒在環境中的存留耐受性提高。團聚使奈米顆粒的生物可利用性造成影響,因為顆粒變大,使的它不在容易進出細胞膜,不在容易被生物體所吸收。奈米顆粒的均相團聚使顆粒粒徑增加,原有之光化學作用能力將降低;透過異相團聚使奈米顆粒與較大顆粒結合,固定於環境介質表面,或在其表面形成團聚現象。
參考文獻:
Lowry, G. V., Gregory, K. B., Apte, S. C., Lead, J. R. (2012). Transformations of Nanomaterials in the Environment, Environ. Sci. Technol., 46: 6893−6899.
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網頁更新日期:2014/11/27