Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)

Messung und Analyse ultrafeiner Partikel
(Nanopartikel)
S. Plitzko 1)
U. Gernert 2)
1) Bundesanstalt
für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Berlin
2)Technische
Universität Berlin
Zentraleinrichtung Elektronenmikroskopie
Sabine Plitzko FG 4.5
Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Sabine Plitzko FG 4.5
Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Ultrafeine Partikel (UFP) in Arbeitsbereichen
Salzkristall mit
Rußpartikeln
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Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Ultrafeine Partikel (UFP) in Arbeitsbereichen
MAG-Schweißen
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Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Ultrafeine Partikel (UFP) in der Umwelt
Brochosomen
(aus dem Regenmantel
von Kleinzikaden)
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Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Ultrafeine Partikel (UFP) im Wohnumfeld
Kerzenruß
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Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Messung und Analyse ultrafeiner Partikel
(Nanopartikel)
• Einführung
• Messgrößen zur Beschreibung ultrafeiner Partikel (UFP)
• Messgeräte zur Bestimmung ultrafeiner Partikel (UFP)
• Personengetragene Messtechnik zur Bestimmung der UFP - F 2055
• Expositionen gegenüber ultrafeinen Partikeln (Arbeitsbereich, Umwelt,
Untergrundbelastungen) - F 2055
• Messstrategien bei der Expositionsermittlung UFP in Arbeitsbereichen
F 2055
Sabine Plitzko FG 4.5
Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Einführung - Ultrafeine Partikel - UFP
Teilchen mit Mobilitäts- (oder Diffusions-) Äquivalentdurchmesser < 100 nm
und deren Aggregate bzw. Agglomerate.
Die Eigenbewegung der UFP wird durch
die Brown‘ sche Molekularbewegung
bestimmt (unabhängig von Schwerkraft
und Dichte).
Die Diffusionsabscheiderate ist für die
Deposition der UFP im Atemtrakt
bestimmend.
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Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Wirkung der ultrafeinen Partikel (UFP)
Tierexperimente
Umweltmedizinische
epidemiologische Studien
stärkere Toxizität der UFP
gegenüber „einatembaren“
Partikeln vom gleichen Material
bei gleicher Massendosis
Zusammenhang zwischen PM2,5
und insbesondere UFP mit HerzKreislauf- und Atemwegserkrankungen, Kurzzeit- und
Langzeiteffekte
(Wichmann et al. 2002)
Hinweis auf die besondere
Wirksamkeit freier Primärteilchen
(Oberdörster et al. 2001Teflonrauch)
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Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Messgrößen zur Beschreibung der UFP
Í Numerische Konzentration
(Anzahl der „freien Teilchen“
oder der Primärteilchen, auch die
in den Agglomeraten?)
Í Oberflächen- und Volumenkonzentration
Í Biobeständigkeit (Löslichkeit)
Í Eine abschließende wirkungsbezogene Messgröße kann z.Z. noch
nicht gegeben werden !
Í Deshalb eine möglichst umfassende Charakterisierung der UFP !
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Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Konvention zur Messung der UFP
• Messtechnik muss so ausgelegt sein, dass die Abscheidewahrscheinlichkeit
durch die Diffusion, also die Beweglichkeit der Teilchen, bestimmt wird
• Primär wird die numerische Konzentration gemessen und nicht die
Massenkonzentration
• Teilchengrößenbereiche von 10 nm bis 200 nm (besser bis 500 nm)
müssen messbar sein
• Teilchenanzahlkonzentration von 10 8 T/cm³ müssen erfasst werden
können bei einer arbeitsmedizinisch relevanten Messzeit
➨ Durch das Verfahren selbst oder durch begleitende Messungen müssen
die UFP charakterisiert werden können (u.a. Agglomerationsverhalten,
Primärteilchen) .
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Messgeräte zur Bestimmung UFP
• Kondensationskernzähler / Mobilitätsspektrometer
- CPC 3007
- SMPS - System
• Impaktoren
- Berner Impaktor (Bestimmung
chemischer Inhaltsstoffe der UFP)
- ELPI - System
• Messgeräte, zur Bestimmung der
Oberflächenkonzentration
• Geräte, die eine anschließende
elektronenmikroskopische Analyse
erlauben
- Sammlung auf goldbedampfte Filter
- Thermalpräzipitator (TP)
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Messgeräte zur Bestimmung UFP
(unvollständige Auswahl)
Wide Range Aerosol Spektrometer Grimm
Kondensationspartikelzähler - TSI
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Scanning Mobility Particle Sizer TSI
Oberflächenmonitor - TSI
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Arbeitsplatzbezogene Messungen von UFP
(Grundlage für arbeitsmedizinisch-epidemiologische Untersuchungen)
F 2055
Í Personenbezogen zur individuellen Expositionserfassung
Í Messung zur Erfassung der mittleren Exposition oder Expositionsdosis
Í Arbeitsplatztaugliche Probenahmetechnik (robust, gute Trageeigenschaften, leichtes Handling)
Í Anwendbar auch bei hohen Konzentrationen (u.a. Schweißarbeiten)
Í Charakterisierung von UFP (Aufbereitung der Präparate auf ELMIObjektträgern, elektronenmikroskopische Anslysen, Bewertung von
Agglomeraten und Primärteilchen)
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Personengebundene Messung und Analyse
ultrafeiner Teilchen (UFP)
F 2055
Messung ultrafeiner Teilchen mit einem personengetragenen
Thermal-Präzipitator TPP
elektronenmikroskopische
Analyse (REM, TEM)
Bildanalysesystem zur
Bestimmung von Durchmesserverteilungen, Teilchenkonzentrationen der
Agglomerate und Aggregate
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Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)
Personengebundener Thermal-Präzipitator
Prinzip
Heizwendeln
Luftdurchsatz
Präparateträger
Staubpräparate
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Personengebundener Thermal-Präzipitator
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Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben
Arbeitsbereich
4,0
3,5
Concentration (#/cm³)[e5]
3,0
• Partikelanzahlkonzentration
(10 nm - 1 µm und
5 nm - 40 µm
• Erfassung des zeitl. Verlaufs
der Aerosolkonzentration
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
10:00
11:00
12:00
13:00
Tue 16 Jul 2002
Hallenhintergrundmessungen (MAG - Schweißen)
8,5 104 T/cm³
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Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben
Arbeitsbereich
100000
mittleres Maximum der Partikelgrößen - 63 nm
(bei 615 nm erscheint ein weiteres kleines
Maximum)
Total conc. [dN/dln(dp) [/cm3]]
10000
1000
09.03 Uhr
10.24 Uhr
• Partikelgrößenverteilung
• Erfassung des zeitl. Verlaufs
der Partikelgrößenverteilung
100
10
1
1
10
100
1000
10000
100000
Partikeldurchmesser [nm]
Tonerstaubmessungen in einem Büroraum (worst
case Fall)
4-fache Erhöhung zur Untergrundbelastung
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Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben
Arbeitsbereich
• Partikelmorphologie und
Agglomerationsverhalten
• Aussagen zur Primärteilchengröße
• Elementanalyse (EDX) ist
möglich
Si
700
600
500
Al
Ca
O
400
(C)
300
Mg
200
(Au)
100
Na
K
Fe
Fe
Ca
Ti
Ti
0
0
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Fe
(Au)
keV
10.00
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Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben
Umweltbereich (Hintergrundbelastung)
Partikelanzahlkonzentration [T/cm³]
16
20000
15000
10000
5000
Außenluftmessungen
13
• spontan durchgeführte Einzelmessungen
• CPC und WRS
• unterschiedliche Jahres- und
Tageszeiten
• unterschiedliche Witterungen
• nicht unmittelbar an befahrenen
Straßen oder anderen
Emittenten
n = 21
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∅ = 1,02 104 T/cm³
Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben
Untergrundbelastung
relative Erhöhung der Anzahlkonzentration
45
40
35
30
25
20
15
10
5
)
(0
60
30
71
28
-1
)
ta
ub
To
ne
rs
H
ei
zs
t
ra
hl
er
(
06
03
1)
(0
60
31
2in
en
er
Ka
m
Partikelcharakterisierung
ist notwendig
ge
sc
hl
os
s
K
er
z
VC
en
lic
ht
25
(0
(0
50
92
9
60
31
21)
-1
)
0
Berücksichtigung
weiterer NanopartikelEmittenten im
Arbeitsbereich
• Dieselmotoren
• Elektromotoren
• Heizstrahler
• offene Flammen
• Raucher
• usw.
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Messstrategien - Expositionsermittlung
UFP in Arbeitsbereichen
• Stationäre Messungen mit dem SMPS (WRS) im Arbeitsbereich
- Partikelanzahlkonzentration über die Schicht (5 nm - 40 µm)
- Partikelgrößenverteilung über die Schicht
- Erfassung der Untergrundbelastung (eventuell Nachtmessungen)
• Stationäre und parallele Messung mit dem CPC 3007 in Außenbereichen
- Partikelanzahlkonzentration (10 nm - 1 µm) der Hintergrundbelastung während der Arbeitsbereichsmessungen
• Messungen mit dem Thermalpräzipitator (stationär oder personengetragen)
- Partikelanzahlkonzentration und Größenverteilung
- EDX-Analyse zur Abschätzung des Anteils der Produktpartikel
• goldbedampftes Filter
- Morphologische Abschätzung des Anteils der Produktpartikel
- EDX-Analyse zur Abschätzung des Anteils der Produktpartikel
• Liegestaubprobe
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Messung und Analyse ultrafeiner Partikel
(Nanopartikel)
Danke
Sabine Plitzko FG 4.5
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