ISO/TR 27628:2007
(Main)Workplace atmospheres — Ultrafine, nanoparticle and nano-structured aerosols — Inhalation exposure characterization and assessment
Workplace atmospheres — Ultrafine, nanoparticle and nano-structured aerosols — Inhalation exposure characterization and assessment
ISO/TR 27628:2007 contains guidelines on characterizing occupational nanoaerosol exposures and represents the current state-of-the-art, with an emphasis on nanometre-diameter particles. Background information is provided on the mechanisms of nanoaerosol formation and transportation within an occupational setting and on industrial processes associated with nanoaerosol exposure. Exposure metrics appropriate to nanoaerosols are discussed, and specific methods of characterizing exposures with reference to these metrics are covered. Specific information is provided on methods for bulk aerosol characterization and single particle analysis.
Air des lieux de travail — Particules ultrafines, nanoparticules et aérosols nanostructurés — Caractérisation et évaluation de l'exposition par inhalation
L'ISO/TR 27628:2007 contient des lignes directrices relatives à la caractérisation des expositions aux nanoaérosols au travail. Il constitue l'état de l'art actuel et met l'accent sur les particules de dimension nanométrique. Il comprend des informations de base relatives aux mécanismes de formation et de transport d'un nanoaérosol dans l'air d'un lieu de travail et aux procédés industriels qui sont associés à une exposition aux nanoaérosols. Il est question des métriques d'exposition pertinentes à utiliser pour l'exposition aux aérosols ainsi que des méthodes spécifiques de caractérisation des expositions par rapport à ces différentes métriques. Des informations spécifiques sont également incluses concernant les méthodes de caractérisation des aérosols basées sur une mesure intégrale ou bien fonction de la taille de la particule.
General Information
Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 27628
First edition
2007-02-01
Workplace atmospheres — Ultrafine,
nanoparticle and nano-structured
aerosols — Inhalation exposure
characterization and assessment
Air des lieux de travail — Particules ultrafines, nanoparticules et
aérosols nanostructurés — Caractérisation et évaluation de l'exposition
par inhalation
Reference number
©
ISO 2007
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Terms and definitions. 1
3 Symbols and abbreviated terms . 4
4 Background . 5
4.1 Nanoaerosols (including ultrafine aerosols) and potential health effects. 5
4.2 Lung deposition of nanoparticles . 6
4.3 Transport of nanoparticles in the body. 9
4.4 Physical behaviour of nanoaerosols . 9
4.4.1 Formation . 9
4.4.2 Coagulation . 10
4.4.3 Transport . 11
4.5 Physiological basis for defining nanoparticles and nanoaerosols. 11
4.5.1 General. 11
4.5.2 Biologically-relevant definitions of particle diameter . 11
4.5.3 Biological significance of particle size. 12
4.5.4 Significance of nanoparticle agglomeration/aggregation . 12
4.5.5 Summary. 12
5 Sources of occupational nanoaerosols.13
6 Characterizing exposure to occupational nanoaerosols. 15
6.1 Exposure assessment strategies. 15
6.1.1 Introduction . 15
6.1.2 Considerations for exposure assessment strategies. 15
6.1.3 Sampling. 16
6.1.4 Miscellaneous . 18
6.1.5 Exposure assessment strategies — Summary. 18
6.2 Particle ensemble characterization methods . 18
6.2.1 General. 18
6.2.2 Mass concentration . 18
6.2.3 Surface-area concentration . 19
6.2.4 Number concentration. 20
6.3 Size-resolved characterization . 21
6.3.1 Measuring size distribution using particle mobility analysis . 21
6.3.2 Measuring particle size distribution using inertial deposition. 22
6.3.3 Electrical low pressure impactor measurements. 23
6.3.4 Diffusion batteries . 23
6.4 On-line chemical analysis. 23
6.5 Single particle analysis . 24
6.5.1 General. 24
6.5.2 Electron microscopy imaging and analysis methods. 25
6.5.3 Single particle analysis in the scanning force microscope . 25
7 Summary. 26
Annex A (informative) Electron microscopy sample collection and preparation. 27
Bibliography . 30
Foreword
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(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
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which is normally published as an International Standard (“state of the art”, for example), it may decide by a
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informative in nature and does not have to be reviewed until the data it provides are considered to be no
longer valid or useful.
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ISO/TR 27628 was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 2,
Workplace atmospheres.
iv © ISO 2007 – All rights reserved
Introduction
Aerosol exposure has historically been characterized by the mass concentration of airborne material, usually
associated with specific size ranges corresponding to different deposition regions within the respiratory
system. However, there are indications that mass concentration alone may not provide a suitable indication of
the health risks associated with some aerosols. A number of toxicology studies have indicated that, on a mass
for mass basis, some very small respirable insoluble particles may be more toxic than larger respirable
[4 to 11]
particles with a similar composition . Ambient aerosol epidemiology studies since the early 1990s have
demonstrated an increase in health impact from particles smaller than 2,5 µm compared to those smaller than
[12 to 22]
10 µm on a mass for mass basis . While there is very limited health impact data specific to inhaling
very fine respirable particles from the occupational environment, there is evidence to suggest that health
effects associated with inhaling such particles generated in hot processes, such as metal processing and
[23][24]
welding, are greater than mass-based exposures would indicate . Taken together, the evidence points
towards a particle size-related health risk following inhalation exposure to some occupational aerosols that is
not appropriately reflected by mass concentration alone. In recognition of the potential importance of particle
size, the term “ultrafine aerosol” has gradually been adopted and loosely refers to particles “smaller than
100 nm in diameter”. The term is now widely used to refer to incidental aerosols where there are potential
particle size-dependent health effects. As research and development into nanotechnology has increased over
recent years, concern has also been expressed over the potential health impact of purposely generated
[25 to 28]
particles with nanometre diameters or nanoscale structures . In this context, the terms “engineered
nanoparticle” and “engineered nanoaerosol” have also been used loosely to describe particles and aerosols
associated with engineered nanometre-structured materials. However, a generally accepted set of definitions
for these terms is still under discussion. For clarity, in this report, the term “nanoparticle” is used to describe all
aerosol particles with diameters smaller than approximately 100 nm that present a potential inhalation health
hazard. Larger particles with a nanometre-scale structure that may also present a potential health hazard
(such as agglomerates of nanoparticles and nanometre-diameter fibres) are referred to as “nanostructured”
particles, and aerosols of nanoparticles and nanostructured particles are referred to as “nanoaerosols”.
With only limited toxicity data and negligible exposure data, it is currently unclear how exposure to
nanoaerosols should be most appropriately monitored and regulated. There is strong toxicity-based evidence
that aerosol surface area is an appropriate exposure metric for low solubility particles that removes the
[5][8][9][29]
dependency on particle size . However, there are also indications that in some instances particle
[23]
number within specific particle size ranges may be important . Recent studies on particle translocation
within the body have further indicated a size-dependency on the likelihood of deposited particles moving from
[30][31]
the respiratory system to other organs . At the present time, there is insufficient information to determine
which physical exposure metrics – size-selective number, surface area and mass concentration – are most
relevant, or which are the most appropriate exposure characterization techniques to use. A first step to
providing the necessary information is to establish the means by which exposure can be measured against
different metrics. In the short term, this will provide a means to evaluate exposures where there is concern
over the inadequacy of mass-based methods, particularly in emerging nanotechnologies where engineered
nanoparticle exposure may be significant. It will also provide a basis for developing a deeper understanding of
associations between aerosol exposure and health effects using a range of exposure metrics and will lay the
foundation for future characterization standards.
In this context, the overall aim of this Technical Report is to provide generally accepted definitions and terms,
as well as guidelines on measuring occupational nanoaerosol exposure against a range of metrics. By
providing the means to undertake potentially more relevant exposure measurements where current methods
and standards appear inadequate, it addresses an immediate need and will form a basis for extending
knowledge on how occupational exposure to nanoaerosols should most appropriately be measured. The
development and adoption of appropriate measurement approaches is an essential step toward developing
and implementing future exposure measurement standards for nanoaerosols.
TECHNICAL REPORT ISO/TR 27628:2007(E)
Workplace atmospheres — Ultrafine, nanoparticle and
nano-structured aerosols — Inhalation exposure
characterization and assessment
1 Scope
This Technical Report has been prepared in response to
⎯ increasing concern over the potential health risks associated with occupational exposure to nanometre-
diameter and nanometre-structured aerosol particles (collectively referred to as nanoaerosols, including
the subset of particles produced as a by-product of industrial processes and generally referred to as
ultrafine aerosols),
⎯ the lack of current guidelines and standards applicable to minimizing the health risks, and
⎯ the need to establish valid sampling methodologies as part of the process of formulating appropriate
exposure and exposure monitoring standards.
The principle aim is to provide the necessary background information and sampling guidelines to enable
occupational hygienists and researchers to effectively characterize and monitor nanoaerosol exposures in the
workplace in advance of specific exposure limits and standards being developed and implemented.
Occupational nanoaerosols represent a class of airborne material dominated by particles smaller than typically
100 nm in diameter (either as discrete particles or as agglomerates).
This Technical Report contains guidelines on characterizing occupational nanoaerosol exposures and
represents the current state-of-the-art, with an emphasis on nanometre-diameter particles. Background
information is provided on the mechanisms of nanoaerosol formation and transportation within an
occupational setting and on industrial processes associated with nanoaerosol exposure. Exposure metrics
appropriate to nanoaerosols are discussed, and specific methods of characterizing exposures with reference
to these metrics are covered. Specific information is provided on methods for bulk aerosol characterization
and single particle analysis.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1
accumulation aerosol
aerosol associated with particle growth from the nucleation range through coalescence, coagulation and/or
condensation
NOTE Distribution modes typically extend from 50 nm to 1 µm, but are not confined to these limits.
2.2
aerodynamic diameter
diameter of a spherical particle with a density of 1 000 kg/m , that has the same settling velocity as the
particle under consideration
NOTE Aerodynamic diameter is related to the inertial properties of aerosol particles and is generally used to describe
particles larger than approximately 100 nm.
2.3
aerosol
metastable suspension of solid or liquid particles in a gas
2.4
agglomerate
〈aerosols〉 group of particles held together by relatively weak forces, including van der Waals forces,
electrostatic forces and surface tension
NOTE The term is frequently used interchangeably with “aggregate”.
2.5
aggregate
〈aerosols〉 heterogeneous particle in which the various components are held together by relatively strong
forces and thus not easily broken apart
NOTE The term is frequently used interchangeably with “agglomerate”.
2.6
coagulation
formation of larger particles through the collision and subsequent adhesion of smaller particles
2.7
coalescence
formation of homogeneous particles through the collision of smaller particles and subsequent merging or
mixing of constituent material
2.8
engineered nanoparticle
nanoparticle intentionally engineered and produced with specific properties
2.9
mobility
〈aerosols〉 propensity for an aerosol particle to move in response to an external influence, such as an
electrostatic field, thermal field or by diffusion
2.10
mobility diameter
diameter of a spherical particle that has the same mobility as the particle under consideration
NOTE Mobility diameter is generally used to describe particles smaller than approximately 500 nm, and is
independent of the density of the particle.
2.11
nanoaerosol
aerosol comprised of, or consisting of, nanoparticles and nanostructured particles
2.12
nanoparticle
particle with a nominal diameter (such as geometric, aerodynamic, mobility, projected-area or otherwise)
smaller than about 100 nm
2 © ISO 2007 – All rights reserved
2.13
nanostructured particle
particle with structural features smaller than 100 nm, which may influence its physical, chemical and/or
biological properties
NOTE A nanostructured particle may have a maximum dimension substantially larger than 100 nm.
EXAMPLE A 500 nm diameter agglomerate of nanoparticles would be considered a nanostructured particle.
2.14
nucleation aerosol
aerosol dominated by particle formation from the gas phase, such as through nucleation from a
supersaturated vapour
NOTE Aerosol distributions typically extend from less than 1 nm to 50 nm, but are not confined to these limits.
2.15
particle
small discrete mass of solid or liquid matter
NOTE See Reference [32].
2.16
primary particle
particle not formed from a collection of smaller particles
NOTE The term typically refers to particles formed through nucleation from the vapour phase before coagulation
occurs.
2.17
secondary particle
particle formed through chemical reactions in the gas phase (gas to particle conversion)
2.18
surface area, active
surface area of a particle that is directly involved in interactions with surrounding gas molecules
NOTE Active surface area varies with the square of particle diameter when particles are smaller than the gas mean
free path, and is proportional to particle diameter for particles very much larger than the gas mean free path.
2.19
surface area, specific
surface area per unit mass of a particle or material
2.20
ultrafine aerosol
aerosol consisting predominantly of ultrafine particles
NOTE The term is often used in the context of particles produced as a by-product of a process (incidental particles),
such as welding fume and combustion fume.
2.21
ultrafine particle
particle with a nominal diameter (such as geometric, aerodynamic, mobility, projected-area or otherwise) of
100 nm or less
NOTE The term is often used in the context of particles produced as a by-product of a process (incidental particles),
such as welding fume and combustion fume.
3 Symbols and abbreviated terms
AFM Atomic Force Microscopy
[33]
BET Brunauer, Emmett and Teller method of measuring surface area
CPC Condensation Particle Counter
DMA Differential Mobility Analyser
EDX Energy Dispersive X-ray analysis
EELS Electron Energy Loss Spectroscopy
ELPI Electrical Low-Pressure Impactor
ESEM Environmental Scanning Electron Microscope
FEG-SEM Field Emission Gun Scanning Electron Microscope
GSD Geometric Standard Deviation
HEPA High-Efficiency Particulate Air filter
ICRP International Commission on Radiological Protection
MMAD Mass Median Aerodynamic Diameter
NSOM Near-field Scanning Optical Microscopy
OPC Optical Particle Counter
SEM Scanning Electron Microscope
SMPS Scanning Mobility Particle Sizer, Stepped Mobility Particle Sizer
SPM Scanning Probe Microscopy
STEM Scanning Transmission Electron Microscope
STM Scanning Tunnelling Microscopy
TEM Transmission Electron Microscope
® 1)
TEOM Tapered Element Oscillating Microbalance
A minimum acceptable fractional projected area of a particle with diameter d in a microscope field
d
of view (see Annex A)
A area of the field of view in a microscope, in square metres (m ) (see Annex A)
f
A effective area of a collection substrate, in square metres (m ) (see Annex A)
s ®
1) TEOM is an example of a suitable product available commercially. This information is given for the convenience of
users of this Technical Report and does not constitute an endorsement by ISO of this product.
4 © ISO 2007 – All rights reserved
C particle number concentration as a function of particle diameter, in number of particles per cubic
d
metre (particles/m ) (see Annex A)
d particle diameter, in metres (m)
E sampling efficiency as a function of particle diameter (see Annex A)
d
N minimum acceptable number of particles with diameter d per field of view in a microscope (see
d
Annex A)
n minimum acceptable particle density on a microscope sample, in number of particles per square
s
metre (particles/m ) (see Annex A)
q sampling flow rate, in cubic metres per second (m /s) (see Annex A)
t sampling time, in seconds (s) (see Annex A)
λ wavelength of illuminating light, in metres (m)
4 Background
4.1 Nanoaerosols (including ultrafine aerosols) and potential health effects
Since the late 1980s, toxicological evidence has been emerging indicating that the health effects associated
with inhaling nanoaerosols may not be closely associated with particle mass. Early studies with
polytetrafluoroethene (PTFE) particles around 20 nm in diameter showed that airborne concentrations of a
3 [4][5][34]
supposedly inert insoluble material lower than 50 µg/m could be fatal to rats . Since then, a number of
studies have indicated that the toxicity of insoluble materials increases with decreasing particle size on a mass
for mass basis. The precise mechanisms by which these materials exhibit higher levels of toxicity at smaller
particle sizes have yet to be elucidated, although there are many hypotheses. A number of studies indicate
[8][9][35 to 37]
that biological response depends on the surface area of particles deposited in the lungs . It has
also been suggested that due to their small diameter, nanoparticles are capable of penetrating epithelial cells,
[31][38 to 41]
entering the bloodstream from the lungs , and even translocating to the brain via the olfactory
[30]
nerves . Health effects associated with such particle activity would be closely associated with particle size,
and also possibly particle number. Particles in the nanometre size range have a high percentage of surface
atoms, and are known to show unique physico-chemical properties. One would expect particles within this
size range to demonstrate biological behaviour closely associated with particle diameter, surface area and
surface activity.
Although further research is needed on the physical attributes of nanoaerosols which are most closely
associated with potential health risk, it is apparent that measuring exposures against mass alone is not
sufficient. Of the three primary physical exposure metrics (mass, surface area and number), there is strong
evidence to suggest that occupational nanoaerosols should be monitored with respect to surface area. In this
context, aerosol surface area is not well defined. Surface area is dependent on the characterization approach
used. Geometric surface area refers to the physical surface of an object, and is dependent on the length scale
used in the measurement. Measurement length scale determines the upper size of features that are not
detected by the measurement method. For example, methods utilizing molecular surface adsorption have a
[33]
length scale that approximates to the diameter of the adsorbed molecules . Similarly, biologically relevant
surface area will most likely be determined by the smallest biological molecule that interacts with particles
within the body.
While a strong case may be made for using aerosol surface area as an exposure metric, it is also necessary
to consider characterizing exposures against aerosol mass and number concentration until further information
is available. In addition, some studies have shown there may be critical particle sizes influencing the fate and
[41][42]
toxicity of respirable particles in the lungs . For each of these exposure metrics, but particularly in the
case of mass concentration, size-selective sampling will need to be employed to ensure that only particles
[43]
within the relevant size range are sampled .
4.2 Lung deposition of nanoparticles
Lung deposition probability refers to the mean probability for an inhaled particle with a specific diameter to
deposit somewhere in respiratory system. Total deposition probability is composed of the sum of probabilities
within distinct regions of the respiratory tract. Three major anatomical regions are usually considered:
⎯ the extra-thoracic region, which refers to deposition in the nasal passages, mouth, larynx and pharynx;
⎯ the tracheo-bronchiolar region, consisting of the trachea and bronchi from which deposited particles are
cleared by ciliary action;
⎯ the alveolar region, consisting of the respiratory bronchioles, alveolar ducts and alveoli.
[1]
These regions have been adopted by the International Commission on Radiological Protection (ICRP) and
[44]
the UK National Council on Radiation Protection and Measurements (NCRP) in human respiratory tract
models used to calculate radiation doses to the respiratory tract of workers resulting from the intake of
radionuclides.
[1]
The ICRP deposition model characterizes the distribution of inhaled particulate material within the different
anatomical regions specific to the age and gender of the subject and various physiological parameters. The
deposition model is one of the six elements of the overall human respiratory tract model for radiological
protection, together with morphometry, respiratory physiology, radiation biology, clearance and dosimetry.
The sites and magnitude of particle deposition in the human respiratory tract are determined by physical
mechanisms, together with respiratory tract morphological and physiological parameters of the subject
inhaling the particles.
The five main distinct mechanisms of deposition of inhaled particles are
a) sedimentation, which is due to gravitational force acting on particles,
b) inertial impaction, which characterizes the airborne behaviour of massive particles,
c) interception, which occurs when the edges of a particle contact the surface of the respiratory tract,
leading to deposition,
d) diffusion, due to the random (Brownian) motion of small particles, and
e) electrostatic attraction (when particles carry a charge).
In most studies, this last mechanism is neglected, although it could influence deposition if a subject is exposed
to highly charged particles. Particle hygroscopicity may also affect deposition through enhancing deposition by
impaction and sedimentation.
Respiratory tract morphology and other physiological parameters can vary greatly, depending on the individual
as well as on the type of activity undertaken. Several factors may alter the normal structure and function of the
respiratory tract, including age, respiratory illness and gender. Predictions of lung deposition probability are
generally based on average parameters, and thus may not represent the range of aerosol doses that occur in
a diverse population. However, lung dosimetry models do account for some factors contributing to group
differences in particle deposition and clearance (e.g. age- and gender-specific anatomical and physiological
parameters for particle deposition and modifying factors for conditions, such as pre-existing disease or a
[1]
smoking habit, that influence particle clearance from the respiratory tract) .
Figure 1 shows the total and regional aerosol deposition as a function of particle size between 1 nm and
100 µm using the ICRP model. The curves are for a “reference person” either breathing through the nose or
mouth, with 1/3 of the time spent sitting and 2/3 of the time spent undertaking light exercise (a standard
[1]
workload ).
6 © ISO 2007 – All rights reserved
Key
X particle diameter, in micrometres (µm)
Y deposition fraction relative to ambient aerosol concentration, in percent (%)
1 total
2 extra-thoracic
3 tracheo-bronchiolar
4 alveolar
Deposition fraction includes the probability of particles being inhaled (inhalability). The subject is considered to be either a
[1]
nose breather (solid lines) or a mouth breather (dotted lines) and to be performing standard work . Calculations were
[2]
made using the LUDEP program .
Figure 1 — Predicted total and regional deposition of particles in the human respiratory tract related
to particle size
As can be seen from Figure 1, total deposition reaches a minimum within the lung for airborne particles with
an aerodynamic diameter of around 300 nm. At this size, particles are too large for diffusion to be effective
and too small for impaction or interception to be effective. Below this minimum in deposition probability,
predicted deposition increases as diffusional forces increase with decreasing particle diameter. Nanoparticles
above 10 nm are deposited primarily in the alveolar region, while particles less than 10 nm have significant
deposition in the head airways, and to a lesser extent in the tracheo-bronchiolar region, due to their very high
diffusional mobility.
Figure 2 shows the predicted total and regional deposition for four polydisperse log-normally distributed
aerosols [each having a geometric standard deviation (GSD) of 2] for a “reference” nose breather undertaking
a “standard” workload.
Key
X count median particle diameter, in nanometres (nm)
Y deposition fraction, in percent (%)
1 total
2 extra-thoracic
3 tracheo-bronchiolar
4 alveolar
Deposition fraction includes the probability of particles being inhaled (inhalability). The subject is considered to be a nose
[1]
breather and to be performing under “standard” working conditions . Calculations were made using the LUDEP
[2]
program .
Figure 2 — Predicted total and regional deposition of particles in the human respiratory tract for
polydisperse aerosol with a given count median geometric standard deviation of 2
8 © ISO 2007 – All rights reserved
From Figures 1 and 2, it is clear that a substantial fraction of inhaled nanoparticles will deposit within the
respiratory tract. For particles larger than 5 nm, deposition is predominantly in the alveolar region of the lungs.
However, there is a significant predicted deposition probability for nanoparticles in the extra-thoracic and
tracheo-bronchiolar regions, particularly for particles smaller than 5 nm. Particle deposition in these regions
may be important in the development of airways diseases, such as chronic obstructive pulmonary disease
(COPD) or asthma. In addition, once deposited in the respiratory tract, particles may be translocated
elsewhere in the body. Experimental data confirm the trend of increasing deposition probability with
decreasing particle size, and also demonstrate variations in deposition with breathing pattern and level of
[45][46]
exertion . Particle deposition probability has been shown to be higher among individuals with lung
[47]
diseases, such as chronic obstructive pulmonary disease .
4.3 Transport of nanoparticles in the body
As described in the previous section, the deposition fraction of inhaled nanoparticles is greater in the alveolar
and tracheo-bronchial regions of human lungs, compared to the larger-diameter inhaled particles. Once
deposited, nanoparticles may also remain in the lungs longer than larger particles, due to decreased
clearance and increased retention of nanoparticles. Studies in rodent lungs and cell cultures have shown
decreases in phagocytosis (engulfment) and clearance of nanoparticles by macrophages, compared to the
[48][49]
same mass of fine particles . Some types of nanoparticles (e.g. titanium dioxide, carbon) have been
shown to penetrate the epithelial cell barrier more readily and enter the lung interstitium or the blood
[39][50]
circulation in rats or hamsters . Once in the blood, nanoparticles may translocate to other organs in the
[40]
body . Rapid translocation of nanoparticles into the systemic circulation has been reported in humans using
[39][51]
radiolabeled carbon particles < 100 nm . The fate of inhaled nanoparticles may also depend on chemical
composition; while nanometre scale carbon particles have been shown to translocate rapidly to blood and
[40]
extrapulmonary tissue in rats , similar studies with iridium metal nanoparticles have shown only a small
[31]
fraction of the particles translocating .
Nanoparticles may also translocate to the brain, as observed in rats, by a mechanism involving the
translocation of nanoparticles along the olfactory nerve following their deposition in the nasopharyngeal region
[30]
of the respiratory tract . The significance of this path as a route of exposure in humans is unknown at this
time.
[1] [44]
Current human lung dosimetry models (e.g. ICRP 1994 , NCRP 1997 ) account for particle size in the
predicted deposition fractions for the major regions of the respiratory tract (Figure 1). The particle size-specific
effect on clearance is limited in these models, as the rates of clearance from the lungs or translocation to
other organs are based on the mass of particles depositing within each of these major lung regions. Thus, due
to the data available at the time these models were developed, the mass-based clearance rates do not
distinguish between the clearance of nanoparticles and larger particles that deposit in a given lung region.
This may be an area for further model development.
4.4 Physical behaviour of nanoaerosols
4.4.1 Formation
[52][53]
The ubiquitous way of nanoparticle formation is from the gas phase . This process is characterized by
an initial nucleation step, i.e. the formation of very small particle embryos from the molecular phase. These
nuclei subsequently grow by coagulation and/or surface growth mechanisms (heterogeneous condensation,
surface reaction). The details of the overall process depend very much on the amount of available
condensable gaseous materials, their thermodynamic and chemical properties, as well as on the process
conditions.
The aerosol is formed from precursor materials which are either vaporized from a liquid or solid reservoir or
are existent as intimately mixed reactive gases. The formation of condensable vapour is achieved by cooling
and/or by chemical reaction of the precursor gases resulting in supersaturations high enough for
homogeneous nucleation to occur. At high nucleation rates where a high-density cloud of embryos is being
formed, particle growth will be predominantly controlled by coagulation. This is the case, for example, for silica
and welding fumes formed in flame and plasma processes. The temperature history of the process, as well as
material parameters of the condensed aerosol matter (such as viscosity, surface and volume diffusion), are
key parameters controlling the resulting particle morphology and internal structure. If the aerosol material is in
the liquid state all the time, the particles remain spherical upon coagulation due to rapid coalescence of the
colliding droplets. If the intra-particle material flux is quenched throughout the process due, for example, to a
sharp temperature drop in the region of particle formation, coalescence is inhibited. Eventually necks between
colliding particles will form, resulting in aggregates with strong internal sinter bonds. At the low temperature
end of the process, coagulation leads to agglomerates held together by relatively weak Van der Waals or
electrostatic forces.
At low nucleation rates leading to small number concentrations of newly formed particles, direct
heterogeneous condensation of the aerosol vapour on existing particle surfaces controls the dynamics of the
aerosol size distribution. Examples are condensed organic vapours in fugitive emissions, such as asphalt
fumes. Condensational growth can result in quite large particles with diameters outside the nanometre size
region even if the total mass concentration is small.
Where homogeneous nucleation is concerned, the nucleation rate is a very steep function of the vapour
saturation ratio and may change by orders of magnitude when the saturation ratio varies only slightly. From
the perspective of uncontrolled particle formation in workplaces, it is often sufficient to consider homogeneous
nucleation as an all-or-nothing effect taking place when the supersaturation reaches a critical value. This
value is well above one, the saturation ratio necessary for heterogeneous condensation of vapour onto pre-
existing surfaces. In many high-temperature processes, such as the flame production of commodities (for
example, titanium dioxide by the oxidation of titanium tetra chloride), the reaction of the gaseous precursors
leads to new compounds, the critical cluster size of which is extremely small, of the order of the molecular
diameter. Here, nucleation is a purely kinetic process and the nucleation rate of the aerosol material is equal
to the reaction rate of the gaseous precursors. Further particle growth is primarily by coagulation. The same
situation holds for fume formation over hot liquid metals where the precursor is the metal vapour, which
nucleates either by cooling or by oxidation in the air. These are very important mechanisms for nanoparticle
formation.
When particles are already present in the air, heterogeneous condensation and nucleation compete for the
available condensable vapour. Heterogeneous condensation of condensable species will prevail when the
surface area available is larger than the one expected to be formed by homogeneous nucleation at the
specific thermodynamic conditions. In this case, the formation of new (nanometre-diameter) particles can be
inhibited. In contrast, if existing particles are removed from the air (for instance, by filtration), the surface area
for heterogeneous condensation is reduced, leading to a possible enhancement of nanoparticle generation
through homogeneous condensation of condensable vapours. Such events may occur in the workplace but
are extremely difficult to predict in detail due to lack of information on the thermodynamic conditions and the
chemical composition of the condensable vapour phase.
The kinetics of heterogeneous condensation of vapour onto pre-existing particles leads to an increase in the
amount of condensed vapour material per particle mass with decreasing particle size (enrichment). Since the
condensation rate of vapour molecules onto nanoaerosols is proportional to aerosol surface-area
concentration, the content of adsorbed toxic material in the nanoparticle fraction is proportional to the specific
surface area. This is of toxicological importance in view of, for example, polycyclic aromatic hydrocarbons
(PAHs), heavy metals and other condensable toxic substances being found in increased concentrations in the
nanoparticle mode, thus serving as an efficient transport vehicle for the respective substances.
4.4.2 Coagulation
In many cases of high-temperature formation of nanoparticles, binary coagulation is the dominant growth
process determining the final size distribution. Key parameters controlling coagulation are the relative motion
between the particles, their size and number concentration, as well as material properties determining the
rearrangement of material inside the particles.
Solid nanoaerosols often appear as agglomerates composed of a large number of primary particles. Examples
are diesel soot and welding fumes. The size of the primary particles is controlled by the temperature history of
the growth process. In regions of high temperature, colliding particles will coalesce as long as the typical
coalescence time between particles is small compared to the collision time and the residence time in the high-
temperature zone. As soon as the system cools down, coalescence is quenched and the colliding particles
retain their spherical shape and size. Aggregates and agglomerates are formed from these primary particles
10 © ISO 2007 – All rights reserved
upon further particle collision. The structure of the growing agglomerates is fractal-like, leading to aerosols
with a high specific surface area.
Close to the respective sources for nanoparticles, for example the evaporation zone of the welding process,
the mass concentration of c
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 27628
Première édition
2007-02-01
Air des lieux de travail — Particules
ultrafines, nanoparticules et aérosols
nanostructurés — Caractérisation et
évaluation de l'exposition par inhalation
Workplace atmospheres — Ultrafine, nanoparticle and nano-structured
aerosols — Inhalation exposure characterization and assessment
Numéro de référence
©
ISO 2007
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Termes et définitions. 1
3 Symboles (et abréviations) . 4
4 Informations de base. 5
4.1 Nanoaérosols (notamment aérosols ultra-fins) et risques potentiels pour la santé . 5
4.2 Dépôt de nanoparticules dans le poumon . 5
4.3 Transport de nanoparticules dans le corps.9
4.4 Comportement physique des nanoaérosols. 9
4.4.1 Formation . 9
4.4.2 Coagulation . 11
4.4.3 Transport . 12
4.5 Base physiologique à la définition des nanoparticules et des nanoaérosols . 12
4.5.1 Généralités . 12
4.5.2 Définitions du diamètre d’une particule satisfaisantes d’un point de vue biologique. 12
4.5.3 Importance biologique de la taille d’une particule . 12
4.5.4 Importance de l’agglomération/agrégation de nanoparticules. 13
4.5.5 Synthèse . 13
5 Sources de nanoaérosols sur les lieux de travail . 13
6 Caractérisation de l’exposition aux nanoaérosols sur les lieux de travail. 16
6.1 Stratégies d’évaluation des expositions . 16
6.1.1 Introduction . 16
6.1.2 Considérations concernant les stratégies d’évaluation de l’exposition. 16
6.1.3 Échantillonnage . 17
6.1.4 Divers . 19
6.1.5 Stratégies d’évaluation de l’exposition — Résumé . 20
6.2 Méthodes de caractérisation intégrale des particules. 20
6.2.1 Généralités . 20
6.2.2 Concentration massique. 20
6.2.3 Concentration de surface . 21
6.2.4 Concentration en nombre . 22
6.3 Caractérisation en fonction de la taille. 24
6.3.1 Mesure de la distribution granulométrique à l’aide d’une analyse de la mobilité des
particules . 24
6.3.2 Mesurage de la distribution granulométrique à l’aide d’un dépôt inertiel. 24
6.3.3 Mesurages à l’aide d’un impacteur électrique à basse pression (ELPI). 25
6.3.4 Batteries de diffusion . 26
6.4 Analyse chimique en ligne. 26
6.5 Analyse d’une particule seule . 27
6.5.1 Généralités . 27
6.5.2 Imagerie de microscopie électronique et méthodes d’analyse . 27
6.5.3 Analyse d’une particule seule dans un microscope à force atomique . 28
7 Synthèse . 29
Annexe A (informative) Prélèvement et préparation d’un échantillon par microscopie électronique . 30
Bibliographie . 34
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
Exceptionnellement, lorsqu'un comité technique a réuni des données de nature différente de celles qui sont
normalement publiées comme Normes internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l'état
de la technique par exemple), il peut décider, à la majorité simple de ses membres, de publier un Rapport
technique. Les Rapports techniques sont de nature purement informative et ne doivent pas nécessairement
être révisés avant que les données fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO/TR 27628 a été élaboré par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l'air, sous-comité SC 2,
Atmosphères des lieux de travail.
iv © ISO 2007 – Tous droits réservés
Introduction
L’exposition aux aérosols a toujours été définie par la concentration massique de particules en suspension
dans l’air, habituellement associée aux gammes de taille spécifiques correspondant à différentes régions de
dépôt du système respiratoire. Toutefois, certains signes tendent à prouver que la concentration massique
seule ne fournit pas une indication convenable des risques pour la santé que présentent certains aérosols.
Plusieurs études toxicologiques, réalisées sur une base masse pour masse, ont démontré que, pour une
composition identique, certaines particules insolubles inhalables, de taille très petite, peuvent se révéler plus
[4 à 11]
toxiques que des particules inhalables plus grosses . Les études épidémiologiques sur les aérosols
ambiants, réalisées depuis le début des années 90, indiquent que l’influence des particules inférieures
à 2,5 µm sur la santé augmente par rapport aux particules inférieures à 10 µm, sur une base masse pour
[12 à 22]
masse . Alors que peu de données existent sur les conséquences sur la santé de l’inhalation de
particules très fines sur le lieu de travail, certains éléments suggèrent que l’inhalation de ces particules
produites par un processus thermique (par exemple le traitement des métaux ou la soudure) a des
[23][24]
conséquences plus importantes que ne le laissent croire les expositions basées sur la masse . Ces
éléments convergent vers un risque pour la santé à la suite d’une exposition par inhalation de certains
aérosols au travail, risque qui ne peut être estimé par la concentration massique seule. Prenant en compte
l’importance potentielle de la taille des particules, le terme «aérosol ultra-fin» a progressivement été adopté. Il
désigne plus généralement les particules «ayant un diamètre inférieur à 100 nm». Ce terme est aujourd’hui
fréquemment utilisé pour désigner les aérosols issus des émissions secondaires lorsqu’il existe des risques
potentiels pour la santé en fonction de la taille de la particule. La recherche et le développement dans le
domaine des nanotechnologies a progressé au cours de ces dernières années, tout comme l’inquiétude
concernant les conséquences potentielles sur la santé des particules produites de manière intentionnelle et
[25 à 28]
ayant des dimensions nanométriques ou une structure à l’échelle nanométrique . Dans ce contexte, les
termes «nanoparticules élaborées et nanoaérosols élaborés» ont également été utilisés plus généralement
pour décrire les particules et aérosols associés à des matériaux élaborés avec une structure nanométrique.
Cependant, un ensemble de définitions qui fasse l’unanimité est toujours à l’étude. Pour plus de clarté, dans
ce rapport, le terme «nanoparticule» est utilisé pour décrire toutes les particules d’aérosol ayant des
diamètres inférieurs à environ 100 nm et présentant un risque potentiel pour la santé en cas d’inhalation. Les
particules plus grosses, qui ont une structure à l’échelle nanométrique et peuvent également présenter un
risque potentiel pour la santé (par exemple les agglomérats de nanoparticules et les fibres ayant un diamètre
caractéristique à l’échelle nanométrique) sont désignées par les termes particules «nanostructurées», et les
aérosols de nanoparticules et de particules nanostructurées sont désignés par le terme «nanoaérosols».
Avec des données de toxicité limitées et des données d’exposition quasi inexistantes, il est actuellement
difficile de voir comment il convient de contrôler et de réguler l’exposition aux nanoaérosols. Des preuves
solides reposant sur la toxicité indiquent que la surface de l’aérosol est un indicateur d’exposition (métrique)
[5][8][9][29]
approprié pour les particules à faible solubilité, indépendamment de la taille des particules .
Cependant, des indices laissent à penser que dans certaines situations le nombre de particules, dans des
[23]
gammes de taille de particules spécifiques, peut être aussi un indicateur d’exposition pertinent . Des
études récentes sur la translocation des particules dans le corps indiquent que la probabilité de transfert des
[30][31]
particules déposées dans le système respiratoire vers d’autres organes est fonction de la taille . À
l’heure actuelle, il existe trop peu d’informations permettant de déterminer quel indicateur d’exposition ou
quelle métrique (concentration en nombre des particules pour une gamme de dimension spécifique,
concentration en surface et concentration massique) est le plus approprié, ou quelles sont les techniques de
caractérisation de l’exposition les plus adaptées à mettre en œuvre. Pour pouvoir fournir les informations
nécessaires, la première étape consiste à définir les moyens métrologiques permettant de mesurer
l’exposition par rapport aux différentes métriques possibles. À court terme, ils permettront d’évaluer les
expositions pour les situations où les méthodes basées sur la masse semblent remises en question,
notamment dans le domaine émergeant des nanotechnologies où l’exposition aux nanoparticules élaborées
peut être significative. L’utilisation des différentes métriques (nombre, surface et masse) permettra également
de mieux comprendre les liens entre l’exposition aux aérosols et les conséquences sur la santé et servira de
base à de futures normes de caractérisation.
Ainsi, ce rapport technique a pour objectif de proposer des termes et définitions acceptés de tous à ce jour
ainsi que des lignes directrices concernant la mesure de l’exposition professionnelle aux aérosols, en utilisant
différentes métriques. En donnant les moyens de réaliser des mesurages d’exposition potentiellement plus
appropriés, là où les méthodes et normes actuelles semblent limitées, il répond à un besoin immédiat et
permettra d’approfondir les connaissances sur la manière de mesurer l’exposition aux aérosols en milieu
professionnel. Le développement et l’adoption d’approches de mesure adéquates est une étape essentielle
vers l’élaboration et la mise en place de futures normes de mesure des expositions aux nanoaérosols.
vi © ISO 2007 – Tous droits réservés
RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 27628:2007(F)
Air des lieux de travail — Particules ultrafines, nanoparticules
et aérosols nanostructurés — Caractérisation et évaluation de
l'exposition par inhalation
1 Domaine d'application
Le présent Rapport technique a été élaboré pour répondre
⎯ aux inquiétudes croissantes concernant les risques potentiels pour la santé liés à une exposition
professionnelle aux particules d’aérosols de dimension ou de structure nanométrique (communément
désignés par le terme «nanoaérosols», et comprenant le sous-ensemble des particules produites comme
un dérivé de processus industriels et généralement désignés par «aérosols ultra-fins»),
⎯ au manque de lignes directrices et de normes applicables permettant de réduire le plus possible les
risques pour la santé, et
⎯ au besoin de mettre en place des méthodologies d’échantillonnage valides pour l’élaboration des futures
normes qui définiront de manière appropriée l’exposition professionnelle et le contrôle de celle-ci.
Ce Rapport technique a pour principal objectif de fournir les informations de base et instructions
d’échantillonnage nécessaires pour permettre aux chercheurs et hygiénistes du travail de caractériser et
contrôler efficacement les expositions aux nanoaérosols sur le lieu de travail préalablement au
développement et à la mise en place de normes et limites spécifiques de l’exposition. Les nanoaérosols au
travail appartiennent à une classe de particules en suspension dans l’air dominée par des particules ayant un
diamètre généralement inférieur à 100 nm (soit sous forme de particules discrètes ou groupées sous forme
d’agglomérats).
Ce Rapport technique contient des lignes directrices relatives à la caractérisation des expositions aux
nanoaérosols au travail. Il constitue l’état de l’art actuel et met l’accent sur les particules de dimension
nanométrique. Il comprend des informations de base relatives aux mécanismes de formation et de transport
d’un nanoaérosol dans l’air d’un lieu de travail et aux procédés industriels qui sont associés à une exposition
aux nanoaérosols. Il sera question des métriques d’exposition pertinentes à utiliser pour l’exposition aux
aérosols ainsi que des méthodes spécifiques de caractérisation des expositions par rapport à ces différentes
métriques. Des informations spécifiques sont également incluses concernant les méthodes de caractérisation
des aérosols basées sur une mesure intégrale ou bien fonction de la taille de la particule.
2 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
2.1
aérosol d’accumulation
aérosol constitué de particules issues de la nucléation qui ont grossi par coalescence, coagulation et/ou
condensation
NOTE Les modes des distributions granulométriques varient généralement entre 50 nm et 1 µm mais ils ne se
limitent pas à ces valeurs.
2.2
diamètre aérodynamique
diamètre équivalent de la particule sphérique de masse volumique égale à 1 000 kg/m , ayant la même
vitesse limite de sédimentation dans l’air que la particule considérée
NOTE Le diamètre aérodynamique est lié aux propriétés d’inertie des particules dans l’air. Il est généralement utilisé
pour décrire les particules supérieures à environ 100 nm.
2.3
aérosol
suspension métastable de particules solides ou liquides dans un gaz
2.4
agglomérat
〈aérosols〉 groupe de particules liées ensemble par des forces relativement faibles, notamment les forces de
Van der Waals, les forces électrostatiques et les forces de tension superficielle
NOTE Ce terme est fréquemment utilisé de manière interchangeable avec «agrégat».
2.5
agrégat
〈aérosols〉 particule hétérogène dans laquelle les différents composants sont liés ensemble par des forces
relativement importantes et ne peuvent donc pas être séparés facilement
NOTE Ce terme est fréquemment utilisé de manière interchangeable avec «agglomérat».
2.6
coagulation
formation de particules de taille supérieure par collision puis adhésion de particules de taille inférieure
2.7
coalescence
formation de particules homogènes par collision de particules de taille inférieure puis fusion ou mélange du
matériau constitutif
2.8
nanoparticule élaborée
nanoparticule volontairement élaborée et produite avec des propriétés spécifiques
2.9
mobilité
〈aérosols〉 propension d’une particule d’un aérosol à se déplacer sous l’effet d’une influence extérieure telle
qu’un champ électrostatique, un champ thermique ou par diffusion
2.10
diamètre de mobilité électrique
diamètre équivalent d’une particule sphérique ayant la même mobilité que la particule considérée
NOTE Le diamètre de mobilité est généralement utilisé pour décrire des particules inférieures à environ 500 nm. Il ne
dépend pas de la masse volumique des particules.
2.11
nanoaérosol
aérosol constitué ou composé de nanoparticules et de particules nanostructurées
2.12
nanoparticule
particule ayant un diamètre nominal (qu’il soit géométrique, aérodynamique, de mobilité, de surface projetée
ou autre) inférieur à environ 100 nm
2 © ISO 2007 – Tous droits réservés
2.13
particule nanostructurée
particule ayant des caractéristiques structurelles inférieures à 100 nm, qui peuvent influencer ses propriétés
physiques, chimiques et/ou biologiques
NOTE Une particule nanostructurée peut être de dimension sensiblement supérieure à 100 nm.
EXEMPLE Un agglomérat de nanoparticules d’un diamètre de 500 nm pourrait être considéré comme une particule
nanostructurée.
2.14
aérosol de nucléation
aérosol dont les particules sont formées pour l’essentiel à partir de la phase gazeuse, par exemple par
nucléation d’une vapeur sursaturée
NOTE Les distributions granulométriques des aérosols de nucléation varient généralement de moins de 1 nm à
50 nm, mais elles ne se limitent pas à ces valeurs.
2.15
particule
petite masse discrète d’un corps solide ou liquide
NOTE Voir Référence [32].
2.16
particule primaire
particule qui ne résulte pas d’un regroupement de particules plus petites
NOTE Ce terme désigne par exemple les particules formées par nucléation de la phase vapeur avant coagulation.
2.17
particule secondaire
particule formée par réactions chimiques dans la phase gazeuse (conversion gaz-particule)
2.18
surface active
surface d’une particule directement impliquée dans les interactions avec les molécules gazeuses
environnantes
NOTE La surface active varie en fonction du carré du diamètre des particules lorsque ces dernières sont plus petites
que le libre parcours moyen du gaz porteur. Elle est par ailleurs proportionnelle au diamètre des particules lorsque celles-
ci sont nettement plus grandes que le libre parcours moyen du gaz porteur.
2.19
surface spécifique
surface par unité de masse d’une particule ou d’un matériau
2.20
aérosol ultra-fin
aérosol composé principalement de particules ultra-fines
NOTE Ce terme est souvent utilisé dans le cas de particules qui sont un sous-produit d’un procédé (particules
secondaires); c’est, par exemple, le cas des fumées de soudage et de combustion.
2.21
particule ultra-fine
particule ayant un diamètre nominal (qu’il soit géométrique, aérodynamique, de mobilité, de surface projetée
ou autre) inférieur ou égal à 100 nm
NOTE Ce terme est souvent utilisé dans le cas de particules produites comme dérivé d’un processus (particules
secondaires), par exemple des fumées de soudage et de combustion.
3 Symboles (et abréviations)
AFM Microscopie à force atomique
[33]
BET Méthode de Brunauer, Emmett et Teller permettant de mesurer la surface spécifique
CPC Compteur à noyaux de condensation
DMA Analyseur différentiel de mobilité
EDX Analyse en dispersion d'énergie des rayons X
EELS Spectroscopie de perte d'énergie des électrons
ELPI Impacteur électrique à basse pression
ESEM Microscope électronique à balayage environnemental
FEG-SEM Microscope électronique à balayage avec un canon à émission de champ
GSD Écart-type géométrique
HEPA Filtre à particules à très haute efficacité
CIPR Commission internationale de protection radiologique
MMAD Diamètre aérodynamique médian en masse
NSOM Microscopie optique en champ proche
OPC Compteur optique de particules
SEM Microscope électronique à balayage
SMPS Spectromètre de mobilité électrique
SPM Microscopie en champ proche
STEM Microscope électronique à balayage par transmission
STM Microscopie à effet tunnel
TEM Microscope électronique à transmission
® 1)
TEOM Microbalance à élément oscillant
A surface projetée partielle minimale acceptable d’une particule avec un diamètre d dans le
d
champ de vision d’un microscope (voir Annexe A)
A surface du champ de vision d’un microscope, en mètres carrés (m ) (voir Annexe A)
f
A surface effective d’un substrat de prélèvement, en mètres carrés (m ) (voir Annexe A)
s
C concentration en nombre de particules en fonction du diamètre des particules, en nombre de
d
particules par mètre cube (particules/m ) (voir Annexe A)
d diamètres des particules, en mètres (m)
E efficacité de l’échantillonnage en fonction du diamètre des particules (voir Annexe A)
d
N nombre minimal acceptable de particules de diamètre d par champ de vision d’un microscope
d
(voir Annexe A) ®
1) TEOM est un exemple de produit approprié disponible sur le marché. Cette information est donnée à l'intention des
utilisateurs du présent Rapport technique et ne signifie nullement que l'ISO approuve ou recommande l'emploi exclusif du
produit ainsi désigné.
4 © ISO 2007 – Tous droits réservés
n densité surfacique minimale acceptable de particules sur un échantillon de microscope, en
s
nombre de particules par mètre carré (particules/m ) (voir Annexe A)
q débit volumique d’échantillonnage, en mètres cube par seconde (m /s) (voir Annexe A)
t durée d’échantillonnage, en secondes (s) (voir Annexe A)
λ longueur d’onde de la lumière, en mètres (m)
4 Informations de base
4.1 Nanoaérosols (notamment aérosols ultra-fins) et risques potentiels pour la santé
Depuis la fin des années 1980, des études toxicologiques laissent à penser que les effets sur la santé
résultant de l’inhalation d’aérosols peuvent ne pas être étroitement liés à la masse de la particule. Les
premières études conduites avec des particules de polytétrafluoroéthène (PTFE) d’environ 20 nm de diamètre
avaient montré que des concentrations dans l’air inférieures à 50 µg/m , d’une substance insoluble supposée
[4][5][34]
inerte, pourraient être mortelles pour des rats . Depuis, plusieurs études ont indiqué que la toxicité de
substances insolubles est inversement proportionnelle à la taille des particules, sur une base masse pour
masse. Les mécanismes précis par lesquels ces substances présentent des niveaux supérieurs de toxicité
avec des particules de plus petite taille restent toujours à comprendre, même si de nombreuses hypothèses
sont avancées. Certaines études indiquent que la réponse biologique est fonction de la surface des particules
[8][9][35 à 37]
qui se déposent dans les poumons . Il a également été suggéré qu’en raison de leur petit diamètre,
les nanoparticules sont capables de pénétrer les cellules épithéliales, puis dans le sang depuis les poumons
[31][38 à 41] [30]
et même de se déplacer vers le cerveau via le nerf olfactif . Les effets de l’activité de ces
particules sur la santé seraient étroitement liés à la taille des particules et, probablement, à leur nombre. Les
particules dont la taille se mesure en nanomètres possèdent un pourcentage élevé d’atomes de surface. Elles
ont des propriétés physico-chimiques uniques. Il serait logique que les particules de cette taille présentent un
comportement biologique étroitement associé au diamètre, à la surface et à l’activité de surface de la particule.
Même s’il est nécessaire d’effectuer de nouvelles recherches sur les caractéristiques physiques des
nanoaérosols qui sont le plus étroitement associées à un risque pour la santé, il est évident que mesurer les
expositions par rapport à la masse seule n’est pas suffisant. Sur les trois indicateurs d’exposition physiques
primaires (la masse, la surface et le nombre), tout donne à penser qu’il convient de contrôler les nanoaérosols
sur le lieu de travail en fonction de leur surface (aire). Dans ce contexte, la surface de l’aérosol n’est pas
clairement définie. La surface est fonction de la méthode de caractérisation choisie. La surface géométrique
se rapporte à la surface physique d’un objet; elle est fonction de l’échelle de mesure utilisée. L’échelle de
mesure détermine la limite supérieure des caractéristiques qui ne peuvent être détectées par la méthode de
mesure. Par exemple, les méthodes basées sur l’adsorption moléculaire ont une échelle de mesure
[33]
avoisinant le diamètre des molécules adsorbées . De même, une surface biologique sera très
vraisemblablement déterminée par la plus petite molécule biologique interagissant avec les particules dans le
corps.
Alors qu’il est possible d’argumenter en faveur de la surface d’aérosol comme indicateur d’exposition, il est
également nécessaire de caractériser l’exposition professionnelle par rapport à la masse d’aérosol et à la
concentration en nombre, jusqu’à ce que de nouvelles informations soient disponibles. En outre, certaines
études ont démontré que des tailles de particules critiques peuvent influencer la destinée et la toxicité de
[41][42]
particules inhalées dans les poumons . Pour chacune de ces métriques d’exposition, et plus
particulièrement dans le cas d’une concentration massique, un échantillonnage sélectif en taille devra être
utilisé afin de s’assurer que seules les particules comprises dans la gamme de taille voulue sont
[43]
échantillonnées .
4.2 Dépôt de nanoparticules dans le poumon
Le dépôt des particules dans les poumons se rapporte à la probabilité moyenne pour une particule inhalée,
d’un diamètre spécifique, de se déposer à l’intérieur du système respiratoire. La probabilité totale de dépôt est
composée de la somme des probabilités dans les différentes régions des voies respiratoires. Trois régions
anatomiques principales sont généralement prises en compte:
⎯ la région extra-thoracique, qui comprend les dépôts dans les voies nasales, la bouche, le larynx et le
pharynx;
⎯ la région trachéo-bronchique, qui se compose de la trachée et des bronches où les particules déposées
sont nettoyées par action muco-ciliaire;
⎯ la région alvéolaire, constituée des bronchioles respiratoires, des canaux alvéolaires et des alvéoles.
[1]
Ces régions ont été adoptées par la Commission internationale de protection radiologique (CIPR) et par le
[44]
Conseil national britannique de radioprotection et de mesures contre les rayonnements (NCRP) dans les
modèles de voies respiratoires humaines utilisés pour calculer les doses délivrées aux poumons chez les
travailleurs et issues de l’incorporation des radionucléides.
[1]
Le modèle de dépôt de la CIPR caractérise la répartition des substances particulaires inhalées dans les
différentes régions anatomiques en fonction de l’âge et du sexe du sujet ainsi que de différents paramètres
physiologiques. Le modèle de dépôt est l’un des six éléments du modèle général respiratoire humain, les cinq
autres décrivant la morphométrie, la physiologie respiratoire, la radiobiologie, la clairance et la dosimétrie.
Les sites et l’importance du dépôt de particules dans les voies respiratoires de l’être humain sont régis par
des mécanismes physiques et sont fonction des paramètres physiologiques et morphologiques des voies
respiratoires du sujet inhalant les particules.
Les cinq principaux mécanismes de dépôt de particules inhalées sont
a) la sédimentation, due à la force de gravité qui agit sur les particules;
b) l’impaction inertielle, qui caractérise le comportement dans l’air des particules ayant une certaine masse;
c) l’interception, qui se produit lorsque les bords d’une particule entrent en contact avec la surface d’une
voie respiratoire et conduisent à un dépôt;
d) la diffusion, due au mouvement aléatoire (brownien) des petites particules;
e) l’attraction électrostatique (lorsque les particules portent une charge).
Dans la plupart des études, ce dernier mécanisme n’est pas pris en compte, même s’il peut avoir un impact
sur le dépôt dans le cas où le sujet est exposé à des particules portant de fortes charges. L’hygroscopicité
des particules peut également avoir une influence sur le dépôt, plus précisément augmenter le dépôt par
impaction et sédimentation.
La morphologie des voies respiratoires et d’autres paramètres physiologiques peuvent varier sensiblement en
fonction de l’individu et du type d’activité qu’il effectue. Plusieurs facteurs peuvent modifier la structure et le
fonctionnement normal des voies respiratoires, notamment l’âge, les maladies respiratoires et le sexe. Les
prévisions en matière de probabilité de dépôt dans le poumon reposent en règle générale sur des paramètres
moyens et ne peuvent donc pas représenter la plage de doses d’aérosols présentes pour l’ensemble de la
population. Toutefois, les modèles de dosimétrie du poumon rendent compte de certains facteurs qui
contribuent aux différences entre les groupes en matière de dépôt de particules et de clairance (par exemple
les paramètres anatomiques et physiologiques spécifiques à l’âge et au sexe, ou les facteurs modifiant les
conditions, s’agissant par exemple de fumeurs ou de personnes présentant des antécédents médicaux,
[1]
facteurs qui ont un impact sur la clairance de particules dans les voies respiratoires) .
La Figure 1 présente le dépôt total et régional d’aérosol qui varie en fonction de la taille de la particule
entre 1 nm et 100 µm, à l’aide du modèle de la CIPR. Les courbes sont données pour une «personne de
référence» respirant par le nez ou par la bouche, assise pendant 1/3 de son temps et effectuant des efforts
[1]
légers pendant les 2/3 restants (soit une charge de travail standard) .
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Légende
X diamètre de particule, en micromètres (µm)
Y fraction déposée relative à la concentration d'aérosol ambiant, en pourcentage (%)
1 total
2 extra-thoracique
3 trachéo-bronchique
4 alvéolaire
La fraction déposée comprend la probabilité d'inhalation de particules (inhalabilité). Le sujet respire soit par le nez (lignes
[1]
continues), soit par la bouche (lignes en pointillé) et réalise un travail standard . Les calculs ont été effectués à l'aide du
[2]
programme LUDEP .
Figure 1 — Dépôt total et régional prévu de particules dans les voies respiratoires de l'être humain,
en fonction de la taille de la particule
Comme illustré à la Figure 1, le dépôt total atteint sa valeur minimale dans le poumon avec les particules
ayant un diamètre aérodynamique d’environ 300 nm. A cette taille, les particules sont à la fois trop grandes
pour que la diffusion soit effective et trop petites pour que l’impaction ou l’interception soit effective. En
dessous de cette valeur minimale de probabilité de dépôt, le dépôt prévu et les forces de diffusion, sont
inversement proportionnels au diamètre des particules. Les nanoparticules de plus de 10 nm se déposent
principalement dans la région alvéolaire, tandis que les particules de moins de 10 nm se déposent de manière
significative dans les voies aériennes supérieures et, à un degré moindre, dans la région trachéo-bronchique,
en raison de leur très grande mobilité de diffusion.
La Figure 2 montre une prévision du dépôt total et régional prévu de quatre aérosols polydispersés répartis de
manière aléatoire selon une loi log-normale [chacun avec un écart-type géométrique (GSD) de 2] pour une
personne «référence» respirant par le nez et effectuant un travail «standard».
Légende
X diamètre de particule médian, en nanomètres (nm)
Y fraction déposée, en percentage (%)
1 total
2 extra-thoracique
3 trachéo-bronchique
4 alvéolaire
La fraction de dépôt comprend la probabilité pour que les particules soient inhalées (inhalabilité). Le sujet est considéré
[1]
comme une personne respirant par le nez et travaillant dans des conditions «standard» . Les calculs ont été réalisés à
[2]
l’aide du programme LUDEP .
Figure 2 — Prévision du dépôt total et régional des particules dans les voies respiratoires humaines
pour un aérosol polydispersé avec un écart-type géométrique de 2
8 © ISO 2007 – Tous droits réservés
À partir des Figures 1 et 2, il apparaît clairement qu’une partie substantielle des nanoparticules inhalées se
déposera dans les voies respiratoires. Pour les particules supérieures à 5 nm, le dépôt se situe
principalement dans la région alvéolaire. Toutefois, il existe une forte probabilité de voir les nanoparticules se
déposer dans les régions extra-thoraciques et trachéo-bronchiques, notamment pour celles ayant un diamètre
inférieur à 5 nm. Le dépôt de particules dans ces régions peut jouer un rôle important dans le développement
de maladies respiratoires telles que les broncho-pneumopathies chroniques obstructives (COPD) ou l’asthme.
En outre, une fois qu’elles se sont déposées dans les voies respiratoires, les particules peuvent migrer
ailleurs dans le corps. Des données expérimentales confirment la tendance selon laquelle la probabilité de
dépôt est inversement proportionnelle à la taille des particules et démontrent par ailleurs des écarts de dépôt
[45][46]
en fonction des habitudes respiratoires et de l’intensité des efforts fournis . Il a été prouvé que la
probabilité de dépôt de particules est supérieure chez les personnes souffrant de maladies pulmonaires telles
[47]
que les broncho-pneumopathies chroniques obstructives .
4.3 Transport de nanoparticules dans le corps
Comme cela a été décrit dans la section précédente, la fraction déposée de nanoparticules inhalées est
supérieure dans les régions alvéolaires et trachéo-bronchiques des poumons de l’homme, par rapport aux
particules inhalées de diamètre supérieur. Une fois déposées, les nanoparticules peuvent également rester
dans les poumons plus longtemps que les particules plus grandes, en raison d’une clairance réduite et d’une
rétention de particules plus importante. Les études réalisées sur des poumons de rongeurs et sur des cultures
de cellules isolées ont montré une réduction de la phagocytose et de la clairance de nanoparticules par les
[48][49]
macrophages, par rapport à une masse identique de particules fines . Il a été démontré chez les rats ou
les hamsters que certains types de nanoparticules (par exemple le dioxyde de titane, le carbone) pénètrent la
barrière de cellules épithéliales plus facilement et entrent dans l’interstitium pulmonaire ou le circuit sanguin
[39][50] [40]
. Une fois dans le sang, les nanoparticules peuvent se déplacer vers d’autres organes du corps . La
translocation rapide de nanoparticules dans la circulation systémique a été constatée chez les êtres humains
[39][51]
à l’aide de particules de carbone <100 nm portant un marqueur radioactif . Le trajet des nanoparticules
inhalées peut également être fonction de leur composition chimique; alors qu’il est avéré que les particules de
carbone à l’échelle nanométrique se déplacent rapidement dans le sang et les tissus extra-pulmonaires chez
[40]
les rats, des études similaires avec des nanoparticules de métal d’iridium montrent que seule une fraction
[31]
minime des particules se déplace .
Les nanoparticules peuvent également se déplacer au cerveau, comme cela a été observé chez les rats, par
un mécanisme impliquant la translocation le long du nerf olfactif de nanoparticules déposées dans la région
[30]
rhino-pharyngienne des voies respiratoires . Nous ignorons encore l’importance de ce trajet chez l’être
humain.
[1] [44]
Les modèles actuels de dosimétrie du poumon (par exemple CIPR 1994 , NCRP 1997 ) prennent en
compte la taille des particules dans les prévisions de fractions déposées pour les principales régions des
voies respiratoires (Figure 1). Les effets spécifiques de la taille des particules sur la clairance sont limités
dans ces modèles, étant donné que les taux de clairance depuis les poumons ou la translocation vers
d’autres organes sont basés sur la masse de particules se déposant sur chacune de ces régions principales
des poumons. Ainsi, grâce aux données disponibles au moment où ces modèles ont été développés, les taux
de clairance basés sur la masse ne font pas la distinction entre la clairance des nanoparticules et les
particules plus grosses qui se déposent dans une région du poumon donnée. Des efforts pourraient être
menés pour développer ces modèles.
4.4 Comportement physique des nanoaérosols
4.4.1 Formation
[52][53]
La phase gazeuse est à l’origine de la formation de nanoparticules . Ce processus se caractérise par
une étape de nucléation initiale, c’est-à-dire la formation de minuscules embryons de particules pendant la
phase gazeuse. Ces noyaux se développent ensuite par coagulation et/ou à travers des mécanismes de
développement de la surface (condensation hétérogène, réaction en surface). Les détails du processus global
varient grandement en fonction de la quantité de matières gazeuses condensables disponibles, de leurs
propriétés thermodynamiques et chimiques ainsi que de l’environnement du processus.
L’aérosol est formé à partir de substances qui sont soit vaporisées à partir d’un réservoir liquide ou solide soit
existent sous forme de gaz réactifs intimement mélangés. La formation de vapeur condensable est obtenue
par refroidissement et/ou par réaction chimique des gaz précurseurs qui entraînent des sursaturations assez
importantes pour que la nucléation homogène se produise. Des taux de nucléation élevés se traduisant par la
formation d’une forte densité de nuages d’embryons, le développement des particules se fera principalement
par coagulation. C’est, par exemple, le cas pour la silice et les fumées formées au cours de l’application des
procédés de soudage à la flamme et à l’arc plasma. Les relevés de température durant le processus, ainsi
que les paramètres matériels du matériau aérosol condensé, tels que la viscosité, la surface et la diffusion du
volume sont les principaux facteurs qui déterminent la morphologie et la structure interne de la particule. Si la
substance de l’aérosol est en permanence à l’état liquide, les particules conservent une forme sphérique lors
de la coagulation en raison de la coalescence rapide des gouttelettes en collision. Lorsque le flux de matière
intra-partic
...
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