Lung-deposited surface area肺沉积表面积

我们如何量化颗粒物？

      颗粒物可以用许多不同的方式测量。传统上，测量单位空气体积的颗粒质量，通常以 x 微米为上限（PMx - 最常见的是 PM10、PM2.5、PM1）。替代指标包括颗粒数量或单位体积颗粒表面积。这些是纯物理指标。也可以考虑化学因素，例如通过测量黑碳或多环芳烃 (PAH) 的含量。没有所谓的“最佳”指标 - 它总是取决于应用或您想要回答的问题。但是，有些东西比其他东西更容易测量。肺沉积表面积可以非常容易地大致测量。

肺部颗粒沉积

       在讨论颗粒物对健康的影响时，一个普遍的看法是，传统的单位体积空气量报告意义不大。只有进入人体的颗粒才会对健康产生影响，因此才应该测量。下图显示了我们呼吸道三个不同区域的沉积分数与颗粒大小的关系。

总沉积量在 200-300nm 左右有一个明显的最小值，其中空气中存在的颗粒只有约10%沉积在我们体内，而直径为 40nm 的颗粒中约有一半最终会进入我们体内。从质量上讲，单个 200nm 颗粒（单位密度，球形）比 40nm 颗粒重 125 倍，对测量的 PMx 的贡献是 125 倍，尽管它对最终进入人体的质量的贡献“仅”是 20 倍，因为它的沉积可能性要小得多。因此，我们可以得出结论 - 至少就健康影响而言 - 我们应该只关注沉积颗粒。

颗粒表面积相关

多项实验室研究表明，从质量上看，较小的颗粒似乎比较大的颗粒更具毒性。这是由于较小颗粒具有更大的表面积：因为颗粒表面是人体与颗粒发生相互作用的部位。颗粒可以在其表面运输吸附的毒素，或者其表面可以在细胞内充当催化剂，产生活性氧 (ROS)。研究表明，在体外和体内实验中，毒性作用与颗粒表面积成正比。当然，这些说法仅适用于生物持久性颗粒，而不适用于可溶性颗粒。医学界的普遍看法似乎是，与生物持久性颗粒相比，可溶性颗粒大多无害。

我们认为，有明确证据表明，对于生物持久性颗粒物而言，表面积是比颗粒质量或颗粒数量更重要的指标。因此，我们应该测量肺沉积表面积 (LDSA)，由于表面积在量化颗粒物暴露时，是最具相关性的物理指标。

测量肺沉积表面积

原则上，测量肺部沉积表面积（LDSA）需要先测定完整的颗粒物粒径分布，然后对每个粒径区间的颗粒表面积进行加权求和（权重为该粒径颗粒在肺部的沉积概率）。也就是说，这一测量过程较为复杂，且需进行一定的计算。然而，幸运的是，LDSA（肺部沉积表面积）可以通过扩散充电法直接测量。扩散充电器会对通过的颗粒施加一个与粒径相关的电荷量q，这一过程可以通过以下公式准确描述：

𝑞 ≅ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 ∙ 𝑑^1.1

其中 d 为颗粒直径。在肺沉积曲线中，我们可以看到，在直径范围为 20-300nm 的颗粒沉积在下呼吸道中与颗粒直径大致成反比。因此，LDSA 与扩散电荷信号大致成正比：

𝐿𝐷𝑆𝐴 = 𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒 𝑎𝑟𝑒𝑎 ∙ 𝑑𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦 ≅ 𝑑² ∙ 𝑑⁻¹ = 𝑑¹ ≈ 𝑞

该计算仅近似正确，且只适用于球形颗粒——然而，显然没有任何物理指标能够真正衡量颗粒毒性，如果我们必须在物理指标中做出选择，LDSA 是最佳选择。

LDSA 测量结果有多准确

在讨论通过单极充电（如 Dekati efilter）测量 LDSA 的准确性时，有两件事很重要：（1）指示的 LDSA 作为粒子尺寸的函数有多准确；（2）测量的是什么粒子——它们是否在仪器准确的尺寸范围内？下图给出了第一个问题的答案：其中，将单极充电产生的信号比与根据 ICRP 模型计算出的球形均匀密度球体的 LDSA 进行了比较。

     乍一看，这张图相当令人失望，但请注意 x 轴是对数的，而 y 轴不是对数的。在 20 到 350nm 之间，便携式的扩散充电法LDSA仪指示的 LDSA 准确度在 25% 以内。对于较小的颗粒，它被高估了，对于较大的颗粒，它被低估了。如果大部分肺沉积表面积来自 20 到 350nm 之间的颗粒，便携式的扩散充电法LDSA仪将是准确的；如果它测量的是小得多或大得多的颗粒，它将与真实的 LDSA 值相差很大（它仍然可以准确测量颗粒电荷，但将其解释为 LDSA 是不正确的）。

      请注意，该图是纯理论计算。在实际仪器中，非常小的颗粒的颗粒损失是不可避免的，因此仪器对非常小的颗粒直径的灵敏度会降低。因此，在实际仪器中，小颗粒的大幅上升会减少。

      下图显示了 SMPS 测量的全年平均颗粒尺寸分布，以及计算出的颗粒表面积、肺沉积颗粒表面积和典型的单极充电器响应：

      粒子数尺寸分布在约 30nm 处达到最大值；计算出的粒子表面积尺寸分布在约 200nm 处达到最大值。肺沉积表面积分布（这是最有趣的部分）和充电响应在约 100nm 处达到最大值。20nm 以下和 350nm 以上的粒子几乎不影响总信号（曲线下面积），因此在这种情况下，LDSA 测量是准确的。我们预计大多数城市环境通常都是这种情况。

FAQ on LDSA

Q1：LDSA 测量对所有人都有效吗？

A1：不适用。每个人的呼吸模式都不相同，因此，每个人的肺沉积功能也不完全相同，但大多数人的肺沉积功能相似。

Q2：LDSA 测量对所有类型的颗粒都适用吗？

A2：不适用。颗粒在肺中的沉积机制不同。对于最小的颗粒，扩散沉积占主导地位，这只是颗粒大小的函数。对于较大的颗粒，撞击是另一种重要的沉积机制。撞击取决于颗粒大小和颗粒密度。在我们仪器的单极充电器中，颗粒获得的电荷仅取决于颗粒大小，而不取决于颗粒密度。因此，仪器响应无法区分不同密度的颗粒。

Q3：颗粒形态如何？

A3：众所周知，颗粒形态会影响颗粒充电。分形状颗粒将比具有相同移动直径的紧凑颗粒获得更高的电荷。众所周知，基于迁移率直径分布 (SMPS) 的质量估计对于分形粒子来说可能非常错误（例如，偏差 10 倍）。幸运的是，对于粒子表面积来说，情况并非如此。分形粒子具有紧凑粒子所没有的大内表面，因此在扩散充电器中测量的较高电荷仍然大致正确（对于小于 400nm 的分形粒子，误差在 2 倍以内）

Q4：对于处于静止状态的健康个体，LDSA 至少对单位密度的紧凑粒子是正确的吗？

A4：不。在上述条件下，我们的仪器测得的信号是 LDSA 的良好近似值，但这实际上只是一个幸运的巧合。对于大于约 400nm 的粒子直径，这种几乎 1:1 的对应关系会失效，我们的仪器会低估较大粒子的 LDSA。然而，在典型的城市环境中，大多数 LDSA 都处于近似值成立的尺寸范围内，因此这不是一个严重的限制。

Q5：纳米颗粒的化学成分呢？这难道不重要吗？

A5：当然。海边发现的盐颗粒相当无害，而一些纳米颗粒特别危险（例如金属、表面含有大量 PAH 的颗粒）。因此，任何物理测量（颗粒质量、数量、表面积，甚至颗粒尺寸分布）都不足以评估纳米颗粒的毒性。

Q6：所以您的仪器报告的 LDSA 不准确，是因为呼吸模式、颗粒成分、颗粒形态和较大的颗粒。此外，它无法区分无害颗粒和危险颗粒。您不是在浪费我的时间吗？

A6：一点也不。虽然所有这些限制都是真实的，但您不应忘记，类似的限制也适用于您可以进行的所有其他纳米颗粒测量！例如，想象一下您有一个完美的粒子数计数器 - 一个理想的 CPC。它会准确地告诉您每立方厘米空气中有多少个颗粒。但是，由于个体呼吸模式的差异，每个人的实际剂量再次略有不同。而且 CPC 也无法检测颗粒化学、密度或形态的差异。最流行的颗粒测量方法 PM10 也存在无法区分不同类型颗粒的问题。然而，PM10 被发现与各种有害健康影响有关，因此可以作为颗粒毒性的替代测量。我们认为，LDSA 很可能会得出类似的结论——它是纳米颗粒毒性的良好替代品，而 PM10 则会低估纳米颗粒的毒性，因为纳米颗粒的质量非常低。