Characterization of individual aerosol particles with examples from working areas of the Monchegorsk Nickel Rafinery

• Autorzy: Ortner H. M. , Höflich B. L. W. , Thomassen Y. , Wentzel M. , Zelenka B.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka pojedynczych cząstek aerozoli na przykładzie cząstek z okolic Manczegorskiej rafinerii niklu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Original own work on single particle characterization of aerosol samples collected at the Monchegorsk Nickel Refinery was performed by high resolution scanning electron microscopy and electron probe micro analysis. The results of this campaign are taken as basis for the discussion of most essential issues of industrial aerosol characterization: The absence of well defined phases of whole particles and simple stoichiometrics was the most important result of this survey. Clearly, exposures to pure substances such as nickel subsulfide, other nickel sulfides and specific nickel oxides, appear not to occur. Not a single particle of the 1170 examined exhibited a well-defined stoichiometry. Consequently, a new evaluation of carcinogenic risks to humans is necessary especially for nickel aerosols since it is very doubtful whether the actual exposures experienced by nickel workers resemble the laboratory experiments in which pure compounds were administered lo animals. Furthermore a broader definition of the term „speciation" for solid aerosol particles is necessary which includes the crystal structures of solid crystalline phases present in a particle. It is an established observation that the carcinogencity of nickel compounds varies greatly with the specific crystal structure of the compound. Particle complexity is further increased due to the onion-like near-surface structure of particles which are emitted in high-temperature processes and consecutively interact with the ambient air. This onion-like near-surface " structure causes problems in the X-ray fluorescence analysis of their composition in the electron microprobe. This is due to the wide range of the information depth related to the analysis of X-ray photons of varying energy. Respective pitfalls in semiquantitative single particle characterization by EPMA are discussed. Another consequence of the nanostruclure of particles of nickel aerosols is the necessity of application of methods with very high spatial resolution for their study. Transmission electron microscopy turns out as one of the key methods for the characterization of the nanostruclure of aerosol particles. Its various methodologies are discussed comparatively to other related methods applicable to the speciation of single particles, namely X-ray absorption methods using synchrotron radiation combined with modern techniques of X-ray focussing as well as mass spectrometric methods and especially nano-SIMS. The latter was developed explicitly for the characterization of sub-micrometer particles of cosmic origin. A brief overview on further methods applicable to single particle characterization is also given including important methods such as Auger electron spectrometry, Mossbauer spectrometry, X-ray induced photoelec-tron spectrometry, micro-IR and Raman spectrometry, proton induced X-ray-emission and further ion probe methods. Finally the significance and problems of a reliable characterization of fine and ullrafinc particles are addressed. These arc present in high numbers in the Monchegorsk aerosol but they have not yet been adequately inspected since an instrumental approach different from electron probe microanalysis is necessary for this purpose. However, due to their enormous specific surface area which is demonstrated, biochemical interactions with ultrafine particles are greatly intensified. They, therefore, constitute a serious health hazard. Finally the interdisciplinary aspect of single particle characterization for occupational health studies is discussed.

PL

Przedstawiono oryginalną, własną pracę dotyczącą scharakteryzowania indywidualnych cząstek aerozolu zebranych w okolicach rafinerii niklu (Monczegorsk). Metodami badawczymi były: mikroskopia skaningowa przy użyciu mikroskopu elektronowego wysokiej rozdzielczości oraz mikroanalua za pomocą sondy elektronowej. Wyniki tych prac stały się podstawą do przedyskutowania podstawowych problemów charakterystyki aerozoli pochodzących z przemysłu. Najważniejszym wynikiem tego przeglądu jest stwierdzenie braku cząstek, które jako całość były by dobrze określoną fazą lub miały proste stosunki stcchiometrycznc. Zgodnie z tym wydaje się, że nie występuje narażenie na działanie czystych substancji takichjak siarczki niklu czy określone tlenki niklu. Spoza 1170 badanych cząstek żadna nie wykazywała dobrze określonej stechiomelrii. Zgodnie z powyższym konieczne jest nowe określenie ryzyka wysląpienia zmian rakotwórczych u ludzi zwłaszcza jeżeli chodzi o aerozole nikiu, ponieważ jest bardzo wątpliwe aby rzeczywiste narażenie pracowników przemysłu niklowego przypominało to jakie symulowano w doświadczeniach laboratoryjnych, w których podawano zwierzętom czyste związki niklu. Potrzebna jest szersza definicja terminu „specjacja" w odniesieniu do starych cząstek aerozolu uwzględniająca struktury krystaliczne starych faz krystalicznych obecnych w cząstce. Jest rzeczą stwierdzoną, że działanie rakotwórcze związków niklu bardzo się zmienia ze strukturą krystaliczną danego związku. Złożoność cząstek jest jeszcze bardziej skomplikowana ze względu na to, że ich struktura w pobliżu powierzchni przypomina cebulę ponieważ cząstki te są emitowane w wyniku wysokotemperaturowych procesów i oddziały wuja z otaczającym powietrzem. Ta cebulo-podobna struktura sprawia kłopoty w trakcie ich analizy metodą fluorescencji rentgenowskiej przy użyciu sondy elektronowej. Związane jest to z faktem, że fotony rentgenowskie o różnych energiach niosą informacje pochodzące z miejsc położonych w różnych odległościach od powierzchni. Przedyskutowano pułapki na jakie się napotyka w czasie pólilościowej charakterystyki pojedynczej cząstki za pomocą EPMA. Inną konsekwencją nanostruktury cząstek aerozoli niklu jest konieczność stosowania do ich badania metod o dużej rozdzielczości przestrzennej. Prześwietleniowa mikroskopia elektronowa jest jedną z kluczowych metod nadających się do scharakteryzowania nanostruktury cząstek aerozolu. Jej różne warianty są dyskutowane w porównaniu do innych metod stosowanych do specjacji pojedynczych cząstek takich jak: metody absorpcji promieniowania X z zastosowaniem promieniowania synchrotronowego połączone z nowoczesnymi technikami ogniskowania promieni X a także metodami spektrometrii masowej a zwłaszcza nano-SIMS. Ta ostatnia została zaprojektowana do charakteryzowania submikrometrowych cząstek pochodzących z kosmosu. Podano krótki przegląd innych metod nadających się do charakteryzowania pojedynczych cząstek takich jak: spektroskopia elektronów Augera, spektrometria, spektrometria Mossbauera, spektrometria fotoelektronów wzbudzonych promieniami X, mikro spektrometria 1R i Ramanowska, PIXE i inne sondy. Na koniec podkreślono znaczenie i problemy związane z wiarygodnym scharakteryzowaniem drobnych i ultra drobnych cząstek. Znajdująsię one w dużych ilościach w aerozolu z Monczegorska ale nie byty do tej pory wystarczająco zbadane, ponieważ potrzebne są tutaj inne metody instrumentalne niż sonda elektronowa. Jednakże z powodu ich ogromnej powierzchni właściwej oddziaływania biochemiczne z ultra drobnymi cząstkami są dużo bardziej intensywne. Dlatego stanowią one poważne zagrożenie dla zdrowia. Przedyskutowano także aspekt interdyscyplinarności badań pojedynczych cząstek i ich znaczenia dla badań zawodowego narażenia ludzi.

Słowa kluczowe

EN

aerosol particles; particle characterization; nickel particles; instrumental possibilities

PL

cząstki aerozolu; charakterystyka cząstek; cząstki niklu

• Wydawca: Komitet Chemii Analitycznej PAN
• Czasopismo: Chemia Analityczna
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 50, No. 1
• Strony: 199--221
• Opis fizyczny: Bibliogr. 65 poz.

Twórcy

autor

Ortner H. M.

• Institute of Material Science, Department of Chemical Analytics, Darmstadt University of Technology, Petersenstr. 23, D-64287 Darmstadt, Germany

autor

Höflich B. L. W.

• Institute of Material Science, Department of Chemical Analytics, Darmstadt University of Technology, Petersenstr. 23, D-64287 Darmstadt, Germany

autor

Thomassen Y.

• National Institute of Occupational Health, P.O. Box8149 DEP, N-0033 Oslo, Norway

autor

Wentzel M.

• Institute of Mechanical Engineering, Department of Internal Combustion Engines, Darmstadt University of Technology, Petersenstr 30, D-64287 Darmstadt, Germany

autor

Zelenka B.

• Institute of Mechanical Engineering, Department of Internal Combustion Engines, Darmstadt University of Technology, Petersenstr 30, D-64287 Darmstadt, Germany

Bibliografia

• 1. Höflich B.L.W., Wentzel M., Ortner H.M., Weinbruch S., Skogstad A., Hetland S., Thomassen Y., Chashchin V.P., and Nieboer E., J. Environ. Monit., 2, 213 (2000).
• 2. Armstrong J.T., in: Electron Probe Quantitation, (Heinrich K.F.J., and Newbury D.E., Eds.) Plenum Press, New York, 1991, p. 261.
• 3. Armstrong J.T., and Buseck P.R., X-ray Spectrom., 14, 172 (1985).
• 4. Weinbruch S., Wentzel M., Kluckner M., Hoffmann P. and Ortner H.M., Mikrochim. Acta, 125, 137 (1997).
• 5. Ortner H.M., a Environ. Monit., 1, 273 (1999).
• 6. Ortner H.M., Hoffmann P., Stadermann F.J., Weinbruch S., and Wentzel M., Analyst, 123, 833 (1998).
• 7. Templeton D.M., Ariese F., Comelis R., Danielsson L.-G., Muntau H., Van Leeuwen H.P.. and Lobinski R., Pure Appl. Chem., 72, 1453 (2000).
• 8. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, Vol. 49: Chromium, Nickel and Welding, International Agency for Research on Cancer, Lyon, 1990, p. 257.
• 9. Hertel R.F., Maas T., and Müller V.R. IPCS Environmental Health Criteria 108: Nickel World Health Organization, Geneva, 1991.
• 10. Sundermann, F.W., Jr, in: Nickel in the Human Environment, [Sundermann, F.W., Jr., Ed.], International Agency for Research on Cancer, Lyon, 1984, p. 127.
• 11. Doll R., Scand, J. Work Environ. Health, 16, 1 (1990).
• 12. Ortner H. M., Characterization of individual aerosol particles with special reference to speciation techniques, in: Handbook of elemental speciation, [Cornells R., Ed. in chiet], Wiley, Chichester 2003, p. 505.
• 13. Höflich B.L.W., Weinbruch S. and Ortner H.M., .4naL Bioanal. Chem., 378, 167 (2004).
• 14. Thomassen Y, Nieboer E., Ellingsen D., Hetland S., Norseth T., Odland J., Chernova N. and Tchachtchine V.P., J. Environ. Monit., 1, 15 (1999).
• 15. Schumacher M., Rasser B., De Chambost E., Hillion F., Mootz Th., and Migeon H.-N., Fresenius J. Anal. Chem., 365, 12 (1999).
• 16. Nano SIMS 50, Company Brochure, Cameca, Paris.
• 17. Ortner H.M., Weinbruch S., Höflich B.L.W., Thomassen Y., Chashchin V.P., and Nieboer E., Characterization ofindividual aersosol particles from working areas ofthe Monchegorsk Nickel Refinery, Oral Presentation at the 6th Intern., Nickel Conference, Murmansk, Russia, Sept. 1-6, 2002 (Book of Abstracts).
• 18. Weinbruch S., Vaji Aken P., Ebert M., Thomassen Y., Skogstad A., Chashchin V.P., and Nikonov A., J. Environ. Monit., 4, 344 (2002).
• 19. Adams F., Synchrotron radiation X-ray methodsfor the characterization of environmental particles, Oral Presentation, as in [17].
• 20. Andersen I., Speciation of nickel in lungs from nickel refinery workers. Oral Presentation, as in [17].
• 21. Morlang A., Phase analysis of single aerosol particles by electron diffraction analysis in the transmission electron microscope. Diploma Thesis, 2000, Darmstadt University of Technology (in German).
• 22. Miehe G. in: Referate, 3. Jahrestagungder Deutschen Gesellschaft für Kristallographie. Oldenbourg, Munich, 1995, p. 51.
• 23. Zaefferer S., J. Appl Cryst., 33, 10 (2000).
• 24. Bischoff E., Campbell G.H., and Rühle M., Fresenius’ J. Anal. Chem., 337, 469 (1990).
• 25. Xhoffer C., Wouters L., Artaxo P., Van Put A., and Van Grieken R. in: Environmental Particles I, IUPAC Series on Environmental Analytical Chemistry and Physical Chemistry, [BufTle J. and Van Leeuwen H.P., Eds.], Lewis, Boca Raton, FL, Vol. 1, 1992, p. 107.
• 26. Hofer T., Warbichler P., Ultramicroscopy, 63, 21 (1996).
• 27. Hofer T., Warbichler P., and Grogger W., Ultramicroscopy, 59, 31, 1995.
• 28. Kriwanek O.L., GubbensA.J., Bellby N., and Meyer C.E., Microsc. Microanal. Microstruct.,3, 187 (1992).
• 29. Grogger W., Hofer T., and Kothleitner G., Mikrochim. Acta, 125, 13 (1997).
• 30. Ortner H.M. in: Analytiher Taschenbuch, Vol. 19, [H. Günzler (main ed. et al.)]. Springer, Berlin 1998, p. 217.
• 31. Krainikov A.V., Gastel M., Ortner H.M., and Likutin V.V., Appl. Surf. Sci., 191, 26 (2002).
• 32. Weber S., Hoffmann P., Ensling J., Dedik A.N., Weinbruch S., Miehe G., Gütlich P., and Ortner H.M., J. Aerosol Sci., 31, 987 (2000).
• 33. Sedlak D.L., and Hoigné J., J. Atmos. Environ., Part A, 27, 2173 (1993).
• 34. Seinfeld J.H., Atmospheric Chemistry of Air Pollution, Wiley, New York 1986.
• 35. Hoffmann P., Dedik A.N., Deutsch F., Ebert M., Hein M., Hofmann H., Lieser K.H., Ortner H.M., Schwarz M., Sinner T., Weber S., Weidenauer M. and Weinbruch S., in: Dynamics and Chemistry of Hydrometeors, [Jaenicke R., Ed.], Deutsche Forschungsgemeinschaft, Wiley-VCH, Weinheim 2001, p. 440.
• 36. Gütlich P., Linck R. and Trautwein A., Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry, Springer, Berlin 1978.
• 37. Grasserbauer M., Dudek H.J. and Ebel M.F., Angewandte Oberflächenanalyse, Springer, Berlin 1985.
• 38. Sibilia J.P., A guide to materials characterization and chemical analysis, VCH, Weinheim 1988.
• 39. Handbook of Environmental Analysis, [Smith R.-U. Ed.], AOAC, Mc Lean, VA 2nd edn. 1995.
• 40. Microscopic X-ray Fluorescence Analysis, [Janssens K.H.A. Ed.], Wiley, Chichester, 2000, p. 370.
• 41. Goodarzi F. and Huggins F.E., J. Environ. Monit., 3, 1 (2001).
• 42. Janssens K.H.A., Vince L., Wie F., Proost K., Vekemans B., Vitiglio G., Yan Y. and Falkenberg G., Feasibility of (trace level) micro-XANES at Beamline L., in: HASYLAB Jahresbericht 1999, [Materlink G. et al., Eds], Hamburg.
• 43. Ortner H.M. and Wilhartitz P., Mikrochim. Acta II, 177 (1991).
• 44. Stadermann F.J., Measurement of isotopic and elemental abundancies in single interplanetary dust particles by secondary ion mass spectrometry, Ph.D. thesis. University of Heidelberg, 1990 (in German).
• 45. Stadermann F.J. and Olinger C.T., Meteoritics, 27, 291 (1992).
• 46. Stadermann F.J. and Jessberger E.K. in: Proceedings of the European Conference on Space Debris, ESA SD-01, 1993, p. 185.
• 47. Bernatowicz J., and Walker R.M., Phys. Today, 50/12, 25 (1997).
• 48. Jambers W., De Bock L., and Van Grieken R., Analyst, 120, 681 (1995).
• 49. Johnston M.V. and Wexler A.S., Anal. Chem., 67, 721 A (1995).
• 50. Injuk J., Breitenbach L., Van Grieken R. and Wätjen U., Mikrochim. Acta, 114/115, 313 (1994).
• 51. Injuk I. and Van Grieken R., Spectrochim. Acta, Part B, 50, 1787 (1995).
• 52. Reiff F., Bartels M., Gastel M. and Ortner H.M., Fresenius J. Anal. Chem., 371. 1146 (2001).
• 53. LaMer V.K., Inu E.C.Y. and Wilson I.B., J. Colloid. Sci., 5, 471 (1950).
• 54. Niessner R„ and Klockow D., Anal. Chem., 52, 594 (1980).
• 55. Ortner H.M., and Höflich B.L.W., Characterization of single, respirable particles in aluminium potrooms at Norsk Aluminium, Final Report to Hydro Aluminium Havik, Norway 2001.
• 56. USA-EPA 2001, Air Quality Standards for Particulate Matter Draft, Federal Register: 138.
• 57. Herausforderung Aerosole vordem Hintergrund der europäschen Umweltgesetzgebung, [Zellner R., Wiesner J., Eds.], Workshop, 30./31. Mai 2001, Dechema 2002, Frankfurt/M, Germany.
• 58. Wickmann H.E., Spix C., Tuch T., Wölke G., Peters A., Heinrich J., Kreyling W.G., and Heyder J., Daily Mortality and Fine and Ultrafine Particles in Erfurt, Germany, Part I: Role of Particle Number and Particle Mass. HEI-Report 98, Health Effects Institute, Cambridge. MA, USA 2000, p. 1.
• 59. Wickmann H.E. and PetersA., Epidemiological evidence ofthe effects of ultrafine particle exposure, Philosophical Transactions of the Royal Society, London, University Press, Cambridge 2000, p. 2751.
• 60. Model 3089 Nanometer Aerosol Sampler, Advance Product Information, TSI, St. Paul, MN, U.S.A. 2000.
• 61. Dixkens J.and Fissan H., Aerosol Sci. Techn. 30, 438 (1999).
• 62. Fissan H., Kuhlbusch T. and Trampe A., Meβtechnikzur Charakterisierung von Aerosolen, in [57], p. 57.
• 63. Ortner H.M., Volume IV of the Material Sciences edn. of the European Commission: European Concerted Action COST 503 Powder Metallurgy - Powder based materials: The influence of trace elements on the properties of hard metals, (Valente T., Ed.), Brussels 1997, p. 32.
• 64. Quaglia L., Weber G., David D., Van Audenhove J. and Pauwels J., Report No. 90 of the Commission of the European Communities, Eurisotop Office, 1976.
• 65. Kendall R.E.G., Phillips J.E., and Penton K.A., Am. Occup. Hyg., 38, 921 (1994).