Aerosol characterization in real life and a methodology for human exposure studies in controlled chamber settings

Abstract

Airborne particles are everywhere around us, and have always been. Particles generated by human activities has increased drastically since industrialization, and several epidemiological studies have shown that inhaled particles can cause adverse health effects. The concern about health effects have during the last decade shifted towards fine and ultrafine particles, not least due to the emerging field of nanotechnology. Of special interest are the particles to which we are exposed indoors – in the industrialized part of the world we spend around 90% of our time indoors (at home and at workplaces/schools). Particles generated in these environments often cause intense peaks in concentration, and are often consequences of our own activities. Especially combustion/thermal processes (such as welding, frying, burning candles etc.) cause peaks in number concentration, often more than an order of magnitude higher than ambient concentrations.

We have conducted time-resolved particle measurements in several homes which confirm this. From these measurements, we have been able to show just how much occupants' activities affect the indoor concentration of ultrafine particles compared to outdoor concentrations. We have also estimated e.g. total integrated daily exposure. Exposure and emission measurements have also been conducted at a carbon nanotube producing facility, and a method for counting particles containing carbon nanotubes has been suggested and validated.

Why certain particles are more dangerous than others is often investigated in animal exposure studies, where exposure levels are unrealistically high. For several reasons, the results of such studies are not simple to translate to the human system. To increase our understanding of which particle properties can cause effects in humans, a methodology for conducting human exposure studies have been developed and validated. In a controlled chamber we have exposed human test subjects to normal concentrations of common particle types; candle smoke, particles from terpene–ozone reactions and welding fume. Together with medical expertise, we have been looking for effects of these exposures. By using non-invasive tests (e.g. urine and blood samples and ECG) biochemical markers of exposure, and changes in heart rate variability (HRV) have been studied. A significant increase in the high frequency domain of the HRV during exopsure for candle smoke was found.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ta ett djupt andetag och tänk på vad du nu har i lungorna!

Jo, det är luft, förstås, syre kväve och sådant. Men det är också något annat. I varje kubikcentimeter du andas in finns tusentals partiklar, alla för små för att kunna ses med blotta ögat. Om dessa partiklar handlar denna avhandling. Vi kallar luftburna partiklar för aerosoler, ett begrepp som innefattar allt från de minsta nanopartiklarna, som ofta skapas av det vi människor gör, som transport och industri, till de största, som ofta har naturliga källor. Om jag skulle förstora den minsta partikeln du just andades in till storleken av huvudet på en knappnål, skulle den största bli stor som Globen i Stockholm. Partiklar finns överallt, speciellt mycket i städer, men ingenstans på jorden är luften partikelfri eller har någonsin varit.

I genomsnitt andas du in ungefär 100 miljarder partiklar varje dag. En hel del av dem andas du ut igen, men de minsta partiklarna kan följa med luften ända ner till de känsligaste delarna av lungan och stanna kvar där. Vi vet, från flera epidemiologiska studier, att partiklar i luften orsakar en mängd sjukdomar i inte bara i andningsvägarna. Men epidemiologiska studier berättar ingenting om orsaken; om det är partiklarnas storlek, deras form, deras kemiska sammansättning, eller någon annan egenskap som orsakar sjukdomen. Denna avhandling förklarar hur vi har gått tillväga för att utarbeta en metod, som vi hoppas ska kunna bättra på vår kunskap om vad det är som gör att vissa partiklar är farliga och andra inte.

Metoden går ut på att placera frivilliga försökspersoner i en välkontrollerad kammare, där de sitter bekvämt och under 3-5 timmar blir exponerade för normala koncentrationer av vanliga aerosoltyper. Vi låter dem andas in en specifik aerosol per exponeringstillfälle, och vid ett tillfälle får de även andas in helt partikelfri, filtrerad luft. Egenskaperna hos aerosolen i fråga har vi innan undersökt noga, så vi känner till sådant som hur stora partiklarna är, hur de ser ut och vilken kemisk sammansättning de har. Tillsammans med medicinska forskare försöker vi, under tiden exponeringen pågår och efter, hitta någon effekt hos de här försökspersonerna, något som skiljer sig från då de bara andas in den filtrerade luften. Det kan röra sig om till exempel en liten förändring i mängden av ett visst protein, som tyder på en begynnande inflammation, eller att hjärtats rytm förändras. Med andra ord, något som berättar för oss att det finns något hos just den här aerosolen som får kroppen att reagera. Genom att prova oss igenom flera olika aerosoler på det här sättet hoppas vi kunna komma ett steg närmare att förstå vilka egenskaper som gör vissa partiklar farligare än andra.

Vi har valt att titta på aerosoler från både arbetsmiljö (svetsrök) och inomhusmiljö (stearinljusrök samt de partiklar som bildas då flyktiga organiska kolväten – sådana som får våra rengöringsprodukter att lukta gott – reagerar med ozon). Avhandlingen förklarar hur vi gått till väga då vi bestämt oss för lämpliga koncentrationer att använda vid exponeringarna, och hur vi burit oss åt för att ta reda på de egenskaper hos dessa partiklar som forskarvärden tror kan vara av betydelse för vår hälsa. Vidare beskrivs hur vi har utvecklat system för att generera dessa aerosoler så att vi vid varje exponeringstillfälle har fått samma koncentration av partiklar i kammarluften.

Vi har till exempel fått resultat som indikerar att våra försökspersoners hjärtrytm påverkades olika av stearinljuspartiklar än av andra partiklar på ett sätt som inte var till stearinljuspartiklarnas nackdel, något som vi just nu studerar närmare. Den i avhandlingen beskrivna metodiken har senare även använts för dieselavgaser, och framöver ska vi titta på hur våra försökspersoner reagerar då de får andas in andra aerosoltyper, som matos eller de avhärdande partiklar som finns i vanliga tvättmedel.

• author: Isaxon, Christina
• supervisor: Mats Bohgard
• opponent: Hussein, Tareq, University of Jordan, Amman, Jordan
• organization: Ergonomics and Aerosol Technology; NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Production Engineering, Human Work Science and Ergonomics
• keywords: Aerosol, human exposure study, exposure, emission, ultrafine particles, aerosol generation, aerosol characterization, candle, terpene, welding, CNT, indoor
• pages: 188 pages
• defense location: Lecture hall, Stora Hörsalen, IKDC, Sölvegatan 26, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2014-02-21 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-857-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 690c920f-2fc7-4b6f-a071-5dbb9331424b (old id 4255564)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:27:32
• date last changed: 2023-04-18 18:53:03