環境新議題：待解謎團–環境中奈米微粒
97/01/14
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阮國棟｜
行政院環境保護署技監兼科技發展組顧問室主任
吳婉怡｜
行政院環境保護署科技發展組
黃冠穎｜
行政院環境保護署科技發展組
看不見的微小粒子
空氣中有很多顆粒狀物質，在一定大小的範圍內，容易吸入肺部造成健康上的危害，因此特別值得關心。粒徑大於10微米的顆粒物質稱為落塵，在短時間內會沉降，對人體健康的影響較小。粒徑小於10微米的顆粒物質叫做懸浮微粒（particulate matter, PM），又稱浮游塵，主要來源包括道路揚塵、車輛排放廢氣、露天燃燒、工廠排放、由空氣污染轉化成的二次污染物等，由於粒徑小，較能深入人體肺部，對呼吸系統的危害也較大。
懸浮微粒又可再細分為平均粒徑10微米的懸浮微粒（PM10），以及平均粒徑2.5微米的懸浮微粒（PM2.5）。一般而言，粒徑大於4.7微米的懸浮微粒，大多數會沉積在鼻咽部，不易進入氣管。粒徑在3.3～4.7微米的，易沉積在氣管及主支氣管中。粒徑在2.1～3.3微米的，易沉積在支氣管中。粒徑在1.1～2.1微米的，易沉積在末梢支氣管中。小於1.1微米的，則易沉積在肺泡組織中。
目前國際上的分類方式，把粒徑在100奈米以下的稱為奈米微粒，換算成以微米為單位，則奈米級的懸浮微粒可以用PM0.1表示（1微米=1,000奈米）。奈米微粒由於體積特別小，可能會穿透肺泡到血液中危害健康。過去因為量測技術的限制，對於這種肉眼看不見的細小粒子並未太予重視。近來由於奈米科技及奈米材料的迅速發展，才引起各界廣泛的注意。
環境中奈米微粒所涉及的健康風險，問題相當複雜。因為除了粒徑、粒子的形狀，以及粒子內外組成外，人體及其他生物的暴露途徑、可能的生物累積等，都會造成不同程度的影響。
都會區的懸浮微粒
如果比較市區與郊區的空氣品質，可以發現在市區裡因為有較多的汽機車排放廢氣，會造成較多的奈米微粒。在郊區或山區，產生奈米微粒的來源較少，大部分是粒徑較大的懸浮微粒。因此在不同的區域、不同交通特性、不同氣象條件之下，會有不一樣的粒徑分布。
美國環保署一項很有趣的調查研究顯示，人口及車輛密集的都會區，空氣中懸浮微粒的粒徑通常會呈現三個波峰的分布，主要的粒徑大小是PM5、PM0.2及PM0.02。每一都會區的波峰落點（粒徑）雖不盡相同，但整體趨勢是一致的。目前常以PM10、PM2.5及PM0.1代表空氣中不同粒徑範圍的濃度，並以這標準檢視空氣品質的好壞，這一點與前述實際空氣中懸浮微粒分布狀態頗有異曲同工之妙。由於國際上把小於100奈米的顆粒定義為奈米顆粒，所以PM0.1與PM0.02均屬於奈米等級，而PM0.2與PM2.5則屬於另一等級。
環境中奈米微粒
行政院環保署長期以來，就針對前述懸浮微粒PM10及PM2.5進行監測。在臺灣地區設置的76個空氣品質監測站中，PM10是每天測定及每天預報空氣品質（pollutant standards index, PSI）的項目之一。PM2.5因為粒徑比PM10小，必須仰賴專門監測的超級測站量測，目前全臺有5站（新莊市、大寮鄉、橋頭鄉、前鎮區及潮州鎮）可以量測，主要針對空氣中PM2.5分布的特性進行連續監測，可增進對PM2.5特性的了解，進而訂定空氣品質標準及管制政策。
目前世界各國都尚未進行PM0.1（奈米微粒）的監測站連續監測工作，環保署近幾年與清華大學及工研院合作，量測了一些工廠、交通要道及水庫背景值，發現與前述美國環保署（數目濃度約1～4 × 104）的三波峰現象吻合。例如新竹寶山水庫背景實測數目濃度每立方公分有1.07 × 104粒，在氧化鋅（ZnO）奈米粉體製造區煙道排放正常的狀況下，實測數目濃度每立方公分有1.5～4.5 × 104粒。在新竹市食品路與西大路口交通頻繁的要道，實測值每立方公分有5.58 × 105個粒子，明顯高出環境背景值約10倍左右。
奈米微粒怎麼量測
目前國際上普遍以掃描式電移動微粒分析儀（scanning mobility particle sizer, SMPS）與電子低壓衝擊器（electrical low pressure impactor, ELPI）量測環境中奈米微粒的濃度。SMPS主要利用不同粒徑的微粒會有不同電移動性的原理，使微粒帶電後再把不同大小的粒子分離出來，隨後再進入超細粉體核凝計數器中進行顆粒的計數，就可得到不同粒徑微粒的數目濃度。
另一種量測儀器ELPI的基本原理，是使微粒通過一電暈充電器，經充電後的微粒進入絕緣衝擊板的低壓衝擊儀。當帶電微粒衝擊至基板上時，用電子計量測電量，就可知道不同粒徑的微粒數目濃度。2007年清華大學生醫工程與環境科學系接受行政院環保署的委託研究，利用ELPI收集到不同粒徑的奈米微粒，進一步應用雷射汽化結合一般常用的感應耦合電漿質譜分析儀，成為進一步分析奈米微粒中多種無機元素濃度的創新分析技術，成功克服了ELPI等收集器收集到奈米微粒的質量太少，不易進行成分分析的困難。
如何趨吉避凶
奈米科技代表的意義不僅是尺度的縮小，而且物質產生許多不同的新特性，例如光學、磁性、電性、熱傳導等特殊功能，進而衍生出許多令人意想不到的新產品及新應用，使得先進國家無不競相投入大量資源及人力進行相關研究。
目前國際上奈米產品約有三百多種，如奈米化妝品、奈米日光燈、奈米鞋襪，以及氧化鋅、二氧化鈦的奈米粉體的應用等，橫跨的領域遍及儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械、醫藥、基因工程 、環境資源、化學工業等產業。商品添加奈米物質不僅可高度發揮其原本的效能，也可達到節省能源及促進環保的效果。但令人憂心的是許多奈米粉體的研究及生產單位，對於奈米粉體的防護措施及設備認知普遍不足。
而奈米微粒除粒徑小會產生影響人體健康的顧慮之外，也會因為含有有機物質、元素碳及重金屬成分而增加毒性。奈米微粒雖然尺寸相當小，但因防塵口罩利用截除、擴散等機制，仍可有效過濾空氣中的奈米微粒，近來也有廠商使口罩濾材經過靜電處理，可有效提高濾材對奈米微粒的防護效率。環保署透過工研院研究人員的專案協助，實地訪查並建議研究人員應配戴口罩、手套等防護具，須在製程區禁食，作業環境須加設抽氣設備，奈米相關廢棄物應集中處理與清楚標示，以及須加強作業人員的安全教育和宣導等。
奈米產品安全的疑慮
奈米微粒除了大小、形狀及組成會造成不同程度的影響外，最主要的問題是同樣的成分（例如金、銀、鐵等）當粒徑是奈米尺度時，它的性質與非奈米尺度時明顯不同。例如銀是傳統已知的化學物質（既有的化學物質），但奈米銀的性質與一般銀非常不同，可以視為「新的」化學物質（能否把奈米銀視為新的化學物質，尚有很多細節必須探討，目前國際上並未有定論）。
最近美國有一案件，正好可以說明目前奈米產品安全管理的困境。有一廠商開發出「含奈米銀殺菌功能的洗衣機」，由於洗衣機是商品，美國環保署毒性化學物質管理法從來不管商品，只管化學物質，因此二者沒有關聯。但批評者認為能殺菌的奈米銀形同殺蟲劑、殺菌劑，是毒管法管理的範圍，應該申請核准。也有批評者認為美國環保署若要求納入管理，業者也可放棄廣告上宣稱的奈米銀殺菌功能，變成只賣洗衣機，依然可以逃避管理。
最後，這一案例引導出重要的決策思維，也就是奈米銀的毒性或危害性是否大到值得環保署依毒管法公告為「新化學物質」。科學數據若顯示答案是「是」，則依美國毒管法的規定，製造奈米銀（新化學物質）必須在製造前90天提出充分毒理資料申請核准才能生產，使用奈米銀也必須符合毒管法的規定。
基於上述案例，目前各國都在加速研究各種奈米粉體（包含奈米產品會不會釋放出奈米微粒）的毒理資料，一旦有充分科學證據，才能做適度的立法管制。
奈米微粒與環境立法
許多人誤以為只要政府「有法可管」，事情就會很好處理，但對一個立志保護環境的環境管理人員來說，立法管制只是邁向環境保護的過程而非目標。因此優良環境管理人員的行為準則可以超越法規要求的執行範圍，彌補法規規定不足的部分，以及可在科學資訊還不夠充分，尚無法制定法規管制之前，率先達成環境管理的目標。
舉例來說，環保署在過去幾年與工研院、勞委會及衛生署的共同努力下，針對奈米微粒可能引起的環境問題，提出「奈米粉體研究人員防護準則」，把理念具體化，做為實驗室人員參考的準則。這項做法也與美國環保署在2006年公布的奈米科技白皮書所提的「優良環境管理行為準則」有相同的目標，因此在奈米微粒實驗室及製造工廠，應該實施以下準則才可以有效防護奈米微粒對人體健康的可能危害。
（1）界定危害源─可能發生危害的奈米粉體種類與危害的型態（吸入性、皮膚暴露等）。
（2）界定暴露途徑─研判可能發生的暴露方式。
（3）現場視察─依可能發生危害的程度，劃定可能發生危害的區域為危險區、警戒區等。
（4）定期監測作業環境中奈米粉體的逸散。
（5）定期使用相關防護設備─製程現場局部或全面性負壓抽氣。
（6）配戴個人防護具。
（7）定期檢查防護設備的效能與個人防護具的效率。
（8）定期檢查研究人員的健康情況。
（9）實施人員教育訓練。
（10）擬定意外洩漏事故的處理程序。
環境立法只是邁向目標的臺階，如果全民與各研究單位、生產工廠都能持續關注「優良環境管理行為準則」並實際實行，除了可以讓奈米科技發揮最大功效外，也可以降低奈米微粒對人體的可能危害。
在開發新的奈米科技之際，也需要同時進行精準的奈米微粒量測，以及完整的健康風險評估，兩者兼顧才能使奈米科技的發展更加完備，使用上也更加安全。但是臺灣能做的部分還是很有限，仍需與國際上先進國家共同研究，才能加快了解謎團之中的奧妙，進而破解謎團，使奈米科技的效益發揮到極致。
