Možnosti charakterizace částic aerosolů

Podstatnou vlastností pevných i kapalných částic poletujících v ovzduší jsou jejich velikost, tvar a hmotnost. Za pravé aerosoly lze pokládat částice, u nichž je zemská gravitace kompenzována jinými vlastnostmi aerosolu a částice nesedimentují. Ale i z tohoto pravidla existují výjimky. Ze zevních faktorů ovlivňujících chování částic je třeba jmenovat složení, teplotu, vlhkost, proudění, tlak, magnetické, elektrické a zvukové pole, ionizující záření, elektromagnetická záření, ionizaci a atomové částice. Důležité jsou rovněž vlastnosti okolních předmětů, vlivy geografické, astronomické a meteorologické. Vedle základních vlastností mají částice i svoje chemické a fyzikální složení; jsou elektricky neutrální; pozitivně nebo negativně nabité; mají, nebo nemají ionizující vlastnosti; jsou, nebo nejsou magneticky aktivní. Nejvěrnější představu o částicích poskytuje mikroskop. Pozorování velmi ovlivňují použité metody. Řada z nich se vyznačuje poměrnou pracností a časovou náročností. Nové technologie mnohé nedostatky odstranily. Základní metody se zaměřovaly na pozorování částic zachycených na vhodném podkladě. K zachycení částic bylo využíváno např. sedimentace, impakce (proud vzduchu narazil na nastavenou překážku, na které část aerosolu zůstala zachycena). Další zpracování spočívalo obvykle v numerických postupech, u biologických materiálů mohly být zadržené částice dále zpracovány mikrobiologicky.

Přístroje, jako konimetr, impinger a kaskádní impaktor, si nečinily nárok na přesnost výsledků, které závisely často na ne zcela ovlivnitelných okolnostech, např. na rychlosti průtoku vzduchu tryskou, na vzdálenosti od nastavené plochy, na jejím fyzikálním charakteru apod. Společnou nevýhodou těchto a podobných impakčních přístrojů je poměrná nespolehlivost základního principu těchto metod tj. impakce, jak už bylo naznačeno, a dále i na vlastnostech prostředí, ve kterém probíhá impakce, na typu okolního proudění, na jeho viskozitě, na složení nesoucího vzduchu a řadě dalších. Složitějšími, ale v rámci daných možností nejlepšími byly různé typy kaskádních impaktorů, které měřily aerodynamický diametr částic. Jeden impaktorový stupeň zachycuje částice, jejichž rozměry jsou mimo zvolený rozsah, a naopak nezachycuje některé částice zvoleného rozsahu (tzv. cross-sensitivity). Tuto chybu částečně odstraňují matematické teoretické modely. Stopa, představující soubor zadržených částic, se dále analyzuje různým způsobem, např. světelným nebo elektronovým mikroskopem, nebo se sleduje rozptyl světla způsobený částicemi či snížení propustnosti světla zachyceným vzorkem apod. Mezi orientační metody sledující stopu částic zachycených při prosávání vhodným filtrem patří i massometr využívající k měření ionizujícího záření.

Nejnovější z těchto mikroskopických technik se skládají z komory, např. Scanning Electron Micro- scope (SEM), kterou prochází analyzovaný vzorek a v bleskovém sledu se trvale zachycuje obraz částic pro další matematické zpracování. popř. pro porovnávání tvaru částic (tzv. Visual spread sheet). Napojené počítače sledují více než 20 žádaných hodnot včetně statistického zpracování a zobrazení výsledků graficky.

Pro sledování částic v tekutém prostředí byl vyvinut systém s označením FlowCAM opatřený vysoce rozlišovací digitální kamerou, která zachycuje částice procházející komorou.

Při výpočtech se obvykle vychází z hodnot ESD (Equivalent Spherical Diameter). Rychlost měření moderních přístrojů je velká. Za minutu zpracují stovky tisíc částic. U tzv. Coulterova principu (Electrical Sensing Zone) se určuje velikost částic z měření objemu kapaliny přemístěné jednotlivými částicemi. Částice suspendované v elektrolytu jsou pomocí pumpy protahovány otvorem mezi dvěma elektrodami. Objem elektrolytu vychýlený jednotlivými částicemi a změřená změna napětí je úměrná objemu částice. Metoda je vhodná pro částice menší než 1,3 μm přibližně stejných rozměrů, poskytuje údaje o středním průměru částic a o jejich distribuci. Za předpokladu sférického tvaru částic lze takto získat poměrně přesné údaje o základní veličině ESD charakterizující částice.

Mnoho metod spočívá na využití okolnosti, že velikost částic je úměrná jejich možnosti odklánět rovinu dopadajícího světla. Jako zdroj je v současnosti obvykle užíván laser. Zpracování výsledků měření odraženého světla se opírá o matematické teorie a liší se podle zvoleného typu přístroje. Některé přístroje umožňují současné měření v mnoha rozsazích distribuce aerosolového spektra a poskytují desítky tisíc měření v průběhu jedné minuty, čímž umožňují i sledovat průběh změn v aerosolovém oblaku. Výsledky jsou okamžitě k dispozici včetně statistického vyhodnocení a grafického znázornění. Podstatnou chybou zatěžující tento systém je okolnost, že se částice měří a posuzují, jakoby všechny měly sférický tvar. To je též důvodem, proč nelze v aerosolovém oblaku rozlišovat jednotlivé částice podle původu. Další nevýhodou sledování distribuce částic pomocí odraženého nebo rozptýleného světla je okolnost, že rozptyl světla částicí je podmíněn nejen její velikostí, ale též závislostí na délce použitého světla, tvaru částice, indexu odrazu, úhlu dopadu světla a jeho odrazu, polarizací světla atd. Tyto nepříznivé okolnosti jsou kompenzovány velice rychlým zpracováním tisíců částic během několika vteřin a případně použitím některé matematické teorie.

Uvedené možnosti sledování aerosolových částic byly realizovány v četných přístrojích s vysoce složitým systémem zpracování výsledků. Nejznámější přístroje produkují závody v USA, Velké Británii, Německu a Itálii. Základní principy jsou shodné, v detailech jsou však značné rozdíly. Jedním z takových přístrojů je Laser-Particle-Sizer Analysette 22 Nano Tec, který umožňuje současné měření velikosti částic i jejich distribuci. Měření jsou možná v rozsahu 10 nanometrů až 1000 mikrometrů, a to u vzorků suchých i mokrých (Fritsch – BRD). Zpracování vzorků probíhá dále různým způsobem. Podle Fraunhoferovy teorie je měření zaměřeno na difrakci na hraně částic a je vhodné pro neprůhledné částice a malý rozptylový úhel. Mieova teorie popisuje záření v homogenních sférických částicích a kolem nich v homogenním neabsorbujícím prostředí pro všechny prostorové směry. Částice mohou být transparentní nebo kompletně absorbující. Světelný rozptyl je rezonanční fenomén. Jestliže světelný paprsek o určité vlnové délce narazí na částici, vyvolá u ní elektromagnetické oscilace ve stejné frekvenci, jako mělo stimulující světlo. Částice je naladěna k přijetí specifických vlnových délek a vysílá pak sama energii. Existuje vztah mezi optickým působením a velikostí částice, světelnou vlnovou délkou, refrakčním indexem částic a prostředí.

Při zmenšování velikosti částic informací z rozptýleného světla ubývá, úhel rozptylu je příliš velký, intenzita rozptýleného světla rychle klesá. Proto jsou přístroje k měření takových částic doplňovány dalšími prvky, např. optickými hranoly. V principu Forward Diffraction je světlo v měřicí komoře rozptýleno v přímém směru a zachycováno světelnými čidly. Ve středu detektoru je mikroštěrbina, kterou prochází laserový paprsek k fotobuňce k změření úplné absorpce. V principu Backward Diffraction se zachycuje světlo rozptýlené nanočásticemi s využitím podstatně většího úhlu 60–180 stupňů. Měření zachycuje částice do 10 nanometrů (NIBS). Autotitrator for Particle Characterisation System (Malvern, Velká Británie) umožňuje provádět měření v malých vzorcích (5 ml), Wyatt (USA) spojil detektor Dawn Eos (MALS), měřící velikost a hmotnost na základě změn rozptýleného světla, a Eclipse Particle Separation System, umožňující rychlé rozdělení vzorku v submikroskopickém rozsahu.

Kromě velikosti částic slouží k charakteristice aerosolového vzorku měření tzv. zeta potenciálu (M 3-PALS, Zetasizer Nano ZS, Malvern, Velká Británie). Vyjadřuje velikost odpuzování nebo přitahování mezi částicemi. Jeho měření poskytuje znalosti o vnitřních dějích v aerosolovém prostředí v suspenzích i emulzích.

Zvláštní skupinu metod představují techniky využívající magneticky aktivní částice. Této techniky se využívá především v mikrobiologických metodikách. Takové částice mají rozmanité schopnosti vázat na sebe látky s různými vlastnostmi chemickými, fyzikálními i biologickými a jsou důležitou součástí řady imunobiologických reakcí.

Důležitým prvkem při práci s přístroji měřícími částice je údržba jejich součástí. Například zabezpečení před případným negativním působením okolního prostředí, jako jsou poletavý a sedimentující prach, chemicky a fyzikálně aktivní látky, mikroklima, technická poškození apod. Mezi důležité prvky rozhodující o kvalitě měření patří kalibrace přístrojů. K dispozici je řada preparátů o zvolených velikostech, chemickém složení, možnostech aplikace atd. Vzorky bývají k dispozici jako 1% vodní suspenze, popř. suspenze 10% nebo suché vzorky. Pro mnohá měření se užívá následující kombinace:

• a) velikost 40 nanometrů až 175 mikrometrů,
• b) polystyrenové hydrofobní mikročástice 25 nanometrú až 20 mikrometrů,
• c) křemenné hydrofilní částice 150 nanometrů až 5 mikrometrů.

Samostatnou, pro praxi však velmi důležitou vlastností aerosolů je jejich schopnost se při určitém složení, koncentraci a na vhodný podnět vznítit, popř. vybuchnout. Záleží na mnoha vlastnostech částic a jejich okolí, znalosti těchto parametrů jsou důležitou součástí pravidel bezpečnosti při zacházení s aerosoly.

Prof. MUDr. Antonín Nauš, DrSc.