煤矿呼吸性粉尘中二氧化硅及其他颗粒的团聚效应研究：对暴露评估与健康风险的新启示

为解决煤矿呼吸性粉尘(RCMD)中二氧化硅颗粒的暴露评估难题，Emily Sarver团队通过扫描电镜-能谱联用技术(SEM-EDX)分析了26个煤矿样本，揭示了呼吸性二氧化硅常以团聚体形式存在，且标准采样装置会破坏部分团聚体。研究发现团聚体会影响颗粒尺寸分布和矿物学分类，可能导致二氧化硅的低估，这对改进职业健康监测和粉尘控制策略具有重要意义。

　　

煤矿工人长期暴露于呼吸性粉尘中，尤其是含有结晶二氧化硅的颗粒，可能导致严重的肺部疾病，如煤矿工人尘肺病(CWP)和进行性大块纤维化(PMF)。尽管监管措施已实施数十年，但近年来PMF病例的激增表明，现有的粉尘监测方法可能存在不足。传统方法依赖质量浓度测量，而忽略了颗粒的物理和化学特性，尤其是团聚效应对暴露评估的影响。团聚体可能改变颗粒的沉积行为和毒性，但标准采样设备可能破坏这些团聚体，导致对真实暴露情况的误解。

为了深入探究这一问题，Virginia Tech的Emily Sarver团队在《Scientific Reports》上发表了一项研究，通过分析26个来自美国地下煤矿的呼吸性粉尘样本，结合被动采样技术，系统评估了团聚体对颗粒表征和健康风险评估的影响。研究采用扫描电镜-能谱联用技术(SEM-EDX)对直接采样和经分散处理的粉尘样本进行对比分析，同时利用手动和自动化方法分类颗粒类型。

研究的关键技术方法包括：1) 使用SEM-EDX对粉尘样本进行自动化矿物学分类和尺寸分布分析；2) 通过手动SEM-EDX识别和分类二氧化硅团聚体；3) 对比直接采样与经异丙醇超声分散处理的样本，评估团聚体的稳定性；4) 利用被动采样技术捕捉未受采样设备干扰的粉尘团聚状态。

团聚效应对颗粒表征的影响

自动化SEM-EDX分析显示，经分散处理的样本中颗粒尺寸分布显著细化，尤其是铝硅酸盐(AS)类颗粒。这表明标准采样过程可能破坏了部分团聚体。铝硅酸盐类颗粒在分散后占比增加，暗示团聚体中可能“隐藏”了其他成分（如二氧化硅）。相比之下，碳质颗粒(C)的尺寸变化较小，表明其多以独立形式存在。

二氧化硅团聚体的丰度与分散性

手动分析发现，直接采样样本中仅23%的二氧化硅颗粒为独立存在，其余均以团聚体形式出现，最常见的是二氧化硅与铝硅酸盐的混合(S+OM)。分散处理后，独立二氧化硅颗粒比例升至47%，而S+OM和S+OM+C类团聚体显著减少，表明这些团聚体易被机械力分散。然而，二氧化硅-煤尘(S+C)和纯二氧化硅团聚体(S+S)的分散性较低，可能与颗粒表面特性有关。

被动采样揭示的真实团聚状态

被动采样样本中独立二氧化硅颗粒占比不足5%，远低于常规采样样本，证实采样设备会破坏部分团聚体。此外，被动样本中S+OM类团聚体占比更高，而常规采样样本中S+S类更常见，进一步表明不同团聚类型的稳定性差异。

研究结论指出，呼吸性粉尘中的二氧化硅常以团聚体形式存在，且其表征受采样和分析方法显著影响。团聚效应可能导致二氧化硅暴露的低估，尤其是当自动化SEM-EDX将混合团聚体错误分类为铝硅酸盐时。这一发现对改进职业健康监测具有重要意义：若需评估真实暴露状态，需采用被动采样或优化分散方法；若关注独立颗粒的毒性，则需充分分散样本。此外，研究为开发针对性粉尘控制策略（如利用团聚效应移除呼吸性颗粒）提供了理论基础。

该研究首次系统揭示了煤矿粉尘中团聚效应对健康风险评估的潜在影响，为未来制定更精准的暴露限值和监测标准提供了科学依据。