Магнитное и микроскопическое исследование переносимых по воздуху наночастиц оксида железа в лондонском метро. | Хэнаньская компания магнитной сборки, ООО

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20298 (2022) Цитировать эту статью

4957 Доступов

682 Альтметрика

Подробности о метриках

Уровни концентрации твердых частиц (PM) в лондонском метрополитене (LU) выше фоновых уровней в Лондоне и выходят за пределы, установленные Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). Истирание колес, гусениц и тормозов являются основными источниками твердых частиц, образуя преимущественно частицы, богатые железом, что делает микроокружение LU особенно подходящим для изучения с использованием магнетизма окружающей среды. Здесь мы объединяем магнитные свойства, электронную микроскопию высокого разрешения и электронную томографию, чтобы охарактеризовать структуру, химические и морфометрические свойства частиц LU в трех измерениях с наномасштабным разрешением. Наши результаты показывают, что в LU PM преобладают частицы маггемита размером 5–500 нм, образующие агрегированные кластеры размером 0,1–2 мкм, что искусственно искажает фракционированную по размеру концентрацию PM до более крупных размеров при измерении с помощью традиционных мониторов. Магнитные свойства в значительной степени не зависят от размера ФМ-фильтра (РМ10, ПМ4 и ПМ2,5) и демонстрируют наличие суперпарамагнитных (< 30 нм), однодоменных (30–70 нм) и вихревых/псевдооднодоменных Только сигналы (70–700 нм) (т.е. нет многодоменных частиц размером > 1 мкм). Окисленная природа частиц позволяет предположить, что воздействие твердых частиц в LU происходит в основном за счет ресуспендирования старых частиц пыли по сравнению со свежеистертыми металлическими частицами из системы колесо/гусеница/тормозная система, что позволяет предположить, что периодическое удаление накопленной пыли из подземных туннелей может обеспечить экономически эффективная стратегия снижения воздействия. Обилие ультрамелких частиц, выявленных здесь, может иметь особенно неблагоприятные последствия для здоровья, поскольку их меньший размер позволяет проникать из легких в кровоток. Показано, что магнитные методы обеспечивают точную оценку характеристик ультрадисперсных твердых частиц, обеспечивая надежный путь для мониторинга и потенциально снижая эту опасность.

Лондонское метро (LU) — популярный вид транспорта среди лондонцев и гостей города, перевозящее 2 миллиона пассажиров в день. Установлено, что концентрация твердых частиц (PM10, PM2,5 и PM1) в LU значительно превышает фоновые уровни твердых частиц в Лондоне. Предыдущее исследование по мониторингу загрязнения воздуха на LU показало, что более высокие уровни твердых частиц могут быть связаны с возрастом и глубиной платформ, а также с плохими системами вентиляции1. Сообщается, что концентрации PM2,5 в системах метро, подобных LU, превышают рекомендации ВОЗ по качеству воздуха для твердых частиц. Однако уровень ПМ в LU привлек меньше внимания. Хотя некоторые линии LU находятся над поверхностью, транспортная система считается внутренней средой, для которой Министерство окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства (DEFRA UK) не устанавливает нормативных ограничений для твердых частиц. Предыдущие исследования показали, что химический состав PM2,5 в LU состоит преимущественно из оксида железа (47–67%), 1–2% кварца, других тяжелых металлов, 18% углерода (элементарного углерода и органического углерода) и 14% металлического углерода. и минеральные оксиды1,2. Источниками богатых железом ТЧ в ЛУ являются различные компоненты колесно-гусеничной тормозной системы. Предыдущие исследования, проведенные в Лондоне1,2,3 и Сеуле4, показали, что богатые железом ТЧ образуются в результате износа стальных компонентов и рельсов из-за трения, износа деталей поездов, таких как башмаки коллекторов, которые изготовлены из чугуна, и железосодержащих тормозные колодки. В настоящее время в LU вакуумы с локализованной эмиссией (LEV) улавливают часть сварочных дымов, которые образуются, когда металлы нагреваются выше точки плавления, испаряются и конденсируются в аэрозоли. Таким образом, большая часть частиц, богатых железом, вероятно, образуется в результате истирания системы колеса-гусеницы-тормоза (хотя все линии, за исключением Бейкерлоо и Пикадилли, имеют рекуперативное торможение).

Воздействие ультрамелких частиц загрязнения окружающего воздуха связано с риском для здоровья, связанным с астмой, повреждением головного мозга5, деменцией6, раком легких, сердечно-сосудистыми заболеваниями, снижением когнитивных способностей7. В частности, воздействие магнетита ТЧ на здоровье человека было связано с болезнью Альцгеймера8, а наночастицы магнетита также были обнаружены в мозге, что может иметь серьезные последствия9,10. Тем не менее, были проведены ограниченные и неубедительные исследования потенциального воздействия на здоровье систем метрополитена11,12, богатых ТЧ-оксидами железа. На данный момент нет убедительных доказательств того, что воздействие частиц в подземной железнодорожной среде более опасно, чем загрязнение окружающего воздуха. Кроме того, ранее утверждалось, что подземная железнодорожная среда вряд ли будет представлять риск для здоровья рабочих и пассажиров из-за различного воздействия на здоровье оксидов железа и частиц, образующихся при горении, а также более безопасных концентраций твердых частиц ниже рекомендуемых стандартов на рабочем месте2. Предыдущие токсикологические исследования, проведенные в стокгольмском метро (микросреда, богатая железом), не выявили повышенного риска инфаркта миокарда у водителей метро по сравнению с другими работниками физического труда в Стокгольме13. Тем не менее, недавнее исследование in vitro, проведенное14 с использованием ТЧ с линий Бейкерлоо и Джубили станции Бейкер-стрит в ЛУ, действительно выявило доказательства повышенного риска пневмококковой инфекции и смертности. Другое исследование in vitro PM10 в стокгольмском метро также показало, что воздух в 40–80 раз более генотоксичен и в 20–40 раз более эффективен в возникновении окислительного стресса по сравнению с городской уличной средой15. Аналогичным образом, исследование загрязнения подземных железных дорог показало, что PM2,5 и PM1,8 обладают большей способностью производить активные формы кислорода (АФК), чем более крупные PM10; эти частицы могут проникать через слизистый слой, вызывая антиоксидантную реакцию16. Уже известно, что ни один уровень воздействия ТЧ не может считаться безопасным для здоровья пределом17, а плохая вентиляция на платформах и в туннелях означает, что пассажиры пригородных поездов подвергаются воздействию высоких уровней твердых частиц во время поездок.

200 mT; (2) a clear vortex/pseudo-single domain (V/PSD) component (particles diameter between 70 and 700 nm); and (3) a vertically asymmetric signal at the origin that is consistent with the presence of SP particles < 30 nm). Similar features are observed in EM2 (consisting primarily, but not exclusively, of PM2.5 and PM10 air filters from train operator cabins) but with relative greater intensity for the SP component and weaker intensity for the SD and V/PSD and signals compared to EM1. Our remanence FORCs (remFORCs) measured using the irregular measurement algorithm devised by22,23 highlights both the SP, SD and V/PSD contributions. Here, the SP signal is isolated in the remFORC diagram in a region that is sensitive to viscous magnetization processes23 (see Supplementary Fig. S5).The idea that small variations in proportion of SP particles dictates the subtlety different FORC fingerprints is also confirmed by the uniform shape of the coercivity distribution for all air filter samples, with SP content influencing the height (but not the shape) of the coercivity distribution peak (Fig. 1A). The increase in coercivity from 200 mT (Fig. 1H) to 250 mT observed in the 10 K FORC diagram (Fig. 1J) is caused by the conversion of larger SP particles to stable SD particles on cooling. Low-temperature hysteresis and FORCs indicate the persistence of SP signatures at 10 K, indicating the presence of very small particles (< < 30 nm)./p> 0.3, as seen (albeit rarely) in our TEM and tomography particle size data (see Supplementary Figs. S11 and S12) or (b) the nucleation and annihilation of vortex states in metallic Fe nanoparticles (ranging from 32 nm to around 500 nm)30. The peak of the backfield coercivity distribution for all our air filter samples lie at around 65 mT (Fig. 1A), similar to coercivity values for vehicular brake residue samples and higher than vehicular exhaust emissions from a previous study31. No direct evidence of metallic Fe was found in our microscopy data. FORC signatures of brake-residue samples dominated by metallic-Fe nanoparticles typically show a bi-modal FORC signature of high-coercivity ridge and low-coercivity wings and lack the clear magnetite-like V/PSD signals observed in Lahore30. In fact, they look more similar to FORC leaf fingerprints from both Lahore and leaf and lichen FORC fingerprints observed in Rome32—likely to be because Fe-rich particles are dominated by brake wear PM and are oxidized over time. Although we cannot rule out some contribution to the high-coercivity signal from metallic Fe, the magnetic features observed here do not require metallic Fe to be present and are consistent with maghemite particles with the sizes, and shapes observed in the microscopy/tomography data, which span the SP, SD to V size range, and have the requisite aspect ratios to create high coercivity signals (see Supplementary Fig. S12). We note that the magnetic grain size distribution from HRTEM images shows an average particle diameter of 10 nm (see Supplementary Fig. S11). This is congruous with TEM analysis from a study of Shanghai subway PM. They observed ‘clumped’ submicron-sized Fe-rich particles, which was consistent with the presence of SP and SD grains revealed by magnetic techniques33. Fe-rich particles observed in this study are similar to TEM images of outdoor vehicular brake wear PM, where a prolific number of 10–50 nm sized nanoparticles form larger agglomerates34, conversely to a study in Rome35 where it was concluded that SP particles (ultrafine particles < 30 nm) occur as a result of stress in the oxidized outer shell of MD particles (particles > 700 nm). Moreover, in vehicle braking systems, magnetic PM emissions are dominated by magnetite34,36,37,38 ,however, our results suggests that the rail-wheel-brake wear airborne particles in the LU are dominated by maghemite (see Supplementary Fig. S4)./p>