将纳米物质安全教学内容纳入化学课程.pdf

摇第 30 卷 第 1 期2015 年 2 月摇摇 大 学 化 学UNIVERSITY CHEMISTRYVol.30 No.1Feb.2015摇将纳米物质安全教学内容纳入化学课程*赵明(北京大学药学院化学生物学系摇 北京 100191)摇 摇 摘要摇 指出将纳米物质安全教学内容纳入化学课程的重要性。讨论通过理论和实验课实施纳米物质安全教学的方法,包括通过教学帮助学生建立纳米物质防护理念和学习防护方法。摇 摇 关键词摇 纳米物质摇 安全教育摇 化学课程摇 防护理念摇 防护方法摇 摇 中图分类号摇 O6;G64Integrating the Educational Contents ofNanomaterial Safety into Chemical Courses*Zhao Ming(Department of Chemical Biology,School of Pharmaceutical Sciences,Peking University,Beijing 100191,China)摇 摇 Abstract摇The nanotechnology industry has been developing fastly for the last few decades in China.Due totheir importance in occupational exposure and public health,the educational contents of nanomaterial safety are sug鄄gested to be integrated into chemical courses.The teaching methods for lectures and experimental courses of nanoma鄄terial safety dealing with the protective philosophy and technologies are discussed.摇 摇 Key Words摇 Nanomaterial;Education of safety;Chemical courses;Protective philosophy;Protective methods1摇 从 2003 年的 SARS 病毒防护事件谈起摇 摇 2003 年,全球爆发了严重急性呼吸道综合征,英文缩写为 SARS(severe acute respiratory sydrome),中国称之为非典型肺炎。2003 年春天,SARS 在中国传播。SARS 的传播源于一种新的冠状病毒 SARS鄄CoV1,该病毒最先由世界卫生组织的意大利医生 Carlo Urbani 发现,由于病毒颗粒的大小约为 100nm,远小于口罩纱布孔径(约为 0.1mm,105nm),故纱布口罩不能够阻挡住病人咳嗽所产生的雾沫或者气溶胶携带 SARS 病毒穿过口罩,导致在控制治疗 SARS 的初期,出现了医护人员被病毒感染的情况,甚至有医护人员不幸殉职。面对病毒防护的问题,有人建议使用双层纱布口罩,其实这是无济于事的。当时3M 公司及时提供了一种特殊的口罩,该口罩使用了一种特殊材料,其孔径小于病毒颗粒的直径,使病毒颗粒无法透过;而氧气、氮气及水蒸气等小分子则可以穿过口罩,从而实现了医护人员与病毒的隔离。2摇 纳米物质安全教育的迫切性摇 摇 纳米(nm,nanometer)是一个关于物质尺度大小的长度单位,1 纳米为 10-9米。Nano 一词在古希腊语里是“侏儒冶的意思,表示非常微小。摇 摇 纳米科学问题的提出可以追溯到1959 年12 月29 日 Richard Phillips Feynman 教授在美国加州技术*基金资助:北京大学药学院教学改革项目研究院物理学会年会上发表的题为“There忆s Plenty of Room at the Bottom冶的经典演讲,他在演讲中首次提出纳米科学要解决“在小尺度操纵和控制物体冶的问题2。1974 年,日本东京大学的 Norio Taniguchi教授在其论文“纳米技术的基本概念冶中首次给出纳米技术的概念:纳米技术主要包含通过单个原子及分子处理材料的分离、合成和变形3。现在人们普遍将纳米科学定义为颗粒尺度在 1 至 100 纳米物质的物理学、化学及生物学性质、制备、结构和功能的科学。摇 摇 纳米科学深刻地影响了化学科学,导致了化学科学的重新整合。以往根据物质的尺度大小将物质简单地分类为小分子物质和大分子物质,两者的尺度界限并不清晰。纳米科学的出现,可以将物质分子依据其尺度分为:小分子(0 1nm)、纳米分子(1 100nm,有些分类为 1 200nm)、大分子(100nm 以上)。除了仅由离子键和共价键形成的分子以外,纳米物质还包括以配位键形成的配合物或者复合物超分子、多个分子靠分子间相互作用形成的聚集体(aggregate 或 cluster)、纳米尺度的微晶体或者无定形的固态物质以及液体中靠氢键缔合的分子链或网络。摇 摇 纳米物质具有特殊的物理化学性质,除了小尺度、宏观量子效应、高比表面积等性质以外,纳米物质具有特殊的热力学和化学反应性质,因此,化学家将纳米尺度的物质作为研究对象发展出了纳米化学这样一个化学学科分支。摇 摇 纳米化学的发展也导致了科技产业的革命,出现了纳米催化剂、纳米染料、纳米涂料、纳米光伏材料、纳米印刷颜料、纳米生物传感器等等,如果你翻阅一本药典,你会发现其中几乎全部原料药物和药剂辅料都是纳米物质,纳米科技产业不再像半个世纪前那样仅仅是一种设想,已成为普遍存在的现实。伴随着这个庞大产业的发展,纳米物质的毒性和环境问题也日益突出。我们目前面对的雾霾 PM2.5的问题,在空气中颗粒度小于 2.5 微米的颗粒中,有相当多的是纳米颗粒,其中有些颗粒可能导致呼吸系统疾病,有些具有皮肤刺激性。有毒纳米物质排入水系可能造成动物、植物基因变异和毒物残留,最后影响人类的食物链。因此,纳米物质的职业暴露与公众健康是不可忽视的问题。摇 摇 当面对如此多的纳米产业导致的问题时,目前在一些大学的课程中,却没有关于纳米物质安全教育的内容,一些研究生在完成他们的学位论文时虽然使用了大量的纳米技术和纳米材料,却几乎没有任何纳米物质安全的防护措施。这些问题的根源在于我们并没有通过教育在全社会建立起纳米物质安全的意识,更没有普及纳米物质防护知识。3摇 各国及各国际组织在纳米物质安全方面所做的工作摇 摇 由于纳米科技产业的迅速发展,中国政府和科学界对于纳米物质安全问题给予了充分的关注。2007 年 1 月,国家科技部、国家自然科学基金委、中国科学院以及中国化学会和中国毒理学会召开了专题为“纳米安全性:纳米材料的生物效应与生物医学应用冶的国家纳米科学中心纳米科技系列会议,会议的主旨是围绕纳米生物效应(纳米毒理学、纳米医学、纳米生物学)以及纳米环境效应,从分子、细胞、器官到整体生物水平上,系统地探讨纳米材料与生命过程相互作用、与环境相互作用过程的共性规律;探讨纳米医学、纳米生物学应用的基础;讨论当前工业生产、医学使用的纳米材料、纳米药物等可能引起的生物环境健康问题,探索将来前沿学科领域的发展方向;讨论如何发展纳米生物效应预测模型,探索纳米安全性问题解决方案,提高纳米科技的国际竞争力。以纳米生物效应为核心,开展生物学、医学、化学、毒理学、环境科学、物理学与纳米科学的交叉研究。会议强调对于纳米物质安全问题的国家层面的研究,成立“纳米生物环境安全性学术委员会冶,国家纳米中心对于纳米材料的评价检测和标准制定所起的重要作用,以及对于公众的宣传教育,使公众充分了解纳米技术的益处和可能的危害。摇 摇 2007 年 6 月,世界卫生组织国际食品安全当局(INFOSAN)就纳米物质对于食品安全的问题发布文告。文告指出:目前正在将纳米技术用于从农庄到餐桌的食品工业,并已用于食品包装领域。对于在71摇 第 1 期赵明:将纳米物质安全教学内容纳入化学课程食品和食品加工中使用的所有新型材料,在将其用于食品之前必须对纳米材料潜在的健康和环境危险加以评估。必须充分认识到纳米技术的好处与危险,并在工业、监管者和消费者等所有利益攸关者之间进行公开讨论。这篇文告的特点在于其对于纳米物质对食品安全影响问题的客观性阐述。我们食用的很多物质就是纳米物质(如多糖和某些蛋白质),某些纳米物质对于健康是有益的,因此不应该对于纳米物质有恐惧心理。但是,对于即将使用的纳米材料应该有标准化的健康和环境评估程序。摇 摇 2008 年 9 月,政府间化学品安全论坛第 6 届会议在塞内加尔的达喀尔举行,会议通过了“关于人造纳米材料的达喀尔宣言冶,会议确认必须开展研究,制定研究战略,以支持对人类健康和环境的潜在风险进行更好的分析。为尽可能降低人造纳米材料的风险,各国接受或拒绝人造纳米材料的权利得到认可。通过材料安全数据表(MSDS)或其他方法,向整个供应链中的下游用户知会人造纳米材料的健康和安全风险以及其新颖特征。工业界在他们负责的工作计划中,继续或发起关于人造纳米材料在环境和健康及职业安全方面的沟通和教育工作,包括工作场所监测和在工业界与其他利益相关者中发起进一步合作。政府和利益相关者推广和分享有关人造纳米材料的安全信息。摇 摇 在全球纳米物质安全防护的研究和教育方面,美国堪称典范。首先是在纳米物质毒理和职业健康方面的科学研究非常全面;有国家科研机构、州及大学的科学研究。比如,美国国家疾病控制与预防中心(CDC)所属国立职业安全与健康研究所(NIOSH)主持的纳米材料实验室安全的研究项目提出通过风险认证、职业暴露评估与控制等方法实现纳米材料职业暴露风险的全面管理4。还有些州一级的纳米物质安全的研究项目,如加利福尼亚州就有加州毒物控制机构与加州多所大学合作的科研项目5。在教育方面,由于预计纳米科技产业将在 2020 年达到万亿美元的规模,并出现庞大的就业人群(预计2015 年将需要二百万纳米科学家和研究人员),故有关纳米科学的课程早已进入美国的中学和大学课堂6。纳米科学教育包括纳米物质安全的教育,美国大学实验室中普遍都有纳米物质安全控制和管理措施,比如斯坦福大学7的实验室使用纳米材料标准操作流程模板(standard operating procedure tem鄄plate for the laboratory use of nanomaterials),流程模板要求填写总体的实验流程(process or experimentoverview)、危险评估(risk assessment)和控制(control)方法,控制方法中包括工程控制(engineering con鄄trol)、人员防护设备(personnel protective equipment)、最邻近的安全设备所在位置(location of nearestemergency safety equipment)、操作流程、清洗(decontamination)、出现纳米物质溢出(spill and accidentprocedures)时所采取的步骤(包括危及健康的紧急事件,如燃烧爆炸、严重伤害和其他直接危险,人员出现纳米物质暴露时的紧急处置;以及不会危及健康的紧急事件,如少量纳米物质溢出)、纳米废物处置、安全训练的要求等。美国化学会(ACS)提出要建立安全文化(safety culture),把实验室和产业过程的安全作为资源,并且强调强大的安全文化可能成为大学吸引学生的一种竞争优势8。摇 摇 欧盟国家对于纳米物质安全的研究和教育方面也做出了很多贡献。在欧盟的两个科研框架协议FP6 和 FP7 中,曾有 50 个纳米物质安全方面的合作研究项目。欧盟注意到纳米物质安全问题在纳米产业可持续发展方面的重要性,因此,欧盟在纳米工程化材料(ENM)的暴露、潜在危险的机理、危险评估和管理 4 个方面开展了广泛的研究工作。欧盟提出,目前我们正在面临着第一代纳米功能化产品(nano鄄enabled product),或者叫做被动的纳米结构(passive nanostructures)产品,很快将面临第二代含有活跃的纳米结构(active nanostructures)的产品,将来还会出现第三代整合的纳米系统(integrated nano鄄systems),到 2020 年,杂化的纳米分子系统(heterogeneous nano鄄molecular systems),即通过设计制造出的纳米分子设备将会商业化。因此,纳米物质对人类的安全和对于环境影响的研究要与时俱进。相应地,纳米物质安全教育也必须与时俱进。另外,在欧盟国家之间以及欧盟与美国在标准化和教育方面也有很多非常成功的国际合作9。81大 学 化 学第 30 卷摇4摇 为什么要把纳米物质安全教学内容纳入到化学课程中?摇 摇 纳米物质的安全问题(包括纳米物质的毒性、纳米物质对自然生态的影响等)源于纳米物质的组成、结构、性质和化学反应,只有化学科学才能从分子水平探讨纳米物质的安全问题。摇 摇 此外,化学是高等院校内普遍开设的课程。无论综合大学的理科,还是农林院校的农、林、兽医专业,医药院校的基础及临床医学、药学、护理、公共卫生专业,师范院校的理科,大部分专业学生都学习化学课程,化学课程的开设比生态学、毒理学、工业卫生学课程更为普遍。因此,把纳米物质安全教学内容纳入到化学课程中会为更多的学生提供学习机会,是在高等院校内普及纳米物质安全教育的一种必要的选择。5摇 教学内容与教学方法摇 摇 关于纳米物质安全的教学内容可补充在普通化学或者医药院校的基础化学课程中,课程教学程序、课时和知识点可参考表 1。目前很多大学正在或计划在学生选修化学类课程前开设实验室安全课程,有必要在其中加入关于纳米物质安全的教学内容。摇 摇 在理论课程中,首先了解什么是纳米物质及纳米物质特殊的物理和化学性质,之后通过图片和实例分析简述纳米物质存在的普遍性,纳米物质的生理毒理10和生态毒理问题以及可能造成的危害(如尘肺、皮肤刺激、器官毒性、细胞毒性、基因毒性等);了解纳米物质导致的生态问题及其对人类健康可能造成的危害(如雾霾、水系污染造成的危害,对农作物和动物食物链的影响进而影响人类健康11等)。然后对纳米物质职业暴露与公众健康问题进行讨论(实验室、产业过程及消费可能接触纳米物质的途径(呼吸、皮肤接触和摄取)及其潜在的危险)。最后阐述纳米物质安全防护的原理和方法,隔离 手套箱(普通压力和负压)、防护面具及口罩等,纳米材料制造过程(激光、微波及电弧法消解)的防护;主动防护 禁止向环境排放纳米物质,静电和化学吸收装置回收纳米物质,封存及固定技术,以及通过制度建设和调整产业布局来防止纳米物质安全事故的发生。在校园内建立网上教学社区,由学生和教师进行广泛的纳米物质安全问题的讨论。表 1摇 纳米物质安全课程教学程序和知识点教学程序知识点顺序理论课(2 课时)实验课(3 课时)引纳米物质的特殊性质引纳米物质无处不在引纳米物质毒性和生态问题引纳米物质安全与健康问题纳米物质防护原理和防护方法1纳米物质的物理、化学性质扫描或透射电镜观察纳米颗粒形态、动态光散射(DSL)测定纳米颗粒悬浊液中的粒径分布23无处不在的纳米物质纳米物质的生理毒理和生态毒理问题纳米物质暴露途径及其对健康造成损害使用气体颗粒传感器测定实验室内部和周边环境空气中纳米颗粒分布4纳米物质暴露防护的原理和方法手套箱(普通压力和负压)、防护口罩及面具、防护手套91摇 第 1 期赵明:将纳米物质安全教学内容纳入化学课程摇 摇 实验教学包括显微镜观察碳纳米管、多糖纳米颗粒,从实验室内和周边环境取样并使用显微镜观察,使用空气颗粒度传感器、动态光散射(DSL)粒度仪测定颗粒度分布。实验室防护方法训练包括手套箱、口罩和面具的使用操作等内容。6摇 化学教师在教学中可能遇到的困难摇 摇 纳米科学是跨越多个学科的科学,正如 Lindsay12所说:“纳米科学不是物理学,不是化学,不是工程学,也不是生物学,是所有这些学科的整合。冶因此,当开设纳米物质安全课程时,对于那些完全没有从事过生命科学研究的化学教师,可能遇到的第一个困难就是纳米毒理学、纳米生物学和纳米医学知识的匮乏。教师必须通过学习和研究,以具备能够胜任教学工作的知识结构。教师遇到的另一个困难是缺乏教学资源。如果教师没有直接参与过相关教学内容的科学研究,要讲述一些纳米毒理学和纳米物质安全事故的实例,就非常需要资源共享。再有就是缺乏检测和防护设备。摇 摇 此外,化学教师需要控制课程讲授的限度。毕竟讲授的是化学课程,而不是纳米毒理学课程或工业卫生学课程;纳米物质防护的教学内容还可能与病原微生物防护课程出现部分内容的重叠。既不需超越化学课程范围,又必须在很短的教学时间内使学生学习到有关的知识,这是关于纳米物质安全教学需要探索的问题。7摇 结束语摇 摇 有关纳米物质安全教学的内容应作为化学教育改革的一个组成部分纳入到化学课程中。在实施教学过程中,要强调学习国外先进的纳米物质安全管理经验的重要性。由于纳米科学的跨学科特点,化学教师与纳米医学、纳米药物学、纳米毒理学、纳米生态学专家的合作是在化学课程中成功地开展纳米物质安全教育的关键。摇 摇 由于纳米科技产业的迅速发展以及纳米物质在日常消费品中的广泛应用,所以不仅仅要在大学化学课程中,而且中小学、企业界乃至全体社会公众都应该接受纳米物质安全的普及教育。参摇 考摇 文摇 献1摇Guan Y,Zhang B J,He Y Q,et al.Science,2003,302:2762摇Feynman R P.Engineering and Science,1960(February):223摇Ramson J J.Nanotechnology Perceptions,2005,1:34摇General Safe Practices for Working in Engineered Nanomaterials in Research Laboratories.DHHS(NIOSH)Publication 2012鄄1475摇Nanotoolkit,Working Safely with Engineered Nanomaterials in Academic Research Settings.California Nanosafety Consortium of Higher Edu鄄cation,20126摇Andrew G.ACS Nano,2009,3(4):7627摇http:/www.stanford.edu/dept/EHS/prod/researchlab/IH/nano/index.html8摇Advancing Graduate Education in the Chemical Sciences.Full Report of an ACS Presidential Commission.American Chemical Society.De鄄cember 6,20129摇Savolainen K,Backman U,Brouwer D,et al.Nanosafety in Europe 2015鄄2025:Towards Safe and Sustainable Nanomaterials and Nanotechn鄄ology Innovations.Finnish Institute of Occupational Health,201310摇 Monteiro鄄Riviere N A,Lang Tran 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