趙明

(北京大學(xué)藥學(xué)院化學(xué)生物學(xué)系 北京100191)

1 從2003年的SARS病毒防護(hù)事件談起

2003年，全球爆發(fā)了嚴(yán)重急性呼吸道綜合征，英文縮寫為SARS(severe acute respiratory sydrome)，中國稱之為非典型肺炎。2003年春天，SARS在中國傳播。SARS的傳播源于一種新的冠狀病毒SARSCoV［1］，該病毒最先由世界衛(wèi)生組織的意大利醫(yī)生Carlo Urbani發(fā)現(xiàn)，由于病毒顆粒的大小約為100nm，遠(yuǎn)小于口罩紗布孔徑(約為0.1mm，105nm)，故紗布口罩不能夠阻擋住病人咳嗽所產(chǎn)生的霧沫或者氣溶膠攜帶SARS病毒穿過口罩，導(dǎo)致在控制治療SARS的初期，出現(xiàn)了醫(yī)護(hù)人員被病毒感染的情況，甚至有醫(yī)護(hù)人員不幸殉職。面對(duì)病毒防護(hù)的問題，有人建議使用雙層紗布口罩，其實(shí)這是無濟(jì)于事的。當(dāng)時(shí)3M公司及時(shí)提供了一種特殊的口罩，該口罩使用了一種特殊材料，其孔徑小于病毒顆粒的直徑，使病毒顆粒無法透過;而氧氣、氮?dú)饧八魵獾刃》肿觿t可以穿過口罩，從而實(shí)現(xiàn)了醫(yī)護(hù)人員與病毒的隔離。

2 納米物質(zhì)安全教育的迫切性

納米(nm，nanometer)是一個(gè)關(guān)于物質(zhì)尺度大小的長度單位，1納米為10-9米。Nano一詞在古希臘語里是“侏儒”的意思，表示非常微小。

納米科學(xué)問題的提出可以追溯到1959年12月29日Richard Phillips Feynman教授在美國加州技術(shù)研究院物理學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)表的題為“There's Plenty of Room at the Bottom”的經(jīng)典演講，他在演講中首次提出納米科學(xué)要解決“在小尺度操縱和控制物體”的問題［2］。1974年，日本東京大學(xué)的Norio Taniguchi教授在其論文“納米技術(shù)的基本概念”中首次給出納米技術(shù)的概念:納米技術(shù)主要包含通過單個(gè)原子及分子處理材料的分離、合成和變形［3］?，F(xiàn)在人們普遍將納米科學(xué)定義為顆粒尺度在1至100納米物質(zhì)的物理學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)、制備、結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)。

納米科學(xué)深刻地影響了化學(xué)科學(xué)，導(dǎo)致了化學(xué)科學(xué)的重新整合。以往根據(jù)物質(zhì)的尺度大小將物質(zhì)簡單地分類為小分子物質(zhì)和大分子物質(zhì)，兩者的尺度界限并不清晰。納米科學(xué)的出現(xiàn)，可以將物質(zhì)分子依據(jù)其尺度分為:小分子(0～1nm)、納米分子(1～100nm，有些分類為1～200nm)、大分子(100nm以上)。除了僅由離子鍵和共價(jià)鍵形成的分子以外，納米物質(zhì)還包括以配位鍵形成的配合物或者復(fù)合物超分子、多個(gè)分子靠分子間相互作用形成的聚集體(aggregate或cluster)、納米尺度的微晶體或者無定形的固態(tài)物質(zhì)以及液體中靠氫鍵締合的分子鏈或網(wǎng)絡(luò)……。

納米物質(zhì)具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，除了小尺度、宏觀量子效應(yīng)、高比表面積等性質(zhì)以外，納米物質(zhì)具有特殊的熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)，因此，化學(xué)家將納米尺度的物質(zhì)作為研究對(duì)象發(fā)展出了納米化學(xué)這樣一個(gè)化學(xué)學(xué)科分支。

納米化學(xué)的發(fā)展也導(dǎo)致了科技產(chǎn)業(yè)的革命，出現(xiàn)了納米催化劑、納米染料、納米涂料、納米光伏材料、納米印刷顏料、納米生物傳感器等等，如果你翻閱一本藥典，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其中幾乎全部原料藥物和藥劑輔料都是納米物質(zhì)，納米科技產(chǎn)業(yè)不再像半個(gè)世紀(jì)前那樣僅僅是一種設(shè)想，已成為普遍存在的現(xiàn)實(shí)。伴隨著這個(gè)龐大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，納米物質(zhì)的毒性和環(huán)境問題也日益突出。我們目前面對(duì)的霧霾——PM2.5的問題，在空氣中顆粒度小于2.5微米的顆粒中，有相當(dāng)多的是納米顆粒，其中有些顆粒可能導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病，有些具有皮膚刺激性。有毒納米物質(zhì)排入水系可能造成動(dòng)物、植物基因變異和毒物殘留，最后影響人類的食物鏈。因此，納米物質(zhì)的職業(yè)暴露與公眾健康是不可忽視的問題。

當(dāng)面對(duì)如此多的納米產(chǎn)業(yè)導(dǎo)致的問題時(shí)，目前在一些大學(xué)的課程中，卻沒有關(guān)于納米物質(zhì)安全教育的內(nèi)容，一些研究生在完成他們的學(xué)位論文時(shí)雖然使用了大量的納米技術(shù)和納米材料，卻幾乎沒有任何納米物質(zhì)安全的防護(hù)措施。這些問題的根源在于我們并沒有通過教育在全社會(huì)建立起納米物質(zhì)安全的意識(shí)，更沒有普及納米物質(zhì)防護(hù)知識(shí)。

3 各國及各國際組織在納米物質(zhì)安全方面所做的工作

由于納米科技產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，中國政府和科學(xué)界對(duì)于納米物質(zhì)安全問題給予了充分的關(guān)注。2007年1月，國家科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院以及中國化學(xué)會(huì)和中國毒理學(xué)會(huì)召開了專題為“納米安全性:納米材料的生物效應(yīng)與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用”的國家納米科學(xué)中心納米科技系列會(huì)議，會(huì)議的主旨是圍繞納米生物效應(yīng)(納米毒理學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米生物學(xué))以及納米環(huán)境效應(yīng)，從分子、細(xì)胞、器官到整體生物水平上，系統(tǒng)地探討納米材料與生命過程相互作用、與環(huán)境相互作用過程的共性規(guī)律;探討納米醫(yī)學(xué)、納米生物學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ);討論當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)使用的納米材料、納米藥物等可能引起的生物環(huán)境健康問題，探索將來前沿學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展方向;討論如何發(fā)展納米生物效應(yīng)預(yù)測(cè)模型，探索納米安全性問題解決方案，提高納米科技的國際競(jìng)爭力。以納米生物效應(yīng)為核心，開展生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、毒理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、物理學(xué)與納米科學(xué)的交叉研究。會(huì)議強(qiáng)調(diào)對(duì)于納米物質(zhì)安全問題的國家層面的研究，成立“納米生物環(huán)境安全性學(xué)術(shù)委員會(huì)”，國家納米中心對(duì)于納米材料的評(píng)價(jià)檢測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)制定所起的重要作用，以及對(duì)于公眾的宣傳教育，使公眾充分了解納米技術(shù)的益處和可能的危害。

2007年6 月，世界衛(wèi)生組織國際食品安全當(dāng)局(INFOSAN)就納米物質(zhì)對(duì)于食品安全的問題發(fā)布文告。文告指出:目前正在將納米技術(shù)用于從農(nóng)莊到餐桌的食品工業(yè)，并已用于食品包裝領(lǐng)域。對(duì)于在食品和食品加工中使用的所有新型材料，在將其用于食品之前必須對(duì)納米材料潛在的健康和環(huán)境危險(xiǎn)加以評(píng)估。必須充分認(rèn)識(shí)到納米技術(shù)的好處與危險(xiǎn)，并在工業(yè)、監(jiān)管者和消費(fèi)者等所有利益攸關(guān)者之間進(jìn)行公開討論。這篇文告的特點(diǎn)在于其對(duì)于納米物質(zhì)對(duì)食品安全影響問題的客觀性闡述。我們食用的很多物質(zhì)就是納米物質(zhì)(如多糖和某些蛋白質(zhì))，某些納米物質(zhì)對(duì)于健康是有益的，因此不應(yīng)該對(duì)于納米物質(zhì)有恐懼心理。但是，對(duì)于即將使用的納米材料應(yīng)該有標(biāo)準(zhǔn)化的健康和環(huán)境評(píng)估程序。

2008年9 月，政府間化學(xué)品安全論壇第6屆會(huì)議在塞內(nèi)加爾的達(dá)喀爾舉行，會(huì)議通過了“關(guān)于人造納米材料的達(dá)喀爾宣言”，會(huì)議確認(rèn)必須開展研究，制定研究戰(zhàn)略，以支持對(duì)人類健康和環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更好的分析。為盡可能降低人造納米材料的風(fēng)險(xiǎn)，各國接受或拒絕人造納米材料的權(quán)利得到認(rèn)可。通過材料安全數(shù)據(jù)表(MSDS)或其他方法，向整個(gè)供應(yīng)鏈中的下游用戶知會(huì)人造納米材料的健康和安全風(fēng)險(xiǎn)以及其新穎特征。工業(yè)界在他們負(fù)責(zé)的工作計(jì)劃中，繼續(xù)或發(fā)起關(guān)于人造納米材料在環(huán)境和健康及職業(yè)安全方面的溝通和教育工作，包括工作場(chǎng)所監(jiān)測(cè)和在工業(yè)界與其他利益相關(guān)者中發(fā)起進(jìn)一步合作。政府和利益相關(guān)者推廣和分享有關(guān)人造納米材料的安全信息。

在全球納米物質(zhì)安全防護(hù)的研究和教育方面，美國堪稱典范。首先是在納米物質(zhì)毒理和職業(yè)健康方面的科學(xué)研究非常全面;有國家科研機(jī)構(gòu)、州及大學(xué)的科學(xué)研究。比如，美國國家疾病控制與預(yù)防中心(CDC)所屬國立職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)主持的納米材料實(shí)驗(yàn)室安全的研究項(xiàng)目提出通過風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)證、職業(yè)暴露評(píng)估與控制等方法實(shí)現(xiàn)納米材料職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)的全面管理［4］。還有些州一級(jí)的納米物質(zhì)安全的研究項(xiàng)目，如加利福尼亞州就有加州毒物控制機(jī)構(gòu)與加州多所大學(xué)合作的科研項(xiàng)目［5］。在教育方面，由于預(yù)計(jì)納米科技產(chǎn)業(yè)將在2020年達(dá)到萬億美元的規(guī)模，并出現(xiàn)龐大的就業(yè)人群(預(yù)計(jì)2015年將需要二百萬納米科學(xué)家和研究人員)，故有關(guān)納米科學(xué)的課程早已進(jìn)入美國的中學(xué)和大學(xué)課堂［6］。納米科學(xué)教育包括納米物質(zhì)安全的教育，美國大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中普遍都有納米物質(zhì)安全控制和管理措施，比如斯坦福大學(xué)［7］的實(shí)驗(yàn)室使用納米材料標(biāo)準(zhǔn)操作流程模板(standard operating procedure template for the laboratory use of nanomaterials)，流程模板要求填寫總體的實(shí)驗(yàn)流程(process or experiment overview)、危險(xiǎn)評(píng)估(risk assessment)和控制(control)方法，控制方法中包括工程控制(engineering control)、人員防護(hù)設(shè)備(personnel protective equipment)、最鄰近的安全設(shè)備所在位置(location of nearest emergency safety equipment)、操作流程、清洗(decontamination)、出現(xiàn)納米物質(zhì)溢出(spill and accident procedures)時(shí)所采取的步驟(包括危及健康的緊急事件，如燃燒爆炸、嚴(yán)重傷害和其他直接危險(xiǎn)，人員出現(xiàn)納米物質(zhì)暴露時(shí)的緊急處置;以及不會(huì)危及健康的緊急事件，如少量納米物質(zhì)溢出)、納米廢物處置、安全訓(xùn)練的要求等。美國化學(xué)會(huì)(ACS)提出要建立安全文化(safety culture)，把實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)過程的安全作為資源，并且強(qiáng)調(diào)強(qiáng)大的安全文化可能成為大學(xué)吸引學(xué)生的一種競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)［8］。

歐盟國家對(duì)于納米物質(zhì)安全的研究和教育方面也做出了很多貢獻(xiàn)。在歐盟的兩個(gè)科研框架協(xié)議FP6和FP7中，曾有50個(gè)納米物質(zhì)安全方面的合作研究項(xiàng)目。歐盟注意到納米物質(zhì)安全問題在納米產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面的重要性，因此，歐盟在納米工程化材料(ENM)的暴露、潛在危險(xiǎn)的機(jī)理、危險(xiǎn)評(píng)估和管理4個(gè)方面開展了廣泛的研究工作。歐盟提出，目前我們正在面臨著第一代納米功能化產(chǎn)品(nano-enabled product)，或者叫做被動(dòng)的納米結(jié)構(gòu)(passive nanostructures)產(chǎn)品，很快將面臨第二代含有活躍的納米結(jié)構(gòu)(active nanostructures)的產(chǎn)品，將來還會(huì)出現(xiàn)第三代整合的納米系統(tǒng)(integrated nanosystems)，到2020年，雜化的納米分子系統(tǒng)(heterogeneous nano-molecular systems)，即通過設(shè)計(jì)制造出的納米分子設(shè)備將會(huì)商業(yè)化。因此，納米物質(zhì)對(duì)人類的安全和對(duì)于環(huán)境影響的研究要與時(shí)俱進(jìn)。相應(yīng)地，納米物質(zhì)安全教育也必須與時(shí)俱進(jìn)。另外，在歐盟國家之間以及歐盟與美國在標(biāo)準(zhǔn)化和教育方面也有很多非常成功的國際合作［9］。

4 為什么要把納米物質(zhì)安全教學(xué)內(nèi)容納入到化學(xué)課程中?

納米物質(zhì)的安全問題(包括納米物質(zhì)的毒性、納米物質(zhì)對(duì)自然生態(tài)的影響等)源于納米物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，只有化學(xué)科學(xué)才能從分子水平探討納米物質(zhì)的安全問題。

此外，化學(xué)是高等院校內(nèi)普遍開設(shè)的課程。無論綜合大學(xué)的理科，還是農(nóng)林院校的農(nóng)、林、獸醫(yī)專業(yè)，醫(yī)藥院校的基礎(chǔ)及臨床醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、護(hù)理、公共衛(wèi)生專業(yè)，師范院校的理科，大部分專業(yè)學(xué)生都學(xué)習(xí)化學(xué)課程，化學(xué)課程的開設(shè)比生態(tài)學(xué)、毒理學(xué)、工業(yè)衛(wèi)生學(xué)課程更為普遍。因此，把納米物質(zhì)安全教學(xué)內(nèi)容納入到化學(xué)課程中會(huì)為更多的學(xué)生提供學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，是在高等院校內(nèi)普及納米物質(zhì)安全教育的一種必要的選擇。

5 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法

關(guān)于納米物質(zhì)安全的教學(xué)內(nèi)容可補(bǔ)充在普通化學(xué)或者醫(yī)藥院校的基礎(chǔ)化學(xué)課程中，課程教學(xué)程序、課時(shí)和知識(shí)點(diǎn)可參考表1。目前很多大學(xué)正在或計(jì)劃在學(xué)生選修化學(xué)類課程前開設(shè)實(shí)驗(yàn)室安全課程，有必要在其中加入關(guān)于納米物質(zhì)安全的教學(xué)內(nèi)容。

在理論課程中，首先了解什么是納米物質(zhì)及納米物質(zhì)特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，之后通過圖片和實(shí)例分析簡述納米物質(zhì)存在的普遍性，納米物質(zhì)的生理毒理［10］和生態(tài)毒理問題以及可能造成的危害(如塵肺、皮膚刺激、器官毒性、細(xì)胞毒性、基因毒性等);了解納米物質(zhì)導(dǎo)致的生態(tài)問題及其對(duì)人類健康可能造成的危害(如霧霾、水系污染造成的危害，對(duì)農(nóng)作物和動(dòng)物食物鏈的影響進(jìn)而影響人類健康［11］等)。然后對(duì)納米物質(zhì)職業(yè)暴露與公眾健康問題進(jìn)行討論(實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)業(yè)過程及消費(fèi)可能接觸納米物質(zhì)的途徑(呼吸、皮膚接觸和攝取)及其潛在的危險(xiǎn))。最后闡述納米物質(zhì)安全防護(hù)的原理和方法，隔離——手套箱(普通壓力和負(fù)壓)、防護(hù)面具及口罩等，納米材料制造過程(激光、微波及電弧法消解)的防護(hù);主動(dòng)防護(hù)——禁止向環(huán)境排放納米物質(zhì)，靜電和化學(xué)吸收裝置回收納米物質(zhì)，封存及固定技術(shù)，以及通過制度建設(shè)和調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局來防止納米物質(zhì)安全事故的發(fā)生。在校園內(nèi)建立網(wǎng)上教學(xué)社區(qū)，由學(xué)生和教師進(jìn)行廣泛的納米物質(zhì)安全問題的討論。

表1 納米物質(zhì)安全課程教學(xué)程序和知識(shí)點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括顯微鏡觀察碳納米管、多糖納米顆粒，從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和周邊環(huán)境取樣并使用顯微鏡觀察，使用空氣顆粒度傳感器、動(dòng)態(tài)光散射(DSL)粒度儀測(cè)定顆粒度分布。實(shí)驗(yàn)室防護(hù)方法訓(xùn)練包括手套箱、口罩和面具的使用操作等內(nèi)容。

6 化學(xué)教師在教學(xué)中可能遇到的困難

納米科學(xué)是跨越多個(gè)學(xué)科的科學(xué)，正如Lindsay［12］所說:“納米科學(xué)不是物理學(xué)，不是化學(xué)，不是工程學(xué)，也不是生物學(xué)，是所有這些學(xué)科的整合?！币虼耍?dāng)開設(shè)納米物質(zhì)安全課程時(shí)，對(duì)于那些完全沒有從事過生命科學(xué)研究的化學(xué)教師，可能遇到的第一個(gè)困難就是納米毒理學(xué)、納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)知識(shí)的匱乏。教師必須通過學(xué)習(xí)和研究，以具備能夠勝任教學(xué)工作的知識(shí)結(jié)構(gòu)。教師遇到的另一個(gè)困難是缺乏教學(xué)資源。如果教師沒有直接參與過相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)研究，要講述一些納米毒理學(xué)和納米物質(zhì)安全事故的實(shí)例，就非常需要資源共享。再有就是缺乏檢測(cè)和防護(hù)設(shè)備。

此外，化學(xué)教師需要控制課程講授的限度。畢竟講授的是化學(xué)課程，而不是納米毒理學(xué)課程或工業(yè)衛(wèi)生學(xué)課程;納米物質(zhì)防護(hù)的教學(xué)內(nèi)容還可能與病原微生物防護(hù)課程出現(xiàn)部分內(nèi)容的重疊。既不需超越化學(xué)課程范圍，又必須在很短的教學(xué)時(shí)間內(nèi)使學(xué)生學(xué)習(xí)到有關(guān)的知識(shí)，這是關(guān)于納米物質(zhì)安全教學(xué)需要探索的問題。

7 結(jié)束語

有關(guān)納米物質(zhì)安全教學(xué)的內(nèi)容應(yīng)作為化學(xué)教育改革的一個(gè)組成部分納入到化學(xué)課程中。在實(shí)施教學(xué)過程中，要強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的納米物質(zhì)安全管理經(jīng)驗(yàn)的重要性。由于納米科學(xué)的跨學(xué)科特點(diǎn)，化學(xué)教師與納米醫(yī)學(xué)、納米藥物學(xué)、納米毒理學(xué)、納米生態(tài)學(xué)專家的合作是在化學(xué)課程中成功地開展納米物質(zhì)安全教育的關(guān)鍵。

由于納米科技產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及納米物質(zhì)在日常消費(fèi)品中的廣泛應(yīng)用，所以不僅僅要在大學(xué)化學(xué)課程中，而且中小學(xué)、企業(yè)界乃至全體社會(huì)公眾都應(yīng)該接受納米物質(zhì)安全的普及教育。

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