ZnO と Fe3O4 ナノ粒子が関与する金属ヒューム熱に対する相乗メカニズムの提案 | 北京アジャイルリフトベンチャーズグループ株式会社

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15643 (2022) この記事を引用

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金属ヒューム熱 (MFF) は、金属ヒューム、特に亜鉛の吸入に関連する炎症性疾患ですが、そのメカニズムはまだ不明です。この研究では、MFF 発症の 2 段階のメカニズムの仮説を実験的に調査します: (1) ZnO を介した空気中の過酸化水素 (H2O2) の光触媒生成、および (2) マグネタイトを介したフェントン反応によるヒドロキシルラジカル (HOÄ) の生成(Fe3O4) ナノ粒子。光触媒作用とフェントン反応生成物は、それぞれ多重散乱増強吸光度装置を使用して測定され、ブロモフェノールブルーの分解はマイクロプレート測光法で評価されました。我々は、UV の存在下では、ZnO が UV 単独または UV を照射していない ZnO よりも 3 ～ 4 倍多くの H2O2 を生成することを観察しました。生物学的に関連するリガンドの存在下で、Fe(II)、Fe(III)、または Fe3O4 ナノ粒子のいずれかとの生理的 pH でのフェントン反応も測定しました。我々の結果は、MFF発症の2段階メカニズムの仮説を裏付けるものであり、肺内に事前に存在するFeがZnOの光触媒作用によって酸化ストレスを悪化させるというもので、亜鉛メッキ鋼板を溶接する際に起こり得る状況である。より広範には、このことは、金属粒子への呼吸器曝露におけるフェントン機構の役割と、他の肺疾患への寄与の可能性についての問題を提起する。

金属ヒューム熱（MFF）は、溶接工に宣言される職業病で、インフルエンザ様の症状、発熱、悪寒、頭痛、筋肉痛、倦怠感、咳、吐き気などの急性の不特定の症状を特徴とします1。症状の発症は、通常、金属含有ガスへの曝露をやめてから 4 ～ 10 時間後に起こります。初期の臨床所見は最小限であり、呼吸数、肺検査、パルスオキシメトリーは正常です2、3。 1 週間以上連続して金属ヒュームに曝露されると、タキフィラキシーがよく見られ、曝露されていない期間 (週末など) の後に最も重篤な症状が現れ、週の勤務期間中に症状が改善します。遡及的な症例レビューでは、症状が発現する日が最も多かったのは月曜日で、その後の平日は頻度が一定に減少しました1。通常、最初の胸部 X 線写真は正常です。臨床検査はほとんどの場合必要ありませんが、左方偏移を伴う白血球増加や炎症マーカーの上昇が示される場合があります。急性期の肺機能検査では肺活量の低下が見られる場合がありますが、回復とともに正常化します。 MFF の治療は支持的であり、予後は良好で、ほとんどの症例で曝露中止後 12 ～ 48 時間で迅速かつ完全に回復します 3。長期にわたる続編は非常に珍しいことです。 MFF の重篤な症例はまれですが、良性の症例は一般的です。 2006 年には、米国における MFF の有病率は年間 1500 ～ 2500 件と推定されていました2。

溶接には、金属を溶かすことができる強力なエネルギー源として電気アークが発生し、UV 領域をカバーする広い発光スペクトル放射が伴います 4,5。蒸発凝縮溶着法による金属酸化物微粒子・超微粒子の製造も確立されています。ステンレス鋼の溶接中、冷却および酸化条件下で、溶融物および電極からの金属蒸気がマグネタイトのナノ結晶および微粒子を形成します6。亜鉛メッキステンレス鋼の場合、生成されたエアロゾルには ZnO 粒子がさらに豊富に含まれます。高エネルギー放射線と半導体として動作する可能性のある金属酸化物粒子が共存しているにもかかわらず、MFFに対して提案されている現在のメカニズムは、原因変数としてUVおよびその可能性のある金属粒子との相互作用を考慮しておらず、主に粒子の吸入シナリオに焦点を当てています。 MFF は、溶接中に放出されるような金属粒子の吸入によって誘発されることが示唆されました。実際、これらの粒子のサイズは、通常はマイクロおよびナノメートルの範囲にあり、肺胞領域に容易に到達する可能性があります。 77 ～ 600 mg Zn/m3 という高濃度への曝露は、MFF7 を誘発することが認められています。それにもかかわらず、2 mg/m3 への 1 時間の曝露は、血液マーカーのレベルの増加を誘発するのに十分であることが最近示されています8。一方、0.5 mg/m3 の ZnO に 1 時間曝露された被験者では、血液学的または心臓血管への影響は観察されていません。 2時間9分。

MFF の正確な病態生理学はまだ不明ですが、溶接ヒューム粒子が細気管支および肺胞領域に堆積すると、それに含まれる ZnO が局所的にラジカル酸素種 (ROS) の形成を誘導すると考えられています。これらの ROS は、細胞シグナル伝達経路を介して、肺マクロファージによる炎症促進性サイトカイン (腫瘍壊死因子 (TNF)、インターレキン 6 (IL-6) およびインターレキン 8 (IL8) を含む) の放出を刺激し 11、その結果、 MFF10で観察されるような症状の例。溶接工に関する疫学研究は、曝露と気管支肺胞洗浄中の TNF、IL-6、および Il-8 濃度との間の時間および用量反応関係を裏付けています。しかし、職業的に曝露された集団では炎症誘発性サイトカインの放出が監視されているが 11,12 、我々の知る限り、金属ヒュームによる ROS 誘導に関する研究は行われていない。

対照的に、外因性 ROS は、車両交通、お香の燃焼、タバコの煙、またはガス調理などの燃焼源から発生する金属含有粒子によって生成されることが示されています 13 (Wang を参照 14。特に、Mn と Mn の間では有意な正の相関が見出されています。これらの粒子の V および Zn 含有量と ROS 濃度さらには、周囲の微粒子の水溶性金属の割合が ROS 生成と関連していました 15。

粒子のナノメートルの性質は、最近実証されたように、溶接機における MFF の発生や ZnO との特定の関係を説明するには十分ではありません 8。一方では ZnO の光触媒特性を考慮し、他方ではいわゆるフェントン酸化還元反応 16 を介して遷移金属が HOÄ を生成する能力を考慮すると、他のメカニズムを考慮することができます。

最近、Lenzen et al. は、過酸化水素がプロラジカル種として作用し、部位に局在するフェントン様反応を介して細胞内にヒドロキシルラジカルを分布させることができるという独自の酸化ストレスシナリオを報告しました17。同様に、ここでは環境要因 (UV、相対湿度) と ZnO および Fe3O4 ナノ粒子の存在により、ガス状過酸化水素の生成を介してヒドロキシルラジカルの生成が可能になり、ZnO に対する炎症反応の悪化に寄与すると仮説を立てます。 MFFの発症には非常に状況的な性質がある。具体的には、次の 2 段階のシナリオに従って、UV 活性化 ZnO ナノ粒子と Fe3O4 ナノ粒子の組み合わせが上皮細胞において光により可能になる酸化ストレス経路を誘導するかどうかを評価したいと考えています。

スチールコーティング層または熱生成ナノ粒子の形をした ZnO は、UV 光にさらされると、まず光触媒作用によってガス状の過酸化水素を生成します。

吸入された過酸化水素は、肺に以前に沈着した Fe3O4 ナノ粒子との不均一なフェントン様反応を介して、その場でヒドロキシルラジカルの生成を引き起こします。

これらのメカニズムが確立されれば、MFF の発症における ROS メカニズム理論が裏付けられ、UV 光、Fe3O4 ナノ粒子、ZnO 層が関与する亜鉛めっき鋼の溶接と MFF が頻繁に関連する理由を説明できる可能性があります。

溶接ヒュームへの曝露後の MFF の 2 段階トリガーメカニズムの仮説は、図 1 に図式化されているような二重の仮定に基づいています。 (1) 亜鉛メッキ鋼の溶接中に、ZnO 層と空気中の熱で生成された ZnO NP – 溶接アーク付近で UV 光触媒作用を受け、気相 H2O2 が生成されます。 (2) 以前に気道に沈着したリガンド安定化 Fe3O4 NP と接触すると (急性/慢性曝露)、吸入された H2O2 (急性曝露) はヒドロキシルラジカルの生成を伴う in situ フェントン反応を引き起こします。

2段階MFFメカニズム仮説の概略図。

ZnO光触媒作用に焦点を当てた図2に示す実験設定は、空気の存在下でZnO粒子がUV光（254nm）にさらされる溶接表面付近の亜鉛メッキ鋼の溶接シナリオを模倣することを目的としていました。簡単に説明すると、空気流 (2L/min) により、ZnO NP 層から光触媒によって生成された H2O2 が、分析のために超純水で満たされた捕集インピンジャーに導かれます。異なる相対湿度 (RH) レベルで得られた結果は、ZnO 触媒による H2O2 の生成に対する UV 放射照度の影響を明確に示しています (図 3)。 TiO2 ですでに観察されたことと同様に、UV 照射された ZnO の半導体挙動により、ē/h+ 形成を介して表面で水分子の高速酸化が可能になります 18。興味深いことに、空気中の H2O2 生成量は、低め (12%) および高め (82%) の相対湿度範囲よりも、穏やかな相対湿度条件 (56%) の 12.3 pmol/Lair で多く、どちらも約 8.3 pmol/Lair の値を示しています。対応する対照実験である ZnO/UV(-) と ZnO(-)/UV の比較分析では、UV 生成一重項酸素・O1 と水の交差反応に起因する H2O2 の形成、つまり最大の空気反応性が強調されます。 5.1 pmol/Lair — 高い相対湿度で到達します。 ZnO と空気の両方の寄与を含む全体の光触媒収量を計算すると、それぞれ低 RH、穏やか、高 RH 条件に対応する 3.4、4.0、および 3.2 で構成される値が得られます。これらの実験条件では、特に ZnO の場合、空気と UV の反応性を無視して、穏やかな相対湿度で 3.4 の最大光触媒収量が達成されます。

ZnO ナノ粒子堆積層を UV 放射線 (254 nm) に曝露し、その後光触媒によって生成された空気中の H2O2 を定量するための実験セットアップの概略図。

3 つの実験条件: UV 単独、ZnO 単独、UV および ZnO における、UV 放射照度 (254 nm) への曝露後に光触媒によって生成された空気中の H2O2 の酸化電位 (pmol/Lair)。

我々の機構仮説の最初の仮定である気相 H2O2 の光触媒生成に加えて、生理的 pH で Fe3O4 NP でフェントン反応が起こる可能性が研究されました。さらに、Fe3O4 NP の溶解により Fe(II)/フェントン反応と Fe(III)/フェントン反応が共存する可能性が考えられるため、Fe(II) と Fe(III) を用いて比較実験を実施しました。ただし、Fe(0) 蒸気の凝縮/酸化が主にマグネタイトナノ結晶の形成を引き起こすため、ゼロ価鉄フェントン反応 (ZVI/フェントン) は起こりにくいです6。

以前の研究と同様に、有機染料（ここではブロモフェノールブルー（BPB））の分解を、系内でのヒドロキシルラジカルの生成によるフェントン反応を間接的に評価するために使用しました19。 96 ウェルマイクロプレート形式でのハイスループットの吸光度ベース (590 nm) 測定を使用して、BPB 分解の動態を追跡しました。図4の曲線は、クエン酸塩、シュウ酸塩、希釈粘液などの生物学的リガンドの存在下（または非存在下）で、Fe（II）、Fe（III）、またはFe3O4 NPのいずれかを使用して得られたBPB分解速度を示しています。これらの反応速度曲線は、対応する吸光度値の制御補正された時間応答曲線から計算されます。リガンドの非存在下では、H2O2 の添加後に Fe(II) および Fe(III) について顕著な BPB 分解は観察されませんが、Fe(II) に対応する吸光度シグナルはおそらく光干渉の進行性の形成によりわずかに増加します。次に、Fe(II) と Fe(III) の両方を含むクエン酸塩の存在は、4 時間後のより速い BPB 分解を誘発し、系内でのヒドロキシルラジカルの生成を示します。同様に、シュウ酸塩と粘液は両方の鉄イオンの好ましい配位子であり、生理学的に近いpHでフェントンが起こり、12時間後には[BPB]の相対値が40〜80%に達することが示されています。 Fe(II) および fe(III) とは対照的に、リガンドの非存在下での Fe3O4 NP は、H2O2 添加の結果として効果的な BPB 分解を示し、測定期間中に BPB の約 50% が分解されます。クエン酸塩とシュウ酸塩がキレート剤として作用すると、染料の脱色結果はさらに向上し、最大で分解の 80% に達します。表 1 にまとめた、対応する計算された一次の見かけの速度定数 k1 は、生理学的条件に近い条件下でのフェントン反応の増強におけるキレート化の役割に関するさらなる情報を提供します。計算された速度定数により、特定の個々の鉄種、Fe(II)、Fe(III)、または Fe3O4 NP に対するフェントン反応を駆動するさまざまな配位子の能力の定量的な比較と、Fe( II) と Fe(III) は、実験上の等モル濃度によるものです。ただし、Fe3O4 NP の場合、活性な Fe(II) および Fe(III) サイトの濃度が不明のままであるとすると、Fe(II) および Fe(III) について得られた速度定数との相互比較は確立されない可能性があります。粘液の定性的および定量的な組成は正確にわかっていないため、クエン酸塩およびシュウ酸塩と比較して粘液の効果を解釈する場合にも同様の注意が必要です。得られた見かけの速度定数の分析は、クエン酸塩が Fe(II)、Fe(III)、および Fe3O4 NP に有利に作用し、生理的 pH でのフェントン反応を可能または改善することを明らかに示しています。また、シュウ酸塩は Fe(II) に対して有意な影響を及ぼさず、見かけの速度定数を一貫して推定する必要がないにもかかわらず、Fe(III) の一次線形化の相関係数 (R2 = 0.71) をわずかに改善します。粘液の場合、配位子のない状況からの反応速度の改善が Fe(II) で見られ、Fe(III) ではさらに顕著です。天然の Fe3O4 NP は H2O2 の存在下でフェントン反応を可能にし、フェントン反応速度論の結果はクエン酸塩またはシュウ酸塩の存在下でさらに約 2 倍増加します。逆効果は、粘液の存在下で Fe3O4 NP で観察され、最終的に生成されるヒドロキシルラジカルの除去を介してフェントン反応の阻害剤として作用するか、NP 表面の物理吸着を介して不動態化コーティングとして作用すると考えられます。

Fe(II) (a)、Fe(III) (b)、および Fe3O4 NP (c) の分光測光速度論データから計算された、H2O2 (5 mM) の添加によって誘発される BPB 分解。各ドットは、対応するブランク (BPB なし、H2O2 なし) を用いた実験的な吸光度値の補正と、BPB 濃度への変換後の結果として得られます。

半導体挙動を示すいくつかの遷移金属酸化物と同様に、典型的には TiO2-ZnO は、表面電子/正孔ペア (エネルギーバンドギャップ 3.36 eV) の形成により UV 光領域で強く吸収します 20,21。 ZnO にはウルツ鉱、閃亜鉛鉱、岩塩という 3 つの結晶構造が見られますが、熱力学的安定性が高いため、前者の格子 (四面体結合対称性を持つ六方晶構造) が広く優勢です 22。人工 ZnO NP と亜鉛メッキ鋼の O2 酸化によって形成された ZnO 層 (ZnO 成長速度: 5 µm/年) の両方について、周囲条件下での結晶格子はウルツ鉱型構造です 23,24,25。環境条件下では、分子状酸素と水が関与する 2 つの酸化還元プロセスを介して、高速 ē/h+ 再結合が発生します。これにより、スーパーオキシドラジカルアニオン、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素などの一連の ROS が形成されます。ヒドロキシルラジカルの超短い半減期 (10 ～ 6 秒)17 と、周囲条件でのガス状過酸化水素の相対的な安定性 (半減期 2 ～ 24 時間) を考慮すると、後者の種が主に寄与している可能性があります。測定へ。過酸化水素は、穏やかな相対湿度条件で約 4 倍の平均光触媒収量で、UV 活性化 ZnO チャンバーから流れる実験用気流中に見つかりました。 UV に曝露された TiO2 NP エアロゾルに関与する光触媒メカニズムに焦点を当てた以前の研究では、主な ROS 応答が気相から発生していることをすでに観察しました 26。今回の結果は、ZnO 表面で生成された過酸化水素の一部が最も安定な ROS として周囲の環境に到達することを少なくとも定性的に確認しています。私たちの実験設定で光触媒作用が起こる最適な RH の意味はまだ説明されていませんが、現実的な環境条件下では UV 放射により空気中の過酸化水素が生成されることは明らかです。シールド不活性ガス (アルゴンまたはヘリウム) は、酸化プロセスを防ぐために専門的な溶接の状況で正確に使用されるため、溶接点で直接 ROS が発生することは期待できません。しかし、ガス状過酸化水素の生成は、アーク誘起紫外線が周囲の空気や ZnO と接触する広いゾーンで、空中熱生成ナノ粒子または自然金属コーティング層の形で発生する傾向があります。驚くべきことに、ZnO の光触媒作用は知られているにもかかわらず、溶接中の ROS 吸入暴露に関連する潜在的なリスクはこれまでほとんど報告されていません。対照的に、酸素分子の酸素一重項への UV 誘起反応によるオゾンの生成は、溶接に関する労働安全に関する文献で潜在的な危険性として示されています。職業上の溶接状況を厳密に模倣しているふりからは程遠く、実験設定での推定放射照度 (1.6 mW/cm2) は職業上の測定値 (0.045 ～ 2.2 mW/cm2) の範囲内にありますが、今回の実験は、亜鉛メッキされた溶接の状況を強く示しています。 - 鋼の溶接により、過酸化水素などの追加の ROS 源が発生し、ZnO の UV にさらされた表面から周囲の空間に自由に拡散する可能性があります。最大 H2O2 曝露濃度は、以下を考慮して推定できます。(i) 1 回の実験中に生成される H2O2 の総量 (10 分間で 400 pmol)。 (ii) この期間中に吸入される理論上の平均量 (75 L)。希釈がソースから呼吸ゾーンまでの H2O2 濃度に影響を及ぼさないと仮定すると (最悪のシナリオ)、結果として得られる最大 H2O2 濃度は 5.3 nmol/m3 になります。この値は、21 μmol/m3 (0.71 mg/m3; 8 時間 TWA) の職業暴露限度 (OEL) をはるかに下回っています。 UV 放射の存在下での ZnO の光触媒作用に起因する H2O2 曝露自体は、MFF 症状をほとんど引き起こさない可能性がありますが、フェントン反応の誘発効果の仮説は依然として妥当です。

私たちの仮説の 2 番目の仮定に関しては、Fe(II)、Fe(III)、または Cu(I) の存在下、酸性 pH でのフェントンおよびフェントン様反応速度に対するキレート配位子の加速効果は文献でよく報告されています。廃水から有機汚染物質を除去するための有望なアプローチとして。このような反応速度論の改善は、主に、金属配位子の相互作用が正電荷を減少させることによって錯体の酸化還元電位 E° を低下させるという事実に起因すると考えられます 29,30。錯体に対する多座配位子のこの影響は、実効 pH が中性付近の値まで拡張されることにさらに反映されます。さらに、錯体中の鉄キレート化により水酸化鉄(III) の形成が防止され、鉄(III)/鉄(II) の重要なサイクルの発生が可能になります28。ここで得られた結果と同様に、クエン酸塩は穏やかな還元挙動を示す生物学的キレート剤のプールに属し、中性付近の pH でヒドロキシルラジカルの生成を伴う Fe(II) からのフェントン反応を効率的に促進します。ただし、後者の種はリガンドが存在しない場合には観察されません 28,31。次に、シュウ酸塩/シュウ酸の結果は光フェントン系を強化するのに効果的であるにもかかわらず、キレート配位子として作用するシュウ酸塩で観察されるフェントン反応の欠如は、Fe(II)で形成される錯体の安定定数が低いことに起因する可能性があります30。

中性 pH で天然の Fe3O4 で観察される BPB 分解は、H2O2 の存在下で NP 表面で起こる不均一なフェントン様反応を解釈します。マグネタイト NP の独特な酸化還元特性は、Fe(III) イオンの半分が四面体に配位し、Fe(III) の残りの半分とすべての Fe(II) が八面体に配位する逆スピネル結晶構造に関連付けられています。この結晶構造により、混合原子価酸化鉄は、八面体サイトの Fe(II) および Fe(III) から効率的な電子移動を受けることができます 33。言い換えれば、マグネタイトを構成する 2 つのイオン種は、結晶構造を変えることなく可逆的に酸化および還元することができます 34。酸化還元電位の観点から合理的に考えると、Fe3O4 NP 表面における ≡Fe(III)/≡Fe(II) の標準酸化還元電位は必然的に Fe(III)/Fe( II) 溶液中 (E° = 0.77 V)。機構の観点からは、溶解イオンの役割が無視される可能性がある中性 pH で Fe3O4 NP で観察される効率的な不均一フェントン様反応は、中間体として ≡Fe(IV) などの高原子価鉄種の形成を示唆しています 33。さらに、高い表面積/体積比と粒子表面の活性サイトの位置の両方が、バルク相当品と比較して Fe3O4 NP の触媒活性の向上に寄与しています 34。この不均一なフェントン様反応は、ヒドロキシルラジカルの生成を介して多数の有機汚染物質の還元分解を達成するための十分に確立された石化手順を表します 28、33、35、36、37。興味深いことに、Qu ら。最近、高速フェントン様反応が、電子に富む/乏しい反応部位を示す 2 面操作 BiOI 膜で達成されることを示しました 38。ファセットエンジニアリングされた膜との類推により、マグネタイトNP表面におけるヒドロキシルラジカルの空間的ナノ閉じ込めの役割と、隣接するFe(II)/Fe(III)サイトからの高速内部電子架橋の役割は、可能性のあるメカニズムであり、これを説明するために探求されるべきである。結果としてフェントン効率が高まります。この不均一なフェントン様反応の状況において、観察されたクエン酸塩とシュウ酸塩の反応速度定数に対するプラスの作用は、効率的な≡Fe(III)/≡Fe(II)サイクルを可能にする穏やかな還元特性に起因している可能性があります。対照的に、粘液の存在は、Fe3O4 NP の表面反応部位へのアクセスを妨げると考えられ、その結果、対応するフェントン様反応速度が大幅に低下します。物理吸着または/または静電相互作用による Fe3O4 NP 表面上のタンパク質コロナの形成が、このような立体障害の問題を引き起こす可能性があるという仮説が立てられます。

この研究で得られた結果は、ZnO の光触媒反応とフェントン反応による ROS 種の肺内生成による 2 段階の MFF 誘発メカニズムの仮説を裏付けています。しかし、この実験的な概念実証は、肺の炎症反応におけるフェントン機構の役割を実証するものではありません。我々は、pH、温度（37℃）およびリガンドの存在に関して肺環境に近い条件を実験的に再現しようと試みたが、これらの条件は生物学的環境の複雑さを表すには十分ではない。これらの仮説を確固たるものにするためには、たとえば 3D in vitro モデルを使用したさらなる研究が依然として必要です。メカニズムを検証すれば、亜鉛めっき鋼板を扱う溶接工における MFF の蔓延が説明されるでしょう。これには、鉄のナノ粒子への慢性的な曝露、ZnO の表面と粒子、および UV 光の環境的存在が含まれます。興味深いことに、このメカニズム仮説は、マグネタイトナノ粒子への慢性曝露がフェントン反応を介して気道の細胞内にヒドロキシルラジカルを生成することも示唆しています。 MFF の出現は、酸化ストレスの急性症状「のみ」であり、長期にわたって他の肺疾患の一因となることが知られています。ただし、この仮説を確固たるものにするためには、溶接に近い実験条件でのさらなる研究を実行する必要があります。

ZnO (< 100 nm) および Fe3O4 マグネタイト (< 50 nm) ナノパウダー (Aldrich); 硫酸アンモニウム鉄(II) (Merck)、塩化鉄(III) 六水和物 (Merck) ; ブロモフェノールブルー（アルドリッチ）。硫酸 98% (Merck); キシレノールオレンジ四ナトリウム塩（Fluka）; D-ソルビトール (Fluka) ; 水酸化ナトリウム (Fluka); 塩酸 30% (VWR); クエン酸ナトリウム三塩基性二水和物（Aldrich）; シュウ酸 (Aldrich)、超純水 (MiliQ、25 °C で 18.2 MΩ.cm、全有機炭素 < 5 ppb、0.2 μm フィルターで濾過)。

UV 誘起 ZnO 光触媒作用によるガス状 H2O2 の生成を評価するための実験装置を図 2 に示します。簡単に説明すると、この装置は、水平なガラス半分に挿入された ZnO NP (NP 多層の湿式堆積) でコーティングされたガラス板で構成されていました。シリンダーの両端に空気入口/出口プラグが配置されています。重要なのは、半円筒が UV-C 管ランプ (Camag モデル 29,200; 254 nm) に面した石英上部プレートで密閉されていることです。上流では、加圧されたきれいな空気と水で満たされたネブライザー (Collison、250 mL) に接続された 2 経路システムにより、前述の曝露チャンバー (2 L) に制御された相対湿度の空気を供給することができました。温度と相対湿度のモニタリングは、データロガー Ecolog TH1 (Elpro) を使用して実行されました。実験中、空気流 (1 Lmin-1) は、ZnO NP 層に接触する曝露チャンバーを通過し、最終的にそこから捕集インピンジャー (5 mL の miliQ H2O) に向けて送られました。デジタル質量流量計 (red-y、Vögtlin Instruments AG、flow technology、Aesch BL、スイス) を使用して、セットアップ内の空気流を測定しました。各実行で、流出する空気を 10 分間収集し、光触媒作用によって生成された H2O2 について分析しました。直接読み取り粒子計数器 (DustTrackII; National Instruments) を使用して、車両の気流中の粒子の有無を監視しました。対照実験は、i) UV 照射なし、および ii) ZnO NP なしで生成された H2O2 を測定することから構成されました。

衝突によって収集されたガス状 H2O2 濃度は、FOX-II アッセイに適合した多重散乱増強吸光度に基づいたフォトニックデバイスで分析されました 39。 FOX アッセイ溶液は、硫酸アンモニウム鉄(II) (260 μM)、キシレノールオレンジ (130 μM) および D-ソルビトール (100 mM) を硫酸 (25 mM) に混合することによって毎日調製されました。溶液を着色ガラスフラスコ(100mL)に入れておいた。各実験実行の直後に、収集溶液 (300 μL) を FOX バイアル (700 μL) に加え、測定を 3 分間処理しました。各実行は 3 回測定されました。

第二鉄および第一鉄溶液は、MiliQ 水中で 1 mM で調製されました。混合鉄配位子溶液については、10 mMのクエン酸塩またはシュウ酸塩を添加した。粘液は、Epithelix (スイス、ジュネーブ) の気液界面で培養されたヒト気道上皮の in vitro 細胞モデルである MucilAir 気管支インサート 12 個から、300 rpm で 5 分間の遠心分離によって収集されました。プールしたら、粘液を MilliQ 水で希釈して、溶液中の鉄の濃度が 10 g L-1 に達しました。マグネタイト NP 懸濁液の調製では、150 mg のナノ粉末を各リガンドの溶液 (100 mL のシュウ酸塩、クエン酸塩、または粘液) に記載の濃度で直接添加し、5 分間超音波処理しました。すべての溶液/懸濁液は毎日調製され、4 °C に保管されました。使用前に、pH を 7 に調整しました。ブロモフェノールブルー (BPB) 水溶液を、濃縮 MeOH ストック溶液から最終濃度 20 μM で調製しました。

異なる鉄種形成条件下でのフェントン反応の効率。

–Fe(II)、Fe(III)、Fe3O4 NP、およびリガンドの種類 –クエン酸塩、シュウ酸塩、粘液 – は、生成されたヒドロキシルイオンによるブロモフェノールブルー (BPB) の分解を通じて評価されました。 BPB は 590 nm で強いモル吸光係数を示すため、分光光度計 (Tecan Group Ltd. の Infinite® 200 PRO マルチモードマイクロプレートリーダー) とマイクロプレート 96 ウェルシステムを使用して、フェントン反応による分解を監視しました。各ウェルを鉄リガンド溶液/懸濁液 (200 μL)、BPB (20 μM の 10 μL) および H2O2 (100 mM の 10 μL) で満たしました。各鉄配位子対について 2 つの一連の対照実験を実行しました。(i) H2O2 を超純度の H2O に置き換えます。 (ii) BPB を H2O に置き換える。別の対照実験は、図 5 に示すように、鉄を pH 7.0 に調整した H2O に置き換えることから構成されていました。BPB 分解の動態は、すべての条件で 24 時間 (1 実行/時間、37 °C、実行間に 3 秒振盪) にわたって測定されました。実験条件を 3 回繰り返し、同じマイクロプレート上で分析しました。 BPB 分解プロファイルは、次のように吸光度値から計算されました。

ここで: \(\left[BP{B}_{H2O2}\right]=[\left(FeL+BPB+{H}_{2}{O}_{2}\right)-\left(FeL+{H }_{2}{O}_{2}\right)]\)、および\(\left[BPB\right]=[\left(FeL+BPB\right)-\left(FeL\right)]\ ）。

pH 7.0でのいくつかの鉄/配位子系を用いたフェントン反応からのヒドロキシルラジカル生成の定量的決定のための実験プロトコル。実験は、最終反応量 200 μL/ウェルの 96 ウェルマイクロプレートで実行されます。研究中の各 FeL システムについて、制御状況と「完全反応」状況を組み合わせることにより、ラジカルヒドロキシル放出によって誘発される BPB 分解の速度論的展開を決定することができます。

BPB 分解として間接的に測定されるフェントン反応の速度定数を推定するために、対応する吸光度データを、pH 7.0、0 ～ 2 μM の範囲で確立された検量線を介して [BPB] (mol/L で表示) に変換しました。鉄/配位子の状況ごとに、ゼロ、一次、二次定数が適切な線形化プロットから決定されました [Santana_2019]。最大の相関係数は 1 次モデル Ln([BPB]) = f(t) で観察され、R2 > 0.9 の場合に有意な見かけの速度定数 k1 を提供します。

人間や動物を対象とした研究は行われていないため、この研究には倫理的な承認は必要ありませんでした。

現在の研究中に生成された実験データは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

Wong, A.、Greene, S. & Robinson, J. 金属ヒューム熱 - ビクトリア州毒物情報センターに寄せられた電話の事例レビュー。 8月。ファム。医師 41(3)、141–143 (2012)。

PubMed Google Scholar

Antonini, JM、Lewis, AB、Roberts, JR & Whaley, DA 溶接ヒュームの肺への影響: 労働者と実験動物の研究のレビュー。午前。 J.Ind.Med. 43(4)、350–360 (2003)。

記事 CAS Google Scholar

ミシガン州グリーンバーグとD.ベリアー。金属ヒューム熱とポリマーヒューム熱。クリン。有毒。 53(4)、195–203 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

奥野哲也：溶接アークからの紫外線放射の測定。 Ind. Health 25(3)、147–156 (1987)。

記事 CAS Google Scholar

高橋純、中島洋、藤井直樹、奥野哲也鋳鉄のアーク溶接時に発生する紫外線の危険性を総合的に解析。 J.占領。健康 62(1)、e12091 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Moroni, B. & Viti, C. ステンレス鋼の溶接ヒューム中の微粒子および超微粒子の粒径、化学的性質、および構造。Ｊ．エアロゾル．科学。 40(11)、938–949 (2009)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ATSDR。亜鉛の毒性プロファイル。アートランタ: 公衆衛生局 (2005)。

モンセ、C. et al. 人間のボランティアにおけるマイクロおよびナノサイズの酸化亜鉛粒子の吸入後の健康への影響。アーチトキシコール。 95(1)、53–65 (2021)。

記事 Google Scholar

ベケット、WSら。健康な成人における吸入超微粒子と酸化亜鉛微粒子の比較: ヒト吸入研究。アメリカ呼吸器および救命救急医学ジャーナル、171、1129–1135 (2005)。

パーマー、KT 他。職業上の金属ヒュームの吸入に対する炎症反応。ユーロ。呼吸してください。 J. 27、366–373 (2006)。

Wardhana, W. & Datau, EA 亜鉛めっき溶接工の間で金属ヒューム熱が発生。アクタ・メッド。インドネシアナ 46(3)、256–262 (2014)。

CAS Google スカラー

Kuschner, WG、D'Alessandro, A.、Wong, H. & Blanc, PD 酸化亜鉛ヒューム吸入に対する初期の肺サイトカイン反応。環境。解像度 75(1)、7-11 (1997)。

記事 CAS Google Scholar

Arangio, AM、Tong, H.、Socorro, J.、Pöschl, U.、Shiraiwa, M. 大気中のエアロゾル粒子中の環境残留フリーラジカルと活性酸素種の定量化。アトモス。化学。物理学。 16(20)、13105–13119 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

SW、Wang、YH および Balasubramanian、R を参照。燃焼エアロゾル中の活性酸素種と遷移金属濃度の対比。環境。解像度 103(3)、317–324 (2007)。

記事 CAS Google Scholar

Ma, S. et al. 中国広州でのFe含有微粒子からのヒドロキシルラジカルの生成。アトモス。環境。 123、72–78 (2015)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Tony, MA、Zhao, YQ & Tayeb, AM ミョウバンスラッジコンディショニングの代替コンディショナーとしてのフェントンおよびフェントン類似試薬の開発。Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．科学。 (中国) 21(1)、101–105 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Lenzen, S.、Luschhak, VI & Scholz, F. 安定したヒドロキシルラジカル分配剤としてのプロラジカル過酸化水素: 膵臓ベータ細胞からの教訓。アーチ。有毒。 96(7)、1915–1920 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Ong, CB, Ng, LY & Mohammad, AW 太陽光触媒としての ZnO ナノ粒子のレビュー: 合成、メカニズム、および応用。更新します。持続する。エネルギー改訂 81、536–551 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

アイオワ州セーラム銅(II)担持アルミナとジルコニアを触媒とした過酸化水素によるブロモフェノールブルーの酸化的脱色と分解の反応速度論。応用カタル。 B 28(3)、153–162 (2000)。

記事 CAS Google Scholar

Kamarulzaman, N.、Kasim, MF & Rusdi, R. ZnO ナノ構造とドープ材料のバンドギャップの縮小と拡大。ナノスケール解像度レット。 10(1)、1034 (2015)。

記事 Google Scholar

Borysiewicz 氏、機能性材料としての MA ZnO のレビュー。カー。コンピューター支援による医薬品の開発 9(10)、505 (2019)。

CAS Google スカラー

Geurts、J. 結晶構造、化学結合、および格子特性。執筆者: Klingshirn CF、Meyer BK、Waag A、Hoffmann A、Geurts J、編集者。酸化亜鉛: 基本特性から新たな用途へ。ベルリン、ハイデルベルク：シュプリンガーベルリンハイデルベルク、p. 7–37 (2010)。

エスピティア、PJP 他酸化亜鉛ナノ粒子: 合成、抗菌活性、および食品包装用途。食品バイオプロセス技術 5(5)、1447–1464 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

ガダーバウアー、W. et al. 溶融亜鉛めっきプレス硬化鋼の表面酸化物に対する合金元素の影響。サーフィン。コート。テクノロジー。 404、126466 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Moezzi, A.、McDonagh, AM & Cortie, MB 酸化亜鉛粒子: 合成、特性、および用途。化学。工学 J. 185–186、1–22 (2012)。

記事 Google Scholar

Vernez, D. et al. 浮遊ナノ TiO 2 粒子: 先天性または環境誘発性の毒性? Ｊ．Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍ． Photobiol.、A 343、119–125 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Bai, C. et al. [Fe(III)-サレン]Cl 錯体によって触媒されるフェントン反応におけるマラカイトグリーンの効率的な脱色。化学。工学 J. 215–216、227–234 (2013)。

記事 Google Scholar

Ren, H.、He, F.、Liu, S.、Li, T. & Zhou, R. 有機汚染物質の酸化除去のための Fe(III)-GLDA 錯体化による中性 pH でのフェントン様プロセスの強化。 J.ハザード・メーター。 416、126077 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Pignatello, JJ、Oliveros, E. & MacKay, A. フェントン反応と関連化学に基づく有機汚染物質破壊のための高度な酸化プロセス。クリティカル。Ｒｅｖ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．科学。テクノロジー。 36(1)、1–84 (2006)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang, Y. & Zhou, M. 高 pH 値でのフェントンおよびフェントン様反応を可能にするキレート剤の適用に関する批判的なレビュー。 J.ハザード・メーター。 362、436–450 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Miller, CJ、Rose, AL & Waite, TD 周囲中性 pH でのフェントン媒介ヒドロキシルラジカル生成に対する鉄錯体形成の重要性。フロント。 3月科学。 https://doi.org/10.3389/fmars.2016.00134 (2016)。

記事 Google Scholar

ヤン、H.ら。 Fe3O4 ナノ粒子の特性に対するさまざまな合成条件の影響。メーター。化学。物理学。 113(1)、46–52 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Xu, L. & Wang, J. Fe3O4 磁性ナノ粒子を使用した 2,4-ジクロロフェノールのフェントン様分解。応用カタル。 B 123–124、117–126 (2012)。

Google スカラー

Ben Hafaiedh, N.、Fourcade, F.、Bellakhal, N. & Amrane, A. AR18 アゾ色素除去用の不均一電気フェントン触媒としての酸化鉄ナノ粒子。環境。テクノロジー。 41(16)、2146–2153 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Fang、GD、Zhou、DM & Dionysiou、DD スーパーオキシドを介したマグネタイトナノ粒子によるヒドロキシルラジカルの生成: 2-クロロビフェニルの分解の実証。 J.ハザード・メーター。 250–251、68–75 (2013)。

記事 Google Scholar

Garrido-Ramírez、EG、Theng、BKG & Mora、ML フェントン様反応における触媒およびナノ触媒としての粘土と酸化鉱物 — レビュー。応用クレイサイエンス。 47(3)、182–192 (2010)。

記事 Google Scholar

サン、S.-P. & Lemley, AT ナノマグネタイト上の不均一フェントン様反応による p-ニトロフェノール分解: プロセスの最適化、反応速度論、および分解経路。Ｊ．Ｍｏｌ．カタル。 A: 化学。 349(1)、71–79 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Qu、W.ら。電子が豊富な/乏しい反応サイトにより、水精製用のファセットエンジニアリング BiOI 膜におけるフェントンのようなプロセスを超高速に閉じ込めることができます。応用カタル。 B 304、120970 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Laulagnet, A.、Sauvain, JJ、Concha-Lozano, N.、Riediker, M. & Suárez, G. 浮遊ナノ粒子の酸化電位と呼気中の ROS レベルを測定する高感度フォトニックシステム。プロセディア工学 120、632–636 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

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この研究は、スイス応用人体毒性学センター (SCAHT) および粉塵肺研究財団 (ルツェルンのシュタウブランゲン・フォルシュング財団) からの助成金によって支援されました。

労働環境衛生部門、プライマリケアおよび公衆衛生センター、(Unisanté)、ローザンヌ大学、rte de la Corniche 2、1066、Epalinges-Lausanne、スイス

ギョーム・スアレス、エレーヌ・ニクリタ＝ヒルゼル、ダニエラ・コレイア、デヴィッド・ベルネス

ジュネーブ大学病院医学部呼吸器科、1211、ジュネーブ、スイス

ジャック・A・プラロング

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GS: 概念化、データキュレーション、形式分析、調査、方法論、原案、執筆。 DV: 概念化、方法論、資金調達、原案、執筆。 DC: 調査、レビューおよび編集、HNH: 方法論、調査、レビューおよび編集。 JP: 方法論、レビュー、編集。

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転載と許可

Suárez, G.、Niculita-Hirzel, H.、Correia, D. 他 ZnO および Fe3O4 ナノ粒子が関与する金属ヒューム熱に対する相乗メカニズムの提案。 Sci Rep 12、15643 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-19956-1

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受信日: 2022 年 6 月 7 日

受理日: 2022 年 9 月 7 日

公開日: 2022 年 9 月 19 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19956-1

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