P-LDSA (Lung Deposited Surface Area) 폐침착 표면적 (농도)

독일 Palas 사에서 미세먼지측정기의 하나인 AQ FIDAS Smart 2000 모델은 나노크기 단위의 미립자를 측정 가능한 장비이며, 나노단위의 미세먼지에 대한 P-LDSA의 결과값을 측정합니다. 그래서, 아직 생소한 P-LDSA (Lung Deposited Surface Area) 에 대하여 간략하게 정리를 해보았습니다.



 

P-LDSA (Lung Deposited Surface Area)

최근 활발히 연구되고 있는  폐 침전 입자 표면적(LDSA) Data 는 일반적으로 사용되는 미립자 질량 농도(mg/m³) 대신, 인간의 폐에영향을 미치는 나노 입자 독성을 설명하는 더 나은 측정 기준으로 간주되고 있습니다. 

미세먼지는 도시 대기오염을 결정짓는 핵심 요소 중 하나입니다. 

미립자 물질은 다양한 농도(수, 표면적 및 질량)와 화학 조성의 조합으로 설명할 수 있습니다. 

입자상 물질의 질량 농도(concentration) 는 큰 입자에 의해 지배되는 반면,

수(number) 농도는 서브 마이크론 입자 (입자 직경(dp) < 0.1μm)에 의해 지배됩니다.

입자는 흡입 시 폐 기도에 침전될 수 있습니다. 

관성 충돌, 중력 침강 및 브라운 확산의 세 가지 주요 메커니즘을 통해이루어집니다.

공기 중 입자는 비강이나 구강을 통해 흡입되어 호흡기로 들어갈 수 있습니다.

거친 입자(5-30 μm)는 공기 흐름선을 따를 수 없기 때문에 관성 충돌 메커니즘에 의해 일반적으로 머리의 기도에 부분적으로 침착(침전) 됩니다. 

일부 미세한 입자(1~5μm)는 주로 중력 침강을 통해 기관지 영역에 침착되는 반면 일부는 점액 섬모 청소에 의해 제거됩니다.

 나머지 미크론크기 미만의 입자(Nano particle) 는 브라운 운동에 의해 확산되고 제거 메커니즘이 불충분할 수 있기 때문에 폐에서 가장 취약한 부분으로 간주되는 폐포 영역으로 깊숙이 침투합니다.

흡입된 미립자 물질은 SARS-CoV-2 바이러스(COVID54 19 )를 포함한 많은 바이러스의 운반체 또는 수송 벡터로 기능할 수 있으며,  이 미립자 물질은 지속성에 적합한 미세 환경 을 생성하기 때문에 에어로졸에서 바이러스 확산 효율성을 증가시킬 수 있습니다.

 미립자 물질에 정기적으로 노출되면 급성 및 만성 질환과 COVID-19 환자의 증상의 감수성과 중증도로 고통받을 가능성이 높아집니다. 이에 비추어 볼 때, 일반적으로 모니터링되는 입자상 물질 수 농도 및 질량 농도 외에 입자의 표면적도 입자상 물질의 유해성을 고려할 때 중요한 요소입니다. 

특히, LDSA(Lung Deposited Surface Area)로 알려진 인간 폐의 폐포 부분에 침착(침전)된 입자의 총 표면적, 즉, 나노입자의 독성이 폐에 대한 영향은 대기 미립자 물질 질량 대신, 총 입자 표면적으로 표현되고 측정이 되어집니다. 

이 LDSA는 단순히 입자 질량과 입자 수 농도 사이의 매개 변수로 간주될 수 없습니다.

아직 LDSA 또는 크기 분포 측정은 강제적이거나 정부에서 규제하지 않습니다. 그 결과 LDSA 데이터가 공간적으로나 시간적으로 부족한 경우가 많습니다. 

p-LDSA 측정및 응용 예 [1]

LDSA 는 총입자수농도(PNC) 와 블랙카본과 밀접한 관련이 있음.

LDSA 농도는 직경 2.5μm (PM2.5)보다 작은 입자의 질량 농도, 총 입자 수 농도(PNC) 및 블랙 카본(BC)으로 가장 잘 추정되었으며 모두 밀접하게 연결되어 있습니다.

차량가스 배출과 함께 LDSA 농도는 PM2.5, BC 및 일산화탄소(CO)와 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌습니다. 교통활동은 p-LDSA 수치를 높입니다.

같은 상황에서 측정된 LDSA 농도와 블랙 카본(BC) 및 질소 산화물(NOx)의 농도는 높은 상관 관계를 입증했습니다.

p-LDSA 측정및 응용 예 [2]

LDSA 는 400 nm보다 작은 입자에 의해 주도된다.

 많은 도시 환경에서 LDSA 농도는 주로 400 nm보다 작은 입자에 의해 주도되며, 차량 배기 가스 배출과 같은 인위적 소스에 의해 크게 생성됩니다.

p-LDSA 측정및 응용 예 [3]

여러가지 측정방법들

에어로졸 측정: PALAS DMA(Differential Mobility Analyzer) 와 응결 입자 계수기(CPC)를 결합한 PALAS DMPS(Differential Mobility Particle Sizer)는 에어로졸 크기 분포를 측정합니다. 

측정된 흡광도는 637 nm의 파장에서 질량 흡수 계수를 사용하여 블랙카본(BC) 질량 농도로 변환됩니다. PM2.5, PM10 및 BC는 µg m³ 로 기록됩니다.

보조 측정: 산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 산화질소(NOx), 오존(O3) 및 일산화탄소(CO)를 포함한 미량 가스 농도(ppb)는 가스 분석기를 통하여 측정합니다.

 기온(Temp), 상대습도(RH), 기압(P), 풍속 225(WS), 풍향(WD), 광합성 활성 복사(PAR)를 포함한 224개의 지원 기상 변수를 측정합니다. 

- 한국이나 일본지역이 LDSA 수치가 유럽지역보다 높다.

전 세계 다른 도시의 동일한 부지 유형과 비교할 때 HMA 324에서 검출된 LDSA 농도는 보고된 값이 있는 유럽 도시 중 가장 낮고 일본의 약 5분의 1입니다. 

일부 문헌에서는 기관지 부위의 LDSA도 보고하지만 대부분은 폐포의 LDSA를 고려하는데, 이는 인간의 폐에 가장 해를 끼치는 것으로 간주됩니다. LDSA의 일중 패턴은 근무일이나 주말에는 관찰할 수 없습니다. 상대적으로 낮은 변동성은 인간 활동의 희소성으로 설명될 수 있습니다.

차량 배출로 인해 아침 피크 시간에 더 큰 피크가 발생하는 반면 후자는 주로 주거용 연소로 인해 저녁에 더 큰 피크가 발생합니다

. 주말에는 아침의 피크를 식별할 수 없으며 인간 활동의 향상으로 인해 저녁 피크가 증폭됩니다. 주거 지역에서 유사한 일변동(338)이 에 의해 주거 연소에 의해 방출된 BC에 대해 관찰되었습니다.

그 이유는 SC 현장에서 LDSA의 주요 기여자는 교통 및 연소 과정이고 일중 변동성은 주로 도시에서 차량에 의한 시민의 이동에 의존하기 때문입니다. 주말 동안 평균 시간당 LDSA 농도는 오전 3~4시 경에 최소이며 오후 2시에 증가하여 늦은 밤까지 높은 수준을 유지합니다. 

p-LDSA 측정및 응용 예 [5]

-LDSA 는 교통 배기가스의 영향이 크다. 오존과 상관관계가 높음.

NO2는 더 작은 입자의 LDSA와 높은 상관관계를 나타내어 지역 교통 배기가스의 지배적인 역할을 나타냅니다. CO 농도는 지역적으로 수송되는 오염 물질에 의해 더 많은 영향을 받기 때문에 CO는 400-800 nm의 LDSA와 더 높은 상관 관계를 가지고 있습니다. O₃의 형성은 대부분 이차적이며 오염 물질과의 화학적 상호 작용은 다른 화합물보다 더 복잡하기 때문에 O₃는 모든 섹션의 LDSA와 상당한 상관 관계가 있습니다.