随着医学科学的发展, 吸烟的危害愈来愈多地为科学家所证实。国内外资料表明:烟草点燃后的烟雾中含有害物质达几十种。流行病学的调查表明:吸烟者比非吸烟者的肺癌发生率高出10~20倍[1], 而且, 被动吸烟者也会受到影响。
自从烟草及烟草制品中发现铅-210和钋-210以来, 香烟中放射性对人体的可能危害已日益引起人们的关注。有数据表明吸烟者肺部的铅-210和钋-210浓度比不吸烟者要高数倍[2~5]而且钋-210不均匀地聚集在支气管的分支处的“热点”上[4, 5], 使这里的剂量高达160mSv/a[6]。与室内氡对肺部所致平均剂量相当。
天然钋-210是氡-222衰变链中最后的一个放射性核素, 半衰期为138.4天, 属极毒性α放射性核素。烟草中含有铅-210和钋-210, 主要是烟草在生长过程中不断接受到空气中氡子体沉积的结果, 钋-210的挥发温度是500 ℃, 当烟草燃烧温度达600~800℃时, 钋-210几乎完全挥发, 并随烟雾一起进入呼吸系统。
本文旨在研究当前市场出售的国产香烟及少量外烟中钋-210含量及对人体肺组织所造成的剂量, 并对此做出卫生学评价。为此我们采用了较先进的模拟吸烟装置, 以期得到更有代表性的数据, 并以此进行了肺部剂量估算。
1 实验方法 1.1 试剂及仪器 1.1.1 试剂浓硝酸, 浓盐酸, 高氯酸, 过氧化氢, 抗坏血酸, 盐酸联胺。以上试剂均为分析纯。
1.1.2 铜片取加工好的高纯铜片(ϕ20mm, 厚度0.2mm), 用去污粉加EDTA煮沸, 蒸馏水洗净后, 放置于稀盐酸(0.5mol/L)中片刻, 取出后以蒸馏水冲洗, 凉干后在其背面及铜片外环均匀涂上耐热, 耐酸, 耐氧化的过氯乙烯清漆, 备用。
1.1.3 210Po标准溶液英国放射化学中心产品, 经过稀释而制成次级标准溶液。
1.1.4 241Am标准源(监督源)采用中国原子能研究院提供的241Am系列标准源。其源活度分别为0.68, 1.30, 2.55, 5.08 Bq。
1.1.5 仪器FJ-332α测量仪, 本底为0.8计数/小时; 六路低本底α测量仪, 仪器加试剂本底计数范围为3.1~5.9min-1, 对241Am的探测效率64%~68%; α谱仪一台(Canberra), 用于监督标准沉积源和样品源的纯度; 搅拌装置和恒温水浴; LTA-4SN型日产低温灰化装置。
1.2 测量仪器的刻度(标定)测量钋-210的α测量仪探测效率的标定:
拟采用241Am电镀源作监督源, 而用210Pb-210Po溶液对仪器进行刻度。六路α测量仪对210Po的探测效率范围为28.3%~30.1%。
1.3 沉积方法及条件选择铜片自沉积法与银片法相比具有同样的去污效果好, 样品分析重现性及灵敏度高等优点。考虑到铜片较银来源容易, 故本实验样品中210Po分析均采用高纯铜片作为自沉法的基础金属。分别作了条件试验, 本文选择的工作条件是:沉积体积70ml, 盐酸浓度0.5mol/L, 沉积温度95 ℃, 沉积时间3小时, 沉积效率在82.8%~90.3%。
1.4 钋-210的全程回收率在样品中加入已知适量的(控制在100dpm以内)的210Pb-210Po标准溶液, 然后按流程操作, 制成自沉积液, 晾干后, 和样品在同样条件下进行α计数, 计算其全过程回收率(样品本底计数要求扣除)。
1.5 整支香烟中钋-210含量的分析 1.5.1 样品预处理拆取每种香烟二包, 取其中整支饱满, 外观没有烟丝损失的24支, 样品先在烤箱内放置2小时左右(100℃), 然后取出称重待用。
1.5.2 低温灰化使用日产低温灰化装置灰化12小时左右, 灰化后样品呈灰白色, 略有少量梗状物。
1.5.3 沉积液的制备将低温灰化后的样品置于烧杯中, 加20ml浓硝酸, 逐渐加热(沙浴)缓慢硝化, 逐滴加入一定量过氧化氢, 待溶液变清时加入2~4ml高氯酸, 使溶液变为无色, 直到蒸干为白色为止。冷却后以0.5mol/L盐酸溶解, 待分析用。
1.5.4 自沉积取制备的香烟样品溶液, 向其加入一定量的抗坏血酸及0.5ml盐酸联胺溶液(25%), 将溶液转至已放置固定铜片(用聚四氟乙烯沉积固定器固定)的高压聚乙烯瓶内, 并将沉积瓶放在恒温水浴内, 在所选择的条件下进行沉积, 在此过程中不断加入蒸馏水以保持自沉积体积不变, 沉积完毕后取出铜片, 用蒸馏水冲淋表面, 室温下晾干, 记录沉积完成时间, 最后进行α计数测量。沉积装置如图 1所示
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图 1 沉积装置图 |
尽快将晾干的沉积片置于α测量仪上测α活度。测量的时间视源强弱而定, 一般测量时间在8~24小时。在测量每个样品源后, 用241Am电镀源监测每道探测效率的变化。
1.5.6 钋-210含量计算香烟中钋-210含量Ac的计算公式是:
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(1) |
式中:
Ac——香烟中钋-210含量(Bq/支);
N——样品和本底总计数率(计数/分);
Nb——本底计数率(计数/分);
η——仪器探测效率(%);
Y——钋-210的全程回收率(%);
K——样品支数;
e-λt——衰变校正因子, λ为衰变系数, t为从沉积完毕到计数测量的时间间隔。
1.6 香烟各部分钋-210含量的分析 1.6.1 吸烟机及“标准吸烟”过程本实验中使用了北京卷烟厂中心实验室的8孔道吸烟机, (Smoking Machine, Model 302 Filtrona Int.Ltd., London England), 主要是用来研究吸入烟雾中钋-210浓度。根据人群吸烟习惯, 将每香烟[带过滤嘴香烟, 全长84mm(64+20), 不带过滤嘴香烟全长70mm]的“标准吸烟”过程定为:每次抽吸烟雾时间为2秒, 每分钟抽一次, 每次吸入体积为35ml, 带过滤嘴香烟残留烟蒂为28mm(20+8), 不带过滤嘴香烟残留烟蒂23mm(15+8)。吸入烟雾中的粒子状物质由吸烟机上持烟器中的玻璃纤维滤膜收集而得。每个持烟器上有3层玻璃纤维滤膜(上海产), 它能收集到香烟中100%的粒状物质(＞0.03μm) [7]。在条件实验中, 取第三层玻璃纤维滤膜自沉积并进行α活度测量, 其水平在本底范围, 为5.5±1.6(10-3cpm)。按实验目的, 取玻璃纤维滤膜、烟蒂与烟灰等分别进行测定。
1.6.2 香烟各部分预处理、自沉积及钋-210含量分析取24小时经恒温恒湿处理, 并经香烟质量常规分析检验合格的样品各12支, 进行“标准吸烟”。经过模拟吸烟标准过程, 可得到烟灰, 烟蒂, 过滤嘴与玻璃纤维滤膜。对烟灰, 烟蒂, 过滤嘴进行湿式灰化, 玻璃纤维滤膜先用浓硝酸逐步洗脱, 再进行湿式灰化。自沉积及测量方法和整支香烟的分析过程完全相同。
2 结果与讨论 2.1 整支香烟中钋-210含量分析表 1列出了所分析的20种香烟的钋-210含量值, 表 2列出了各国香烟中钋-210含量的比较。
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表 1 整支香烟中钋-210含量(x±s) |
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表 2 各国香烟中钋-210含量的比较 |
从分析的20种香烟(整支)中可以看出, 我国生产的香烟钋-210含量较高, 16种牌号香烟均值达2.65E-2 Bq/支, 和3.37 E-2Bq/克。从中看出天坛雪茄含量高, 为43.4mBq/支及67.3mBq/克。焦油含量和烟型(如混合型, 烤烟型, 外香型)对钋-210含量的影响找不出任何规律。根据香烟等级划分标准, 烟丝的配料以烟草部位而定, 质量较高的香烟其烟丝细嫩, 劣质香烟其烟叶粗老, 烟梗成份多, 由文献[2]中可知, 烟草上部嫩叶较老叶中含钋-210为低, 同一烟叶中叶片含钋-210量较烟梗为高。高档香烟虽然取嫩叶部分多, 但它基本上不含烟梗, 因此钋-210含量反而高, 如大中华为46.8mBq/克和云烟46.6mBq/克, 建议以后的高档烟不仅要生产为低尼古丁, 低焦油的香烟, 而且要发展成低钋-210, 低铅-210的香烟。
2.2 香烟各部分钋-210含量的分析(表 3)|
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表 3 香烟各部分钋-210含量(mBq/支) |
分析的8种牌号香烟在一次“标准吸烟”时, 可吸入烟雾平均为2.2~4.6mBq/支, 吸入烟雾中钋-210含量占整支香烟中钋-210含量的11%~16%, 根据文献[2]此数据为6.5~22%, 吸入量主要取决于个人的吸烟习惯[9]。由表 3可见, 是否有过滤嘴对吸入烟雾占整支烟中钋-210量的百分比影响并不大, 有的非过滤嘴香烟比值较有过滤嘴香烟还低, 如“天坛”为11%, 这可能是因为劣质香烟的烟叶粗老, 含烟梗成份多, 香烟的孔隙度不如优质烟, 有的成份没能完全燃烧, 因此吸入量百分率并不高。
2.2.2 烟蒂及烟灰中钋-210含量5种牌号的过滤嘴香烟的烟蒂和烟灰中钋-210含量平均为9.5mBq/支, 占整支香烟中钋-210含量的40%。3种牌号的非过滤嘴香烟的烟蒂和烟灰中钋-210含量平均为19.2mBq/支, 占整支香烟中钋-210含量的60%。
2.2.3 过滤嘴对香烟烟雾中钋-210的滞留作用纤维过滤嘴对香烟烟雾中钋-210的滞留作用一直是一个有争议的问题。本实验也做了过滤嘴对香烟烟雾中钋-210的吸收作用。结果为过滤嘴滞留了大约10%, 虽然过滤嘴和非过滤嘴香烟吸入烟雾中钋-210含量占整支烟中钋-210量的百分比没有多大差别, 但是考虑到两种香烟实际燃烧部分的差异经过比较, 可以发现, 过滤嘴对香烟烟雾中钋-210有一定的滞留作用。
3 吸入钋-210量及其所致人体肺组织剂量 3.1 人体从吸入烟雾中所摄入的钋-210量从表 3可见, 吸入烟雾中钋-210含量占整支香烟总钋-210的约15%, 即相当于4.0mBq/支。假定吸烟者每天吸烟20支, 则随烟雾进入人体肺部的日摄入量达80mBq, 由文献[12]可知, 在北半球中纬度地带, 地面附近空气中钋-210浓度为5.55E-5Bq/立方米, 假定24小时呼吸20立方米空气, 则人体每天吸入钋-210的量为1.11mBq。因此, 上述吸烟者每天从香烟烟雾中摄入肺内的钋-210较不吸烟者要高出约70倍。若以文献[12]提供的在正常条件下每人每天从食品, 水和空气中总摄入钋-210量为180mBq估算, 对吸烟者(每天吸20支)来说, 其总摄入量要较不吸烟者增加约45%。
3.2 钋-210在人体肺组织的沉积可应用ICRP第2号出版物1959年所推荐的公式推算肺内钋-210沉积量。这个公式的假定是:放射性物质以PBq/天的速率进入到人体靶器官, 它从靶器官中的生物排出是遵从简单的指数率的, 这个关系用下列方程表示:
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用t=0; qf2=0的条件, 它的解是:
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(2) |
式中: qf2——放射性核素在人体肺内的负荷量(Bq)
λ——有效衰变常数=0.693/T
T——在肺部有效半减期(TrTb) /(Tr+Tb)对钋-210为10天〔3〕
Tr——放射性半衰期(天)
Tb——生物半排期(天)
t——受照射的时间, 选t=50年
P——肺摄入放射性核素的速率(Bq/天)
根据B.S.Cohen等的研究〔3〕, 香烟的气溶胶颗粒的AMAD为0.5μm, 按照ICRP第30号出版物, 假定其在肺内的滞留量为31%。由此可推算出肺内钋-210的沉积量:
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由ICRP第30号出版物确定“参考人”肺组织质量为1000克, 可知吸烟者肺部钋-210浓度为35.8E-2Bq/kg。
文献[2, 4, 5, 13]报道, 肺实质测量的钋-210浓度范围为27.4E-2~36.6E-2Bq/kg, 与本文推算值(35.8E-2Bq/kg)相接近。但应指出测量值有一定的不确定性, 因为死者在死亡前10天一般就开始不吸烟, 因此吸烟时钋-210水平可能还要高, 如果能对因偶然事故而死亡的吸烟者进行测量, 结果可能更精确一些, 另外测量值中包括除吸烟外由其它途径进入肺内的钋-210。
辐射诱发肺癌多数发生在上支气管气道, 因此, 估算吸烟者支气管上皮的钋-210含量具有重要意义, 文献[2, 4, 5, 13]报道的钋-210在人体支气管上皮沉积的数据非常分散, 可以相差2~3个数量级。Radford和Hunt[2]所举例子为一位死于心脏病的73岁的老人, 有数十年的吸烟史, 每日抽一至二包烟, 肺组织右叶下支的分叉处的钋-210浓度为122.1E-5Bq/cm2, 支气管右侧主要气道为11.1E-5Bq/cm2, Little[4]报道了吸烟者支气管上皮气管钋-210平均浓度为3.7E-5Bq/cm2, 分叉处平均浓度为48.1E-5Bq/平方厘米, 最高浓度为207.2E-5Bq/cm2。Cohen[5]采用了较先进的蚀刻技术, 直接测量支气管上皮各微小部分的放射性活度, 结果是吸烟者支气管组织钋-210浓度最高者为0.96E-5Bq/cm2, 最低者为0.04E-5Bq/cm2。最高浓度为6.66E-3Bq/cm2。
3.3 吸入的钋-210的量对人体肺组织所造成的剂量钋-210对肺组织所致剂量的计算方法大致地可以归纳为三种。①由摄入量直接查ICRP第30号报告提供的表格; ②由摄入量估算出其在人体肺组织的沉积量, 利用公式(3)估算出剂量当量[9]; ③直接对人体进行测量, 由肺组织各部分钋-210浓度, 利用公式(3)和公式(4)[3]进行剂量当量估算。
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(3) |
式中P′为剂量当量, C′为210Po浓度(Bq/kg)
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(4) |
式中D22为支气管上皮表面下22μm处剂量当量, A为支气管上皮钋-210浓度(Bq/cm2)。
首先我们采用第一种方法。根据ICRP 30号报告给出的新肺模型, 呼吸系统分为三部分:鼻咽部(N-P), 气管支气管部(T-B), 肺部(P), 放射性物质按其在肺部(P)的生物廓清速度, 又被划分为D, W, Y三类, D类是指半排期小于10天的放射性物质, W类是指半排期在10~100天范围内的放射性物质, 而Y类是指半排期大于100天的放射性物质。下面计算肺的剂量时, 认为对于成年人, 气管支气管(T-B)、肺(P)和肺淋巴结(L)组成一个综合的器官——“肺”, 它的质量是1000g。收集在30号报告附件中的针对每个放射性核素的剂量学数据中, 给出了每单位摄入的剂量当量值, 在括弧中还给出了在参考组织内的约定剂量的分数f(N-P), f(T-B), f(P)。这是放射性微粒分别在T-P, T-B, P区域内沉积的结果。不过附录中与吸入相应的这些数据, 是在AMAD=1μm情况下得到的。如果吸入气溶胶粒子的AMAD不是1μm, 那么应按下式加以校正:
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由于香烟气溶胶颗粒属W类[3], 查表可知钋-210的每单位摄入的剂量当量值(Sv/Bq)在呼吸系统为1.3E-5(0, 0, 100), 每单位摄入的有效剂量当量(Sv/Bq)为1.5E-6。由吸烟者每日吸烟20支, 随烟雾进入人体肺部的日摄入量达80mBq, 可得剂量当量为80×3E-5=1.0E-3mSv/天, 年剂量当量相当于0.37mSv; 有效剂量当量为80×5E-6=1.2E-4mSv/天, 年有效剂量当量相当于4.4E-2mSv。即然香烟气溶胶颗粒的AM AD=0.5μm, 由ICRP 30号报告吸入气溶胶粒子, 在呼吸系统的沉积分数图可查得:
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因此
校正后年剂量当量相当于0.37×1.24=0.46mSv, 年有效剂量当量相当于5.5E-2mSv。
现在我们采用第二种方法。由前面计算得吸烟者肺部钋-210浓度为35.8E-2Bq/kg, 再由公式(3), 知年剂量当量为0.19mSv。
因为本实验没有直接对人体进行测量, 因此不可能采用第三种方法进行估算。
ICRP是从辐射防护角度出发, 估算出的结果一定是偏保守的, 支气管上皮有个别值极高, 波动较大, 这是因为采用的实验方法不同, 计算模式、参数不同, 个体差异也较大, 各种估算值也应有很大的变化范围。
4 卫生学评价从上述计算中得出的肺部所接受的年剂量当量为0.40mSv (年有效剂量当量为5.5E-2mSv)是天然辐射源引起年有效剂量当量2.4mSv(UNSCEAR 1988)的2%。对有50年吸烟史的吸烟者来说, 累积剂量当量为18.5mSv。究竟这样一个剂量能否引起吸烟者肺癌发生率的增加是人们所关心的问题。
前苏联放射毒理学家Moskalev看法是[14] : “钋-210所形成的辐射剂量过于微小, 不能解释在吸烟者中所观察到的肺癌发生率”。我们也认为这个观点是正确的。因为第一, 根据我国广东高本底地区的调查, 阳江高本底地区居民吸入氡及其子体年平均有效剂量为2.8mSv, 约为对照地区和全球正常本底地区的三倍, 比我们所估算的吸烟者肺部的有效剂量要高50倍, 但高本底肺癌发生率与对照地区相比无统计学意义的差别。第二, 根据各国科学家对铀矿工人大量流行病学调查结果, 井下空气中氡子体引起矿工肺癌发生率增加存在着一个“实际阈值”, 其中以瑞典Snihs提出的实际阈值为最低, 15WLM相当于1800mSv, 远大于我们所估算的50年吸烟累积剂量18.5 mSv, 香烟中钋-210诱发肺癌的可能性可以认为是不存在的。第三, 一般铀矿工人接受短寿命子体氡子体照射的年剂量当量相当于400mSv[5], 比我们估算的吸烟者肺部的剂量要高1000倍以上。但是, 也应该注意到, 上述吸烟所致剂量当量是基于辐射能量在组织中空气, 均匀吸收而估算的, 如果考虑“热点”, 那么这些部位的年剂量当量可达到160mSv[6], 可与井下矿工受氡子体照射剂量相当, 不过井下矿工整个支气管都受到照射, 许多实验证明, 对各种组织(包括肺)的不均匀的, 浓集的照射, 其生物效应比之均匀的要低的多。由此看来, 尚无足够的材料证明肺癌发生率的增高就是由于香烟中钋-210所引起, 但另一方面应当指出的是, 吸烟者在吸入钋-210和其它化学致癌成份一起时, 协同作用是可能存在的, 对钋-210来说, 这一点是不应忽视的。如Little等[15]在给仓鼠气管注入钋-210和苯并芘专门实验中, 可看到他们在引起肺肿瘤上的协同作用。只注入苯并芘情况下肺癌的发生率为7.6%, 而在钋-210和苯并芘复合作用下肺癌的发生率分别为18%和15.9%。由此看来, 不可忽视香烟中钋-210与其余化学成份的协同致癌作用。
5 小结 5.1我国云南、北京、上海等地区整支香烟中钋-210含量范围为13.7~43.4mBq/支及18.0~67.3mBq/克; 平均值为26.5 mBq/支国产香烟钋-210含量一般高于国外水平。
5.2香烟各部分钋-210含量的分析结果为:非过滤嘴香烟中烟蒂+烟灰占整支烟钋-210的60%, 过滤嘴香烟则占整支香烟的40%。过滤嘴与非过滤嘴的吸入烟雾中钋-210占整支烟总量的百分比没有什么差别, 约为15%。
5.3纤维过滤嘴对烟雾中钋-210有滤过作用, 过滤嘴滞留了香烟中总钋-210含量的10%。
5.4由我国香烟平均钋-210含量, 假定每天吸烟量为20支, 则随烟雾进入人体肺组织的钋-210摄入量达80mBq。其对肺组织所致年剂量当量为0.46mSv。这个剂量不足以引起肺癌发生率的增加。
5.5关于香烟中钋-210含量及其对人体肺部所致剂量的研究, 有些方面仍有待继续深入。如烟草中钋-210的来源及其相关因素, 得出我国香烟中钋-210含量较高的原因; 比较各种类型过滤嘴对钋-210的滤过作用, 选择最佳过滤材料和过滤嘴长度; 香烟中钋-210与香烟中其它化学成份联合作用的研究等等。
致谢: 本工作实验中得到了本所吕慧敏、侯庆梅、吴生财、朱桂兰同志的热情帮助, 同时还得到了北京卷烟厂张新恒同志的协助。郭新基同志承担了本文的打印、排版工作。朱昌寿教授, 阎效珊副教授, 郭启忠副教授对本文初稿进行了阅审。在此一并表示感谢
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