環保絕緣氣體C5F10O的急性吸入安全性研究

劉 偉，宋玉梅，張曉星，田雙雙，袁子安，劉偉豪

（1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601；2.湖北工業大學 新能源及電網裝備安全監測湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430068）

0 引言

六氟化硫（SF6）氣體絕緣設備在電力工業中得到了廣泛應用，但SF6氣體具有極高的溫室效應潛能值（global warming potential，GWP）值，其GWP值是CO2氣體的23 500倍[1-3]。早在1997年的京都議定書中就將SF6氣體列為限制排放的六大溫室氣體之一[4-5]。為避免SF6氣體帶來的環境問題[6-7]，實現電力工業的綠色可持續發展，尋找環保型絕緣介質應用于電力系統已成為相關領域的研究熱點。近年來，C5F10O作為新型環保型氣體得到了諸多研究學者的關注。純C5F10O氣體的絕緣性能達到相同條件下SF6氣體的1.4倍以上，其GWP值小于1，與CO2氣體相當，臭氧消耗潛能（ODP）值為0，大氣壽命為15天[8]。氣體絕緣設備使用C5F10O氣體作為絕緣介質可以將電力工業中SF6氣體帶來的溫室效應減少99.99%以上。但C5F10O氣體在常壓下具有過高的液化溫度，約為26.9℃，限制了C5F10O氣體的應用。因此，將C5F10O氣體與液化溫度低的緩沖氣體（CO2、N2）混合才能滿足工程應用中的要求[9]。

目前，諸多研究學者已經對C5F10O及其混合氣體的理化特性[10-11]、絕緣特性[12-13]、分解特性[14-15]和相容性[16-17]開展了大量基礎研究并取得一定成果，證實了C5F10O及其混合氣體具備應用于各類中低壓電壓等級絕緣設備的潛力。ABB公司率先在荷蘭和瑞士實現了以C5F10O混合氣體為絕緣介質的中壓和高壓環保氣體絕緣設備掛網運行，設備運行期間監測數據沒有發現異常，進一步驗證了C5F10O混合氣體應用的可行性。然而，目前有關C5F10O氣體生物安全性的報道較少，而絕緣氣體的生物安全性是其應用前必須論證的一項基本參數。目前僅有3M公司公布關于C5F10O產品的材料安全數據表[18]，指出C5F10O的半數致死濃度（lethal concentration 50，LC50）值（4 h大鼠）為（14 000～20 000）×10-6，并將C5F10O氣體8 h時間加權平均職業接觸限值（TWA-OEL）設 定 為225×10-6，低 于SF6氣 體 的1 000×10-6。C PREVE等[19]研究發現用于負荷開關中滿足-15℃不液化的C5F10O-air混合氣體的LC50值（4 h小鼠）為100 000×10-6，而使用充有該混合氣體的體積為15 L的負荷開關按照IEC 62271-103:2011中定義的TDLoad1標準進行電流開斷試驗后，C5F10O-air混合氣體分解產物的LC50值小于3 000×10-6。

研究人員借助現有的計算方法可針對分子的基本物化性質（液化溫度、GWP值、介電強度、分子結構等）建立有效的預測模型，但是無法預測氣體分子的生物安全性，生物安全性評估必須通過大量的動物試驗和病理學分析獲取。根據歐盟相關標準REACH（EC）-1907/2006[20]，新氣體的工業應用應根據年使用量的增加逐級開展更為嚴苛的毒理學測試，以明確新氣體大規模應用的安全性。因此，為了保證新型環保絕緣氣體研發后安全可靠的應用，開展生物安全性的評估是必要且必需的。

本文搭建C5F10O氣體生物安全性試驗平臺，使用小鼠作為試驗對象對不同濃度C5F10O氣體的急性吸入毒性進行測試，分析小鼠暴露于C5F10O后的臨床癥狀及存活情況，并評估C5F10O氣體的生物安全性，提出防護建議。

1 試驗平臺與方法

1.1 試驗平臺

構建的C5F10O氣體急性吸入毒性試驗平臺如圖1所示。試驗在恒溫（25℃）動物房中進行。染毒室的體積為40 cm×30 cm×20 cm。染毒室為試驗動物提供維持生命必須的飲用純凈水，并在出氣口安裝氣體回收裝置用于收集廢氣。多功能動態配氣儀使用質量流量轉換法實時動態配制所需濃度和流速的C5F10O混合氣體。為了保持試驗過程中動物正常呼吸，混合氣體中氧氣含量設置為21%，其余氣體使用高純N2填充。

圖1 急性吸入毒性試驗平臺Fig.1 Acute inhalation toxicity test platform

1.2 試驗方法

試驗依據經濟合作與發展組織化學品試驗指南（Organization for Economic Cooperation and Development，OECD）403標準和我國電力行業標準DL/T 921—2005《六氟化硫氣體毒性生物試驗方法》[21]中對氣體急性吸入試驗的參考標準來開展。選用小鼠（每組試驗5只）作為試驗動物進行C5F10O氣體4 h的急性吸入毒性暴露試驗，并對暴露后未死亡的小鼠繼續在飼養環境中觀察14天，以判斷該氣體急性吸入后是否對小鼠產生持續影響。依據試驗結果計算得到C5F10O氣體的LC50值，即空氣中C5F10O氣體的濃度會造成1組試驗動物中的50%死亡的濃度[22]。試驗中使用的小鼠為湖北省實驗動物資源中心提供的近交系小白鼠，試驗動物經廣東省試驗動物質量監測所檢疫合格，屬于無特定病原體動物。所有小鼠為8周齡的小鼠，雄性小鼠和雌性小鼠體重均為20～22 g。試驗中使用的C5F10O氣體由3M公司提供，純度≥99.5%。高純O2和N2由武漢紐瑞德特種氣體有限公司提供，氣體純度為99.999%。

基于文獻[18]中的數據和預試驗結果，確定試驗中C5F10O氣體的濃度范圍為（7 000～9 000）×10-6，雌、雄小鼠各進行5組試驗和1組空白對照試驗。依據DL/T 921—2005中對氣體流量的要求，氣體體積要求每分鐘不少于染毒室體積的1/8，設置C5F10O混合氣體的流速為3 000 mL/min。表1給出了C5F10O混合氣體急性吸入毒性測試條件。4 h暴露結束后將未死亡的小鼠轉移至飼養環境中觀察14天，并對其健康狀態和體重等參數進行記錄。若14天觀察期內試驗小鼠出現死亡，記錄小鼠死亡的時間。14天觀察期結束后對未死亡小鼠實施安樂死。本試驗在武漢大學中南醫院醫學科學研究中心的協助下開展。

2 結果與分析

2.1 C5F10O的半數致死濃度

按照表1所示的氣體組成開展急性吸入毒性試驗，發現4 h暴露結束后所有試驗組的小鼠均未死亡，但暴露在較低濃度（雌性小于7 400×10-6，雄性小于8 600×10-6）C5F10O氣體的小鼠對外界刺激特別敏感，實驗人員靠近或者同組內小鼠活動時發生相互接觸會導致其極度興奮，在試驗動物籠內上躥下跳，同時伴有心跳和呼吸急促等臨床癥狀。上述反常舉動在幾個小時內消失，小鼠在14天觀察期內能夠正常飲水和進食且無死亡個體出現。暴露在高濃度（雌性為8 000×10-6，雄性為9 000×10-6）C5F10O氣體的小鼠表現出癱瘓狀態，對外界刺激基本沒有回應，同時體溫較低，心跳和呼吸較慢，無法自主進食和飲水。出現上述癥狀的小鼠在觀察期開始的前3天內死亡，其中濃度為7 500×10-6試驗組的兩只雌性小鼠在觀察期的第3天死亡，濃度為8 800×10-6試驗組的1只雄性小鼠在觀察期的第2天死亡，其余在試驗中死亡的小鼠均是在觀察期開始的24 h內死亡。上述試驗現象表明C5F10O氣體可能具有一定的神經毒性，小鼠急性吸入低濃度C5F10O氣體（雌性小于7 400×10-6，雄性小于8 500×10-6）時會造成精神興奮，易緊張。小鼠急性吸入高濃度C5F10O氣體（7 500×10-6（雌性）或大于8 800×10-6（雄性））會喪失自主活動能力、無法進食、體溫下降并死亡。

表1 C5F10O氣體的急性吸入毒性測試條件Tab.1 Acute inhalation toxicity test conditions of C5F10O gas

14天觀察期結束后各試驗組的小鼠存活情況如表2所示。

表2 C5F10O氣體的急性吸入毒性測試結果Tab.2 Acute inhalation toxicity test results of C5F10O gas

從表2可以看出，在雌性小鼠試驗組中，當C5F10O氣 體 濃 度≤7400×10-6時，小 鼠 存 活 率 為100%。C5F10O氣體濃度為7 500×10-6時，4只小鼠在4 h急性吸入毒性試驗后的24 h內死亡，僅有1只小鼠安全度過了14天的觀察期。當C5F10O氣體濃度為8 000×10-6時，所有小鼠在4 h急性吸入毒性試驗后的24 h內死亡。而在雄性小鼠試驗組中，當C5F10O氣 體 濃 度≤8 600×10-6時，小 鼠 存 活 率 為100%。C5F10O氣體濃度為8 800×10-6時，僅有1只小鼠安全度過了14天的觀察期。當C5F10O氣體濃度≥9 000×10-6時，所有小鼠在4 h急性吸入毒性試驗后的24 h內死亡。可以看出雄性小鼠對C5F10O氣體的耐受能力明顯高于雌性，導致它們死亡的濃度差在1 000×10-6以上。

基于上述試驗結果，本文采用直線插值法[24]計算得到C5F10O氣體LC50值（小鼠，4 h），如圖2所示。從圖2可以看出，C5F10O氣體4 h急性吸入毒性LC50值分別為7 461×10-6（雌性）和8 724×10-6（雄性）。在相同試驗條件下，雄性小鼠對C5F10O氣體的耐受性強于雌性。

圖2 C5F10O的LC50值Fig.2 LC50 value of C5F10O

2.2 試驗小鼠健康狀況和體重變化

試驗觀察期內小鼠體重變化是試驗氣體對小鼠健康狀況影響的一個重要指標，可以宏觀地反映小鼠吸入試驗氣體后的健康狀態。本文對4 h C5F10O暴露及觀察期的小鼠生命體征和體重進行觀察并記錄，數據如圖3所示。

圖3 試驗過程中小鼠體重變化情況Fig.3 Change of the weight of mice during tests

從圖3可以看到，4 h暴露結束時雌性、雄性小鼠的體重均出現下降，這是因為OECD 403建議4 h急性吸入試驗過程僅提供維持小鼠生命所需的水分，染毒過程不提供食物，以免食物受到污染。因此染毒結束后小鼠因排便和排尿等原因導致體重下降。4 h暴露試驗結束轉入觀察期后發現，除了死亡個體外，其他存活的個體均能自主活動和飲食。除了雌性7 500×10-6試驗組和雄性8 800×10-6試驗組在觀察期的前兩天體重出現連續下降后才開始上升外，其他試驗組在觀察期的第1天后體重就開始上升并快速恢復到試驗前的體重水平。另外，試驗中小鼠體重的下降均沒有超過其初始體重的20%。在觀察期結束時，所有存活的試驗組小鼠體重均超過試驗前的體重。

不同性別的小鼠在觀察期內體重變化規律存在一定的差異性，雄性小鼠在14天觀察期內體重呈現持續增長的趨勢，而雌性小鼠的體重變化趨于穩定，這是由于試驗前不同性別的小鼠體重基本相同，而成年雄性小鼠的體重一般比雌性更重，因此最終在觀察期結束時雄性小鼠的體重大于雌性小鼠。計算得出雄性對照組與試驗組的平均相關系數為0.9 035，雌性對照組與試驗組的平均相關系數為0.6 814，該計算結果均顯示對照組與試驗組具有較強相關性。同時考慮到對照組也在觀察期結束時雄性小鼠的體重大于雌性小鼠的規律，可以排除吸入C5F10O氣體后影響不同性別小鼠的體重變化規律。因此，小鼠急性吸入不同濃度的C5F10O氣體后不會對其體重產生長期影響。

2.3 分析

本文均是基于小鼠急性吸入純C5F10O氣體后的生物安全性進行研究，在實際研究和應用中，C5F10O氣體常常以濃度為5%～13.6%的混合氣體形式存在，因此本文對常用的3種濃度的C5F10O氣體與空氣混合氣體的生物毒性按照C5F10O氣體所占比例進行換算，結果如表3所示。

表3 不同濃度C5F10O-空氣混合氣體生物毒性對比Tab.3 Comparison of biological toxicity of C5F10O-air mixture gas at different concentrations

從表3可以看出，C5F10O-air混合氣體中C5F10O占比較低，大部分為空氣，這明顯降低了混合氣體的毒性，因此C5F10O-air混合氣體急性吸入毒性顯著低于純C5F10O氣體。以目前研究中最常使用的C5F10O氣體濃度（7.5%C5F10O-92.5%air混合氣體）為例，小鼠4 h急性吸入該混合氣體的安全濃度不高于99 480×10-6，且長期安全接觸不會產生有害影響的濃度值為3 000×10-6（遠高于SF6氣體的1 000×10-6）。C5F10O氣體濃度低于7.5%的混合氣體中毒性將進一步降低，表明C5F10O氣體工程應用的生物安全性較高。

根據本文的研究結果，C5F10O的LC50值遠大于2 500×10-6，依據全球化學品統一分類和標簽制度（GHS）中關于化學品急性毒性的分級標準[23]，C5F10O應被歸為第4級（如表4所示），其急性毒性較弱。

表4 急性毒性類別標準Tab.4 Acute toxicity categories standard

C5F10O和C4F7N氣體是目前受關注較多的兩種環保絕緣介質，兩者都具有較低的GWP值和較高的絕緣強度，都具有在電力設備中作為絕緣介質的潛力。小鼠急性吸入C4F7N氣體的LC50值為1 175×10-6（雄性小鼠4 h）和1 380×10-6（雌性小鼠4 h）[24]，相同條件下C4F7N氣體的急性吸入毒性達到C5F10O氣體的6倍以上，另外C5F10O氣體的GWP值更低，與CO2氣體相當。說明C5F10O氣體具有優異的環保特性和生物安全性，將會對其后續工程應用起到促進作用。

氣體絕緣設備壽命通常為20～30年，在長期工作過程中可能會因電弧、局部放電和局部過熱等原因造成內部氣體發生分解。C5F10O氣體的分解產物主 要 有CO、CO2、CF4、C2F4、C2F6、C3F6、C3HF7等，C5F10O氣體分解產物的毒性如表5所示。雖然氣體絕緣設備在正常運行過程中C5F10O氣體幾乎沒有發生分解[25]，但我們注意到分解產物中CO、C3F6和CF2O具有較高的毒性，特別是CF2O氣體含有劇毒。

表5 C5F10O氣體分解產物的毒性Tab.5 Toxicity of C5F10O gas decomposition products

綜合來看，C5F10O雖具有較高的生物安全性，但相關科研人員和技術人員在工作中也應注意進行防護，配戴防毒面具和防護手套，注意通風并在工作場所安裝C5F10O氣體濃度檢測和報警系統，防止相關人員吸入過量的C5F10O氣體危害身體健康。參考本試驗中小鼠吸入C5F10O氣體后會出現對外界刺激特別敏感的特征現象，可以作為判斷相關工作人員發生C5F10O氣體急性吸入中毒的早期癥狀信號，一旦工作人員在工作中出現上述癥狀應及時撤離到通風開闊的室外環境中，如果還有不適感應及時就醫。

3 結論

（1）小鼠急性吸入低濃度（雌性低于7 400×10-6，雄性低于8 600×10-6）的C5F10O氣體后會異常興奮，心跳和呼吸急促，表現出一些中毒和神經毒性的癥狀，一般幾個小時后這些臨床癥狀就會消失，不會損害小鼠的健康。

（2）小鼠急性吸入高濃度C5F10O氣體后會對其呼吸和消化系統產生急性傷害，并導致其失去行動能力以致其快速死亡。

（3）小鼠急性吸入C5F10O氣體的LC50值為7 461×10-6（雌性）和8 724×10-6（雄 性），遠 大 于2 500×10-6，在GHS中應被歸類為第4類，屬于低毒氣體。

（4）C5F10O氣體的毒性較弱，具有很高的生物安全性，但安全起見相關科研和技術人員在工作時也應佩戴防毒面具和防護手套并注意通風，防止氣體泄漏引發意外事故。