專利名稱：一種模擬鹽類氣溶膠人體暴露的方法及其專用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬鹽類氣溶膠人體暴露的方法及其專用裝置。
技術(shù)背景
氣溶膠的化學(xué)組成十分復(fù)雜，它含有各種微量金屬、無機氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽和含氧有機化合物等。在對城市氣溶膠的研究中，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽為顆粒物水溶性組分的重要組成部分。在實際的測量中很難測得這些鹽類的分子成分濃度，一般只能測量氣溶膠水溶液的離子濃度。例如，在2008-2009年對北京大氣PMlO (粒徑小于10微米的顆粒物)的顆粒物的采集分析顯示(毛華云，田剛，黃玉虎，李鋼，宋光武，北京市大氣環(huán)境中硫酸鹽、硝酸鹽粒徑分布及存在形式，環(huán)境科學(xué)，2011,32 (5)，1237-1241)， 水溶性離子質(zhì)量濃度為39. 8士 14. 7μ g/m3，占36. 6士4. 6%。且這些水溶性離子中67. 3% 左右是由S042—、NO” NH4+組成。S042—、NO3-和NH4+的質(zhì)量濃度大體呈單模態(tài)分布，主要分布在細模態(tài)粒子中，峰值出現(xiàn)在0. 32 0. 56 μ m范圍。硫酸鹽主要以(NH4)2SO4形式存在；硝酸鹽以NH4NO3的形式存在，還有少量NaN03、KNO3和Ca(NO3)2的形式；銨鹽主要以(NH4)2SO4 形式存在，也有少部分以NH4Cl的形式存在。計算得出的(NH4)2S04、NH4NO3、NH4C1質(zhì)量濃度分別為 17. 0士8. 2μ g/m3、8. 8士3. 3 μ g/m3 和 0. 8士0. 4μ g/m3。在細粒子濃度高于 70 μ g/m3 時，硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽在細粒子中所占比例之和大于70%，是顆粒物濃度升高的主要因素。有研究表明，吸入含有硫酸鹽的氣溶膠將導(dǎo)致支氣管變窄，最終導(dǎo)致哮喘病?？諝馕廴九c由肺癌和心肺疾病導(dǎo)致的死亡有關(guān)，含有硫酸鹽的細顆粒氣溶膠與死亡率有很大關(guān)聯(lián)。
目前基于粉塵顆粒物的暴露實驗，大部分研究是用動物實驗，如鹿建春等申請了“一種嚙齒動物口鼻吸入動態(tài)暴露裝置”的專利(申請?zhí)?01010156825)，用來進行動物的吸入試驗研究，而進行人體暴露實驗的研究較少。對于動物實驗的毒理研究，其暴露方式、所暴露的污染物種類、以及研究對象對污染物的反應(yīng)都與實際的人體暴露有很大差異，這些研究難以真正反映出人體與污染物的相互作用。對于氣溶膠的人體暴露實驗， 主要有三種類型1，濃縮實際大氣，在暴露艙中進行暴露(Mills, N. L. ；Robinson, S. D.； Fokkens, . P. H. B. ；Leseman, D. L. A. C. ；Miller, Μ. R. ；Anderson, D. ；Freney, Ε. J. ；Heal, Μ. R. ；Donovan, R. J. ；Blomberg, Α. ；Sandstrom, Τ. ；MacNee, W. ；Boon, N. Α. ；Donaldson, K. ；Newby, D. Ε. ；Cassee, F. R. Exposure to concentrated ambient particles does not affect vascular function in patients with coronary heart disease. Environ. Health Persp. 2008，116 (6)，709-715.) ；2，實際環(huán)境暴露(McCreanor，J. ；Cullinan, P.； Nieuwenhuijsen, Μ. J. ；Stewart-Evans, J. ；Malliarou, Ε. ；Jarup, L. ；Harrington, R.； Svartengren, Μ. ；Han, I. ；Ohman-Strickland, P. ；Chung, K. F. ；Zhang, J. F. Respiratory Effects of exposure to diesel traffic in persons with asthma. The New England Jouranl of Medicine. 2007, 357 (23), 2348-2358.) ；3，產(chǎn)生特定的污染物，進行暴露艙中的人體控制暴露實驗。對于前兩種類型，雖然可以對人體的實際暴露情況進行研究，但往往難以從機理上解釋特定污染物暴露的健康效應(yīng)。對于第三種類型，主要是基于模擬柴油車尾氣產(chǎn)生的黑碳顆粒物進行的(l、Rudell，B. ；Sandstrom，Τ. ；Hammarstrom，U. ；Ledin， M-L ；Horstedt，P. ；Stjernberg，N. Evaluation of an exposure setup for studying effects of diesel exhaust in humans.Int. Arch. Occup. Environ. Health. 1994，66(2)， 77-83. 2、Sawant, A. A. ；Cocker，D. R. ；Miller，J. W. ；Taliaferro，T. ；Diaz-Sanchez, D.； Linn, W. S. ；Clark，K. W. ；Gong, H. ；Sawant, A. A. Generation and characterization of diesel exhaust in afacility for controlled human exposures. J. Air&Waste Manage. Assoc. 2008,58(6),829-837.)。對于使用氣溶膠發(fā)生器發(fā)生特定的粉塵顆粒物，在暴露艙中進行人體控制暴露的實驗較少。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種模擬鹽類氣溶膠人體暴露的方法及其專用裝置。
本發(fā)明所提供的模擬鹽類氣溶膠人體暴露的試驗裝置，包括一霧化氣溶膠發(fā)生器、一擴散干燥器和一暴露艙；所述霧化氣溶膠發(fā)生器和擴散干燥器置于所述暴露艙的外部，且所述霧化氣溶膠發(fā)生器、所述擴散干燥器和所述暴露艙依次通過接口管路相連接。
本發(fā)明中，所述霧化氣溶膠發(fā)生器，其給氣壓力可以調(diào)節(jié)，用以調(diào)節(jié)鹽類氣溶膠的出口濃度。所述霧化氣溶膠發(fā)生器，發(fā)生的重現(xiàn)性好。在發(fā)生鹽類氣溶膠的0. 5-5小時內(nèi)， 可獲得均一的暴露濃度，標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%以內(nèi)。此處的“標(biāo)準(zhǔn)偏差”是從鹽類氣溶膠發(fā)生器本身發(fā)生精密度(重復(fù)性)進行考量。
所述霧化氣溶膠發(fā)生器具體可為ATM-220霧化氣溶膠發(fā)生器。
本發(fā)明中，所述擴散干燥器置于霧化氣溶膠發(fā)生器和暴露艙之間，其內(nèi)部填充硅膠，用以干燥霧化發(fā)生器發(fā)生的鹽類顆粒物。
所述擴散干燥器具體可為DDU-570氣溶膠擴散干燥器。
為了減少材料吸附對暴露試驗的影響，本發(fā)明中的暴露艙由惰性吸附材料(如不銹鋼)構(gòu)成。
該暴露艙的尺寸具體可為長細，寬:3m，高2. 5m，體積為30m3?？赏瑫r容納2_4人進行暴露實驗。
本發(fā)明的暴露艙上還設(shè)有一可視窗口(如玻璃窗)，便于對受試對象進行連續(xù)觀察。
本發(fā)明的暴露艙內(nèi)還具有溫度和適度控制系統(tǒng)，以便于根據(jù)試驗需要對環(huán)境條件進行精確控制。
本發(fā)明的暴露艙內(nèi)設(shè)1-4個風(fēng)扇，可對暴露艙內(nèi)的空氣進行擾動，使氣溶膠在艙內(nèi)混合均勻，具有持續(xù)性。暴露艙還內(nèi)置1-2個除塵凈化機，用以更新艙內(nèi)氣體和顆粒物。
此外，為了對暴露艙內(nèi)鹽類氣溶膠的濃度進行控制，本發(fā)明的試驗裝置還包括一套用于測定所述暴露艙內(nèi)顆粒物的質(zhì)量濃度和/或數(shù)濃度和/或粒徑分布的顆粒物檢測設(shè)備；所述顆粒物檢測設(shè)備置于所述暴露艙的外部，且與所述暴露艙通過接口管路相連接。
所述顆粒物檢測設(shè)備包括粉塵濃度測定儀(Dusttrak)、快速動能微粒尺寸分光計 (FMPS)等，進行暴露艙內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度、數(shù)濃度和粒徑分布的測定。
本發(fā)明利用上述試驗裝置模擬鹽類氣溶膠人體暴露的方法，包括下述步驟
1)將可溶性鹽溶液置于上述試驗裝置中的霧化氣溶膠發(fā)生器內(nèi)，開啟所述霧化氣溶膠發(fā)生器，通過噴霧方式產(chǎn)生具有一定濃度和粒徑的鹽類氣溶膠；
2)發(fā)生的鹽類氣溶膠通過擴散干燥器進行干燥，然后通過接口管路到達所述暴露艙；
3)待所述暴露艙內(nèi)的鹽類氣溶膠達到試驗所需濃度后，將受試人群置于暴露艙內(nèi)，進行人體鹽類氣溶膠的控制暴露實驗。
其中，所述可溶性鹽為可溶性的硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽，具體可選自下述至少一種(NH4) 2S04、NH4NO3> NaNO3> KNO3> Ca (NO3) 2、(NH4) 2S04 和 NH4Cl。
所述可溶性鹽溶液中的可溶性鹽的質(zhì)量濃度可為0. 1-20 %。通過霧化氣溶膠發(fā)生器發(fā)生后，可獲得不同濃度和大小的顆粒物。
為了減少外界環(huán)境對暴露實驗的影響，在每個暴露實驗前，對暴露艙的內(nèi)壁進行抗靜電處理，以及徹底的清潔，以減少顆粒物在壁上的吸附。
在進行暴露實驗時，所述暴露艙內(nèi)發(fā)生的鹽類氣溶膠的濃度范圍為0. 01-1. Omg/ m3，粒徑范圍為0.01-2. Oym ；在暴露時間內(nèi)，所述暴露艙內(nèi)粉塵氣溶膠的濃度變化在10% 以內(nèi)。
步驟3)中所述暴露試驗的暴露時間可為1-6小時，具體暴露時間隨暴露目的而不同。當(dāng)暴露艙內(nèi)的鹽類氣溶膠達到試驗所需濃度后可關(guān)閉氣溶膠發(fā)生器；若暴露的時間較長，暴露一段時間后，暴露艙內(nèi)的鹽類氣溶膠達到不到試驗要求，可根據(jù)需要再次開啟起氣溶膠發(fā)生器。
本發(fā)明提供的模擬鹽類氣溶膠人體暴露的方法，具有鹽類氣溶膠發(fā)生重復(fù)性好、 暴露艙內(nèi)鹽類顆粒物均一、顆粒物易于清除等優(yōu)點，并且可通過調(diào)節(jié)霧化氣溶膠發(fā)生器的空氣壓力和鹽溶液濃度來調(diào)節(jié)艙內(nèi)鹽類氣溶膠的粒徑分布和濃度，可有效的進行人體的硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等可溶性鹽類的控制暴露實驗。
圖1為本發(fā)明提供的模擬鹽類氣溶膠人體暴露的試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1 為霧化氣溶膠發(fā)生器，2為擴散干燥器，3為暴露艙，4為顆粒物檢測設(shè)備。
圖2為本發(fā)明模擬鹽類氣溶膠人體暴露的流程圖。
圖3為暴露艙內(nèi)硫酸銨的質(zhì)量濃度、數(shù)濃度和粒徑分布圖，其中(a)為用 Dust-Track測定的暴露艙內(nèi)硫酸銨顆粒物的質(zhì)量濃度；(b)為用FMPS測定的硫酸銨顆粒物的數(shù)濃度譜分布。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述，但本發(fā)明并不局限于此。
下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。
除暴露艙外，所用設(shè)備、試劑、接口等都能夠從商業(yè)途徑獲得。其中暴露艙為自制， 所用原料為拋光的不銹鋼，可從商業(yè)途徑得到。
實施例1、模擬鹽類氣溶膠人體暴露的試驗
如圖1所示，模擬鹽類氣溶膠人體暴露的試驗裝置，包括一霧化氣溶膠發(fā)生器1、5一擴散干燥器2、一暴露艙3和一套用于測定暴露艙內(nèi)顆粒物的質(zhì)量濃度和/或數(shù)濃度和/ 或粒徑分布的顆粒物檢測設(shè)備4 ；所述霧化氣溶膠發(fā)生器1和擴散干燥器2置于所述暴露艙3的外部，且所述霧化氣溶膠發(fā)生器1、所述擴散干燥器2和所述暴露艙3依次通過接口管路相連接；所述顆粒物檢測設(shè)備置于所述暴露艙的外部，且與所述暴露艙通過接口管路相連接，所述顆粒物檢測設(shè)備由粉塵濃度測定儀(Dusttrak)、和快速動能微粒尺寸分光計 (FMPS)組成；
所述霧化氣溶膠發(fā)生器為給氣壓力可調(diào)的霧化氣溶膠發(fā)生器，其在發(fā)生鹽類氣溶膠的0. 5-5小時內(nèi)，獲得的鹽類氣溶膠的濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%以內(nèi)；
所述暴露艙內(nèi)還設(shè)有1-4個風(fēng)扇、1-2個除塵凈化機、以及溫度和濕度控制系統(tǒng)；
所述暴露艙上還設(shè)有一個可對受試對象進行連續(xù)觀察的可視玻璃窗；
所述暴露艙由不銹鋼材質(zhì)構(gòu)成；其尺寸為長細，寬3m，高2. 5m，其中可同時容納 2-4 人。
試驗流程如圖2所示，具體如下
配制一定濃度的可溶性鹽溶液，如硫酸鹽、硝酸鹽或銨鹽，置于霧化發(fā)生器的容器內(nèi)，給予一定的空氣壓力，發(fā)生具有一定粒徑大小和濃度的鹽類氣溶膠，氣溶膠通過擴散干燥器，將其中的水份以擴散的方式被硅膠吸附，在此過程中，氣溶膠顆粒損失非常小。經(jīng)干燥后的氣溶膠通過接口管路到達預(yù)先經(jīng)過除塵的30m3的暴露艙中，暴露艙內(nèi)有風(fēng)扇進行空氣擾動，經(jīng)Dusttrak和FMPS進行粒子質(zhì)量濃度和數(shù)濃度的監(jiān)測，獲得在一定時間范圍內(nèi)具有持續(xù)性的一定濃度的鹽類氣溶膠，然后將受試人群人)置于暴露艙內(nèi)，進行人體的控制暴露實驗。
下面以硫酸銨氣溶膠為例進行詳細說明
首先配制質(zhì)量濃度2%的硫酸銨(Aldrich，純度99. 99% )水溶液，采用鹽霧化氣溶膠發(fā)生器(ATM-220)進行發(fā)生，壓縮空氣壓力為3. 4bar，經(jīng)氣溶膠擴散干燥器(DDU-570) 進行干燥后進入暴露艙。艙內(nèi)溫度為22°C，相對濕度為80%，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分鐘。用 Dusttrak和FMPS測定艙內(nèi)顆粒物的質(zhì)量濃度和數(shù)濃度。圖3為硫酸銨氣溶膠在暴露艙內(nèi)的質(zhì)量濃度、數(shù)濃度和粒徑分布情況。
由圖3(a)可見，發(fā)生60min后，艙內(nèi)氣溶膠的濃度達到220μβ/πι3左右；這時關(guān)閉氣溶膠發(fā)生器，可見艙內(nèi)顆粒物濃度較穩(wěn)定，在60min左右的時間內(nèi)衰減了 10%，可以滿足暴露研究的要求；這時開啟除塵器，在40min左右顆粒物濃度降到15yg/m3;具有較好的除塵效果。圖3(b)為暴露艙內(nèi)硫酸銨顆粒物的數(shù)濃度和粒徑分布，可見數(shù)濃度最大值為 9X IO4個/cm3左右，數(shù)濃度譜呈單峰正態(tài)分布，粒徑的峰值出現(xiàn)在120nm左右。
權(quán)利要求
1.一種模擬鹽類氣溶膠人體暴露的試驗裝置，包括一霧化氣溶膠發(fā)生器、一擴散干燥器和一暴露艙；所述霧化氣溶膠發(fā)生器和擴散干燥器置于所述暴露艙的外部，且所述霧化氣溶膠發(fā)生器、所述擴散干燥器和所述暴露艙依次通過接口管路相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于所述試驗裝置還包括一套用于測定所述暴露艙內(nèi)顆粒物的質(zhì)量濃度和/或數(shù)濃度和/或粒徑分布的顆粒物檢測設(shè)備；所述顆粒物檢測設(shè)備置于所述暴露艙的外部，且與所述暴露艙通過接口管路相連接；所述顆粒物檢測設(shè)備優(yōu)選包括粉塵濃度測定儀和/或快速動能微粒尺寸分光計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的試驗裝置，其特征在于所述暴露艙內(nèi)還設(shè)有風(fēng)扇、和/ 或除塵凈化機、和/或溫度及濕度控制系統(tǒng)、和/或可視窗口 ；其中，所述風(fēng)扇的個數(shù)優(yōu)選1-4個，所述除塵凈化機的個數(shù)優(yōu)選1-2個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的試驗裝置，其特征在于所述暴露艙由惰性吸附材料構(gòu)成；所述暴露艙的尺寸優(yōu)選為長細，寬3m，高2. 5m，其中可同時容納2_4人。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的試驗裝置，其特征在于所述霧化氣溶膠發(fā)生器為給氣壓力可調(diào)的霧化氣溶膠發(fā)生器；所述霧化氣溶膠發(fā)生器在發(fā)生鹽類氣溶膠的0. 5-5小時內(nèi)，獲得的鹽類氣溶膠的濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%以內(nèi)；所述擴散干燥器的內(nèi)部填充硅膠。
6.一種模擬鹽類氣溶膠人體暴露的方法，包括下述步驟1)將可溶性鹽溶液置于權(quán)利要求1-5中任一項所述試驗裝置中的霧化氣溶膠發(fā)生器內(nèi)，開啟所述霧化氣溶膠發(fā)生器，發(fā)生鹽類氣溶膠；2)發(fā)生的鹽類氣溶膠通過權(quán)利要求1-5中任一項所述試驗裝置中的擴散干燥器進行干燥，然后通過接口管路到達所述暴露艙；3)待所述暴露艙內(nèi)的鹽類氣溶膠達到實驗所需濃度后，將受試人群置于暴露艙內(nèi)，進行人體鹽類氣溶膠的控制暴露實驗。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述可溶性鹽溶液中的可溶性鹽為下述至少一種可溶性硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽；優(yōu)選下述至少一種(NH4)2S04、NH4N03、NaN03> KNO3> Ca (NO3) 2、(NH4)2SO4 和 NH4Cl ；所述可溶性鹽溶液中可溶性鹽的質(zhì)量濃度為0. 1-20%。所述顆粒物的平均粒徑為0. 02-2. Oym0
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于在進行鹽類氣溶膠人體暴露實驗前， 對所述暴露艙的內(nèi)壁進行清潔以及抗靜電處理，以減少鹽類氣溶膠在壁上的吸附。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項所述的方法，其特征在于所述暴露艙內(nèi)發(fā)生的鹽類氣溶膠的濃度范圍為0. 01-1. Omg/m3，粒徑范圍為0. 01-2. Oym ；在暴露時間內(nèi)，所述暴露艙內(nèi)鹽類氣溶膠的濃度變化在10%以內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中任一項所述的方法，其特征在于步驟3)中所述暴露實驗的暴露時間為1-6小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模擬鹽類氣溶膠人體暴露的方法及其專用裝置。本發(fā)明提供的試驗裝置，包括一霧化氣溶膠發(fā)生器、一擴散干燥器和一暴露艙；所述鹽類氣溶膠發(fā)生器和擴散干燥器置于所述暴露艙的外部，且霧化氣溶膠發(fā)生器、擴散干燥器和暴露艙依次通過接口管路相連接。人體暴露的方法包括下述步驟1)將可溶性鹽溶液置于霧化氣溶膠發(fā)生器內(nèi)，開啟霧化氣溶膠發(fā)生器，發(fā)生鹽類氣溶膠；2)發(fā)生的鹽類氣溶膠通過擴散干燥器干燥，然后通過接口管路到達暴露艙；3)待暴露艙內(nèi)的鹽類氣溶膠達到實驗所需濃度后，將受試人群置于暴露艙內(nèi)，進行人體鹽類氣溶膠的控制暴露實驗。該方法可有效的進行人體的硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等可溶性鹽類的控制暴露實驗。
文檔編號A61B19/00GK102512245SQ201110378380
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者于廣河, 尚靜, 朱彤, 欒勝基, 韓逸群, 黃薇 申請人:北京大學(xué), 深港產(chǎn)學(xué)研基地