一种模拟黑碳气溶胶人体暴露的方法及其专用装置的制作方法

文档序号:870206阅读:179来源:国知局
专利名称:一种模拟黑碳气溶胶人体暴露的方法及其专用装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种模拟黑碳气溶胶人体暴露的方法及其专用装置。
背景技术
黑碳气溶胶(Black carbon,BC)是指化石燃料或生物质燃料等富含碳的物质不完全燃烧生成的颗粒物。BC是大气气溶胶的重要组成部分,在大气中的浓度一般在几个到十几个μ g/m3左右。BC的主要来源为柴油燃烧,1996年全球BC排放量约为8Tg [Bond,T. C. et al.A technology-based global inventory of black and organic carbon emissions from combustion. J. Geophys. Res.,2004,109,doi :10.1029/2003JD003697.]。对 2005 年夏季北京和上海地区的观测表明,黑碳在大气中的平均浓度分别为2. 37(士 1.79)和 5.47(士4. 00) μ g/m3,占 ΡΜ2· 5 (粒径小于 2· 5 μ m 的粒子)质量的 3. 和 7.8% [Zhou X. H. , Gao J. , Wang Τ. , Wu W. SH. , Wang W. Χ. , Measurement of black carbon aerosols near two Chinese megacities and the implications for improving emission inventories, Atmospheric Environment,2009,43,3918-3924]。黑碳气溶胶具有多孔性,粒径约在0.01 lym,在大气中可进行各种化学、光化学反应和非均相反应,在气粒转化过程中起着重要作用。尽管黑碳气溶胶在大气中的浓度较低,但它对环境有很重要的影响。一方面,由于黑碳气溶胶在从可见光到红外的波长范围内对太阳辐射都有强烈的吸收效应,所以对区域和全球气候有着重要的影响;另一方面,由于黑碳气溶胶粒径小,属于入肺颗粒物,其表面积大,可吸附其它污染物(如多环芳烃类、 重金属等),并通过呼吸作用,夹带所吸附的有毒物质进入人体,从而引起呼吸系统哮喘以及心血管病、癌症等疾病的发生,危害人类健康。早期的模拟黑碳颗粒物的人体控制暴露实验,是由一个柴油车发动机作为发生源,柴油尾气经稀释后进入暴露舱中[Nordenhal 1,C. ;Pourazar, J. ;Blomberg, A. ;Levin, J-0. ;Sandstrom,T. ;Adelroth,E. Airway inflammation following exposure to diesel exhaust :a study of time kinetics using induced sputum. Eur,Respir. J. 2000,15(6), 1046-1051.]。研究发现,大部分受试人有眼痒等急性症状,但肺功能不受影响。对于BC颗粒物的暴露,采用黑碳气溶胶发生器进行发生的很少,并且在研究中需要加强剂量-效应方面的研究,以及进行生物标记物等方面的深入探讨。

发明内容
本发明的目的是提供一种模拟黑碳气溶胶人体暴露的方法及其专用装置。本发明所提供的模拟黑碳气溶胶人体暴露的试验装置,包括一给气装置、一黑碳气溶胶发生器、一 CO吸收器、一静电中和器和一暴露舱;所述给气装置、黑碳气溶胶发生器、CO吸收器和静电中和器置于所述暴露舱的外部,且所述给气装置、黑碳气溶胶发生器、 CO吸收器、静电中和器和所述暴露舱依次通过接口管路相连接。本发明中,所述给气装置用于提供包括丙烷气、氮气和空气的气体,控制丙烷气、氮气和空气的流量比为1 (90-125) (25-400),以调节黑碳气溶胶的出口浓度和粒径大所述黑碳气溶胶发生器,发生的重现性好。在发生黑碳气溶胶的5-200秒内,可获得均一的暴露浓度,标准偏差在5%以内。此处的“标准偏差”是从黑碳气溶胶发生器本身发生精密度(重复性)进行考量。所述黑碳气溶胶发生器具体可为RSG-5202黑碳气溶胶发生器。由于本发明中的黑碳气溶胶是通过丙烷气的不完全燃烧来获得的,此过程中会产生一定量的C0,为了避免对人体的伤害,所以安置CO吸收管吸收产生的CO。所述CO吸收器,采用的吸收剂为贵金属/过渡金属/多元氧化态活性体系(如Pt-Fe/ y -Al2O3)。所述静电中和器置于CO吸收器和暴露舱之间,用以中和产生的黑碳气溶胶的电荷。所述静电中和器具体可为EAN-581气溶胶静电中和器。为了减少材料吸附对暴露试验的影响,本发明中的暴露舱由惰性吸附材料(如不锈钢)构成。该暴露舱的尺寸具体可为长4m,宽3m,高2. 5m,体积为30m3。可同时容纳2-4人进行暴露实验。本发明的暴露舱上还设有一可视窗口(如玻璃窗),便于对受试对象进行连续观察。本发明的暴露舱内还具有温度和适度控制系统,以便于根据试验需要对环境条件进行精确控制。本发明的暴露舱内设1-4个风扇,可对暴露舱内的空气进行扰动,使气溶胶在舱内混合均勻,具有持续性。暴露舱还内置1-2个除尘净化机,用以更新舱内气体和颗粒物。此外,为了对暴露舱内黑碳气溶胶的浓度进行控制,本发明的试验装置还包括一套用于测定所述暴露舱内颗粒物的质量浓度和/或数浓度和/或粒径分布的颗粒物检测设备;所述颗粒物检测设备置于所述暴露舱的外部,且与所述暴露舱通过接口管路相连接。所述颗粒物检测设备包括黑碳仪(Magee scientific)、快速动能微粒尺寸分光计 (FMPS)等,进行暴露舱内颗粒物质量浓度、数浓度和粒径分布的测定。本发明利用上述试验装置模拟黑碳气溶胶人体暴露的方法,包括下述步骤1)由给气装置提供一定空燃比的可燃混合气,开启所述黑碳气溶胶发生器,发生具有一定浓度和粒径的黑碳气溶胶;2)发生的黑碳气溶胶通过CO吸收器,除去其中所含的微量CO气体;3)处理后的黑碳气溶胶通过静电中和器中和多余的电荷,然后通过接口管路到达所述暴露舱;4)待所述暴露舱内的黑碳气溶胶达到试验所需浓度后,将受试人群置于暴露舱内,进行人体黑碳气溶胶的控制暴露实验。其中,所述可燃混合物气由丙烷气、氮气和空气组成,其流量比为 1 (90-125) (25-400)。为了减少外界环境对暴露实验的影响,在每个暴露实验前,对暴露舱的内壁进行抗静电处理,以及彻底的清洁,以减少颗粒物在壁上的粘附。在进行暴露实验时,所述暴露舱内发生的黑碳气溶胶的浓度范围为5-500 μ g/m3,粒径范围为0. 02-0. 2μπι;在暴露时间内,所述暴露舱内黑碳气溶胶的浓度变化在10%以内。步骤4)中所述暴露试验的暴露时间可为1-6小时,具体暴露时间随暴露目的而不同。当暴露舱内的黑碳气溶胶达到试验所需浓度后可关闭气溶胶发生器;若暴露的时间较长,暴露一段时间后,暴露舱内的黑碳气溶胶达到不到试验要求,可根据需要再次开启起气溶胶发生器。本发明提供的模拟黑碳气溶胶人体暴露的方法,具有发生重复性好、暴露舱内黑碳颗粒物均一、颗粒物易于清除等优点,并且可通过调节空燃比来调节舱内黑碳气溶胶的粒径分布和浓度,可有效的进行人体的黑碳气溶胶的控制暴露实验。


图1为本发明提供的模拟黑碳气溶胶人体暴露的试验装置的结构示意图;其中,1 为给气装置,2为黑碳气溶胶发生器,3为CO吸收器,4为静电中和器,5为暴露舱,6为颗粒物检测设备。图2为本发明模拟黑碳气溶胶人体暴露的流程图。图3为暴露舱内黑碳气溶胶的质量浓度、数浓度和粒径分布图,其中(a)用黑炭仪 (Magee scientific)测定的暴露舱内黑碳颗粒物的质量浓度;(b)用FMPS测定的黑碳颗粒物的数浓度谱分布。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述,但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得。除暴露舱外,实施例所用的设备、试剂、接口等都能够从商业途径获得。其中暴露舱为自制,所用原料为抛光的不锈钢,可从商业途径得到。实施例1、模拟黑碳气溶胶人体暴露的试验如图1所示,模拟黑碳气溶胶人体暴露的试验装置,包括一给气装置1、一黑碳气溶胶发生器2、一 CO吸收器3、一静电中和器4、一暴露舱5和一套用于测定暴露舱内颗粒物的质量浓度和/或数浓度和/或粒径分布的颗粒物检测设备6 ;所述给气装置1、黑碳气溶胶发生器2、C0吸收器3和静电中和器4置于所述暴露舱5的外部,且所述给气装置1、黑碳气溶胶发生器2、CO吸收器3、静电中和器4和所述暴露舱5依次通过接口管路相连接;所述颗粒物检测设备6置于所述暴露舱5的外部,且与所述暴露舱通过接口管路相连接,所述颗粒物检测设备由黑碳仪(Magee scientific)和快速动能微粒尺寸分光计(FMPQ组成;所述给气装置用于提供包括丙烷气、氮气和空气的气体,控制丙烷气、氮气和空气的流量比为 1 (90-12 (25-400);所述黑碳气溶胶发生器,其在发生黑碳气溶胶的5-200秒内,可获得均一的暴露浓度,标准偏差在5%以内;所述CO吸收器,采用的吸收剂为贵金属/过渡金属/多元氧化态活性体系;
所述暴露舱内还设有1-4个风扇、1-2个除尘净化机、以及温度和湿度控制系统;所述暴露舱上还设有一个可对受试对象进行连续观察的可视玻璃窗;所述暴露舱由不锈钢材质构成;其尺寸为长細,宽3m,高2. 5m,其中可同时容纳 2-4 人。试验流程如图2所示,具体如下调节一定空燃比的可燃混合气,由黑碳气溶胶发生器发生具有一定浓度和粒径大小的黑碳气溶胶;发生的气溶胶通过CO扩散干燥器,将其中的微量CO气体以扩散的方式被吸收剂吸收,而气溶胶颗粒的损失很小;之后气溶胶再经过静电中和器中和电荷;最后,通过接口管路到达预先经过除尘的30m3的暴露舱中,暴露舱内有风扇进行空气扰动,经Magee scientific和FMPS进行粒子质量浓度和数浓度的监测,获得在一定时间范围内具有持续性的一定浓度的黑碳气溶胶,然后将受试人群(2-4人)置于暴露舱内,进行人体的控制暴露实验。采用黑碳气溶胶发生器(RSG_52(^)进行发生,给定丙烷压力为2. !Bbar,压缩空气压力为2. :3bar,氮气压力为2. ;3bar。发生的黑碳气溶胶经CO扩散吸收管吸收可能产生的微量CO。另外,由扩散形成的气溶胶颗粒由于相互之间或与环境之间的摩擦,很容易使颗粒物表面带大量的电荷,电荷之间的相互作用力可能导致它们互相聚集或排斥,因此气溶胶还要经气溶胶静电中和器(EAN-581)中和多余的电荷(设置进气压力为lbar,正极电压为 9. 99kV,负极电压为-5. 17kV),之后进入暴露舱。暴露舱内温度为22°C,相对湿度为80%, 风扇转速为200转/分钟。用黑碳仪(Magee scientific)和FMPS测定舱内颗粒物的质量浓度和数浓度。图3为黑碳气溶胶在暴露舱内的质量浓度、数浓度和粒径分布情况。由图3(a)可见,在黑碳气溶胶浓度为22 μ g/m3左右时,在30min左右的时间内黑碳气溶胶的浓度衰减了 10%,所以为达到暴露所需的目标浓度OO μ g/m3左右),需要多次发生。本实验中先后发生了三次,时间分别是20s,Is和k,可获得在Ih内浓度相对稳定的黑碳颗粒物,可以满足暴露研究的要求。图3(b)为暴露舱内黑碳颗粒物的数浓度和粒径分布,可见数浓度最大值为4. 8 X IO4个/cm3左右,大部分粒子处于93nm,呈现单峰正态分布, 少量粒子为15nm左右。
权利要求
1.一种模拟黑碳气溶胶人体暴露的试验装置,包括一给气装置、一黑碳气溶胶发生器、一 CO吸收器、一静电中和器和一暴露舱;所述给气装置、黑碳气溶胶发生器、CO吸收器和静电中和器置于所述暴露舱的外部,且所述给气装置、黑碳气溶胶发生器、CO吸收器、静电中和器和所述暴露舱依次通过接口管路相连接。
2.根据权利要求1所述的试验装置,其特征在于所述试验装置还包括一套用于测定所述暴露舱内颗粒物的质量浓度和/或数浓度和/或粒径分布的颗粒物检测设备;所述颗粒物检测设备置于所述暴露舱的外部,且与所述暴露舱通过接口管路相连接;所述颗粒物检测设备优选包括黑碳仪和/或快速动能微粒尺寸分光计。
3.根据权利要求1或2所述的试验装置,其特征在于所述暴露舱内还设有风扇、和/ 或除尘净化机、和/或温度及湿度控制系统、和/或可视窗口 ;其中,所述风扇的个数优选1-4个,所述除尘净化机的个数优选1-2个。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的试验装置,其特征在于所述暴露舱由惰性吸附材料构成;所述暴露舱的尺寸优选为长細,宽3m,高2. 5m,其中可同时容纳2_4人。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的试验装置,其特征在于所述给气装置用于提供包括丙烷气、氮气和空气的气体;所述黑碳气溶胶发生器在发生黑碳气溶胶的5-200秒内,获得的黑碳气溶胶的浓度标准偏差在5%以内;所述CO吸收器中采用的吸收剂为贵金属/过渡金属/多元氧化态活性体系。
6.一种模拟黑碳气溶胶人体暴露的方法,包括下述步骤1)由给气装置提供可燃混合气,开启权利要求1-5中任一项所述试验装置中的黑碳气溶胶发生器,发生黑碳气溶胶;2)发生的黑碳气溶胶通过所述CO吸收器,除去其中所含的CO气体;3)处理后的黑碳气溶胶通过所述静电中和器中和多余的电荷,然后通过接口管路到达所述暴露舱;4)待所述暴露舱内的黑碳气溶胶达到实验所需浓度后,将受试人群置于暴露舱内,进行人体黑碳气溶胶的控制暴露实验。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于所述可燃混合物气由丙烷气、氮气和空气组成,其流量比为1 (90-12 05-400)。
8.根据权利要求6或7所述的方法,其特征在于在进行黑碳气溶胶人体暴露实验前, 对所述暴露舱的内壁进行清洁以及抗静电处理,以减少黑碳气溶胶在壁上的粘附。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法,其特征在于所述暴露舱内发生的黑碳气溶胶的浓度范围为5-50 μ Og/m3,粒径范围为0. 02-0. 2ym;在暴露时间内,所述暴露舱内黑碳气溶胶的浓度变化在10%以内。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法,其特征在于步骤3)中所述暴露实验的暴露时间为1-6小时。
全文摘要
本发明公开了一种模拟黑碳气溶胶人体暴露的方法及其专用装置。该试验装置,包括给气装置、黑碳气溶胶发生器、CO吸收器、静电中和器和暴露舱;所述给气装置、黑碳气溶胶发生器、CO吸收器和静电中和器置于所述暴露舱的外部,且依次通过接口管路相连接。人体暴露的方法包括下述步骤1)由给气装置提供可燃混合气,开启黑碳气溶胶发生器,发生黑碳气溶胶;2)气溶胶通过CO吸收器,除去其中所含CO气体;3)接着通过静电中和器中和电荷,然后通过接口管路到达所述暴露舱;4)待所述暴露舱内的黑碳气溶胶达到试验所需浓度后,将受试人群置于暴露舱内,进行人体黑碳气溶胶的控制暴露实验。该方法可有效的进行人体的黑碳气溶胶的控制暴露实验。
文档编号A61B19/00GK102488556SQ20111037837
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者于广河, 尚静, 朱彤, 栾胜基, 韩逸群, 黄薇 申请人:北京大学, 深港产学研基地
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1