专利名称：一种模拟粉尘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粉尘气溶胶人体暴露的方法及其专用装置。
背景技术：
据估计，全球每年有1000_3000Tg的矿物气溶胶进入大气(Rivera-Figueroa， Α. Μ. ；et al. , Laboratory studies of potential mechanisms of renoxification of tropospheric nitric acid. Environ. Sci. Technol. 2003，37 (3)，548-554),其中亚洲大陆干旱半干旱地区，如我国西北地区的沙漠和黄土高原等所产生的沙尘，是全球大气矿物颗粒物的主要来源之一，也是北太平洋深海沉积物的重要来源(Johnson，E.R. ；Sciegienka, J. ；Carlos-Cuellar,S. ；Grassian,V. H. Heterogeneous uptake of gaseous nitric acid on dolomite (Ca Mg (CO3) 2) and calcite (CaCO3) particles :A knudsen cell study using multiple, single and fractional particle layers. J. Phys. Chem. A. 2005,109 (31), 6901-6911)。对北京PMlO源解析的研究发现，与矿物颗粒有关的组分占PMlO总体积的50% 以上(邵龙义，时宗波，北京西北城区与清洁对照点夏季大气PMlO的微观特征及粒度分布， 环境科学，2003，M (5) :11-16)。矿物颗粒物的组成与地壳元素相近，主要是由硅(铝)酸盐是组成，主要来源于土壤尘、建筑工地和局地扬尘等，同时也会受工业生产和人为活动的影响而有较大变化。大气粉尘中的矿物颗粒一般粒径较小(2-10 μ m)，呈不规则形状，表面凹凸不平，容易富集一些有毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒等。它属于呼吸性粉尘的范畴，易吸入肺部，会在呼吸道中沉积以致引起许多病原的紊乱发展，从而导致肺泡病、纤肺病、癌症等。目前基于粉尘颗粒物的暴露实验，大部分研究是用动物实验，如鹿建春等申请了“一种啮齿动物口鼻吸入动态暴露装置”的专利(申请号201010156825)，用来进行动物的吸入试验研究，而进行人体暴露实验的研究较少。对于动物实验的毒理研究，其暴露方式、所暴露的污染物种类、以及研究对象对污染物的反应都与实际的人体暴露有很大差异，这些研究难以真正反映出人体与污染物的相互作用。对于气溶胶的人体暴露实验， 主要有三种类型1，浓缩实际大气，在暴露舱中进行暴露(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，实际环境暴露(McCreanor，J. ；Cullinan, P.； Nieuwenhuiisen, 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，产生特定的污染物，进行暴露舱中的人体控制暴露实验。对于前两种类型，虽然可以对人体的实际暴露情况进行研究，但往往难以从机理上解释特定污染物暴露的健康效应。对于第三种类型，主要是基于模拟柴油车尾气产生的黑碳颗粒物进行的(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 a facility for controlled human exposures. J. Air&Waste Manage. Assoc. 2008,58(6),829-837.)。对于使用气溶胶发生器发生特定的粉尘颗粒物，在暴露舱中进行人体控制暴露的实验较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟粉尘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粉尘气溶胶人体暴露的试验装置，包括一粉尘气溶胶发生器、一静电中和器和一暴露舱；所述粉尘气溶胶发生器和静电中和器置于所述暴露舱的外部，且所述粉尘气溶胶发生器、所述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，所述的粉尘气溶胶发生器，其转速可以调节，用以调节粉尘气溶胶的出口浓度。所述粉尘气溶胶发生器，发生的重现性好。在发生粉尘气溶胶的5-200min内，获得的粉尘气溶胶的浓度标准偏差在5%以内。此处的“标准偏差”是从粉尘气溶胶发生器本身发生精密度(重复性)进行考量。所述粉尘气溶胶发生器具体可为SAG-410粉尘气溶胶发生器。本发明中，所述静电中和器置于粉尘气溶胶发生器和暴露舱之间，用以中和产生的粉尘气溶胶的电荷。所述静电中和器具体可为EAN-581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，为了对暴露舱内粉尘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粉尘浓度测定仪(Dusttrak)、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粉尘气溶胶人体暴露的方法，包括下述步骤1)将颗粒物置于所述试验装置中的粉尘气溶胶发生器内，开启所述粉尘气溶胶发生器，通过剪切力发生具有一定浓度和粒径的粉尘气溶胶；2)发生的粉尘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；3)待所述暴露舱内的粉尘气溶胶达到试验所需浓度后，将受试人群置于暴露舱内，进行人体粉尘气溶胶的控制暴露实验。其中，产生气溶胶所用的颗粒物为金属氧化物、碳酸盐、硅酸盐、镁硅酸盐或硅铝酸盐等非黏性干粉；具体可选自下述任意一种物质的颗粒物A1203、SiO2, Fe2O3^ TiO2, MgO、 CaO, CaCO3、蒙脱石和高岭石。所述颗粒物可以通过商业途径获得，或用现有方法进行自制，其平均粒径为 0. 02-2. 0 μ m。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，以减少粉尘气溶胶在壁上的吸附。在进行暴露实验时，所述暴露舱内发生的粉尘气溶胶的浓度范围为0. 02-2mg/m3, 粒径范围为0. 05-5. 0 μ m ；在暴露时间内，所述暴露舱内粉尘气溶胶的浓度变化在20%以内。步骤3)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。当暴露舱内的粉尘气溶胶达到试验所需浓度后可关闭粉尘气溶胶发生器；若暴露的时间较长，暴露一段时间后，暴露舱内的粉尘气溶胶达到不到试验要求，可根据需要再次开启起粉尘气溶胶发生器。本发明提供的模拟粉尘气溶胶人体暴露的方法，具有粉尘气溶胶发生重复性好、 暴露舱内粉尘颗粒物均一、颗粒物易于清除等优点，并且可通过选择具有不同粒径的颗粒物进行发生，以及转数调节来获得所需的舱内粉尘气溶胶的粒径分布和浓度，可有效的进行人体的粉尘气溶胶的控制暴露实验。
图1为本发明提供的模拟粉尘气溶胶人体暴露的试验装置的结构示意图；其中，1 为粉尘气溶胶发生器，2为静电中和器，3为暴露舱，4为颗粒物检测设备。图2为本发明模拟粉尘气溶胶人体暴露的流程图。图3为暴露舱内SiO2颗粒物的质量浓度、数浓度和粒径分布图，其中(a)为用 Dust-Track测定的暴露舱内SW2颗粒物的质量浓度；(b)为用FMPS测定的SW2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、模拟粉尘气溶胶人体暴露的试验如图1所示，模拟粉尘气溶胶人体暴露的试验装置，包括一粉尘气溶胶发生器1、 一静电中和器2、一暴露舱3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4 ；所述粉尘气溶胶发生器1和静电中和器2置于所述暴露舱3的外部，且所述粉尘气溶胶发生器1、所述静电中和器2和所述暴露舱3依次通过接口管路相连接；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由粉尘浓度测定仪(Dusttrak)和快速动能微粒尺寸分光计 (FMPS)组成；所述粉尘气溶胶发生器为转速可调的粉尘气溶胶发生器，其在发生粉尘气溶胶的 5-200min内，获得的粉尘气溶胶的浓度标准偏差在5%以内；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，具体如下选取一定种类和尺寸大小的矿物颗粒物，置于上述装置中粉尘气溶胶发生器的漏斗内，给予一定的空气压力和转数，发生具有一定粒径大小和浓度的粉尘气溶胶，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Dusttrak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粉尘气溶胶，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。下面以SiA粉体(AldrichJ^s 50nm)为例进行详细说明取适量SW2粉体(Aldrich，粒径50nm)置于粉尘气溶胶发生器(SAG-410)的漏斗中，压缩空气压力为4bar，转数调节参数设置为50%。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，因此气溶胶要经静电中和器(EAN-581)中和多余的电荷(设置进气压力为Ibar，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Dusttrak和FMPS测定舱内颗粒物的质量浓度和数浓度。图3为S^2颗粒物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，发生IOmin后，舱内气溶胶的浓度达到200 μ g/m3 ；这时关闭气溶胶发生器，可见舱内颗粒物浓度在60min左右的时间内衰减了 20%，可以满足暴露研究的要求。图3(b)为暴露舱内SiO2颗粒物的数浓度和粒径分布，可见数浓度最大值为2.5X105 个/cm3左右，数浓度谱呈单峰正态分布，粒径的峰值出现在140nm左右。
权利要求
1.一种模拟粉尘气溶胶人体暴露的试验装置，包括一粉尘气溶胶发生器、一静电中和器和一暴露舱；所述粉尘气溶胶发生器和静电中和器置于所述暴露舱的外部，且所述粉尘气溶胶发生器、所述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粉尘浓度测定仪和/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，其特征在于所述粉尘气溶胶发生器为转速可调的粉尘气溶胶发生器；所述粉尘气溶胶发生器在发生粉尘气溶胶的5-200min内，获得的粉尘气溶胶的浓度标准偏差在5%以内。
6.一种模拟粉尘气溶胶人体暴露的方法，包括下述步骤1)将颗粒物置于权利要求1-5中任一项所述试验装置中的粉尘气溶胶发生器内，开启所述粉尘气溶胶发生器，发生粉尘气溶胶；2)发生的粉尘气溶胶通过权利要求1-5中任一项所述试验装置中的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；3)待所述暴露舱内的粉尘气溶胶达到实验所需浓度后，将受试人群置于暴露舱内，进行人体粉尘气溶胶的控制暴露实验。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述颗粒物为非黏性干粉，优选下述至少一种金属氧化物、碳酸盐、硅酸盐、镁硅酸盐和硅铝酸盐；尤其优选下述任意一种物质的颗粒物A1203、SiO2, Fe2O3> TiO2, MgO、CaO, CaCO3、蒙脱石和高岭石；所述颗粒物的平均粒径为 0. 02-2. 0 μ m。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于在进行粉尘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，以减少粉尘气溶胶在壁上的吸附。
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粉尘气溶胶的浓度范围为0. 02-2mg/m3，粒径范围为0. 05-5. Oym；在暴露时间内，所述暴露舱内粉尘气溶胶的浓度变化在20%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粉尘气溶胶人体暴露的方法及其专用装置。本发明提供的试验装置，包括一粉尘气溶胶发生器、一静电中和器和一暴露舱；所述粉尘气溶胶发生器和静电中和器置于所述暴露舱的外部，且粉尘气溶胶发生器、静电中和器和暴露舱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)将颗粒物置于粉尘气溶胶发生器内，开启粉尘气溶胶发生器，发生粉尘气溶胶；2)发生的粉尘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暴露舱；3)待暴露舱内的粉尘气溶胶达到实验所需浓度后，将受试人群置于暴露舱内，进行人体粉尘气溶胶的控制暴露实验。该方法可有效的进行人体的粉尘气溶胶的控制暴露实验。
文档编号A61B19/00GK102488555SQ201110378350
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, 黄薇 申请人:北京大学, 深港产学研基地