专利名称：一种模拟盐类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盐类气溶胶人体暴露的方法及其专用装置。
技术背景
气溶胶的化学组成十分复杂，它含有各种微量金属、无机氧化物、硫酸盐、硝酸盐和含氧有机化合物等。在对城市气溶胶的研究中，越来越多的研究发现硫酸盐、硝酸盐和铵盐为颗粒物水溶性组分的重要组成部分。在实际的测量中很难测得这些盐类的分子成分浓度，一般只能测量气溶胶水溶液的离子浓度。例如，在2008-2009年对北京大气PMlO (粒径小于10微米的颗粒物)的颗粒物的采集分析显示(毛华云，田刚，黄玉虎，李钢，宋光武，北京市大气环境中硫酸盐、硝酸盐粒径分布及存在形式，环境科学，2011,32 (5)，1237-1241)， 水溶性离子质量浓度为39. 8士 14. 7μ g/m3，占36. 6士4. 6%。且这些水溶性离子中67. 3% 左右是由S042—、NO” NH4+组成。S042—、NO3-和NH4+的质量浓度大体呈单模态分布，主要分布在细模态粒子中，峰值出现在0. 32 0. 56 μ m范围。硫酸盐主要以(NH4)2SO4形式存在；硝酸盐以NH4NO3的形式存在，还有少量NaN03、KNO3和Ca(NO3)2的形式；铵盐主要以(NH4)2SO4 形式存在，也有少部分以NH4Cl的形式存在。计算得出的(NH4)2S04、NH4NO3、NH4C1质量浓度分别为 17. 0士8. 2μ g/m3、8. 8士3. 3 μ g/m3 和 0. 8士0. 4μ g/m3。在细粒子浓度高于 70 μ g/m3 时，硫酸盐、硝酸盐和铵盐在细粒子中所占比例之和大于70%，是颗粒物浓度升高的主要因素。有研究表明，吸入含有硫酸盐的气溶胶将导致支气管变窄，最终导致哮喘病。空气污染与由肺癌和心肺疾病导致的死亡有关，含有硫酸盐的细颗粒气溶胶与死亡率有很大关联。
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.； 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，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 afacility 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盐类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盐类气溶胶人体暴露的试验装置，包括一雾化气溶胶发生器、一扩散干燥器和一暴露舱；所述雾化气溶胶发生器和扩散干燥器置于所述暴露舱的外部，且所述雾化气溶胶发生器、所述扩散干燥器和所述暴露舱依次通过接口管路相连接。
本发明中，所述雾化气溶胶发生器，其给气压力可以调节，用以调节盐类气溶胶的出口浓度。所述雾化气溶胶发生器，发生的重现性好。在发生盐类气溶胶的0. 5-5小时内， 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”是从盐类气溶胶发生器本身发生精密度(重复性)进行考量。
所述雾化气溶胶发生器具体可为ATM-220雾化气溶胶发生器。
本发明中，所述扩散干燥器置于雾化气溶胶发生器和暴露舱之间，其内部填充硅胶，用以干燥雾化发生器发生的盐类颗粒物。
所述扩散干燥器具体可为DDU-570气溶胶扩散干燥器。
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細，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，为了对暴露舱内盐类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盐类气溶胶人体暴露的方法，包括下述步骤
1)将可溶性盐溶液置于上述试验装置中的雾化气溶胶发生器内，开启所述雾化气溶胶发生器，通过喷雾方式产生具有一定浓度和粒径的盐类气溶胶；
2)发生的盐类气溶胶通过扩散干燥器进行干燥，然后通过接口管路到达所述暴露舱；
3)待所述暴露舱内的盐类气溶胶达到试验所需浓度后，将受试人群置于暴露舱内，进行人体盐类气溶胶的控制暴露实验。
其中，所述可溶性盐为可溶性的硫酸盐、硝酸盐和铵盐，具体可选自下述至少一种(NH4) 2S04、NH4NO3> NaNO3> KNO3> Ca (NO3) 2、(NH4) 2S04 和 NH4Cl。
所述可溶性盐溶液中的可溶性盐的质量浓度可为0. 1-20 %。通过雾化气溶胶发生器发生后，可获得不同浓度和大小的颗粒物。
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吸附。
在进行暴露实验时，所述暴露舱内发生的盐类气溶胶的浓度范围为0. 01-1. Omg/ m3，粒径范围为0.01-2. Oym ；在暴露时间内，所述暴露舱内粉尘气溶胶的浓度变化在10% 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。当暴露舱内的盐类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，暴露舱内的盐类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。
本发明提供的模拟盐类气溶胶人体暴露的方法，具有盐类气溶胶发生重复性好、 暴露舱内盐类颗粒物均一、颗粒物易于清除等优点，并且可通过调节雾化气溶胶发生器的空气压力和盐溶液浓度来调节舱内盐类气溶胶的粒径分布和浓度，可有效的进行人体的硫酸盐、硝酸盐和铵盐等可溶性盐类的控制暴露实验。
图1为本发明提供的模拟盐类气溶胶人体暴露的试验装置的结构示意图；其中，1 为雾化气溶胶发生器，2为扩散干燥器，3为暴露舱，4为颗粒物检测设备。
图2为本发明模拟盐类气溶胶人体暴露的流程图。
图3为暴露舱内硫酸铵的质量浓度、数浓度和粒径分布图，其中(a)为用 Dust-Track测定的暴露舱内硫酸铵颗粒物的质量浓度；(b)为用FMPS测定的硫酸铵颗粒物的数浓度谱分布。
具体实施方式
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，所用设备、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、模拟盐类气溶胶人体暴露的试验
如图1所示，模拟盐类气溶胶人体暴露的试验装置，包括一雾化气溶胶发生器1、5一扩散干燥器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 ；所述雾化气溶胶发生器1和扩散干燥器2置于所述暴露舱3的外部，且所述雾化气溶胶发生器1、所述扩散干燥器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；
所述雾化气溶胶发生器为给气压力可调的雾化气溶胶发生器，其在发生盐类气溶胶的0. 5-5小时内，获得的盐类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
配制一定浓度的可溶性盐溶液，如硫酸盐、硝酸盐或铵盐，置于雾化发生器的容器内，给予一定的空气压力，发生具有一定粒径大小和浓度的盐类气溶胶，气溶胶通过扩散干燥器，将其中的水份以扩散的方式被硅胶吸附，在此过程中，气溶胶颗粒损失非常小。经干燥后的气溶胶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盐类气溶胶，然后将受试人群人)置于暴露舱内，进行人体的控制暴露实验。
下面以硫酸铵气溶胶为例进行详细说明
首先配制质量浓度2%的硫酸铵(Aldrich，纯度99. 99% )水溶液，采用盐雾化气溶胶发生器(ATM-220)进行发生，压缩空气压力为3. 4bar，经气溶胶扩散干燥器(DDU-570) 进行干燥后进入暴露舱。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为硫酸铵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，发生60min后，舱内气溶胶的浓度达到220μβ/πι3左右；这时关闭气溶胶发生器，可见舱内颗粒物浓度较稳定，在60min左右的时间内衰减了 10%，可以满足暴露研究的要求；这时开启除尘器，在40min左右颗粒物浓度降到15yg/m3;具有较好的除尘效果。图3(b)为暴露舱内硫酸铵颗粒物的数浓度和粒径分布，可见数浓度最大值为 9X IO4个/cm3左右，数浓度谱呈单峰正态分布，粒径的峰值出现在120nm左右。
权利要求
1.一种模拟盐类气溶胶人体暴露的试验装置，包括一雾化气溶胶发生器、一扩散干燥器和一暴露舱；所述雾化气溶胶发生器和扩散干燥器置于所述暴露舱的外部，且所述雾化气溶胶发生器、所述扩散干燥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，其特征在于所述雾化气溶胶发生器为给气压力可调的雾化气溶胶发生器；所述雾化气溶胶发生器在发生盐类气溶胶的0. 5-5小时内，获得的盐类气溶胶的浓度标准偏差在5%以内；所述扩散干燥器的内部填充硅胶。
6.一种模拟盐类气溶胶人体暴露的方法，包括下述步骤1)将可溶性盐溶液置于权利要求1-5中任一项所述试验装置中的雾化气溶胶发生器内，开启所述雾化气溶胶发生器，发生盐类气溶胶；2)发生的盐类气溶胶通过权利要求1-5中任一项所述试验装置中的扩散干燥器进行干燥，然后通过接口管路到达所述暴露舱；3)待所述暴露舱内的盐类气溶胶达到实验所需浓度后，将受试人群置于暴露舱内，进行人体盐类气溶胶的控制暴露实验。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述可溶性盐溶液中的可溶性盐为下述至少一种可溶性硫酸盐、硝酸盐和铵盐；优选下述至少一种(NH4)2S04、NH4N03、NaN03> KNO3> Ca (NO3) 2、(NH4)2SO4 和 NH4Cl ；所述可溶性盐溶液中可溶性盐的质量浓度为0. 1-20%。所述颗粒物的平均粒径为0. 02-2. Oym0
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于在进行盐类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，以减少盐类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盐类气溶胶的浓度范围为0. 01-1. Omg/m3，粒径范围为0. 01-2. Oym ；在暴露时间内，所述暴露舱内盐类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盐类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，包括一雾化气溶胶发生器、一扩散干燥器和一暴露舱；所述盐类气溶胶发生器和扩散干燥器置于所述暴露舱的外部，且雾化气溶胶发生器、扩散干燥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)将可溶性盐溶液置于雾化气溶胶发生器内，开启雾化气溶胶发生器，发生盐类气溶胶；2)发生的盐类气溶胶通过扩散干燥器干燥，然后通过接口管路到达暴露舱；3)待暴露舱内的盐类气溶胶达到实验所需浓度后，将受试人群置于暴露舱内，进行人体盐类气溶胶的控制暴露实验。该方法可有效的进行人体的硫酸盐、硝酸盐和铵盐等可溶性盐类的控制暴露实验。
文档编号A61B19/00GK102512245SQ201110378380
公开日2012年6月27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