CN101680825A - 采用固相微萃取测定空气处理化学品浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于测定空气中挥发性空气处理化学品的浓度的方法。这些方法可用于评估将挥发性空气处理化学品分配在测试区域内的分配器的有效性和/或对其进行优化。用吸附管和固相微萃取纤维收集器并行进行空气采样以绘制从吸附管采样得到的空气处理化学品浓度与来自SPME采样的量读数之间的相关曲线。然后用SPME收集器以被动方式测定挥发物分配器的性能。

Description

采用固相微萃取测定空气处理化学品浓度的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求基于提交于2007年3月22日的美国临时申请第60/896,299号的优先权。

关于联邦资助研究/开发的声明

无。

技术领域

本发明涉及用于测定空气处理化学品的空气浓度的方法。本发明具体涉及通过允许对输送挥发性空气处理化学品的分配产品的潜在有效性的评估的方式来实现上述方法的技术。

背景技术

通常出于各种目的将挥发性材料分配在空气中。例如，挥发性空气处理化学品可用于昆虫防治、增香和消毒。通常由使用实现分配的各种技术的各种装置来分配这些化学品。例如，可以通过燃烧蚊香、加热浸渍有驱蚊剂的片材或芯板或者让空气吹过经浸渍的基片来分配驱蚊剂。

当开发这些分配产品时，力图优化所用活性剂的浓度、活性剂用载液、基片或用于活性剂的其它保持器的性质和安置、产品的用电需求等。在开发过程中，以合理的精确性来测定是否、何时、何地和多久能在消费者可能体验的各种环境条件下在分配器周围达到活性剂的所需浓度的能力很重要。

过去，测试增香产品在相对于分配器的特定空间位置的强度涉及利用人类受试对象并仅仅通过他们在受处理区域中闻空气时所能察觉到的情况来记录他们对传输到空气中的香料水平的印象。这需要人的参与并且极大地依赖于主观响应的元素。这还可能需要大量的测试对象以确保统计显著性从而将测试对象之间的变化性平均化。而且，人在测试区域中的存在本身会影响测试环境。

在输送产品将昆虫防治活性成分输送到空气中以便避免人类受到如蚊或苍蝇等叮咬昆虫叮咬时，通常又利用人类受试对象来测试产品的效力。人类受测对象被置于昆虫所处的环境中，并在用产品处理所述区域后记录保护水平(例如，记录到的昆虫降落的频率甚至测试对象被叮咬的频率)。这需要使许多测试对象暴露于昆虫。此外，由于取决于人的气味、热量、二氧化碳呼出速度和其它因素，昆虫有时对不同人的响应速率不同，因而可能很难得到多次测试之间准确可比的昆虫响应。

尽管也可通过使用机械设备来测定挥发物的特性，但这往往会干扰受测物。此外，可以进行测定的性质有时受到限制。

例如，一种技术名为“吸附管”技术。这类管包含提取空气样品、将空气样品送至收集管然后允许在实验室中评估该收集管以测定在吸附管位置的空气处理化学品的浓度的泵气系统。然而，这种提取干扰了受测空气。

常规固相微萃取(″SPME″)技术提供了会在空气通过时以被动方式捕获空气处理化学品的纤维基质。在暴露于化学品后，对所述纤维装置进行色谱分析以确定捕获的材料中存在的成分。美国专利申请第2007/0154504号公报是用以从空气中收集挥发性材料以便随后对其成分进行分析的SPME技术的常规应用的实例。然而，SPME技术无法用于获得空气浓度信息。

用以收集空气中化学品的SPME技术的使用的其它教导包括美国专利第6,543,181号和第6,696,490号。

美国专利申请第2004/0136909号公报和第2006/0179708号公报显示了另外的用于空气取样的技术，但却不涉及SPME技术。

虽然有了这些发展，仍然持续地需要用于测定挥发性空气处理化学品的浓度的改良技术，特别是对于最小化对人类测试对象的需要的技术。

发明内容

在一方面，本发明提供了测定区域内挥发性材料的空气浓度的方法。将变化的挥发性材料的空气浓度的吸附管空气浓度测定值与固相微萃取纤维收集器对变化的挥发性材料的空气浓度的响应进行关联。然后将固相微萃取纤维收集器暴露于所述区域内的空气中，并用关联步骤的结果分析暴露步骤的结果以便从暴露步骤的结果对挥发性材料在所述区域内的空气浓度进行估计。

在优选形式中，在暴露步骤之前将挥发性材料从挥发物分配器输送至所述区域内。暴露步骤使用位于与所述挥发物分配器相距选定距离和方向上的一阵列固相微萃取纤维收集器。挥发性材料选自昆虫防治剂(insect control agent)和香料，和/或挥发物分配器选自昆虫防治剂分配器和香料分配器。暴露步骤完成时固相微萃取纤维收集器自动受到保护而不再暴露于更多的挥发性材料。

例如，固相微萃取纤维收集器可以通过机械移动自动收回到受保护的保持器内。固相微萃取纤维收集器可以通过遥控装置自动受到保护而不再暴露。然后可以对已收集有挥发性材料的固相微萃取纤维收集器进行色谱分析，和/或在进行上述方法之前已经了解挥发性材料的期望空气浓度。

使用来自其中将SPME纤维暴露于空气中的挥发物的同时通过常规吸附管技术确定这些挥发物的浓度的多重操作的信息，创建了使特定SPME读数与空气处理化学品浓度关联的标准曲线。其后在读取SPME测定值(不用任何吸附管测定)时可以将SPME读数解读为空气浓度值，同时具有在测定过程中不干扰受测物的被动测定系统的优点。

在优化分配器产品的设计时，拥有这类信息特别理想。如果在一个分配器设定/时间的读数低于期望值，可以据此对产品进行调节或重新设计从而分配更高浓度。如果特定距离上读数高于期望值，可以据此调节产品以分配更低浓度。

最优选的是，对已收集有空气处理化学品的固相微萃取纤维收集器进行气相色谱或质谱分析以确定已被收集的所述空气处理化学品量。

例如，产品可为驱虫剂。在这种情况下，已知的期望浓度可以是足以在典型暴露环境中获得有效驱虫效果的浓度。

测试区域可以为在多种条件下对产品进行操作的封闭室的形式。可以通过吸附管和固相微萃取纤维收集器基本同时收集空气处理化学品。接着仅通过SPME装置收集空气处理化学品。

通过使用本发明还可以评估分配装置或环境的温度变化、由装置或环境风引起的吹力变化、不同活性剂、不同的活性剂浸渍浓度和不同基片等的效果。

可以安置一个阵列的SPME装置以围绕分配器和/或提供在不同高度的三维测定。可以将每个SPME测定位置与临近该位置的吸附管浓度测定值进行相关，即可能通过仅仅作出在特定位置的一个相关图来对特定环境和活性剂而言估计SPME与特定类型的吸附管的初步相关性。

可以通过已知技术或已发表的信息来评估实现驱虫或其它期望性质的期望活性剂浓度。对于新活性剂，这可以使用有限的人类受试对象测试组或直接使昆虫暴露于经空气传播的挥发物并观察昆虫的击倒、死亡或其它结果来实现。

注意，即使有效浓度对于如DEET等旧活性剂是已知的，仍然需要对使用它的开发中的每个特定分配系统进行进一步测试。此外，即使分配器也是旧分配器，如果将旧活性剂以不同方式混合，则仍需要进行测试。

当分配产品为香料时，已知期望浓度通常为据人类报道为足以使得他们在令人满意的水平感受到所述香料的阈值浓度。因此，最初仍可能需要一定的人类测试对象的参与以便认识到期望的有效浓度。然而，其后在实践本发明时不再需要人类测试对象的参与。

此外，为了进而减少初始的人类测试对象参与的水平，对于某些类型的活性剂而言，可以设法使用不用人类测试对象测定有效性的系统。尽管这在驱虫剂或香料的情形中可能较难，对于期望效果是杀灭的杀虫剂来说这可能较易实现。封闭的测试室能在没有任何人类测试对象参与时测定昆虫群死亡时的浓度和速度。然而，不管如何获得有关期望有效浓度的知识，吸附管测试所测定的活性剂的空气浓度与通过使用SPME纤维所获结果的相关性及随后的常规色谱不需要人类测试对象。

用于这些相关性测试的测试室可以带有允许通过常规吸附管技术和SPME纤维在空气中的暴露同时测定活性剂的空气浓度的端口或其它接入机制。如果最终测试条件可能因温度或空气运动而变化，则采用以下额外步骤：在连续升高的温度或连续增加的空气流速下将SPME纤维暴露于受控的挥发活性剂浓度并再通过常规色谱技术分析SPME纤维。

然后，在基本实际的预期使用条件下，不用吸附管而将SPME纤维暴露于其中由受测的挥发物分配产品传输了活性剂的空气中。优选将多个SPME纤维以空间阵列安置在受测的挥发物分配产品周围以便记录在不同距离和/或高度达到的空气处理化学品浓度，所述空气处理化学品浓度对于所述挥发物分配产品的预期使用在功能上很重要。优选可将SPME纤维装在可以使纤维在空气中暴露选定的时间段然后将其自动收起以避免额外的暴露的容纳装置。

最优选的是，可以通过有线连接或常规无线方法对所述容纳装置进行遥控。这类容纳装置的一个实例是类似于注射器的容纳装置，其中可以通过活塞的作用将SPME纤维推入所述容纳装置内然后在选定的暴露时间结束后抽回。螺线管、电磁体、马达或任何其它常规机械装置都可以完成这种运动。当不希望遥控激活时，甚至可以采用发条装置或其它机械计时器。然后可将经过暴露的SPME纤维回收并进行色谱分析。接着，通过参考经前述步骤产生的数据，可以计算空气中的活性剂浓度，并知晓所述挥发物分配装置的有效程度。

通过使用这些方法可以准确地确定空气处理化学品的浓度，并减少对使用人类测试对象的需要。可以在各种测试地点轻易进行测试，且可以使用自身不会在测试地点引起空气流动或其它干扰性变化因素的装置进行所述测试。

从下列描述和附图中本发明的这些优点和其它优点将变得显而易见。其中参考了某些优选实施方式。然而，应该根据权利要求来判断本发明的完整范围，而所述权利要求不仅仅限于所述优选实施方式。

附图说明

图1是用于初步确定可用于实现击倒昆虫的空气处理化学品浓度的设备的透视图；

图2是该装配体的一部分的具体透视图；

图3是图1装配体的另一个具体透视图；

图4是说明三种不同的昆虫防治剂的击倒时间对浓度的关系的图；

图5是另一测试设备的前透视图，该设备具有不同的收集能力；

图6是报道用图5的设备获得的测试数据的图；

图7是SPME响应的示意图；

图8是用于测定SPME响应时的有效流速的设备部件的透视图；

图9是对使用图8的设备的实验结果作的图；

图10是测试系统和由其所获结果的示意图；

图11是协调系统的示意图；

图12是表现本发明的方法的流程图；和

图13是优选的SPME收集器的图。

具体实施方式

可以将本发明用来基于实时对环境空气中的如杀虫活性剂等空气处理化学品的空间和时间浓度进行预测和测定。这有助于确定(i)是否达到驱赶飞虫和/或击倒昆虫的阈值浓度，以及在多长时间内达到；(ii)随着活性剂在环境空气中迁移时活性剂的结局；和/或(iii)空气流速和温度的影响。

首先确定驱赶和击倒的阈值浓度。对于已经使用过一段时间的活性剂，该信息可能可公开利用。对于新活性剂，这可用人类测试对象确定，或在本情况下如图4所报道通过使用图1～3的设备的击倒测试确定。

使用一种实例杀虫剂对库蚊(常见家蚊)进行击倒测试。如图1和2所示，提供了左端带有风扇以引导空气在管内流通的管。将待测活性成分保持在位于风扇下风处的基片上。用于保持蚊的环形笼(SealriteLtd.)位于管的末端与风扇相对。笼带有使空气可从风扇自由通过笼的窗屏，因而使笼中的蚊暴露于通过流经的空气从基片挥发的活性成分中。基片下风处的管中的垫圈使得可以接通充有活性成分的空气以帮助在任何时刻监测空气中的活性剂浓度。

管的布置包括四个部分；第一部分插入离风扇最近的位置。第二塑料部分与第一部分相连以接收风扇的排气。用于保持发散活性剂的基片的带鳄嘴夹的小环位于第二部分的上风端。用于将蚊笼保持在适当位置的环位于第二部分的下风端。提供了接收垫圈的孔用于通过使用常规吸附管(例如，SKC Inc.的目录号#226-30-16，-XAD-2-OVS)来接通管内的流动空气。将流量计置于风扇装置的后面以监测空气流速。当装置在运行时，用橡胶塞塞住所有未用的垫圈孔。

设定好这种第一类设备后，取一只装有10只蚊的笼，用所有部件将管装配好，运行风扇以吹气通过在基片上不带活性成分的管。然后记录蚊击倒次数。确认在活性剂不存在时在30分钟内没有出现死亡。

然后制备在每种测试情形中用于沉积在发散基片上的待测活性成分的稀释溶液从而100毫升体积的溶液含有所需水平的活性剂。选用于该实施例的基片是Whatman牌滤纸。

采用适当的活性剂用挥发性溶剂(例如，丙酮)来制备稀释溶液。优选在进行测试前少于16小时内制备稀释溶液从而将因使用溶剂在活性剂上的效果而对结果造成的偏离降至最小。取加样后的滤纸并用鳄嘴夹将其固定在样品保持环上。然后将带有经处理的滤纸的样品保持环装在适当的风扇下风位置，并以30L/分钟的气流调节通道30分钟(记录温度和湿度)。

在这期间确保用软木塞或橡胶塞塞住用于吸附管用垫圈的孔。30分钟的调节后，取橡胶垫圈并置于此前被塞住的孔中。然后将蚊笼置于样品保持器的下风端的正确位置，将吸附管置于蚊笼之前和之后的位置，并启动吸附管泵和秒表。然后每隔30秒记录蚊击倒情况。

30分钟时停泵，取走吸附管并将其封口。将吸附管置于标有日期、活性剂、活性剂水平、测试时间间隔和任何其它相关信息的预先标记的密封型塑料袋中。

为了在测试之间的清洁，用热水和洗涤剂和/或洗涤器充分洗涤通道部分，最后用丙酮清洗。然后将清洁的管部件置于热源前约45分钟以协助去污。将旧的垫圈和塞用新的垫圈和塞更换或将其去污。周期性检查检查吸附管泵的流速在2L/分钟。使用8小时后将泵充电并重新校正流速。

如图4中可见，由本特定分配系统分配的在特定时间内达到特定基击倒效果所需的浓度因不同活性剂而有所不同。这突出了对每种活性剂建立相关曲线的重要性。

SPME技术在常规上仅用于收集在SPME纤维的位置的空气中的活性剂，而不是确定实际空气浓度。因此，我们首先通过吸附管法建立了相同环境中的空气浓度与(由吸附管测定)与SPME响应之间的标准相关曲线。通过用SPME和吸附管在相邻位置基本同时地收集样品，吸附管测定了该点的空气浓度并可确定相对于该空气浓度的特定SPME读数的意义。用该校正曲线就可能仅用SPME进行测定并用读数来估算浓度。重要的是，一旦相关曲线存在，则可以无需进一步的吸附管测试或人类测试对象的参与而进行进一步测试。

SPME装置可以具有由涂布有聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅棒(支持体)组成的细纤维，但所用具体涂布物质根据分析物而有所不同。当将SPME纤维暴露于分析物中时通过经涂布的材料的孔发生配分。

在图5中，我们描绘了能同时进行吸附管和SPME取样的设备部件。图5描绘了具有用于维持空气中活性剂的浓度的两个开口端的水平不锈钢管(通道)。通道的一端装配有产生进入通道的气流的风扇。流量计与风扇模块相连以检查空气流速。

通过连接漏斗形管使通道的另一端收窄以在通道内维持相当均匀的浓度。通道设有8个环形孔使得等间距隔开的4个孔与管的对立侧上的其它4个孔配对。在两个位置之间置有金属网以引起管内较均匀的混合。

与上述测试的情形相似，制备了丙酮中的活性剂储备溶液并稀释至所需水平。将Barex膜(塑料基片而非纸)用作其上施加了已知量的活性剂的基片实例。然后将Barex膜置于具有保持基片的夹的样品保持器中。

将保持有已知量的活性剂的基片置于在风扇前方/上风处的通道中。随着风扇吹动基片上方的空气，活性剂挥发并通过通道。通过特定位置的孔使SPME纤维暴露于移动的空气中，并将吸附管置于相同线性位置(对立侧)的孔内作为SPME取样器。使纤维暴露2分钟并同时在泵的帮助下以2L/分钟用30分钟抽取空气通过吸附管。将SPME注入标准气相色谱装置以使活性剂解吸，并用10mL己烷萃取吸附管1h。随时间推移重复进行相继的SPME纤维和吸附管的测定。

然后计算来自吸附管的空气中活性剂的浓度。通过使用从已知浓度的标准溶液获得的校正曲线来计算从吸附管萃取的溶液浓度(ng/ml)。这些浓度值给出吸附于吸附剂上的活性剂的总量(N)。

通过吸附剂的空气的体积(V)＝30min×2L/min＝60L。因而，空气中的活性剂浓度＝N/V(ng/L)。

因此，可以通过进行彼此相邻的SPME取样和吸附管取样来对任何给定的操作条件的组合产生如图6的标准曲线。确定了具体的SPME读数与具体的浓度以这种方式相关。

对于给定的温度(和相似温度)和给定的气流条件(和相似气流条件)而言这种曲线具有最大价值。为了确认在宽广的温度和空气速度范围内的合理优化，可能需要对其它代表性温度和风的条件建立相似的曲线。

如图7所示，随着活性剂被吹动接近收集器纤维，其移动所带的能量将部分决定在它与纤维与不同方式接触时有多容易捕获的容易程度。因此，随着风速的增加将产生不同的SPME读数。

图8的装置用于产生纠正这种影响的标准曲线。据显示图8的通道与柔性管的一端相连而柔性管的另一端与流量计相连以创建闭环系统。

将活性剂掺加入Barex膜并将其在通道中调节20分钟。调节(conditioning)后，将经掺加的Barex膜取出通道，让空气仅与此时已从Barex膜挥发的活性剂在闭环系统内循环。这样做是为了保持环内的活性剂浓度基本恒定。然后使相继的SPME纤维暴露于如5L/min、15L/min和30L/min等不同的相继气流下。然后通过气相色谱分析SPME。

如图9所示，对于特定活性剂可以将风速在SPME读数上的影响作图并校正。因此，在正常使用过程中可以部分基于预期风水平来进行优化判断。例如，在风速40英里/小时的环境中不必考虑昆虫叮咬，因为在这种风速下将抑制昆虫的飞行。在另一方面，可能也想知道在15英里/小时下特定的活性剂在特定距离是否具有保护性。

一旦产生出各种曲线，则不再需要继续进行吸附管取样。然后可以使用SPME结果以不同方式取样，并用曲线转化空气浓度值。

例如，如图10～12所示意性显示，可以用SPME技术在不同位置取样(图10中标记为“S-2”、“S-3”等)。然后用以布覆盖的盒围绕这些取样器，而将挥发物输送产品置于盒上。

盒的尺寸使得SPME取样位置的分布对应于相对于可能佩带这种分配装置的人的各种测试位置。样品收集时间为6分钟。收集后，通过气相色谱分析样品。

以约1小时的间隔收集样品。在各个位置测定的浓度列于图10的表中。基于这些结果，可以看到活性剂的浓度在S-5位置较高(正如因重力的一定效果和空气从房间顶部流入而可预期)。

为了最小化与SPME装置的移动有关的任何干扰以便获得时间模式，提供了有线或无线的螺线管控制以在选定时间插入和移出SPME装置。因此，可以在相对于初始时刻的特定时间检查空气浓度以查看在特定距离发展适当保护所用的时间。因而，卧室用蚊防治剂的设计者可能很想了解装置启动后多长时间消费者可以安全地使用房间。

本方法不一定需要使用气相色谱来测定SPME结果。其它类型的色谱和测定装置也可满足需要。在任何事件中，本发明的方法最适合于具有约10-5mmHg的低蒸气压的材料，但也可修改来用于具有较高蒸气压的化合物。

如图11所示，相对于产品分配器位于房间中央的空间安排而言，在立方形房间中有很多合逻辑的测定位置。这些位置包括各面墙表面的中点、房间角落和室内各种同等位置。然而，测试位置不限于正方体或长方体。例如，可以将样品置于各种室外位置。

图12以流程图形式显示了如何用本发明的方法来优化分配器。在第一组运行后，查看期望位置处的空气浓度与最佳期望浓度相比的情况。如果它们不在期望范围内，以某种方式更改产品设置以试图纠正该情况。例如，如果浓度过低，可以增加装置或装置上的加热器上的吹风机速度，或增加基片上的活性剂浓度。然后评估更改后的设定，并继续以这种方式执行本方法直至达到期望浓度。例如，可以以这种方式来优化带100％天然除虫菊的Whatman滤纸的昆虫防治装置。

可以让人类群体描述一种新型香料可以被闻到的阈值浓度。一旦确定了这个量，就能开发和优化用于该香料的各种分配器。

图13说明了适合与本发明的方法使用的优选SPME。最优选的是可获自Sigma-Aldrich Inc.的产品号57331的SPME纤维保持器。

SPME纤维保持器(holder)12包含筒14、活塞16、空心针18、保持在该针内的空心纤维支持体20和容纳在该纤维支持体内并可伸出的SPME纤维24。可以使活塞16在筒14内轴向移动以使纤维支持体20从所述针内伸出。将纤维支持体20延伸后，活塞16的进一步轴向移动则将SPME纤维24自身从纤维支持体中推出，暴露出选定长度的SPME纤维。

当SPME纤维已在空气中的挥发性材料中暴露所需的时段后，活塞16的反方向移动将SPME纤维收回纤维支持体20内，从而保护其不与空气中的任何挥发性材料再接触，并将纤维支持体进一步收回针18内。然后可以通过常规气相色谱法分析和测定SPME纤维上收集的任何挥发性材料。

可以手动移动活塞16，但优选通过可转而经由有线或无线连接或者通过计时装置控制的经驱动、装配的螺线管或其它机械方式来移动。这避免了可能由人类操作者的存在造成的测试位点的空气运动或其它干扰。

当然，也可使用其它形式的SPME收集器。因而，本发明不应限于所述优选实施方式。而应依靠下列权利要求来判断本发明的完整范围。

工业应用

本发明提供了用于测定挥发性空气处理化学品的浓度并因而测试分配器的有效性的改良方法，该方法减少了对人类测试对象的需要。

Claims (11)

1.一种测定区域内挥发性材料的空气浓度的方法，所述方法包括下列步骤：

将变化的挥发性材料的空气浓度的空气浓度测定值与固相微萃取纤维收集器对变化的挥发性材料的空气浓度的响应进行关联；

将固相微萃取纤维收集器暴露于所述区域内的空气中；和

用关联步骤的结果分析暴露步骤的结果以便从暴露步骤的结果对挥发性材料在所述区域内的空气浓度进行估计。

2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述暴露步骤之前将所述挥发性材料从挥发物分配器输送至所述区域内的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述暴露步骤包括位于与所述挥发物分配器相距选定距离和方向上的一阵列固相微萃取纤维收集器的使用。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述挥发性材料选自昆虫防治剂和香料。

5.如权利要求2所述的方法，其中所述挥发物分配器选自昆虫防治剂分配器和香料分配器。

6.如权利要求1所述的方法，其中在完成所述暴露步骤时固相微萃取纤维收集器自动受到保护而不再暴露于更多的挥发性材料。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述固相微萃取纤维收集器能通过机械运动自动收回到受保护的保持器内。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述固相微萃取纤维收集器能通过遥控装置自动受到保护而不再暴露。

9.如权利要求1所述的方法，其中对已收集有挥发性材料的固相微萃取纤维收集器进行色谱分析。

10.如权利要求1所述的方法，其中在开始权利要求1所述的方法之前已经了解所述挥发性材料的期望空气浓度。

11.如权利要求1所述的方法，其中通过使用吸附管技术测定了与固相微萃取纤维收集器的响应相关联的挥发性材料的不同空气浓度。

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