CN112379041A - 一种研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，采用该实验系统能够将自然大气环境下的PM10或PM2.5富集并直接引入到实验舱内，使实验动物所暴露的环境是自然环境，从而量化研究大气颗粒物与动物模型之间的健康效应机制。该实验系统包括：用于放置实验动物的密闭的实验舱体，用于收集舱外自然环境中含有待研究颗粒物气流的颗粒物采集单元；用于将颗粒物采集单元采集的气流排放到实验舱体内的颗粒物输送单元；用于调节实验舱体内部环境参数的舱内环境调节单元，环境参数包括：温度、湿度；用于测量实验舱体内部待研究的颗粒物的质量浓度、测量实验舱体内环境参数以及监控实验舱体内实验动物健康和行为状况的检测与监控单元。
Description
技术领域
发明涉及一种实验系统，具体涉及一种研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统。
背景技术
空气是人类赖以生存的重要自然环境因素之一，人的一生大约需要吸入约700万升空气。随着经济的飞速发展,日益严峻的大气污染成为人们关注的环境焦点问题，污染物通过急性和慢性暴露威胁人体健康,越来越不能满足人民日益增长的美好生活的需要。
雾霾是一类严重影响健康的灾害性天气现象，是由直接排放到大气中或在大气中二次生成的大气颗粒物(airborne particulate matter,PM)持续积聚，遇静稳天气时形成的大气污染状态。钟南山院士关于“雾霾致肺癌有根据但尚无数据”的说法，更让人们对呼吸道、肺等与呼吸相关器官的健康状况忧心不已。2012年发表在《美国医药》的研究报告表明，面对空气污染，人类的心脏比肺更脆弱。2013年2月20日《欧洲心脏杂志》刊登的一项研究结果亦表明，患有急性冠脉综合征的病人如果过度暴露在含有PM2.5(即空气动力学直径≤2.5微米的大气颗粒物)的空气环境中，死亡率将上升。2017年2月6日报道，根据英国兰卡斯特大学的Maher及其团队发表在《美国国家科学院院刊》上的一项最新研究发现：“雾霾等空气污染，损伤的不仅是我们的肺，还有我们的大脑”。因此，针对大气污染带来的健康问题，有必要对大气颗粒物与人体健康之间的效应机制进行深入科学的研究。
目前，流行病学收集了大量关于大气混合污染物与健康关系的统计学资料，但未能诠释其健康效应机制、缺乏定量化研究，常受混淆因素的干扰。人体研究可直接获取环境毒素的健康影响，但受伦理限制。因此，建立大气颗粒物与动物模型之间的健康效应机制是开展大气颗粒物与人体健康之间效应机制的有效研究手段。
现有技术是在实验舱内使用风机吹浮人工制造、收集的“PM2.5颗粒”，也就是用大气颗粒物采集装置采集大气颗粒物样本后，把带有PM2.5的滤膜浸泡在液体中，使用超声波震荡机震荡，收集震荡液后使用“真空冷冻干燥机”干燥，然后收集剩余物作为PM2.5，再用风机吹浮，形成人工制造的“雾霾”状态。但是这种方法并未受到学术界的广泛认可，最终干燥物是否为学术意义上的PM2.5还有待商榷，因此不能用来有效模拟真实大气环境下的PM2.5污染状态，同样也不能达到有效模拟动物慢性暴露于PM2.5环境条件下进行科学研究的目的，再者，实验舱体内表面易附着颗粒物，会造成实验舱内空气中的PM2.5损失，影响研究效果。另外，现有技术在模拟外界自然空气环境时仍存在很多不足之处，比如空气中的含氧量、CO2浓度、温度、气压等大气参数均与外界不同，因此现有技术中实验动物所暴露的环境是非自然环境，不能达到量化研究PM2.5对动物造成的伤害。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，采用该实验系统能够将自然大气环境下的PM10或PM2.5富集并直接引入到实验舱内，使实验动物所暴露的环境是自然环境，从而量化研究大气颗粒物与动物模型之间的健康效应机制。
所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统包括：
用于放置实验动物的密闭的实验舱体，所述实验舱体顶盖透光；
用于收集舱外自然环境中含有待研究颗粒物气流的颗粒物采集单元；
用于将所述颗粒物采集单元采集的气流排放到所述实验舱体内的颗粒物输送单元；
用于调节所述实验舱体内部环境参数的舱内环境调节单元，所述环境参数包括：温度、湿度；
用于测量所述实验舱体内部待研究的颗粒物的质量浓度、测量所述实验舱体内环境参数以及监控所述实验舱体内实验动物健康和行为状况的检测与监控单元。
作为本发明的一种优选方式：所述颗粒物采集单元的个数为一个以上；
当所述颗粒物采集单元为一个时，用于实现所述实验舱体内与自然环境大气颗粒物浓度一致的状态；
当所述颗粒物采集单元为两个以上时，用于实现所述实验舱体内大气颗粒物浓度高于自然环境的状态。
作为本发明的一种优选方式：还包括自动控制单元；所述自动控制单元对比设定的实验参数和采集到的真实实验参数，对所述实验舱体内的环境状态进行实时调节，使采集到的真实实验参数与设定的实验参数的差值在设定范围内；所述实验参数包括：所述实验舱体内的温度、湿度、待研究的颗粒物的质量浓度。
作为本发明的一种优选方式：待研究颗粒物为PM10或PM2.5；
所述颗粒物采集单元为：装有PM10切割头或PM2.5切割头的大气颗粒物采样仪；所述颗
粒物输送单元为大气颗粒物输入管路；
所述大气颗粒物采样仪的进气口与舱外自然环境连通，排气口通过所述大气颗粒物输入管路与所述实验舱体内部空间连通；
当待研究颗粒物为PM10时，所述大气颗粒物采样仪中不安装用于捕集PM10的滤膜，通过所述大气颗粒物采样仪去除空气中空气动力学直径＞10微米的大气颗粒物，将含有PM10的气流收集后通过所述大气颗粒物输入管路排放到所述实验舱体内；
当待研究颗粒物为PM2.5时，所述大气颗粒物采样仪中不安装用于捕集PM2.5的滤膜，通过所述大气颗粒物采样仪去除空气中空气动力学直径＞2.5微米的大气颗粒物，将含有PM2.5的气流收集后通过所述大气颗粒物输入管路排放到所述实验舱体内。
作为本发明的一种优选方式：所述舱内环境调节单元包括：电加热元件、喷雾装置和循环风机；
所述电加热元件采用电加热的方式改变所述实验舱体内部环境温度；
所述喷雾装置采用喷水雾的方式改变所述实验舱体内部环境湿度；
所述循环风机用于实现所述实验舱体内部空气的内循环。
作为本发明的一种优选方式：所述大气颗粒物输入管路上设置有两个以上接口，每个所述接口用于连接一台所述大气颗粒物采样仪。
作为本发明的一种优选方式：当需要模拟雾霾状态时，在所述实验舱体内输入含有待研究颗粒物的气流的同时启动所述喷雾装置。
作为本发明的一种优选方式：所述实验舱体内部由隔板分隔为两部分，分别用于安装实验舱内环境调节单元和检测与监控单元。
作为本发明的一种优选方式：所述实验舱体上设置有排气孔。
作为本发明的一种优选方式：所述排气孔表面固定有滤膜。
有益效果：
(1)该实验系统能够将自然大气环境下的可吸入颗粒物PM10或细颗粒物PM2.5富集并直接引入到实验舱内，使实验动物所暴露的环境是自然环境，能够达到量化研究PM10或PM2.5对动物造成伤害的目的。
(2)该实验系统中颗粒物浓度、环境温度、环境湿度均可依据实验需求进行调节，从而能够根据实验需求改变舱内环境参数。
(3)具有实时监控和自动调节实验舱内大气可吸入颗粒物PM10或细颗粒物PM2.5浓度的功能；通过调节实验舱内PM10或PM2.5的浓度，能够研究不同浓度状况的PM10或PM2.5对实验动物的伤害程度。
(4)通过设置喷雾装置，不仅能够依据需要改变实验舱内的环境参数，还能够配合实现模拟真实自然条件下的雾霾状态；
(5)通过对实验动物行为的监控，能够建立实验动物健康状况与实验舱内大气可吸入颗粒物PM10或细颗粒物PM2.5浓度之间的联系。
附图说明
图1为本发明的实验系统的工作原理示意图。
其中：1-循环风机、2-隔板、3-电加热元件、4-喷雾装置、5-实验舱体、6-控制单元、7-排气孔、8-摄像机、9-空气颗粒物浓度测定仪、10-大气颗粒物采样仪、11-大气颗粒物输入管路
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供一种研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，这里所述的大气颗粒物指可吸入颗粒物PM10或细颗粒物PM2.5；采用该实验系统能够实现对真实自然条件下雾霾状态的模拟，通过观察实验动物健康状况，分析生理指标、行为方面的变化，研究大气颗粒物与动物模型之间的健康效应机制。
如图1所示，该实验系统包括：实验舱体5、颗粒物采集与输送单元、舱内环境调节单元、检测与监控单元和控制单元。
实验舱体5整体为正六面立方体结构，实验舱体5包括顶部开口的舱身和盖装在舱身顶部开口处的顶盖；实验舱体5内部由隔板2分隔为两部分，一部分用于安装实验舱内环境调节单元(令为空间A)，另一部分用于安装检测与监控单元(令为空间B)。由于聚四氟乙烯材料具有耐大气老化性及不粘等特性，为避免大气颗粒物在实验舱体5内表面大面积粘附，实验舱体5内壁面及气路连接管道均优选使用聚四氟乙烯材料；顶盖必须透光，优选使用玻璃材质，实验舱体5体积最佳大小为1m×1m×0.5m(高)。实验舱体5的侧壁开有排气孔7，排气孔7表面固定有滤膜，滤膜为圆形，其性能应满足国家标准(HJ 93-2013)中对采样膜的要求，滤膜直径为90mm，实验舱体5内气体排至舱外时需完全通过滤膜过滤。顶盖应完全覆盖实验舱体5的顶部，使用时顶盖平压覆盖于实验舱体5侧壁上沿的密封垫上，使实验舱体5内部保持常压下的气密。
颗粒物采集与输送单元设置在实验舱体5外部，包括：大气颗粒物采样仪10、大气颗粒物输入管路11。大气颗粒物采样仪10采用符合国家标准(HJ 93-2013)的大气颗粒物采样仪，大气颗粒物采样仪10是一种采集大气中颗粒物(如PM2.5、PM10)的仪器；依据所要研究的对象选择装有PM10切割头或PM2.5切割头的大气颗粒物采样仪10；PM10或PM2.5切割头采用符合国家标准(HJ 93-2013)的切割头。以采集PM2.5颗粒物为例，选择装有PM2.5切割头的大气颗粒物采样仪10，该大气颗粒物采样仪10可将大气中10微米以上粒径的颗粒物过滤去除后，通过分层捕集去除PM10，最终将PM2.5颗粒截留在滤膜上。为将含有PM2.5的气流收集排放到实验舱体5内，大气颗粒物采样仪10中不安装滤膜，将大气颗粒物采样仪10的排气口通过大气颗粒物输入管路11与实验舱体5内用于安装实验舱内环境调节单元的空间连通；由此通过大气颗粒物采样仪10将去除了PM10含有PM2.5的气流有组织的收集排放到实验舱体5内，使实验舱体5内实现与自然环境一致的PM2.5环境。大气颗粒物采样仪10进气口与排气口之间的包括气泵及大气颗粒物输送管路的空间应为密闭空间。
同理，当待研究的颗粒物为PM10时，选择装有PM10切割头的大气颗粒物采样仪10，该大气颗粒物采样仪10可将大气中10微米以上粒径的颗粒物过滤去除后，将PM10颗粒(空气动力学直径≤10微米的大气颗粒物)截留在滤膜上。为将含有PM10的气流收集排放到实验舱体5内，大气颗粒物采样仪10中不安装滤膜，将大气颗粒物采样仪10的排气口通过大气颗粒物输入管路11与实验舱体5内用于安装实验舱内环境调节单元的空间连通；由此通过大气颗粒物采样仪10将去除了空气动力学直径＞10微米的大气颗粒物含有PM10颗粒物的气流有组织的收集排放到实验舱体5内，使实验舱体5内实现与自然环境一致的PM10环境。
大气颗粒物输入管路11上有多个接口，每个接口都可以连接一台大气颗粒物采样仪10，由此，连接单台大气颗粒物采样仪10时能够实现实验舱体5内与自然环境大气颗粒物浓度一致的状态，连接多台大气颗粒物采样仪10时能够实现实验舱体5内大气颗粒物浓度高于自然环境的状态。
舱内环境调节单元包括：电加热元件3、喷雾装置4和循环风机1。电加热元件3采用电加热的方式改变舱内温度；喷雾装置4采用喷水雾的方式改变舱内湿度；循环风机用于实现实验舱体5内部空气的内循环，将实验舱体5内的空间A内的经舱内环境调节单元调节后的气体循环输送至空间B内；电加热元件3、喷雾装置4和循环风机1的启停均由自动控制单元控制。在对实验舱体5内环境进行调节时，按照设定的温度、湿度等实验环境参数，自动控制单元根据检测与监控单元提供的信号，启动或停止电加热元件3、喷雾装置4、循环风机1。
此外，在实验舱体5内输入大气颗粒物PM10或PM2.5的同时启动喷雾装置，可以实现对雾霾状态的模拟。
检测与监控单元包括：空气颗粒物浓度测定仪9、温湿度传感器(温湿度传感器可集成在空气颗粒物浓度测定仪9中)和摄像机8。空气颗粒物浓度测定仪9能够实时测量实验舱体5内PM10或PM2.5颗粒物的质量浓度，不受颗粒物化特性的影响，无需修正，全天候实时提供精确数据；温湿度传感器用于实时测量实验舱体5内的环境温度和环境湿度；摄像机8用来实时监控和记录实验舱体5内实验动物的健康和行为状况。
此外，检测与监控单元还能够实时测量实验舱体5内的气压等参数，检测与监控单元将采集到的实验舱体5内的环境参数(颗粒物的质量浓度、环境温度、环境湿度、气压)自动换算成标准状态采样体积；检测与监控单元具备数字和模拟输出接口。
自动控制单元设置在实验舱体5外部，包括：信号输入与输出模块、数据分析与处理模块；检测与监控单元将采集到的实验舱内的温度、湿度、颗粒物质量浓度信号通过数据线传输到信号输入与输出模块，信号输入与输出模块将接收到的信号发送给数据分析与处理模块，数据分析与处理模块根据设定的环境参数和采集到的信号调节实验舱体5内的环境状态，保证实验舱体5内的环境状态与设定的环境参数保持一致。
下面以研究PM2.5颗粒物对人体健康影响为例，介绍该实验系统的使用方法：
将一台装有PM2.5切割头的大气颗粒物采样仪10连接到大气颗粒物输入管路11的接口上，在PM2.5切割头层内的凹槽处涂抹凡士林，同时在正常放置滤膜处撤去滤膜，让包含PM2.5的气流直接通过，进入气泵舱后最终流入大气颗粒物输入管路11，从而把含PM2.5的室外空气引入实验舱体5内，实现实验舱体5内与自然环境真实一致的PM2.5环境。
通过舱内环境调节单元将实验舱体5内的温度、湿度调整到与正常室内环境(CK)一样，将7周大的ICR小鼠(注释：ICR小鼠是Hauschka用Swiss小鼠群以多产为目标进行选育，以后美国癌症研究所(Institute of Cancer Research)分送各国饲养实验，各国称之为ICR小鼠)分别养殖在实验舱体5内和正常室内环境下，正常培养16周，与CK组进行对比实验，比较小鼠各项生理指标及炎症因子，病理组织切片变化。
实验进行的同时，检测与监控单元自动测量并记录实验舱温湿度、气压、大气颗粒物浓度等参数，自动控制单元根据设定运行参数和采集到的信号调节和维持实验舱内环境系统的环境状态，摄像机8实时监控和记录ICR小鼠的健康和行为状况，从而实现在观察室内观察具有PM2.5环境对动物健康的影响，建立实验动物健康状况与实验舱内PM2.5浓度之间的联系。
实验结果显示，与对照组相比实验鼠肺部炎症因子表达及肺功能受到一定影响：
①SOD(超氧化物歧化酶)结论：实验舱体内(简称舱内)的雌鼠有低于舱外的趋势，但无显著差异，舱内雄鼠显著低于舱外；由于SOD具有抗氧化和抗衰老的作用，其主要作用是清除对机体有害的超氧阴离子自由基，暗示PM2.5暴露加速了舱内雄性实验鼠的肺部衰老，对雌鼠则影响不大。
②TNF-α(肿瘤坏死因子α)结论：舱内雌雄鼠都显著高于舱外，说明长期PM2.5环境会显著提高肿瘤细胞含量，造成TNF-α含量升高，说明长期PM2.5环境会引起机体癌症免疫应答(TNF-α是一种使多种肿瘤发生出血性坏死的免疫蛋白，又名恶液质素，是一种机体对肿瘤细胞的免疫因子，其机制目前尚不清楚)。
③GSH-PX(谷胱甘肽过氧化物酶)结论：舱内雌鼠显著高于舱外；舱内雄鼠高于舱外，但无显著差异。长期PM2.5环境会显著提高雌实验鼠肺部GSH-PX因子，而GSH-PX可使有毒的过氧化物还原成无毒的羟基化合物，从而保护细胞膜的结构及功能不受过氧化物的干扰及损害，说明长期PM2.5环境引起了雌鼠的肺部氧化损伤，从而提高了GSH-PX表达。
④舱内雌鼠呼吸频率显著低于舱外雌鼠，反映出可能出现了机体代谢率降低或颅内压增髙；舱内雌鼠呼气时间显著高于舱外雌鼠，呼气时间增加一般由于慢性支气管炎、肺气肿、哮喘等引起，反映出舱内雌鼠肺器官患有慢性疾病；舱内雄鼠潮气量显著低于舱外雄鼠，表明肺通气不足，反映出舱内雄鼠肺功能异常；舱内雄鼠分钟通气量显著低于舱外雄鼠，反映出舱内雄鼠肺气道阻塞。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：包括：
用于放置实验动物的密闭的实验舱体(5)，所述实验舱体(5)顶盖透光；
用于收集舱外自然环境中含有待研究颗粒物气流的颗粒物采集单元；
用于将所述颗粒物采集单元采集的气流排放到所述实验舱体(5)内的颗粒物输送单元；
用于调节所述实验舱体(5)内部环境参数的舱内环境调节单元，所述环境参数包括：温度、湿度；
用于测量所述实验舱体(5)内部待研究的颗粒物的质量浓度、测量所述实验舱体(5)内环境参数以及监控所述实验舱体(5)内实验动物健康和行为状况的检测与监控单元。
2.如权利要求1所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：所述颗粒物采集单元的个数为一个以上；
当所述颗粒物采集单元为一个时，用于实现所述实验舱体(5)内与自然环境大气颗粒物浓度一致的状态；
当所述颗粒物采集单元为两个以上时，用于实现所述实验舱体(5)内大气颗粒物浓度高于自然环境的状态。
3.如权利要求1所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：还包括自动控制单元；所述自动控制单元对比设定的实验参数和采集到的真实实验参数，对所述实验舱体(5)内的环境状态进行实时调节，使采集到的真实实验参数与设定的实验参数的差值在设定范围内；所述实验参数包括：所述实验舱体(5)内的温度、湿度、待研究的颗粒物的质量浓度。
4.如权利要求1或2或3所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：
待研究颗粒物为PM10或PM2.5；
所述颗粒物采集单元为：装有PM10切割头或PM2.5切割头的大气颗粒物采样仪(10)；
所述颗粒物输送单元为大气颗粒物输入管路(11)；
所述大气颗粒物采样仪(10)的进气口与舱外自然环境连通，排气口通过所述大气颗粒物输入管路(11)与所述实验舱体(5)内部空间连通；
当待研究颗粒物为PM10时，所述大气颗粒物采样仪(10)中不安装用于捕集PM10的滤膜，通过所述大气颗粒物采样仪(10)去除空气中空气动力学直径＞10微米的大气颗粒物，将含有PM10的气流收集后通过所述大气颗粒物输入管路(11)排放到所述实验舱体(5)内；
当待研究颗粒物为PM2.5时，所述大气颗粒物采样仪(10)中不安装用于捕集PM2.5的滤膜，通过所述大气颗粒物采样仪(10)去除空气中空气动力学直径＞2.5微米的大气颗粒物，将含有PM2.5的气流收集后通过所述大气颗粒物输入管路(11)排放到所述实验舱体(5)内。
5.如权利要求1或2或3所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：所述舱内环境调节单元包括：电加热元件(3)、喷雾装置(4)和循环风机(1)；
所述电加热元件(3)采用电加热的方式改变所述实验舱体(5)内部环境温度；
所述喷雾装置(4)采用喷水雾的方式改变所述实验舱体(5)内部环境湿度；
所述循环风机(1)用于实现所述实验舱体(5)内部空气的内循环。
6.如权利要求4所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：所述大气颗粒物输入管路(11)上设置有两个以上接口，每个所述接口用于连接一台所述大气颗粒物采样仪(10)。
7.如权利要求5所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：当需要模拟雾霾状态时，在所述实验舱体(5)内输入含有待研究颗粒物的气流的同时启动所述喷雾装置(4)。
8.如权利要求1或2或3所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：所述实验舱体(5)内部由隔板(2)分隔为两部分，分别用于安装实验舱内环境调节单元和检测与监控单元。
9.如权利要求1或2或3所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：所述实验舱体(5)上设置有排气孔(7)。
10.如权利要求9所述的研究大气颗粒物影响人体健康的实验系统，其特征在于：所述排气孔(7)表面固定有滤膜。
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