CN112763277A - 一种在线浓缩采集大气气溶胶并进行口鼻式暴露的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，具体为一种在线浓缩采集大气气溶胶并进行口鼻式暴露的系统和方法。本发明系统包括：浮子流量计、浓缩气流真空泵、主气流真空泵、干燥管、质量流量控制器、碰撞式PM2.5切割头、冷凝系统机、水箱、电加热棒、虚拟切割器、高精度口鼻式暴露装置等。本装置通过采样、冷凝、浓缩等环节，将颗粒物融入液体，使颗粒物浓度提高一个数量级，浓缩效果比同类产品更好；浓缩技术用于高精度暴露实验，可大幅缩短暴露活体的毒性响应时间，可广泛应用于环境监测中。

Description

一种在线浓缩采集大气气溶胶并进行口鼻式暴露的系统和 方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种大气气溶胶浓缩采集并暴露实验的系统及方法。

背景技术

PM2.5是指大气中空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可吸入颗粒物。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但其对空气质量和能见度等有重要的影响。大气PM2.5粒径小、比表面积大，易富集重金属、水溶性无机离子、有机物等有毒有害化学成分且在大气中的悬浮时间长、传输距离远，因而对人体健康和大气环境质量的负面影响不容忽视。

近年来，我国大气PM2.5污染严重, 导致就诊率急剧上升及易感人群过早死亡。尤其是雾霾气溶胶粒子携带的有毒有害化学成分，危及人群健康，引起全社会的高度关注。已经有大量流行病学证据表明，PM2.5有急性与慢性健康效应。高浓度PM2.5暴露会增加患急性呼吸道疾病与心脑血管疾病的风险，同时PM2.5可能诱发肺癌、COPD（慢性阻塞型肺炎）、心脑血管疾病等慢性疾病，影响人体免疫系统、神经系统等。因此，雾霾气溶胶粒子生物毒性的研究也成为研究热点和前沿方向之一。大小鼠口鼻暴露实验广泛应用于毒理学、药效学和药代动力学研究，动物建模实验中，实验结果也被越来越广泛的认为是毒性评价的重要指标。暴露试验包括全身暴露，头部暴露露，口鼻部暴露，气管内暴露等方法。但对大气颗粒物生物毒性的小鼠口鼻暴露实验由于受到气溶胶浓度和暴露时间的限制，目前仍停留在使用离线气溶胶发生器模拟实际大气状况，无法真实反映实际大气颗粒物的生物毒性特征。

为填补上述技术空白，本发明所研制的中流量大气PM2.5在线浓缩与采集装置可将气溶胶在不改变除浓度外的任何理化特性的前提下，浓缩富集到足以明显检出其毒性的水平。同时，该装置可与高精度口鼻式暴露装置联用，使得日后使用实际大气颗粒物完成在线高精度口鼻式小鼠暴露实验成为可能，并可广泛应用于环境监测及健康风险评估当中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在线浓缩采集大气气溶胶并进行高精度口鼻式暴露的系统和方法，以大幅提高颗粒物浓缩度，并有效避免样品污染、试剂高损耗等问题。

本发明提供的在线浓缩采集大气气溶胶并进行口鼻式暴露的系统，其结构参见图1所示，包括：浮子流量计1、浓缩气流真空泵2、主气流真空泵3、干燥管4、大流量质量流量控制器5、冷凝剂循环管6、旋风式PM2.5切割头7、冷凝机8、水箱9、水箱隔温层10、可视窗口11、带有温度传感器的U型电加热棒12、温控数显装置13、冷凝内管14、冷凝外螺旋管15、隔温层16、虚拟切割器17、主气流出口18、喷嘴19、喷嘴接管20、高精度口鼻式暴露装置21；其中：

所述水箱9外套有一层隔温层10，其前壁左上方三分之二处设有一个石英玻璃可视窗口11；

所述U型电加热棒12设置于水箱9内部底端，U型加热棒12外置电源线连接于温控数显装置13；

水箱9上部开有两口，其一，用快接法兰连接旋风式PM2.5切割头和溶蚀器7；其二，用快接法兰连接同轴安置的冷凝内管14；

所述冷凝内管14外部紧密缠绕有软铜制螺旋管15，螺旋管15外包裹一层隔温层16，螺旋管15上部进口和下部出口分别用防冻软管连于冷凝机8的出口和进口；形成冷凝液的循环流动；

所述冷凝内管14上端用快接法兰与虚拟切割器17连接，其内部下端是与内管同轴设置的喷嘴19，上端是与喷嘴19同轴设置但又一定距离间隔的喷嘴接管20；

所述喷嘴接管20出口旁边设有主出气口18，该主出气口连接干燥管4后连接大流量质量流量控制器5，再连接主气流真空泵3，形成主气路；喷嘴接管20出口上部连于生物采样瓶21的进气口；

所述生物采样瓶21的出气口连接浮子流量计1，再连接浓缩气流真空泵2，形成浓缩气；经干燥后通入高精度口鼻式暴露装置21。

本发明装置的工作流程为：

（1）原始大气通入旋风式PM2.5切割头7，PM2.5切割头7将空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的大气颗粒物筛选出来，然后依靠系统抽力通过溶蚀器实现大气气溶胶气-固分离，分离出的颗粒态物质进入水箱9；

（2）在可视窗口11观察下，将去离子水加至水箱高度的三分之二处，并使用带有温度传感器的电加热棒12对去离子水进行加热，通过温控数显装置13控制温度为35±2摄氏度；

（3）加热产生的水蒸气使颗粒物达到饱和状态，后流经冷凝内管14；经循环流通，使冷凝液对饱和颗粒物进行冷凝长大；其，中绝大部分PM2.5颗粒物的空气动力学直径可增长至3-4微米；冷凝机的外部循环控温模式将温度控制在-12±1摄氏度；其中，冷凝液为80%的乙醇；

（4）冷凝长大的颗粒物进入虚拟切割器17，在喷嘴19处获得加速；其加速的动力来自两条气路：主气路和浓缩气路；主气路中，控制其流量为50±2升/分钟，由0-200升/分钟的大流量质量流量控制器5进行精确控制；浓缩气路是颗粒物通过的主要路径；浓缩气路中，控制浓缩气流量为5±0.2升/分钟，由0-10升/分钟的浮子流量计1进行控制；

（5）在虚拟切割器17内，经喷嘴19加速后的颗粒物由同轴设置的喷嘴上方一定间隔空隙的喷嘴接管20接收；在颗粒物浓度相同的情况下，气体流量变为原始气体流量的十分之一，原始大气中颗粒物的浓度随之变为原始浓度的十倍，从而达到浓缩效果；

（6）浓缩后的饱和颗粒物经过浓缩气流真空泵2后，通入高精度口鼻式暴露装置21，对其大小鼠如小鼠或大鼠等进行毒性暴露。

本发明中，冷凝内管14的直径为2.5厘米，长度为80厘米，冷凝液为80%的乙醇浓度可调，仅需达到制冷和降低挥发量的效果。

本发明中，喷嘴19的直径为0.37±0.01厘米，喷嘴19与喷嘴接管20的间隔空隙为0.45±0.01厘米，接管20直径为2.5±0.1厘米。

本发明的有益效果在于：

（1）本装置可将实际大气颗粒物浓缩7到10倍颗粒物尺寸相关，且浓缩效率高，可达到75 %-99 %颗粒物尺寸相关，浓缩性能稳定；

（2）本装置对采样进气流量要求不高，中流量50升/分钟即可对实际大气颗粒物进行高效浓缩；

（3）本装置浓缩后的颗粒物无需干燥，可直接收集并用于后续在线或离线分析；

（4）本装置实现了使用实际大气气溶胶进行小鼠高精度口鼻暴露实验，整套装置操作简便，可靠稳定，且易于维护。

附图说明

图1是在线浓缩采集大气气溶胶并高精度口鼻式暴露系统的结构示意图。

图中标号：1浮子流量计、2浓缩气流真空泵、3主气流真空泵、4干燥管、5大流量质量流量控制器、6冷凝剂循环管、7旋风式PM2.5切割头、8冷凝机、9水箱、10水箱隔温层、11可视窗口、12带有温度传感器的电加热棒、13温控数显装置、14冷凝内管、15冷凝外螺旋管、16隔温层、17虚拟切割器、18主气流出口、19喷嘴、20喷嘴接管、21高精度口鼻式暴露装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

大气颗粒物通过旋风式PM2.5切割头7筛选出粒径小于2.5微米的颗粒物进入溶蚀器7去除酸碱气体，通过的颗粒物进入设置为恒温35±2摄氏度的水箱9包裹水汽并达到过饱和状态，饱和离子在大流量质量流量控制器5控制下的主气流真空泵350±2升/分钟的抽力下，上行至设置为恒温-12±1摄氏度的冷凝管14中冷凝长大至3-4微米的液滴，经过虚拟切割器17中的喷嘴19，液滴获得加速进入浓缩气路，而气体则进入旁路气体出口被排出，从而颗粒物浓度获得十倍提升。浓缩液滴通过设定浮子流量计1控制5±0.2升/分钟的浓缩气流真空泵2干燥后被抽到高精度口鼻式暴露装置21，按照设定好的温湿度和进抽气参数进行活体暴露。经过上述流程及操作，完成了大气颗粒物的快速暴露实验。

Claims (4)

1.一种在线浓缩采集大气气溶胶并进行口鼻式暴露的系统，其特征在于，包括：浮子流量计（1）、浓缩气流真空泵（2）、主气流真空泵（3）、干燥管（4）、大流量质量流量控制器（5）、冷凝剂循环管（6）、碰撞式PM2.5切割头（7）、冷凝机（8）、水箱（9）、水箱隔温层（10）、可视窗口（11）、带有温度传感器的电加热棒（12）、温控数显装置（13）、冷凝内管（14）、冷凝外螺旋管（15）、隔温层（16）、虚拟切割器（17）、主气流出口（18）、喷嘴（19）、喷嘴接管（20）、高精度口鼻式暴露装置（21）；其中：

所述水箱（9）外套有一层隔温层（10），其前壁左上方三分之二处设有一个石英玻璃可视窗口（11）；

所述U型加热棒（12）设置于水箱（9）内部底端，U型加热棒（12）外置电源线连接于温控数显装置（13）；

水箱（9）上部开有两口，其一，用快接法兰连接旋风式PM2.5切割头和溶蚀器（7）；其二，用快接法兰连接同轴安置的冷凝内管（14）；

所述冷凝内管（14）外部紧密缠绕有软铜制螺旋管（15），螺旋管（15）外包裹一层隔温层（16），螺旋管（15）上部进口和下部出口分别用防冻软管连于冷凝机（8）的出口和进口；形成冷凝液的循环流动；

所述冷凝内管（14）上端用快接法兰与虚拟切割器（17）连接，其内部下端是与内管同轴设置的喷嘴（19），上端是与喷嘴（19）同轴设置但又一定距离间隔的喷嘴接管（20）；

所述喷嘴接管（20）出口旁边设有出气口，该出气口连接干燥管（4）后连接大流量质量流量控制器（5），再连接主气流真空泵（3），形成主气路；

喷嘴接管（20）出口上部连于浓缩气流真空泵（2），形成浓缩气路；经干燥后通入高精度口鼻式暴露装置（21）。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝内管（14）的直径为2.5厘米，长度为80厘米，冷凝液为一定浓度的乙醇。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷嘴（19）的直径为0.37±0.01厘米，喷嘴（19）与喷嘴接管（20）的间隔空隙为0.45±0.01厘米，接管（20）直径为2.5±0.1厘米。

4.一种基于权利要求1-3之一所述系统的在线浓缩采集大气气溶胶并进行口鼻式暴露的方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）原始大气通入碰撞式PM2.5切割头（7），PM2.5切割头（7）将空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的大气颗粒物筛选出来，由系统抽力进入水箱（9）；

（2）在可视窗口（11）观察下，将去离子水加至水箱（9）高度的三分之二处，并由带有温度传感器的电加热棒（12）对去离子水进行加热，通过温控数显装置（13）控制温度为35±2摄氏度；

（3）经加热产生的水蒸气使颗粒物达到饱和状态，后流经冷凝内管（14）；以循环流通冷凝液对饱和颗粒物进行冷凝长大，其中绝大部分PM2.5颗粒物的空气动力学直径可增长至3-4微米；另外，冷凝机的外部循环控温模式将温度控制在-12±1摄氏度；

（4）冷凝长大的颗粒物进入虚拟切割器（17），在喷嘴（19）处获得加速；其加速的动力来自两条气路：主气路和浓缩气路；主气路中，控制其流量为50±2升/分钟，由0-200升/分钟的大流量质量流量控制器（5）进行精确控制；浓缩气路是颗粒物通过的主要路径；浓缩气路中，控制浓缩气流量为5±0.2升/分钟，由0-10升/分钟的浮子流量计（1）进行控制；

（5）在虚拟切割器（17）内，经喷嘴（19）加速后的颗粒物由同轴设置的喷嘴上方一定间隔空隙的喷嘴接管（20）接收；在颗粒物浓度相同的情况下，气体流量变为原始气体流量的十分之一，原始大气中颗粒物的浓度随之变为原始浓度的十倍，从而达到浓缩效果；

（6）浓缩后的饱和颗粒物经过浓缩气流真空泵（2），干燥后通入高精度口鼻式暴露装置（21），对其大小鼠进行毒性暴露。

Images