СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЯДОВИТЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ Российский патент 1997 года по МПК G01N25/16 

Изобретение относится к области моделирования в медицине и биологии и может быть использовано для ускоренного определения гигиенических нормативов новых органических химических веществ по данным их термодинамических свойств.

Воздействие тех или иных веществ на живой организм тесно связано с их структурой и составом. Эти параметры веществ наиболее точно характеризуются термодинамическими свойствами, в частности удельной теплотой образования - энтальпией ΔH так как в зависимости от состава и структуры вещества, теплота его образования имеет разную величину и разный знак. Таким образом, с помощью термодинамических характеристик можно объяснить разную токсичность вещества.

В работе Е. И.Люблиной и В.А.Филова было предложено оценивать гигиенические нормативы по формулам
lg ПДК_р.з. 0,01 t_кип. 2,4 + lg М;
lg ПДК_р.з. 0,012 t_пл. 1,2 + lg М;
где t_кип. и t_пл. соответственно, температуры кипения и плавления вещества,
М молекулярная масса.

Однако такой метод не является достаточно точным, поскольку, во-первых, температуры плавления и кипения не связаны непосредственно со структурой и составом, во-вторых, молекулярная масса совершенно не отражает структуры вещества и в таком уравнении не может учитываться различие токсичности веществ, близких или однотипных по составу, но различающихся по строению. То есть, метод Е.И. Люблиной и В.А.Филова может быть признан только как приблизительно оценочным.

Сущностью предлагаемого изобретения является использование специальной номограммы и номографических формул, для определения гигиенических нормативов (ПДК) на основании данных об энтальпии образования веществ.

Необходимо отметить, что энтальпия вещества, с одной стороны, непосредственно связана с его структурой. С другой стороны, токсикологические характеристики также зависят от структурных свойств веществ. Неочевидность заявляемого способа состоит в установлении взаимосвязи между энтальпией вещества и его токсилогической характеристикой уровнем ПДК. Новизна изобретения состоит в том, что впервые установлена качественная и количественная взаимосвязь между термодинамическими и токсикологическими характеристиками. В прототипе же такая зависимость установлена только для термических свойств (температур кипения и плавления), непосредственно не связанных со структурой веществ.

Исследования выполнены на кафедре общей гигиены филиала Пермского государственного медицинского института в г. Кирове. В ходе исследования проанализировано 126 веществ из справочника "Вредные вещества в промышленности" ("Вредные вещества в промышленности", под ред. Н.В.Лазарева, Э.Н.Левиной, т. 1,2, Ленинград, "Химия", 1976). Структурная чувствительность термодинамических характеристик была доказана дополнительным анализом в гомологических рядах: спиртов, кетонов, простых и сложных эфиров, нитро- и амидных производных, моно- и диаминов жирного и ароматического ряда, а также углеводородных производных бензола, изомеров крезола, дигидроксибензола и диметилфенола. Общее число соединений в гомологических рядах составило 88. На основе сравнительных данных токсичности были выделены 4 группы веществ:
1/ особо ядовитые вещества, в которую входят амины жирного ряда с количеством углеродных атомов не более 4, вещества, в которых гидроксильная группа присоединена непосредственно к радикалу метильному, фенильному и т.д. а также вещества, содержащие группы NH₂, NO₂, Cl (одну или несколько) в качестве концевых;
2/ сильноядовитые вещества, в которую входят амиды, кетоны, спирты, нафталинпроизводные, а также сложные эфиры, амины и спирты с большими радикалами и вещества, у которых кислотная, альдегидная, органическая полярная (акриловая или подобная) группа присоединена непосредственно к метильному, фенильному или иному подобному радикалу;
3/ среднеядовитые вещества бензол, толуол, кислоты с большими радикалами, производные этиленгликоля, метакриловой кислоты и т.п;
4/ малоядовитые вещества антрацены и его производные, органические диоксиды, высшие спирты, фреоны, а также галогенпроизводные себациновой и других тяжелых кислот.

Для каждой группы веществ на основании исследований были построены номограммы, описываемые формулами вида (см. чертеж)
ПДК_р.з.= a(ΔH)²+ в(ΔH) + c.
где коэффициент c представляет собой поправку на влияние неструктурных факторов.

Формы номограмм и величины коэффициентов получены в результате обработки данных на ЭВМ методом наименьших квадратов.

Для определения ПДК нового вещества
определяют ΔH вещества, исходя из справочных данных, или экспериментальным путем;
определяют к какой классификационной группе относится данное вещество, подставляя значение ΔH в формулу для данной классификационной группы, и определяют ПДК_р.з.
Новизна заявленного способа состоит в том, что впервые использована универсальная номограмма, непосредственно связывающая ПДК_р.з. вещества с энтальпией его образования.

Заявляемый способ по сравнению с прототипом для всех групп веществ обладает большей структурной чувствительностью и вследствие этого большей точностью получаемых результатов. Ошибка расчета составляет не более 5% в то время как по прототипу может достигать для веществ со сложной структурой 20
100% и более (пример 2).

С учетом высокой структурной чувствительности заявляемый способ обладает большей простотой и экспрессностью, так как позволяет проводить определение ПДК непосредственно по данным энтальпии, в то время как для достижения необходимой точности результатов по прототипу необходимо использование целой системы поправок для разных групп веществ и разной степени их химической чистоты; эти поправки не определены для большой группы сложных органических веществ, применяемых в производстве. В отличие от прототипа заявляемый способ открывает возможность быстрой токсикологической оценки любого нового, неизвестного ранее на производстве вещества (при изменении технологии или вида выпускаемой продукции) и проведения мероприятий для предотвращения профессиональных заболеваний. С использованием заявляемого способа открывается перспектива экспертной оценки санитарно-гигиенических условий на производстве с последующей выдачей необходимых рекомендаций.

Заявляемый способ апробирован для оценки реальной санитарной ситуации на крупных предприятиях электронной, электротехнической промышленности (Пермский завод аппаратуры дальней связи, Пермский телефонный завод, Пермское агрегатно-конструкторское бюро, Пермское и Кировское машиностроительные объединения). Положительные апробации делают возможным широкое использование разработанного способа гигиенического нормирования веществ во всех отраслях промышленности при производстве и применении чистых химических соединений и новых прогрессивных композиционных материалов.

Заявляемый способ может быть применен для экспресс-определения ориентировочных безопасных уровней воздействия веществ, а также для моделирования реальных производственных условий с целью оценки действующих факторов производственной среды.

Пример 1. N,N-диэтиламид моно-н-бутил фталевой кислоты (ДЭБФК) относится к группе 3 среднеядовитые вещества.

ΔH -131,9 ккал/моль, t_пл. 10,2^oC t_кип. 286^oC, М=277.

По номографической формуле N 3
ПДК_р.з. 1,04•10^-4(-131,9)² + 8,3743•10^-3•(-131,9) + 10,7934 11,49 мг/м³.

По формулам прототипа
lg ПДК (t_кип.) -0,01 286 2,4 + lg(277) -2,82
ПДК (t_кип.) 15,2 мг/м³.

lg ПДК (t_пл.) -0,012 10,2 1,2 + lg(277) -1,120
ПДК (t_пл.) 13,182 мг/м³.

для сравнения ОБУВ, принятый для данного вещества, составляет 11,5 мг/м³. Ошибка результатов при применении разработанного способа минимальна (0,08%), при использовании прототипа достигает 32%
Таким образом, предлагаемый метод обеспечивает лучшую сходимость расчетных и экспериментальных данных по сравнению с прототипом для сложных веществ с разветвленной структурой и большой молекулярной массой и может быть применен для определения ПДК_р.з. таких веществ.

Пример 2. Фенол. Относится к группе 1 особо ядовитые вещества, ΔH -17,4; t_пл. 41^o; t_кип. 182^oC М 94.

По номографической формуле
ПДК_р.з. 8,4775•10^-6(-17,4)² - 2,734•10^-3•(-17,4) + 0,2499 0,301 мг/м³.

По формулам прототипа соответственно
ПДК(t_кип.) 0,567 мг/м³, ПДК(t_пл.) 1,910 мг/м³.

Для сравнения нормативные данные ПДК 0,3 мг/м₃.

Как видно, расхождение данных при использовании разработанного способа отсутствует, при применении прототипа отличие результатов превышает 6,3 раза.

Предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с прототипом лучшую сходимость расчетных данных и экспериментальных результатов обоснования ПДК_р.з., наиболее точно указывает токсичность химических веществ.

Существом настоящего изобретения, относящегося к области моделирования в медицине и биологии, является способ определения гигиенических нормативов (ПДК) органических химических веществ в воздухе рабочей зоны. Это достигается использованием специально разработанной номограммы и номографических формул, описывающих зависимость ПДК веществ в воздухе рабочей зоны от энтальпии (удельной теплоты образования). Метод разработан и испытан на кафедре общей гигиены филиала Пермского государственного медицинского института в г. Кирове и признана пригодным для экспресс-определения ПДК новых химических веществ, а также при лабораторном моделировании воздействий промышленных вредностей с целью оценки их опасности для здоровья работающих на производстве. По сравнению с прототипом обладает большей точностью и структурной чувствительностью, что открывает возможность проведения мероприятий по профилактике профессиональных заболеваний. 1 ил.

Способ определения уровня ядовитых веществ в воздухе рабочей зоны путем учета их термодинамических свойств, отличающийся тем, что определяют уровень энтальпии веществ в воздухе рабочей зоны, исследуют зависимость энтальпии от ПДК ядовитых веществ, строят номограммы этой зависимости и по номограммам определяют допустимый уровень загрязненности воздуха рабочей зоны ядовитыми веществами.