АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА И ОТБОРА ПРОБ БИОФИЗИЧЕСКИХ АЭРОЗОЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к способу и устройству отбора проб, определения концентрации, дисперсного, минералогического, химического, микробиологического состава и исследования свойств биофизических аэрозолей, которые могут найти применения в области охраны окружающей среды, а также при санитарно-гигиенических исследованиях воздуха на предприятиях медицинской, пищевой, атомной, микробиологической, а также в других отраслях промышленности при контроле загрязненности атмосферного воздуха аэрозольными технологическими выбросами промышленных предприятий.

Анализ загрязнения воздуха биофизическими аэрозолями имеет особенности, обусловленные широким диапазоном размеров и состава взвешенных биологических и химических примесей, содержащихся в воздухе. Эти вещества, находящиеся в разной фазе, как твердой, так и жидкой, различные по происхождению и по свойствам.

Атмосферная пыль отличается большим разнообразием частиц, наиболее опасной из которых для здоровья и жизни человека является субмикронная пыль с размерами частиц менее 10 мкм.

Известны различные способы анализа аэрозолей и исследования параметров биофизических аэрозолей.

Одним из них является весовой (гравиметрический) метод анализа аэрозолей, который позволяет по привесу фильтра в процессе отбора пробы воздуха и измерению отобранного объема воздуха определить массовую концентрацию отобранных на фильтр частиц аэрозоля ГОСТ 17.2.4.05-83. Охрана природы. М., Стандарты, 1984.

Другим - оптический гранулометрический метод анализа, который основан на использовании телевизионного микроскопа, сопряженного персональным компьютером, и позволяет определять дисперсный состав и анализировать морфологические особенности отдельных частиц в реальном времени (Зворыкин В.К. и др. Телевидение, М., Мир, 1956).

Электронно-микроскопический или рентгено-спектральный анализ, основанный на использовании электронного микроскопа и рентгеновского микроанализатора, который обеспечивает проведение качественного и количественного анализа химического состава осажденных на подложку частиц (Методы минералогических исследований под ред. А.И.Гинзбурга, М., 1985, с.479).

Кроме того, известен микробиологический анализ, основанный на осаждении микробных частиц из воздуха на чашку Петри с питательными средами и визуальном определении количества колоний, образованных на среде. Метод позволяет оценивать концентрацию микроорганизмов в воздухе по подращиваемым пробам микрофлоры (Инструкция по бактериологическому контролю комплекса санитарно-гигиенических мероприятий в лечебно-профилактических учреждениях, 1978).

Все перечисленные методы имеют свои достоинства и недостатки при анализе свойств биофизического аэрозоля. Недостаток, являющийся общим для каждого в отдельности, состоит в том, что из методов позволяет оценивать и определять лишь отдельные параметры и свойства аэрозоля, не давая комплексной оценки всех свойств и параметров исследуемых аэрозолей.

В частности, известный прибор для отбора проб биологических аэрозолей типа Кротова Ю.А. (Гапочко К.Г. "Средства и методы изучения микробных аэрозолей" стр. 42, 1986 г. Ленинград, "Медицина"), содержащий аспиратор, ротаметр, ипактирующую клиновидную щель и чашку Петри, не может использовать разные улавливающие поверхности питательных сред и не может быть использован при выявлении мелкодисперсного биоаэрозоля. Кроме того, этот прибор не может быть использован для анализа физических аэрозолей.

Известно также устройство для отбора проб аэрозоля (патент 1402830), которое позволяет осуществлять отбор проб только на фильтрующие элементы, что не позволяет определять и анализировать различные фракции (в т.ч. и респирабельную) аэрозоля.

Известно устройство четырехкаскадного импактора Мэя, в котором в качестве подложек используются плоские стеклянные пластины, которые не позволяют осуществлять эффективный микробиологический анализ из-за стекания питательной среды с поверхности плоских стеклянных подложек.

Цель изобретения - расширение возможностей анализа и повышение оперативности исследования свойств аэрозолей различного происхождения за счет применения пробоотборного, в частности, импактора с подложками, конструкция которых обеспечивает возможность параллельного использования достоинств различных методов анализа: весового, микробиологического гранулометрического (на основе телевизионного микроскопа), электронно-зондового или рентгеноспектрального локального анализа (на основе электронного микроскопа).

На фиг.1 представлена блок-схема аналитической системы комплекса анализа и отбора проб по определению дисперсного состава и исследования свойств биофизических аэрозолей.

На фиг.2 - общий вид прооотборного устройства.

На фиг.3 - вид пробоотборного устройства сбоку.

На фиг.4 - сечения А-А и Б-Б.

На фиг.5 - подложка с крышкой в сборе.

На фиг.6 - подложка прозрачная.

На фиг.7 - кассета в сборе с подложками..

На фиг.8 - импактор в разобранном виде.

На фиг.9 - импактор в собранном виде.

На фиг.10 - состав гранулометрического измерительного устройства ГИУ-IM.

На фиг.11 - оптическая схема ГИУ-IM.

В состав блок-схемы аналитического комплекса (фиг.1) входят: пробоотборник 1, электронные аналитические весы 2, портативная микробиологическая лаборатория 3, автоматизированное гранулометрическое устройство типа ГИУ-IM (на базе универсального биологического микроскопа БИОЛАМ И с персональным компьютером) 4, устройство, реализующее электронно-зондовый метод анализа (электронный микроскоп с рентгеновским микроанализатором) 5 и электронный микроскоп с возможностями комплексного электронного информатора 6 определять отдельные частицы. Полученные данные могут храниться на бумажных и магнитных носителях, что позволяет создать базу данных по формам, размерам и токсичности различных типов.

Пробоотборник 1 является связующим звеном всех последующих методик анализов проб биофизической аэрозоли для получения полной картины загрязненности воздуха.

Комплекс содержит пробоотборник 1 по патенту N 1402830 (фиг. 1 и 2), который имеет всасывающие каналы 1.2, к которому при помощи переходника 1.3 и поворотного держателя 1.4 подсоединяют многоступенчатый импактор 1.5, размещают аэродинамический сменный наконечник 1.6, а в гнездо 1.7 всасывающего канала устанавливают фильтрующий элемент 1.8. В один из импакторов 1.5 под соплом 1.9 (фиг. 4) устанавливается малогабаритная подложка 1.10а, имеющая углубление 1.11, в которое заливают питательную среду 1.12 типа агар-агара, и закрывается заглушкой 1.13. При транспортировке подложку 1.10а закрывают прозрачной крышкой 1.15а (фиг.5) и укладывают в кассету 1.16 (фиг.7).

Для анализа осажденного биологического аэрозоля на подложке 1.10а используется портативная микробиологическая лаборатория 3 (фиг.1). При этом реализуется микробиологический метод анализа (на основе термостатирования микробных частиц, отобранных на подложки с питательной средой), который позволяет определить качественный и количественный состав микробных частиц, отобранных на подложке 1.10а ипактора 1.5 после подращивания в термостате. Фильтрующий элемент 1.8 (фиг.2) при весовом методе, используя электронные аналитические весы 2 (фиг.1), позволяет оценить массу отобранной пробы по измерениям веса фильтрующего элемента до и после отбора.

В другом импакторе 1.14 (фиг.3) под соплом 1.9 (фиг.4) устанавливается прозрачная подложка 1.15б (например, предметное стекло) для осаждения частиц физических аэрозолей с последующей реализацией гранулометрического метода анализа 4 (телевизионный микроскоп + персональный компьютер ПК). При помощи персонального компьютера определяется дисперсный состав, осуществляется количественный и качественный анализ морфологических особенностей отдельных частиц в отобранных пробах.

Результатом измерений являются:
- гистограмма распределения частиц по размерам и в объемных (весовых) долях;
- гистограмма распределения частиц по параметрам формы (вытянутости частицы, гладкости и т.п.);
- определение процента распиртабельной фракции (частицы с размерами до 10 мкм) по числу частиц и в объемных (весовых) долях.

Расчеты параметров отдельных микрочастиц осуществляются по результатам измерений площадей проекционных изображений проб биофизических аэрозолей и выполняются в режиме реального времени.

Гранулометрическое измерительное устройство ГИУ-IM 4(фиг.1) представляет собой телевизионный микроскоп, позволяющий определять гранулометрический состав и морфологические особенности отдельных частиц мелкодисперсных веществ, в частности биофизических аэрозолей.

ГИУ-IM базируется на биологическом микроскопе БИОЛАМ И и предназначен для наблюдения, телевизионной регистрации и компьютерной обработки изображений исследуемых объектов в проходящем и отраженном свете в светлом и темном поле.

В состав ГИУ-IM (фиг.10) входят: два блока питания типа "Гранат" 4.1, микроскоп БИОЛАМ И 4.2, телевизионная приставка 4.3, блок питания ТУ камеры, встроенный в корпус видеоконтрольного устройства 4.4, видеоконтрольное устройство 4.5, плита видеоадаптера 4.6, специальное программное обеспечение 4.7, ПЭВМ 4.8 и лазерный принтер 4.9.

Кроме того, ГИУ-IM комплектуется необходимым набором объективов, окуляров, светофильтров, соединительных проводов и прочих принадлежностей.

Оптическая система микроскопа БИОЛАМ И представлена на (фиг.11) и обеспечивает биокулярное наблюдение и телевизионную регистрацию изображений исследуемых объектов при всех указанных методах микроскопирования, кроме того, она снабжена волоконно-оптическим осветителем бокового освещения предметной плоскости для определения гранулометрического состава и удельной плотности частиц на фильтре пробы.

При исследовании объектов на прозрачной подложке 1.15б в проходящем свете источником света является лампа накаливания КГМ9-70. Источник света 4.10 коллектором 4.11, системой зеркал 4.12, 4.13, 4.14, панкратической системой 4.15 и линзой 4.16 проецируется в плоскость апертурной диафрагмы конденсора КОН-IK 4.17, затем конденсором и объективом 4.18 проецируется в плоскость выходного зрачка объектива. Полевая диафрагма 4.19 зеркалом 4.14 и конденсором 4.17 проецируется в плоскость предмета 4.19.

При исследовании биологических объектов 1.10а в осветительную систему микроскопа могут быть введены сменные светофильтры 4.20, устанавливаемые в оправу конденсора 4.17.

Для освещения больших полей (при работе с объективами 2,5х и 10х) предназначены конденсор A=0,22 4.21 и матовое стекло 4.22.

Оптическая система микроскопа для работы в проходящем свете рассчитана на длину тубуса 160 мм.

При исследовании объектов в отраженном свете источником света также является лампа накаливания КГМ-9-70. В этом случае источник света 4.23 коллектором 4.24, линзой 4.25, светоделительной пластиной (СП) 4.26 проецируется в плоскость выходного зрачка этого объекта 4.27. Полевая диафрагма 4.28 линзой 4.25, светоделительной пластиной 4.26 и эпиобъектом 4.27 проецируется в плоскость предмета 4.19. Свет, отраженный от объекта, проходит через объектив 4.27 светоделительную пластину 4.26 и проецируется в фокальную плоскость окуляра и бинокулярной насадки 4.29, совмещенной с телевизионной приставкой, построенной на базе МФН-11.

Для повышения контраста наблюдаемого объекта могут применяться сменные светофильтры 4.30, устанавливаемые в осветительную систему после коллектора 4.24.

Для работы в темном поле в ход лучей включается кольцевая диафрагма и зеркало, представляющее собой отражатель темного поля (ТП) 4.31. В этом случае лучи от источника света 4.23 проходят через линзу 4.25 широким пучком. Затем центральная часть пучка срезается диафрагмой, а краевые лучи пучка направляются кольцевым зеркалом в зеркальный конденсор эпиобъекта 4.27 и далее на объект.

Числовые апертуры объектива и зеркального конденсора рассчитаны так, что в объектив проходят лишь рассеянные (диффузно отраженные) от объекта лучи, чем достигается светлое изображение объекта на фоне темного поля зрения.

Оптическая система микроскопа для работы в отраженном свете рассчитана на длину тубуса 190 мм. Изменение длины тубуса осуществляется механически с помощью переходной втулки.

Для определения химического (минералогического) состава пробы на прозрачной подложке 1.15б (фиг.6) используется электронно-зондовый или рентгеноспектральный метод анализа 5 (фиг.1) (на основе электронного микроскопа с рентгеновским микроанализатором). Данный способ анализа позволяет изучать химический состав и строение частиц аэрозоля осаждением на подложке. Он позволяет также проводить качественный и количественный анализ химического состава осажденных частиц физического аэрозоля на элементы от бора (z=4) до урана (z=92) с объемной локальностью в несколько кубических микрон. Абсолютная чувствительность способа (наименьшее количество вещества, которое можно обнаружить) составляет 10^-8 : 10^-15 г. Все сведения о полученных от каждого способа анализа отобранной пробы биофизического аэрозоля поступают в электронный информатор 6 (фиг.1), который выдает данные о всех загрязняющих веществах, находящихся в воздухе и сравнивает с допустимыми концентрациями ПДК вещества в воздухе.

В состав пробоотборного устройства 1 входит также кассета 1.16 (фиг.7), в карман 1.17 (фиг. 7) которой закладывают подложки 1.10а с питательной средой 1.12, прозрачной крышкой 1.15а, а также размещают в такой же вид кассеты подложки 1.15б, закрытые крышкой 1.10б с помощью фиксирующей оси 1.18.

Аналитическая система комплексного анализа с пробоотборным устройством работает следующим образом:
В месте контроля загрязнения воздуха на пробоотборниках 1 устанавливают по мере необходимости определенное количество импакторов 1.5, через переходник 1.3, ориентируя с помощью поворотного держателя 1.4 аэродинамический наконечник 1.6 в направлении потока аэрозоля. Для большей достоверности анализа устанавливают не менее 3-х импакторов. Аэродинамический наконечник 1.6 (его диаметр входа) выбирается в зависимости от скорости воздушного потока в месте отбора проб аэрозоля, тем самым достигается изокинетичность отбора пробы. В гнезда 1.7 устанавливают фильтрующие элементы 1.8 для весового метода анализа. Перед отбором биологического аэрозоля предварительно проводят стерилизацию подложки 1.10а с крышкой 1.15а (фиг.5) в кассете 1.16, после этого заливают подложку 1.10а необходимой питательной средой, закрывают крышкой 1.15 и вставляют в гнездо 1.17 кассеты. Далее кассету 1.16 доставляют на место отбора проб. Подобную кассету 1.16 для физического аэрозоля снабжают подложкой 1.15б, перед и после отбора аэрозоля закрывают крышкой 1.10б (фиг.6). При определении биологического аэрозоля под сопло 1.9 импактора 1.5 (фиг. 4) вставляются малогабаритная подложка 1.10а с необходимой питательной средой, а крышку 1.15а убирают в кассету 1.16.

Для определения физического аэрозоля во второй импактор 1.14 (фиг.3) вставляют под сопло 1.9 прозрачную подложку 1.15б, а крышку 1.10б без питательной среды убирают в кассету 1.16.

Затем на месте определения загрязнения воздуха включают пробоотборник 1 и производят отбор проб биофизического аэрозоля на питательную среду 1.12 подложки 1.10а, а физического аэрозоля на прозрачную подложку 1.15б и фильтрующий элемент 1.8. Засасывание аэрозоля и инерционное осаждение частиц происходит за счет разряжения создаваемой воздуходувкой пробоотборника.

Подложки 1.10а и 1.15б с отобранными пробами вынимают из импакторов 1.5 и закрывают соответственно крышками 1.15а и 1.10б.

Далее кассету 1.16 с подложками 1.10а с закрытыми крышками 1.15а с пробой помещают в термостат и проводят подращивание микрофлоры на питательной среде. После подращивания проводят определения количественного и качественного состава биологического загрязнения в пробе по соответствующим методикам.

Подложки 1.15б с отобранной пробой физического аэрозоля закрываются крышкой 1.10б и доставляются в кассете 1.16 для изучения дисперсного и химического состава физических аэрозолей оптическим и электронно-зондовым методом.

Аэрозольные фильтры 1.8 взвешиваются на электронных аналитических весах 2 до и после отбора пробы воздуха. По привесу, отнесенному к объему отобранного воздуха, находят концентрацию частиц биофизического аэрозоля в воздушной среде, причем фильтр после весового анализа и определения объемной концентрации частиц аэрозоля, плоские подложки с пробами передают на исследование под телевизионный микроскоп 4 для определения уточненного гранулометрического состава и морфологических особенностей отдельных частиц в пробе, а при обнаружении специфических отдельных частиц в пробе или при необходимости определения минералогического и химического состава частиц в пробе плоские подложки передают на электронно-зондовое исследование, причем подложки с углублением и питательной средой после микробиологического анализа передают на телевизионный микроскоп 4 для определения механических примесей.

Все полученные данные о состоянии воздушного пространства поступают в электронный информатор 6 комплексного анализа для принятия соответствующих мер по охране окружающей среды.

Указанные особенности пробоотборного устройства повышают быстродействие, комплексность и достоверность результатов анализа свойств частиц биофизического аэрозоля, осажденных на различные подложки: с углублением для заливки питательной среды, закрываемые крышками из материала, прозрачного для светового и электронного потоков, и плоскими, могущими выполнять роль непосредственно как подложек, так и роль крышек.

Предлагаемая аналитическая система комплексного анализа и отбора проб биофизических аэрозолей значительно повысит изучение природы минералогических, физических, а также бактериальных и вирусных аэрозолей, тем самым позволит быстро устранить источники загрязнения воздушного пространства, а это сохранит здоровье нации.

Аналитическая система комплексного анализа и отбора проб биофизических аэрозолей содержит электронный микроскоп, телевизионный микроскоп, выполненный на базе биологического микроскопа с волоконно-оптическим осветителем бокового освещения больших полей предметной плоскости для определения гранулометрического состава и удельной плотности частиц в отобранной пробе. Аналитическая система имеет электронные весы и многоканальный пробоотборник с всасывающими каналами. Последние соединены с разновидными улавливающими элементами с подложками для отбора проб, фильтром, питательными средами, термостойкой кассетой для подложек, импакторами и наконечниками для изокинетического отбора. Наконечники имеют поворотные переходники и установлены на импакторах. Подложки для микробиологического анализа выполнены с углублениями и с плоскими крышками, прозрачными для светового и электронного потоков зондирующего излучения. Питательная среда помещена в углублениях. Подложки для осаждения физико-химических аэрозолей выполнены в виде крышек, аналогичных крышкам подложек для микробиологического анализа. Способ позволяет осуществить комплексный анализ и отбор проб биофизических аэрозолей. Изобретение повышает изучение природы минералогических, физических, бактериальных и вирусных аэрозолей, позволяет принимать меры по охране окружающей среды. 2 с.п. ф-лы, 11 ил.

1. Аналитическая система комплексного анализа и отбора проб биофизических аэрозолей, содержащая биологический микроскоп, отличающаяся тем, что система снабжена электронным и телевизионным микроскопами, последний выполнен на базе биологического микроскопа с волоконно-оптическим осветителем бокового освещения больших полей предметной плоскости для определения гранулометрического состава и удельной плотности частиц в отобранной пробе, электронными весами и многоканальным пробоотборником с всасывающими каналами, соединенными с разновидными улавливающими элементами с подложками для отбора проб, фильтром, питательными средами, термостойкой кассетой для подложек, импакторами и наконечниками для изокинетического отбора, снабженными поворотными переходниками и установленными на импакторах, причем подложки для микробиологического анализа выполнены с углублениями и с плоскими крышками, прозрачными для светового и электронного потоков зондирующего излучения, а питательная среда помещена в углублениях, причем подложки для осаждения физико-химических аэрозолей выполнены в виде крышек, аналогичных крышкам подложек для микробиологического анализа. 2. Способ комплексного анализа и отбора проб биофизических аэрозолей, при котором осуществляют микробиологический анализ частиц биофизического аэрозоля, отобранного посредством пробоотборника, отличающийся тем, что используют многоканальный пробоотборник с всасывающими каналами, соединенными с разновидными улавливающими элементами с подложками для осаждения физико-химических аэрозолей в виде крышек, фильтр, телевизионный микроскоп, электронный информатор и единую базу данных компьютерной сети, причем фильтр после весового анализа и определения объемной концентрации частиц аэрозоля, плоские подложки с пробами передают на исследование на телевизионный микроскоп для определения уточненного гранулометрического состава и морфологических особенностей отдельных частиц или при необходимости определения минералогического и химического состава частиц в пробе плоские подложки передают на электронно-зондовое исследование, причем подложки с углублением и питательной средой после микробиологического анализа передают на телевизионный микроскоп для определения механических примесей, результаты комплексного исследования отобранных проб о характере загрязнений воздушной среды и свойствах биофизического аэрозоля в контролируемых зонах и объектах передают в единую базу данных и затем - в электронный информатор.