Способ отбора проб зараженного воздуха для определения концентрации веществ при исследовании ингаляционной токсичности Российский патент 2020 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к областям получения образцов для исследования в газообразном состоянии и сосудов, специально предназначенных для медицинских целей, с приспособлением для удержания образцов содержимого. Оно может быть использовано в области медико-биологических исследований, а именно - в ингаляционной токсикологии при оценке концентрации веществ в ингаляционных камерах.

Известны различные способы отбора воздуха для анализа. Отбор проб воздуха для определения концентрации веществ может осуществляться с использованием аспираторов, вакуумированных контейнеров из твердых материалов, газовых шприцев и пипеток [chem21.info/info/1741649]. Воздух для анализа засасывается через зонд, затем воздух пропускается через фильтр, улавливающий оцениваемое вещество, или через импактор, фракционно улавливающий на каскадах частицы аэрозоля различной дисперсности. Затем аналитически определяется количество захваченного вещества и рассчитывается его удельное количество на единицу отобранного воздуха.

При исследовании ингаляционной токсичности в воздушной среде создают малые концентрации веществ (доли мг/л), поэтому для достоверного анализа необходимы литры, а не миллилитры воздуха. Как правило, в токсикологических исследованиях воздух прокачивают аспираторами через сухие и жидкие сорбирующие элементы [ГОСТ Р ИСО 16200-1-2007 Воздух замкнутых помещений. Ч. 1. Отбор проб. Общие положения].

При исследовании ингаляционной токсичности веществ подход к отбору проб воздуха является единым - отбор заданного объема воздуха производят путем просасывания через зонд, находящийся в оцениваемой воздушной среде. Такой подход имеет недостатки:

- при отборе воздуха из ингаляционной камеры в ней происходит понижение давления. Факт понижения давления в камере не требует доказательств. Очевидно, что если из замкнутого пространства откачивают воздух, то в нем создается разрежение и происходит понижение давления¹ (¹ При измерении U-образным водным манометром, через 3 мин аспирации воздуха из 200 л камеры с объемной скоростью 5 л/мин внутреннее давление падает на 2 мм вод.ст.). Также очевидно, что в условиях неполной герметичности (наличии микротрещин) при понижении внутреннего давления в ингаляционную камеру подсасывается воздух снаружи, разбавляющий концентрацию во время пробоотбора;

- при отборе воздуха перед соплом образуется область разрежения, которая зависит от объемной скорости пробоотбора и диаметра сопла зонда. С увеличением объемной скорости аспирации область разрежения увеличивается. На границе перехода области разрежения в область нормального атмосферного давления создаются условия избирательного захвата частиц аэрозоля меньшего размера;

- погрешность аспирации нескольких литров воздуха имеет существенную величину и зависит от множества факторов. Например, при отборе 5 л в течение 1 мин с объемной скоростью 5 л/мин с помощью секундомера и аспиратора усредненная погрешность составляет более 15%² (² Ошибка выставления скорости воздушного потока по ротаметру в одно деление составляет 2%. Ошибка определения времени в 1 с по секундомеру составляет 1,7%. Ошибка скорости воздушного потока у аспираторов марок ОП-280-ТЦ-С и А-822 при отборе через фильтр составляет до 10% (аттестация приборов по электронному ротаметру MV-104). Допустимое по госту Р ИСО 16000-3-2007 снижение поплавка в конце отбора по сравнению с началом на 15% увеличивает ошибку отбираемого объема до 7,5%. Средняя ошибка рассчитана по [ГОСТ 8.736-2011 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения].) [Мокшанов И.В., Леготин И.В., Леготина М.А. Оценка погрешностей определения ингаляционной дозы веществ / Сборник XLVII ВНК «Актуал. вопр. теории и практики ВРХБЗ. Соверш. методологии токе, исслед. Секция №3». Вольск-18: 33 ЦНИИИ, 2017. - С. 47-55. - инв. №6765 б/пл];

- отсутствие изокинетических условий³ (³Изокинетическим потоком называется набегающий поток воздуха, равный по линейной скорости потоку воздуха на срезе сопла средства пробоотбора. Изокинетичность потока позволяет сохранить его ламинарность.) при аспирации воздуха из общего объема ведет к нарушению ламинарности движения воздушных масс и дифференцированному захвату частиц аэрозоля различного размера из общей массы воздуха, что влияет на величину определяемой концентрации веществ в воздухе (при различной объемной скорости аспирации), а также искажает процентное содержание фракций аэрозоля различной дисперсности [Ахаронсон Е.Ф. Загрязнение воздуха и легкие: [пер. с англ.] / Ф.А. Ахаронсон, А. Бен-Давид, М. Кинберг. - М.: Атомиздат, 1980. - 180 с; Грин X., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы, туманы: [пер. с англ.] / Х. Грин, В. Лейн. Л.: Химия, 1972. - 428 с.].

Существующие способы аспирации воздуха позволяют определять истинную концентрацию веществ в воздушной среде только с привлечением сложного математического аппарата, предполагающего учет коэффициентов аспирации для частиц аэрозоля различного размера [Медников Е.П. Двухкритериальная теория аспирации аэрозоля / Коллоидный журнал. Т. №51. - №5. - 1989. - С. 899-910; Ванюшина М.В., Галеев Р.С., Зарипов Ш.Х., Скворцов Э.В. Аспирация аэрозоля в цилиндрический пробоотборник из низкоскоростного нисходящего потока и из неподвижной среды / Прикл. мех. и тех. физ. - Т. 46. - №2. - 2005. - С. 122-129; Гильфанов А.К., Зарипов Ш.Х. Математические модели аспирации аэрозолей в тонкостенные пробоотборники. Казань: Казан. универ., 2012. - 120 с.].

Необходимо отметить, что ингаляционные камеры различаются по типу затравки на статические и динамические. Они принципиально отличаются условиями, создающимися при отборе проб воздуха путем аспирации, поэтому необходимо рассмотреть их отдельно друг от друга.

Статические камеры представляют собой замкнутые емкости. В них отсутствует принципиально обусловленная смена воздуха [Методы определения токсичности и опасности химических веществ (токсикометрия) / под ред. И.В. Саноцкого. - М.: Медицина, 1970. - 318 с.].

Для проверки влияния объемной скорости пробоотбора на величину определяемой концентрации вещества в воздухе ингаляционной камеры статического типа малого объема провели серию экспериментов.

Условия проведения экспериментов по «заражению» воздуха и определению в нем концентраций химического агента:

- статическая ингаляционная камера объемом 500 л;

- в качестве химического агента для «заражения» воздуха использовали дибутилфталат (ДБФ);

- для создания аэрозоля использовали генератор компрессионного типа «Pari-Master», имеющий производительность по диспергированию ДБФ - 0,25 мл/мин;

- распыл ДБФ осуществляли в течение 2 мин (до создания видимого тумана);

- в ходе распыла ДБФ и в течение 1 мин после окончания распыла, воздух в ингаляционной камере принудительно перемешивали внутренним вентилятором - для выравнивания концентрации химического агента по объему камеры. Затем перемешивающее устройство отключали для успокоения внутренних потоков воздуха;

- пробоотбор воздуха производили после успокоения потоков (не менее, чем через 2 мин);

- отбор проб воздуха осуществляли аспиратором ОП-442ТЦ, позволяющим отбирать воздух с различной объемной скоростью;

- пробоотбор воздуха проводили при объемных скоростях: 2, 3, 5, 7 и 10 л/мин, при одинаковом отбираемом объеме - 5 л;

- в связи с тем, что при различной объемной скорости пробоотбора воздуха длительность аспирации 5 л является различной, время начала аспирации изменяли таким образом, чтобы середина временного интервала пробоотбора приходилась на одну и ту же временную точку после распыла - 6,25 мин (такой подход нивелировал естественную седиментацию частиц аэрозоля и падение концентрации вещества в ингаляционной камере во времени).

Данные определения концентраций химического агента, в соответствии с описанными выше условиями, представлены в таблице 1.

По представленным в таблице 1 данным можно сделать вывод о зависимости определяемой концентрации химического агента от объемной скорости отбора проб воздуха: концентрация изменяется пропорционально объемной скорости аспирации.

Это хорошо видно на графике (фиг. 1).

По данным таблицы 1 построили регрессионное уравнение

где С - концентрация химического агента в пробах воздуха, мг/л;

ν_асп. - объемная скорость аспирации, л/мин.

Статистические показатели уравнения являются высоко значимыми: R²=0,96; F_факт.=65,6 при F_крит.=10,1.

Несмотря на это очевидно, что концентрация вещества в камере не должна причинно обусловливаться скоростью аспирации воздуха. Истинная концентрация вещества в воздухе зависит от: удельного количества распыленного вещества, времени после распыла вещества, седиментационных свойств вещества, условий среды, но не от параметров отбора проб. Значимая связь между концентрацией химического агента и объемной скоростью аспирации проб воздуха свидетельствует о влиянии неучитываемых факторов (подсасывания воздуха в ингаляционную систему и избирательного захвата частиц аэрозоля). Следовательно, существующий способ отбора проб воздуха, осуществляемый из общего объема путем аспирации, принципиально не позволяет получать данные для определения истинной концентрации веществ в статической ингаляционной камере без учета коэффициентов аспирации для частиц аэрозоля различного размера.

Рассмотрим влияние условий отбора проб воздуха на определяемую величину концентрации веществ в динамических камерах.

Динамические ингаляционные камеры представляют собой незамкнутые емкости сравнительно небольшого размера (около 2 л для малых животных, и около 10 л для средних животных). В камерах этого типа смена воздуха обусловлена системным подходом к поддержанию параметров воздушной смеси на одном уровне [Методы определения токсичности и опасности химических веществ (токсикометрия) / под ред. И.В. Саноцкого. М.: Медицина, 1970. - 318 с.; Ингаляционная камера для затравки животных / Скибенко В.В., Зельцер П.Л., Колокольцев И.Я., Скоб М.Я. - 1981. - а.с. СССР №990157; Ингаляционное оборудование TSE: Система "head-nose-only" [электронный ресурс] www.tse-system.com/products/inha-lation/index.html; Многоцелевая ингаляционная система MIC [электронный ресурс] inlabtech.ru/news/?ELEMENT_ID=445]. Зараженный воздух проходит через динамическую ингаляционную камеру транзитом, после чего поступает в систему очистки воздуха. Малые лабораторные животные (крысы) в специальных садках (рестрейнерах) подключаются к ингаляционной камере при помощи коннекторов; более крупные животные (собаки) подключаются к ингаляционной камере при помощи ингаляционных масок. Предполагается, что во всех участках системы (ингаляционная камера, часть рестрейнера или маски, находящаяся рядом с дыхательными путями животных) концентрация веществ одинаковая. Однако при аспирации воздуха из емкости малого объема происходит перепад давления в системе, поэтому определяемая величина концентрации вещества колеблется в зависимости от места и объемной скорости отбора проб воздуха.

Провели серию экспериментов по измерению величины концентрации химического агента в различных местах динамической ингаляционной камеры при различных объемных скоростях аспирации. Условия проведения экспериментов:

- динамическая ингаляционная система с объемной скоростью транзитного потока зараженного воздуха 15 л/мин;

- 10% раствор химического агента в водно-спиртовой смеси 1:1;

- для создания аэрозоля использовали ультразвуковой генератор аэрозоля «Вулкан-3»⁴ (⁴ Включить в ингаляционную систему компрессионный генератор аэрозоля "Pari-Master" технически невозможно, поэтому использовали ультразвуковой генератор аэрозоля «Вулкан-3».) с производительностью по раствору 4 мл/мин;

- отбор проб воздуха осуществляли аспиратором ОП-442ТЦ, позволяющим отбирать воздух с различной объемной скоростью.

Данные экспериментов представлены в таблице 2.

По представленным в таблице 2 данным можно сделать выводы о том, что величина определяемой концентрации вещества зависит от ряда факторов (объемная скорость аспирации, место отбора проб воздуха, длительность аспирации). Хотя, как уже говорилось выше, от факторов пробоотбора воздуха концентрация зависеть не должна. Следовательно, существующий способ пробоотбора воздуха принципиально не позволяет получать данные для определения истинной концентрации веществ в динамической ингаляционной системе.

Задача настоящего изобретения заключается в создании способа отбора проб воздуха, который не зависит от объемной скорости аспирации и других факторов, не искажает картину концентрации веществ в воздухе, вдыхаемом животными, и не требует применения уточняющих коэффициентов аспирации.

Техническим результатом является безошибочный отбор фиксированного объема зараженного воздуха, содержащего оцениваемый химический агент с удельным количеством, идентичным общей воздушной массе на момент начала аспирации. Как следствие, повышается точность определения концентрации химического агента в воздушной среде на заданный момент времени⁵(⁵ При отборе воздушной пробы в течение некоторого временного отрезка по обычной методике сложно говорить, какому моменту времени соответствует определяемая концентрация.), определяемая концентрация веществ перестает зависеть от объемной скорости аспирации.

Поставленная задача решается тем, что пробы воздуха аспирируют из сектора фиксированного объема, изолированного от общего объема оцениваемой воздушной среды непосредственно перед отбором пробы воздуха.

Пример осуществления предлагаемого способа отбора проб воздуха из камеры статического типа

Для отбора проб воздуха внутри статической ингаляционной камеры изолируют сектор фиксированного объема. Наиболее простое решение изоляции сектора фиксированного объема представлено на фиг. 2. Для этого на статической ингаляционной камере (1) задвигают шиберную задвижку (2), отсекающую угловой сектор камеры (3). При закрытой шиберной задвижке этот сектор представляет собой депо воздуха, изолированное от остального воздуха камеры, при этом воздух в буферной и основной камерах имеют одинаковый состав. Полная аспирация химического агента из сектора фиксированного объема (3) позволяет независимо от коэффициентов аспирации извлечь полностью все оцениваемое вещество для точного определения его удельного содержания в изолированном объеме, гарантированно не затрагивая воздух остальной части ингаляционной камеры.

В качестве иного конструктивного решения для изоляции сектора фиксированного объема в ингаляционной камере, используют полые цилиндры или призмы, входяшие в камеру в осевом направлении и отсекающие сектор заданного объема от общего пространства. Форма сектора может быть жесткой или мягкой. Из сектора жесткой формы аспирацию осуществляют прокачиванием воздуха в объемах, кратных объему сектора, при связи с атмосферой в верхней части сектора. Из сектора мягкой формы аспирацию осуществляют до полного сжатия сектора.

Основным условием для реализации предлагаемого подхода является быстрая изоляция отбираемого воздуха от общего пространства ингаляционной камеры без возмущения воздушной среды.

Более простым вариантом изоляции воздуха, отбираемого из статической камеры, является использование жесткой буферной камеры, соединенной с основной камерой контуром циркуляции потоков воздуха (фиг. 3).

Циркуляцию воздуха между статической ингаляционной камерой (1) и буферной камерой (4) осуществляют одновременным откачиванием и нагнетанием воздуха по воздушным магистралям (5) воздушным насосом (6)⁶(⁶ Так как объемные скорости откачивания и нагнетания воздуха, в представленном случае являются одинаковыми, условия заполнения буферной камеры воздухом являются изокинетическими, что нивелирует избирательность захвата частиц различной массы. Поэтому состав воздуха в основной (1) и буферной (4) камерах во время циркуляции воздуха выравнивается.). После многократного обмена воздуха между основной и буферной камерами перекрывают краны (7), изолируя этим воздух в буферной камере (4) от воздуха в статической ингаляционной камере (1). Открывают кран (8), соединяющий буферную камеру с аспиратором, и открывают кран (9), соединяющий буферную камеру с атмосферой. Аспирируют пробу воздуха из нижней части буферной камеры через кран (8) - в направлении естественной седиментации частиц аэрозоля. Связь внутреннего объема буферной камеры (4) с атмосферой через кран (9) при аспирации воздуха необходима, чтобы внутри изолированного сектора в момент аспирации не создавалось разрежение, препятствующее отбору пробы воздуха.

Способ определения концентрации химического агента в воздухе с использованием буферной камеры не может претендовать на абсолютную точность, так как во время циркуляции воздуха часть аэрозоля осаждается на внутренней поверхности контура, соединующего основную и буферную камеры. Но такой способ позволяет оценить значимость депонирования воздуха перед аспирацией.

Провели серию экспериментов с использованием буферной камеры по схеме, представленной на фиг. 3.

Условия проведения экспериментов по «заражению» воздуха и определению в нем концентраций химического агента идентичны проводимым при получении данных таблицы 1, за исключением:

- исследования провели на статической ингаляционной камере объемом 500 л и буферной камере объемом 5 л, объединенных контуром циркуляции потоков воздуха;

- во время распыла химического агента и перемешивания воздуха осуществляли принудительную циркуляцию воздуха между основной и буферной камерами;

- по истечении заданного времени перемешивание воздуха прекращали, буферную камеру изолировали от основной камеры путем перекрытия кранов на соединительных магистралях, открывали краны для соединения буферной камеры с аспиратором и атмосферой, сразу после чего проводили отбор пробы воздуха из буферной камеры;

- количество воздуха, отбираемого через буферную камеру, во всех случаях составляло трехкратный объем буферной камеры;

- условия проведения экспериментов максимально стандартизировали, поэтому константно присутствующее осаждение аэрозоля на внутренней поверхности контура, объединяющего основную и буферную камеры, учитывали как несистемный фактор погрешности.

Данные экспериментов представлены в таблице 3.

По представленным в таблице 3 данным видно, что изменения концентрации химического агента в воздухе, отобранном через буферную камеру, не имеют системного характера и колеблются в узком диапазоне. Это хорошо видно на графике (фиг. 4)⁷(⁷ Для удобства сопоставления, масштаб и диапазоны по осям абсцисс и ординат на фиг. 4 такие же, как на фиг. 1.).

Построили уравнение зависимости концентрации химического агента от скорости пробоотбора

где С - концентрация, определяемая при отборе воздуха из буферной камеры при различной объемной скорости аспирации, мг/л;

ν_асп. - объемная скорость аспирации, л/мин.

Статистические показатели уравнения (2) являются неудовлетворительными: R²=0,19; F_факт.=0,69 при F_крит.=10,1. Такие показатели свидетельствуют об отсутствии значимой связи прогнозируемого показателя и предиктора, что подтверждает устранение влияния подсасывания воздуха и избирательного захвата частиц аэрозоля при реализации предлагаемого подхода.

Пример осуществления предлагаемого способа отбора проб воздуха в камере динамического типа

Для отбора проб воздуха из динамической камеры изолируемую буферную камеру встраивают на воздушной магистрали между ингаляционной камерой и системой фильтрации воздуха (фиг. 5).

Для изоляции отбираемого воздуха в буферной камере (4) одновременно переключают двухходовые краны (10) таким образом, что воздух начинает идти по байпасу (11) в обход буферной камеры (4). Затем открывают одноходовой кран (8), соединяющий нижнюю часть буферной камеры с аспиратором; и открывают одноходовой кран (9), соединяющий верхнюю часть буферной камеры с атмосферой, после чего аспирируют депонированный воздух из изолированной буферной камеры в направлении естественного осаждения частиц аэрозоля.

Эксперименты для проверки предлагаемого способа в динамической ингаляционной камере не проводили, так как при этом отсутствуют принципиальные отличия от реализации способа в статической камере.

Простота предлагаемого способа пробоотбора является кажущейся. До настоящего времени принцип депонирования фиксированного объема воздуха в воздушной среде перед отбором, исключающий погрешности пробоотбора, негативное влияние подсасываемого воздуха и избирательного захвата аэрозольных частиц, в известных нам организациях (проводящих исследования ингаляционной токсичности веществ) не реализован. Хотя влияние объемной скорости аспирации на величину определяемой концентрации веществ является известным фактом. В нашем случае понимание о необходимости предварительного депонирования воздуха для определения истинной концентрации химических агентов наступило после многолетнего исследования аспирации аэрозоля животными различной массы, осуществляющих акты дыхания с различными параметрами внешнего дыхания.

В соответствии с п. 78 «Правил… по госрегистрации изобретений…», утвержденных приказом №316 Минэкономразвития России от 25 мая 2016 г., изобретения, основанные на дополнении известного средства какой-либо известной частью, при достижении неожиданного для такого дополнения технического результата, обусловленного взаимосвязью дополняемой части и известного средства, соответствуют условию изобретательского уровня.

Предлагаемый способ отбора проб воздуха открывает широкое поле для создания устройств, позволяющих депонировать фиксированный объем воздуха быстро («мгновенно») и без возмущения воздушной среды.

Предполагается, что разработанный способ позволит повысить не только точность определения концентраций веществ, но и точность определения дисперсного состава аэрозоля при проведении исследований ингаляционной токсичности.

Изобретение относится к областям получения образцов для исследования в газообразном состоянии и сосудов, специально предназначенных для медицинских целей, с приспособлением для удержания образцов содержимого. Способ отбора проб зараженного воздуха для определения концентрации веществ при исследовании ингаляционной токсичности, заключающийся в аспирации через зонд, при этом непосредственно перед аспирацией от общего объема оцениваемой воздушной массы изолируют сектор заданного объема, затем аспирируют весь зараженный воздух из нижней части изолированного сектора. Технический результат - повышение точности определения концентрации химического агента в воздушной среде на заданный момент времени. 5 ил., 3 табл.

Способ отбора проб зараженного воздуха для определения концентрации веществ при исследовании ингаляционной токсичности, заключающийся в аспирации через зонд, отличающийся тем, что непосредственно перед аспирацией от общего объема оцениваемой воздушной массы изолируют сектор заданного объема, затем аспирируют весь зараженный воздух из нижней части изолированного сектора.