CN106338544B - 一种模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，它包括压力驱动装置(1)、测试单元(2)、烟气通道(3)和烟气发生盒(4)，压力驱动装置(1)为一个能周期性改变容积的弹性空腔，测试单元(2)由弹性体基片(8)、弹性薄膜(9)、气室(7)和烟气通道微芯片(10)构成，在弹性薄膜上滴上阵列排列的烟气萃取吸收液滴(6)，压力驱动装置(1)模拟人肺呼吸运动将烟气发生盒产生的烟气吸入测试单元，弹性薄膜上的烟气萃取吸收液滴将烟气中的有害物质萃取吸收，然后进行MALDI‑TOF‑MS分析。

Description

一种模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置

技术领域

本发明涉及标准化烟气分析***的构建，特别是基于人工肺呼吸运动模拟的烟气分析***。

背景技术

吸烟有害健康，对烟气中有害物质的捕获和评估对减少烟气危害具有重要的意义。在对烟气有害成分的评估中主要的研究对象分为主流烟气和侧流烟气两类。主流烟气是吸烟者吸烟时吸入的烟气，而侧流烟气是被动吸烟者呼吸到的引燃香烟飘散出的烟气。相比于主流烟气，对侧流烟气的研究的关注人群更加广泛，因此近年来逐渐受到重视。对烟气的分析方法主要是按照分析对象的特征来分的，主要包括固相物和气相物。现有标准的做法包括使用玻纤片阻拦粒相物，然后通过洗脱来分析，通过色谱耦合质谱对气相物进行分离和分析。但是以上的分析过程需要复杂的管道和控制***，操作过程也无法自动化。更重要的是这类分析物采集过程与人体呼吸烟气的真实情况相去甚远：一方面现有的标准装置采用将烟气先抽吸到一个空腔，然后从空腔中再释放出来进行分析与实际的呼吸过程不符；另一方面能够导致肺部疾病的必须是烟气中能够到达肺部较深位置的物质而现有过程收集的范围更广。由于肺部具有多级结构，肺部呼吸也具有其特殊的运动规律，因此现有烟气收集和分析方法发现的有害物质并不足以与肺部疾病直接关联，对致病因素的认识也不确切。为此亟需开发一种能够模拟肺部呼吸的烟气收集分析***，以便对不同的烟气毒性进行确切比较。

微流控技术是上世纪90年代兴起的一种对微米尺度流体进行精确操控的芯片技术。由于其单元结构尺寸与肺泡相近，已经被成功应用于人工肺模拟气液界面低压差的快速气体交换***等关键领域。但是此类***的研究重点主要在模拟肺部气体与血液的气体交换，所得的人工肺并不具有运动功能，因此无法满足拟肺部呼吸运动的要求。从烟气呼吸后采样的角度看，也不具有现成的***能够将模拟肺部呼吸运动采样与后续的分析结合起来的范例。因此有必要开发一种全新的***既能更加精确地模拟人工肺的呼吸运动，又能很好地结合后续的烟气分析，实现对侧流烟气中有毒物质的分析，真实反映烟气对肺部的毒害过程。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是研发一种能够模拟人工肺呼吸的侧流烟气收集和分析***，使烟气被直接抽吸至收集区而不用经过收集后再次喷射，从而更加真实地模拟烟气通过呼吸到达肺部的情况，收集进入分析区的物质。

为解决上述技术问题，本发明采用一个带有驱动力的弹性体作为驱动单元，使烟气发生盒产生的烟气经管道直接进入测试单元。

本发明的技术方案如下：

一种模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，如图2所示，它包括压力驱动装置1、测试单元2、烟气通道3和烟气发生盒4，压力驱动装置1为一个能周期性改变容积的弹性空腔，测试单元2由弹性体基片8、弹性薄膜9、气室7和聚甲基丙烯酸酯薄片10构成，弹性体基片8是由弹性材料制作成的方形密封空腔，上层表面有直径为200±20微米、高度为200±20微米的空心微柱阵列，如图1.1所示，密封空腔有管道与压力驱动装置1相连，弹性体基片8上覆盖有弹性薄膜9，弹性薄膜9的大小和弹性体基片8相匹配，弹性薄膜9上合有一由聚甲基丙烯酸酯(PMMA)制成的方盒，方盒的大小与弹性薄膜9及弹性体基片8相匹配，所述方盒和弹性薄膜9构成气室7，方盒一边口沿上延伸一聚甲基丙烯酸酯薄片10，聚甲基丙烯酸酯薄片10下表面雕刻有与方盒相通的多级分支的烟气通道并覆盖有薄膜胶带形成烟气通道3，烟气通道3与烟气发生盒4相连通，烟气发生盒4是由塑料板构成的有盖小室，内有香烟固定架、并具有与大气相通的通气口和侧流烟气收集口，侧流烟气收集口与高的一级烟气通道3相连通，弹性体基片8、弹性薄膜9和气室7可用长尾夹夹合在一起形成一整体，测试分析时，烟气萃取吸收液6可以阵列排列滴加在弹性薄膜9上。上述的模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，所述的弹性体基片8可由聚二甲基硅氧烷倒模制成。

上述的模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，所述的聚甲基丙烯酸酯制成的方盒和方盒一边口沿上延伸一聚甲基丙烯酸酯薄片10可以由其它硬质塑料替代。

上述的模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，所述的多级分支烟气通道上一级比下一级宽和深，每组末一级的烟气通道连接一个弹性体基片8，如图2所示。

上述的模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，对应于检测的烟气不同组分，所述的烟气萃取吸收液成分可以不同，不同种类的收集液滴可以同时存在于同一阵列中以便同时完成对烟气中不同成分的萃取吸收。

当采用本发明的模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置分析卷烟的侧流烟气时其步骤如下：

将点燃的卷烟放入烟气发生盒4内，盖上盖子，烟气发生盒4的侧流烟气收集口与烟气通道3接通，拿开聚甲基丙烯酸甲酯方盒，在弹性薄膜上滴上阵列排列的烟气萃取吸收液滴6，盖上方盒，用长尾夹将弹性体基片8、弹性薄膜9和方盒密封夹合在一起，开动压力驱动装置1，压力驱动装置1周期性的改变容积，造成弹性体基片8周期性的改变大小，弹性体基片8周期性地带动弹性薄膜9上下运动，引起气室7的容积改变从而改变气室7内的压力，将烟气发生盒4内的烟气模拟人肺呼吸不停地抽吸入气室7内，被烟气萃取吸收液滴6萃取吸收，经过一定时间后，关闭压力驱动装置1，取出烟气萃取吸收液滴6，进行基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)分析，所述的烟气萃取吸收液是MALDI-TOF-MS吸收或衍生溶液。

本发明的具体效果如下：

本发明中使用具有微米结构的模拟肺泡小室，结合分支气管结构，在拓扑上模拟了肺部的结构；使用外部压力通过对弹性体肺泡小室阵列的周期性驱动，实现了对人体肺部呼吸过程的模拟。将此功能单元运用于对侧流烟气的样品收集，收集的烟气成分能够很好地反映被动吸烟过程中到达肺部的物质类型。通过在弹性薄膜表面结合液滴阵列，对烟气中的物质进行实时吸收，能够很好地捕捉烟气中的成分如尼古丁等，通过进行在线衍生化，也对烟气中挥发性物质如甲醛等实现了分析。由于液滴间空间分隔，因此在同一次测试中可以采用不同的吸收和衍生化基质，从而实现对烟气中多种不同性质的物质的同时收集和固定。后续结合如MALDI等质谱来进行分析，能够获得不同烟气的特征图谱，便于对烟气毒性的评估和判断。

附图说明

图1.测试单元结构示意图：1.弹性体基片，由聚二甲基硅氧烷(PDMS)等按照图示形成相连微柱或具有网格相连空心结构。2.贴合弹性薄膜，滴加烟气萃取液滴。3.将弹性体基片与气室对齐，形成测试单元。

图2.本发明模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置：a.整体图；b.测试单元细节放大图；c.测试单元剖面图。其中：1.驱动装置；2.测试单元；3.气体通道；4.烟气发生盒；5.驱动气体管；6.烟气萃取吸收液滴；7.气室；8.弹性体基片；9.弹性薄膜；10.聚甲基丙烯酸酯薄片。

图3.按实施例2中所述获得a.尼古丁标准品的MALDI-TOF-MS谱图。b.测试液体进行侧流烟气收集后的MALDI-TOF-MS谱图。c.不同收集时间下尼古丁含量变化。

图4.按实施例3中所述获得甲醛MALDI-TOF-MS谱图。m/z峰144所示为甲醛，a为标准品谱图，b为侧流烟气样品谱图。

图5.按实施例4中获得己酸电喷雾电离质谱(ESI-MS)谱图，m/z峰115所示为己酸，a为标准品谱图，b为侧流烟气样品谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

实施例1：测试单元的制作过程

1.使用激光雕刻机制作PMMA模板，使模板生成凹槽图案，使用热固型材料PDMS对图案进行倒模复制，在PDMS表面形成如图1所示直径为200微米、

高度为200微米的微柱阵列，制得PDMS基片。

2.在光滑硅片上旋涂未固化的PDMS胶水，将PDMS基片放置于胶水上备用。

3.在另一光滑硅片上旋涂未固化PDMS胶水，控制转速使胶水层厚度在10微米左右，加热5分钟使PDMS进入高粘性阶段时，将PDMS基片从备用片上取下放于该硅片上一起加热至完全固化。

4.将PDMS基片完全揭下，即完成膜封口过程，获得弹性体基片8，将驱动气体管5引入弹性体膜下方。

5.使用激光雕刻机在PMMA板上雕刻出气体通道凹槽和用于构成气室7的小室盒，小盒长和宽为5厘米，高为3.0mm，气体通道3为多级深、宽，宽度为2.0mm,1.0mm,0.75mm,0.5mm,0.25mm，对应深度为1.0mm,0.5mm,0.38mm,0.25mm,0.12mm。分级气体通道末端与四个气室7相连。

6.在弹性薄膜9上滴加烟气萃取吸收液滴6(16个，每个为3微升)后，将含有通道凹槽和构成气室的塑料板通过长尾夹等被简单压合在弹性体上，形成若干个密封气7室。

实施例2：

对被动吸烟吸收尼古丁含量的收集和分析

1.按照实施例1所述制备弹性体。

2.向弹性薄膜11数个阵列点上滴加MALDI-TOF-MS溶液，体积为3微升的含有10mg/mL 2,5-Dihydroxybenzoic acid(DHB)和1％trifluoroacetic acid(TFA)的丙酮:水＝1:1的液滴(并含内标物16μg/mL四丁基溴化铵水溶液)。

3.连接设备，将气体通道入口连接入烟气发生室侧流烟气口；

4.打开驱动设备，以0.25Hz的气体驱动所述弹性体，使弹性体产生与人体呼吸频率相近的抽吸效果，将侧流烟气吸入气室7；

5.分别使用该设备收集侧流烟气5，10，15，20，25，30，35，40分钟后取出弹性体，将液体转移至MALDI-TOF-MS样品板，进行检测并计算尼古丁含量，其结果见图3。

实施例3:

对被动吸烟吸收甲醛含量的收集和分析

1.按照实施例1所述制备弹性体。

2.向弹性薄膜数个阵列点上滴加甲醛衍生溶液3微升，其组成为：

200mg/ml DHB溶于50％甲醇︰200mg/ml吉拉尔特试剂T溶于66％甲醇︰

0.01mg/ml四丁基溴化铵溶于甲醇＝10︰1︰1。

3.连接设备，将气体通道入口连接入烟气发生室侧流烟气口；

4.打开驱动设备，以0.25Hz频率驱动所述弹性体基片，使弹性体产生与人体呼吸频率相近的抽吸效果，将侧流烟气吸入密封室；

5.使用该设备收集侧流烟气30分钟后取出弹性体，将液体转移至MALDI-TOF-MS样品板，进行检测并计算待测物含量，其结果见图4。

实施例4：

对被动吸烟过程中吸入非水溶性物质的收集检测

1.按照实施例1所述制备弹性体。

2.向弹性薄膜数个阵列点上滴加ESI溶液，体积为3微升，其组成为：含有1％TFA的乙酸乙酯、丙酮和水的混合溶液，乙酸乙酯︰丙酮︰水的体积比为1︰19︰20。

3.连接设备，将气体通道入口连接入烟气发生室侧流烟气口；

4.打开驱动设备，以0.25Hz的气体驱动所述弹性体，使弹性体产生与人体呼吸频率相近的抽吸效果，将侧流烟气吸入密封室；

5.分别使用该设备收集侧流烟气30分钟后取出弹性体，将烟气萃取吸收液滴取出以1︰1000溶解在甲醇中后进行ESI检测并计算己酸含量。

Claims (5)

1.一种模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，其特征是：它包括压力驱动装置(1)、测试单元(2)、烟气通道(3)和烟气发生盒(4)，压力驱动装置(1)为一个能周期性改变容积的弹性空腔，测试单元(2)由弹性体基片(8)、弹性薄膜(9)、气室(7)和聚甲基丙烯酸酯薄片(10)构成，弹性体基片(8)是由弹性材料制作成的方形密封空腔，上层表面有直径为200±20微米、高度为200±20微米的空心微柱阵列，密封空腔有管道与压力驱动装置(1)相连，弹性体基片(8)上覆盖有弹性薄膜(9)，弹性薄膜(9)的大小和弹性体基片(8)相匹配，弹性薄膜(9)上合有一由聚甲基丙烯酸酯制成的方盒，方盒的大小与弹性薄膜(9)及弹性体基片(8)相匹配，所述方盒和弹性薄膜(9)构成气室(7)，方盒一边口沿上延伸一聚甲基丙烯酸酯薄片(10)，聚甲基丙烯酸酯薄片(10)下表面雕刻有与方盒相通的多级分支的烟气通道并覆盖有薄膜胶带形成烟气通道(3)，烟气通道(3)与烟气发生盒(4)相连通，烟气发生盒(4)是由塑料板构成的有盖小室，内有香烟固定架、并具有与大气相通的通气口和侧流烟气收集口，侧流烟气收集口与最高的一级烟气通道(3)相连通，弹性体基片(8)、弹性薄膜(9)和气室(7)用长尾夹夹合在一起形成一整体，测试分析时，烟气萃取吸收液(6)以阵列排列滴加在弹性薄膜(9)上。

2.根据权利要求1所述的模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，所述的弹性体基片(8)由聚二甲基硅氧烷倒模制成。

3.根据权利要求1所述的模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，所述的聚甲基丙烯酸酯制成的方盒和方盒一边口沿上延伸一聚甲基丙烯酸酯薄片(10)由其它硬质塑料替代。

4.权利要求1所述的模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，其特征是：所述的多级分支烟气通道上一级比下一级宽和深，每组最末一级的烟气通道连接一个弹性体基片(8)。

5.根据权利要求1所述的模拟人肺呼吸运动***的烟气分析装置，其特征是：对应于检测的烟气不同组分，所述的烟气萃取吸收液成分可以不同，不同种类的收集液滴可以同时存在于同一阵列中以便同时完成对烟气中不同成分的萃取吸收。