一種模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置，它包括壓力驅動裝置(1)、測試單元(2)、煙氣通道(3)和煙氣發生盒(4)，壓力驅動裝置(1)為一個能周期性改變容積的彈性空腔，測試單元(2)由彈性體基片(8)、彈性薄膜(9)、氣室(7)和煙氣通道微芯片(10)構成，在彈性薄膜上滴上陣列排列的煙氣萃取吸收液滴(6)，壓力驅動裝置(1)模擬人肺呼吸運動將煙氣發生盒產生的煙氣吸入測試單元，彈性薄膜上的煙氣萃取吸收液滴將煙氣中的有害物質萃取吸收，然后進行MALDI-TOF-MS分析。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及標準化煙氣分析系統的構建，特別是基于人工肺呼吸運動模擬的煙氣分析系統。
技術介紹
吸煙有害健康，對煙氣中有害物質的捕獲和評估對減少煙氣危害具有重要的意義。在對煙氣有害成分的評估中主要的研究對象分為主流煙氣和側流煙氣兩類。主流煙氣是吸煙者吸煙時吸入的煙氣，而側流煙氣是被動吸煙者呼吸到的引燃香煙飄散出的煙氣。相比于主流煙氣，對側流煙氣的研究的關注人群更加廣泛，因此近年來逐漸受到重視。對煙氣的分析方法主要是按照分析對象的特征來分的，主要包括固相物和氣相物。現有標準的做法包括使用玻纖片阻攔粒相物，然后通過洗脫來分析，通過色譜耦合質譜對氣相物進行分離和分析。但是以上的分析過程需要復雜的管道和控制系統，操作過程也無法自動化。更重要的是這類分析物采集過程與人體呼吸煙氣的真實情況相去甚遠：一方面現有的標準裝置采用將煙氣先抽吸到一個空腔，然后從空腔中再釋放出來進行分析與實際的呼吸過程不符；另一方面能夠導致肺部疾病的必須是煙氣中能夠到達肺部較深位置的物質而現有過程收集的范圍更廣。由于肺部具有多級結構，肺部呼吸也具有其特殊的運動規律，因此現有煙氣收集和分析方法發現的有害物質并不足以與肺部疾病直接關聯，對致病因素的認識也不確切。為此亟需開發一種能夠模擬肺部呼吸的煙氣收集分析系統，以便對不同的煙氣毒性進行確切比較。微流控技術是上世紀90年代興起的一種對微米尺度流體進行精確操控的芯片技術。由于其單元結構尺寸與肺泡相近，已經被成功應用于人工肺模擬氣液界面低壓差的快速氣體交換系統等關鍵領域。但是此類系統的研究重點主要在模擬肺部氣體與血液的氣體交換，所得的人工肺并不具有運動功能，因此無法滿足模擬肺部呼吸運動的要求。從煙氣呼吸后采樣的角度看，也不具有現成的系統能夠將模擬肺部呼吸運動采樣與后續的分析結合起來的范例。因此有必要開發一種全新的系統既能更加精確地模擬人工肺的呼吸運動，又能很好地結合后續的煙氣分析，實現對側流煙氣中有毒物質的分析，真實反映煙氣對肺部的毒害過程。
技術實現思路
本專利技術要解決的主要技術問題是研發一種能夠模擬人工肺呼吸的側流煙氣收集和分析系統，使煙氣被直接抽吸至收集區而不用經過收集后再次噴射，從而更加真實地模擬煙氣通過呼吸到達肺部的情況，收集進入分析區的物質。為解決上述技術問題，本專利技術采用一個帶有驅動力的彈性體作為驅動單元，使煙氣發生盒產生的煙氣經管道直接進入測試單元。本專利技術的技術方案如下：一種模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置，如圖2所示，它包括壓力驅動裝置1、測試單元2、煙氣通道3和煙氣發生盒4，壓力驅動裝置1為一個能周期性改變容積的彈性空腔，測試單元2由彈性體基片8、彈性薄膜9、氣室7和煙氣通道微芯片10構成，彈性體基片8是由彈性材料制作成的方形密封空腔，上層表面有直徑為200±20微米、高度為200±20微米的空心微柱陣列，如圖1.1所示，密封空腔有管道與壓力驅動裝置1相連，彈性體基片8上覆蓋有彈性薄膜9，彈性薄膜9的大小和彈性體基片8相匹配，彈性薄膜9上合有一由聚甲基丙烯酸酯(PMMA)制成的方盒，方盒的大小與彈性薄膜9及彈性體基片8相匹配，所述方盒和彈性薄膜9構成氣室7，方盒一邊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下表面雕刻有與方盒相通的多級分支的煙氣通道并覆蓋有薄膜膠帶形成煙氣通道3，煙氣通道3與煙氣發生盒4相連通，煙氣發生盒4是由塑料板構成的有蓋小室，內有香煙固定架、并具有與大氣相通的通氣口和側流煙氣收集口，側流煙氣收集口與最高的一級煙氣通道3相連通，彈性體基片8、彈性薄膜9和氣室7可用長尾夾夾合在一起形成一整體，測試分析時，煙氣萃取吸收液6可以陣列排列滴加在彈性薄膜9上。上述的模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置，所述的彈性體基片8可由聚二甲基硅氧烷倒模制成。上述的模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置，所述的聚甲基丙烯酸酯制成的方盒和方盒一邊口沿上延伸一聚甲基丙烯酸酯薄片10可以由其它硬質塑料替代。上述的模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置，所述的多級分支煙氣通道上一級比下一級寬和深，每組最末一級的煙氣通道連接一個彈性體基片8，如圖2所示。上述的模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置，對應于檢測的煙氣不同組分，所述的煙氣萃取吸收液成分可以不同，不同種類的收集液滴可以同時存在于同一陣列中以便同時完成對煙氣中不同成分的萃取吸收。當采用本專利技術的模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置分析卷煙的側流煙氣時其步驟如下：將點燃的卷煙放入煙氣發生盒4內，蓋上蓋子，煙氣發生盒4的側流煙氣收集口與煙氣通道3接通，拿開聚甲基丙烯酸甲酯方盒，在彈性薄膜上滴上陣列排列的煙氣萃取吸收液滴6，蓋上方盒，用長尾夾將彈性體基片8、彈性薄膜9和方盒密封夾合在一起，開動壓力驅動裝置1，壓力驅動裝置1周期性的改變容積，造成彈性體基片8周期性的改變大小，彈性體基片8周期性地帶動彈性薄膜9上下運動，引起氣室7的容積改變從而改變氣室7內的壓力，將煙氣發生盒4內的煙氣模擬人肺呼吸不停地抽吸入氣室7內，被煙氣萃取吸收液滴6萃取吸收，經過一定時間后，關閉壓力驅動裝置1，取出煙氣萃取吸收液滴6，進行基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS)分析，所述的煙氣萃取吸收液是MALDI-TOF-MS吸收或衍生溶液。本專利技術的具體效果如下：本專利技術中使用具有微米結構的模擬肺泡小室，結合分支氣管結構，在拓撲上模擬了肺部的結構；使用外部壓力通過對彈性體肺泡小室陣列的周期性驅動，實現了對人體肺部呼吸過程的模擬。將此功能單元運用于對側流煙氣的樣品收集，收集的煙氣成分能夠很好地反映被動吸煙過程中到達肺部的物質類型。通過在彈性薄膜表面結合液滴陣列，對煙氣中的物質進行實時吸收，能夠很好地捕捉煙氣中的成分如尼古丁等，通過進行在線衍生化，也對煙氣中揮發性物質如甲醛等實現了分析。由于液滴間空間分隔，因此在同一次測試中可以采用不同的吸收和衍生化基質，從而實現對煙氣中多種不同性質的物質的同時收集和固定。后續結合如MALDI等質譜來進行分析，能夠獲得不同煙氣的特征圖譜，便于對煙氣毒性的評估和判斷。附圖說明圖1.測試單元結構示意圖：1.彈性體基片，由聚二甲基硅氧烷(PDMS)等按照圖示形成相連微柱或具有網格相連空心結構。2.貼合彈性薄膜，滴加煙氣萃取液滴。3.將彈性體基片與氣室對齊，形成測試單元。圖2.本專利技術模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置a.整體圖b.測試單元細節放大圖c.測試單元剖面圖，其中：1.驅動裝置；2.測試單元；3.氣體通道；4.煙氣發生盒；5.驅動氣體管6.煙氣萃取吸收液滴；7.氣室；8.彈性體基片；9.彈性薄膜；10.聚甲基丙烯酸酯薄片。圖3.按實施例2中所述獲得a.尼古丁標準品的MALDI-TOF-MS譜圖。b.測試液體進行側流煙氣收集后的MALDI-TOF-MS譜圖。c.不同收集時間下尼古丁含量變化。圖4.按實施例3中所述獲得甲醛MALDI-TOF-MS譜圖。m/z峰144所示為甲醛，a為標準品譜圖，b為側流煙氣樣品譜圖。圖5.按實施例4中獲得己酸電噴霧電離質譜(ESI-MS)譜圖，m/z峰115所示為己酸，a為標準品譜圖，b為側流煙氣樣品譜圖。具體實施方式：下面結合附圖和實例對本專利技術作進一步說明。實施例1：測試單元的制作過本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置，其特征是：它包括壓力驅動裝置(1)、測試單元(2)、煙氣通道(3)和煙氣發生盒(4)，壓力驅動裝置(1)為一個能周期性改變容積的彈性空腔，測試單元(2)由彈性體基片(8)、彈性薄膜(9)、氣室(7)和煙氣通道微芯片(10)構成，彈性體基片(8)是由彈性材料制作成的方形密封空腔，上層表面有直徑為200±20微米、高度為200±20微米的空心微柱陣列，密封空腔有管道與壓力驅動裝置(1)相連，彈性體基片(8)上覆蓋有彈性薄膜(9)，彈性薄膜(9)的大小和彈性體基片(8)相匹配，彈性薄膜(9)上合有一由聚甲基丙烯酸酯制成的方盒，方盒的大小與彈性薄膜(9)及彈性體基片(8)相匹配，所述方盒和彈性薄膜(9)構成氣室(7)，方盒一邊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)下表面雕刻有與方盒相通的多級分支的煙氣通道并覆蓋有薄膜膠帶形成煙氣通道(3)，煙氣通道(3)與煙氣發生盒(4)相連通，煙氣發生盒(4)是由塑料板構成的有蓋小室，內有香煙固定架、并具有與大氣相通的通氣口和側流煙氣收集口，側流煙氣收集口與最高的一級煙氣通道(3)相連通，彈性體基片(8)、彈性薄膜(9)和氣室(7)用長尾夾夾合在一起形成一整體，測試分析時，煙氣萃取吸收液(6)以陣列排列滴加在彈性薄膜(9)上。...
【技術特征摘要】
1.一種模擬人肺呼吸運動系統的煙氣分析裝置，其特征是：它包括壓力驅動裝置(1)、測試單元(2)、煙氣通道(3)和煙氣發生盒(4)，壓力驅動裝置(1)為一個能周期性改變容積的彈性空腔，測試單元(2)由彈性體基片(8)、彈性薄膜(9)、氣室(7)和煙氣通道微芯片(10)構成，彈性體基片(8)是由彈性材料制作成的方形密封空腔，上層表面有直徑為200±20微米、高度為200±20微米的空心微柱陣列，密封空腔有管道與壓力驅動裝置(1)相連，彈性體基片(8)上覆蓋有彈性薄膜(9)，彈性薄膜(9)的大小和彈性體基片(8)相匹配，彈性薄膜(9)上合有一由聚甲基丙烯酸酯制成的方盒，方盒的大小與彈性薄膜(9)及彈性體基片(8)相匹配，所述方盒和彈性薄膜(9)構成氣室(7)，方盒一邊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)下表面雕刻有與方盒相通的多級分支的煙氣通道并覆蓋有薄膜膠帶形成煙氣通道(3)，煙氣通道(3)與煙氣發生盒(4)相連通，煙氣發生盒(4)是由塑料板構成的有...
【專利技術屬性】
技術研發人員：胡善文，徐碧漪，徐靜娟，陳洪淵，趙閣，謝復煒，
申請(專利權)人：南京大學，中國煙草總公司鄭州煙草研究院，
類型：發明
國別省市：江蘇;32
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