空氣負(fù)離子濃度測量方法的探討和研究

空氣負(fù)離子對某些疾病確實(shí)能起到緩解和治療作用

國內(nèi)外大量臨床實(shí)踐證明, 空氣負(fù)離子對某些疾病確實(shí)能起到緩解和治療作用。空氣負(fù)離子在許多國家已被廣泛作為改善工作環(huán)境和臨床醫(yī)療的手段之一^〔1〕。一般認(rèn)為, 空氣離子能影響血清素的釋放, 從而影響植物神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。也有人認(rèn)為, 空氣離子通過體液的作用, 以自身的電荷影響血液膠體和細(xì)胞的電代謝過程, 使血液中帶電粒子的組成和分布發(fā)生變化, 從而對人體健康產(chǎn)生影響^〔2〕。

用于研究的高濃度的空氣負(fù)離子通常是由空氣負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生的, 臨床記錄和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 受試者在一定濃度的空氣負(fù)離子環(huán)境中停留一定時(shí)間后會產(chǎn)生一定的生理效應(yīng)。這些資料還表明, 生理效應(yīng)的顯著程度與所處環(huán)境的空氣負(fù)離子濃度和持續(xù)時(shí)間的長短有一定的相關(guān)關(guān)系^〔3〕。

有關(guān)空氣負(fù)離子可能存在的有效作用劑量和劑量濃度及其極限值尚缺少詳細(xì)的報(bào)道。國外有人認(rèn)為,在短時(shí)間內(nèi)吸入高濃度空氣負(fù)離子對人體有益, 而長期處在高電離化的空氣環(huán)境中則對人體有害; 另外一些人則認(rèn)為電離化的空氣不會對人體造成器質(zhì)性損害^〔4〕。而在大量應(yīng)用空氣負(fù)離子的臨床治療和生物實(shí)驗(yàn)報(bào)告中, 有些結(jié)論很不一致, 甚至有相當(dāng)大的差異。

一些研究人員指出, 通常用于測量環(huán)境空氣離子濃度的空氣負(fù)離子檢測儀通常在受試者附近測得的負(fù)離子濃度并不能代表受試者所處位置的實(shí)際濃度。由于一般空氣負(fù)離子檢測儀的采氣量遠(yuǎn)大于受試者的吸氣量, 且由于空氣負(fù)離子檢測儀的接地效應(yīng)(ground effect) , 可能使受試者口鼻附近的負(fù)離子濃度很低, 而測量儀本身則可能測到相當(dāng)大的負(fù)離子濃度^〔5〕。換言之, 受試者附近的空氣負(fù)離子檢測儀由于其較大的吸氣量和接地效應(yīng), 實(shí)際上起到了清除受試者附近空氣中負(fù)離子的作用。

通用環(huán)境空氣離子濃度測量儀結(jié)構(gòu)原理

常規(guī)負(fù)離子發(fā)生器的負(fù)離子濃度產(chǎn)生效果測量、評估

（圖中白色產(chǎn)品為空氣負(fù)離子測量儀，紅色產(chǎn)品為負(fù)離子發(fā)生器）

基于以上原因, 國外有學(xué)者提出替代測量法(pre - post measurement) , 并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn), 取得了很好的效果^〔6〕, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 這種測量方式得到的數(shù)據(jù)更接近受試者的實(shí)際吸入濃度, 這種濃度被稱為“劑量濃度”, 以與環(huán)境濃度相區(qū)別。由于人體是一自然緩沖系統(tǒng), 其生物效應(yīng)是空氣負(fù)離子濃度分布的平均效應(yīng), 劑量濃度一般均取某一時(shí)間段的平均值。許多研究人員在評價(jià)空氣負(fù)離子的生物效應(yīng)時(shí), 提出應(yīng)在報(bào)告中提供受試者所接觸的空氣離子濃度和在接觸時(shí)間內(nèi)所吸入的負(fù)離子總數(shù), 即劑量濃度和總劑量。有人推薦以空氣離子生物學(xué)單位來計(jì)量人體的吸入劑量。一個(gè)生物學(xué)單位的離子數(shù)為8 ×10⁹個(gè)。在自然條件下, 人體一晝夜應(yīng)正常吸入2～3 個(gè)生物學(xué)單位的空氣負(fù)離子。但在許多有關(guān)空氣離子的生物效應(yīng)的文獻(xiàn)和報(bào)告中, 缺乏劑量方面的詳細(xì)數(shù)據(jù)和資料, 主要原因是缺乏相應(yīng)的空氣負(fù)離子檢測儀和統(tǒng)一的檢測方法。

基于以上討論, 我們采用微型空氣負(fù)離子收集器進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 提出一種專門用于空氣負(fù)離子生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的測量方法, 使評價(jià)空氣負(fù)離子生物效應(yīng)時(shí)受試者所接受的劑量濃度和總劑量等數(shù)據(jù)更接近準(zhǔn)確。

1.     方法

采氣量是空氣負(fù)離子檢測儀的重要參數(shù)。一般空氣負(fù)離子檢測儀的采氣量在200～400 L/ min 左右, 氣流速度在1.15～2 m/ s之間。空氣負(fù)離子檢測儀在工作時(shí), 過大的采氣量可能改變采樣區(qū)附近的濃度分布規(guī)律, 影響到測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性。而在封閉空間內(nèi), 應(yīng)使采氣量與采樣空間的體積保持一定的比率。進(jìn)行劑量濃度測量時(shí), 應(yīng)該使采氣量盡量與人體正?；顒訒r(shí)的肺通氣量大致相同。微型空氣負(fù)離子收集器著重于三個(gè)主要指標(biāo): 采氣量不大于10 L/min ; 氣流速度不大于0.5 m/ s ; 電池驅(qū)動, 減低接地效應(yīng)。

我們根據(jù)人體理的一般準(zhǔn)則, 以每分鐘靜息通氣量(VZ) 的上限值作為微型空氣負(fù)離子收集器采氣量標(biāo)準(zhǔn)。VZ 的表達(dá)式如下:

1)        VZ = VT·f

公式中: VT 為采氣量, f 為呼吸頻率(次/ min)

正常人的呼吸頻率參考值為20 , 采氣量參考值為500 ml ,則VZ 值為10 L/ min?？諝庳?fù)離子生理效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和臨床治療使用的負(fù)離子濃度一般在10⁵～10⁷ (個(gè)/ cm3) 數(shù)量級, 使用的方法主要有吸入法、局部吹淋法和離子浴法。我們采用的微型空氣負(fù)離子收集器劑量濃度測量范圍為：10⁴～2 ×10⁷ (個(gè)/ cm3 ) , 劑量測量范圍為10⁹ ～10¹³(個(gè)) , 可以滿足各種使用方式的需要。

2.     空氣負(fù)離子劑量的計(jì)算方法

我們采用的收集器法進(jìn)行空氣負(fù)離子采樣,采樣氣流以固定的速度進(jìn)入收集器, 在極化電壓的作用下, 氣流中臨界遷移率以上的空氣負(fù)離子被收集器所收集, 劑量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型如(1) 式所示。

2)        D0 = CQT

公式中: D₀ 代表劑量, C代表劑量濃度, Q代表采氣量, T代表采樣時(shí)間

當(dāng)受試者的VZ 值與微收集器設(shè)定值差異較大時(shí), 可對顯示值按下式進(jìn)行修正：

3)        D = 0.1VZ·D0

公式中D 為受試者的實(shí)際接受劑量。

3.     微型空氣負(fù)離子收集器的參數(shù)與結(jié)構(gòu)形式

微型空氣負(fù)離子收集器采用電容式集電原理, 與環(huán)境空氣離子測量儀的原理相同。其主要參數(shù)是采氣量10 L/min ; 氣流速度0.5 m/ s ; 極化電壓9 V ; 極板間距2mm; 體積20 mm ×20 mm ×150 mm。

低壓儀表風(fēng)扇、液晶顯示器和極化電池與微型空氣負(fù)離子收集器組裝為一體, 以電池為動力, 不接外電源。與通用環(huán)境空氣離子測量儀相比, 體積減小了大約100倍, 采氣量減小了大約20 倍。極化電池在兩極板間產(chǎn)生垂直于氣流方向的電場, 改變電池的極性, 可使不同極性的離子移向收集板。如果離子的遷移率足夠大, 則離子將在飛出收集器區(qū)域前到達(dá)收集板, 并釋放出所攜帶的電荷, 釋放出所攜帶的電荷, 形成收集電流。這個(gè)電流經(jīng)過微電流計(jì)放大, 即可指示出相應(yīng)的空氣離子濃度。其測量原理見圖1。

圖1 　微型空氣負(fù)離子收集器原理圖

微型收集器的臨界遷移率可用⁽⁴⁾式表示:

4)        K_臨界= D² U/ LV

公式中: D代表極板間距(cm) ; U 代表氣流速度(cm/s) ; L代表收集區(qū)長度 (cm) ; V代表極化電壓 (V) 。

捕獲到的離子量N 可用(5) 式表示:

5)        N = I/ QUA

公式中: N代表每毫升空氣中的負(fù)離子數(shù)(個(gè)/ cm³) ; I代表收集極電流(安) ; Q代表基本電荷量(1.6 ×10^-19C) ; U代表氣流速度, (cm/ s) ; A代表有效收集截面積,(cm²) 。

4.     環(huán)境空氣離子測量儀和微型空氣負(fù)離子收集器的比對測試方法

用環(huán)境空氣離子測量儀和微型收集器對同一臺空氣負(fù)離子發(fā)生器進(jìn)行平行測試和換位測試。平行測試時(shí)微型空氣負(fù)離子收集器與環(huán)境空氣離子測量儀并排放置, 二者入口相距20 cm , 與負(fù)離子發(fā)生器距離相同。距地面1.5 m。負(fù)離子發(fā)生器開機(jī)30 min 后開始測試。換位測試分兩種情況, 一種是微型空氣負(fù)離子收集器與環(huán)境空氣離子測量儀輪換放置在同一位置, 入口與負(fù)離子發(fā)生器距離相同。其他條件與平行測試相同。另一種是把環(huán)境空氣離子測量儀和微型空氣負(fù)離子收集器分別放在人體20 cm 旁的同一位置進(jìn)行測試。入口與人體口鼻部并排, 與負(fù)離子發(fā)生器距離相同。

5.     結(jié)果

a)       平行測試結(jié)果見表1。

b)       換位測試結(jié)果見表3 和表4。

6.     討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 無論旁邊有沒有人體或微型空氣負(fù)離子收集器, 環(huán)境空氣離子測量儀的示數(shù)基本不變, 表明測量儀是空氣離子的主要接收者, 模擬人體的微型空氣負(fù)離子收集器指數(shù)則偏低。移去環(huán)境空氣負(fù)離子測量儀后微型空氣負(fù)離子收集器指數(shù)明顯上升, 表明環(huán)境空氣負(fù)離子測量儀的存在確實(shí)改變了空氣離子發(fā)生器產(chǎn)生的空氣負(fù)離子的濃度擴(kuò)散模式, 使測量儀附近的空氣負(fù)離子濃度變低。微型空氣負(fù)離子收集器與人體平行測試時(shí)指數(shù)沒有明顯的變化, 表明二者對空氣離子整體環(huán)境的影響大致處于同一數(shù)量級, 微型空氣負(fù)離子收集器可以更準(zhǔn)確地表示人體在空氣負(fù)離子環(huán)境中所受的影響。因此, 在有關(guān)空氣負(fù)離子的生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采用體積和吸氣量更接近人體的微型空氣負(fù)離子收集器代替環(huán)境空氣負(fù)離子測量儀, 以獲得更接近準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

目前對空氣負(fù)離子劑量方面的研究缺乏定量的資料, 對劑量指標(biāo)也缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。常見的推薦劑量指標(biāo)是以環(huán)境調(diào)查的潔凈地區(qū)的空氣負(fù)離子為基數(shù),以人群的平均呼吸量為乘數(shù)因子推算而得。這種劑量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了人在自然條件下應(yīng)吸入的空氣負(fù)離子下限值, 可以作為一種保健指標(biāo)。在醫(yī)療方面, 由于使用的方法和儀器不同, 所得的結(jié)果有所差異。但從數(shù)據(jù)分析的趨勢可以看出, 生物效應(yīng)的顯著程度與受試者接收的劑量濃度和總劑量有關(guān)。一些動物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也表明, 實(shí)驗(yàn)的敏感指標(biāo)不同, 所需要的劑量濃度水平和劑量值也不同, 且與動物個(gè)體的大小有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)旨在表明不同測量方法與受試者接受的劑量濃度和劑量值的相關(guān)關(guān)系, 可以看作是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段的一種探索。

參　考　文　獻(xiàn)

1)        Krueger , A1P , Biological effects of air ions1Int J Biometer , 1985 , 29(3) : 29 - 311

2)        鈕式如.空氣離子與人體健康.環(huán)境與健康雜志, 1984 , 1(2) : 33 - 351

3)        Charry JM1Biological effects of small air ions1Environ Res , 1984 , 34 :88 – 891

4)        Krueger , AP , Biological impact of small air - ions1Science , 1976 , 12(9) : 1931

5)        Matisen R1Measurement of air ion concentrations in rooms of different in2 dustries , Int J Biometeor , 1979 , 24 : 1141

6)        Moody N F1Design and construction of an improved , portable , air – ion counter , Int J Biometeor , 1984 , 28 (3) : 1691

轉(zhuǎn)載自：中國自然醫(yī)學(xué)雜志 (部分內(nèi)家有所調(diào)整和刪減)

作者：戈鶴山（中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所研究員）

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