CC BY
15
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
SS
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПОДСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ ОРГАНИЧЕСКОГО И НЕОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Доктор медицинских наук проф. В. С. Киктенко, кандидат технических наук Ю. П. Сафронов,
С. И. Кудрявцев, Р. И. Эльман, Б. Ф. Федоров, Н. И. Пущин.
А. А. Федорович
Определение концентрации аэрозолей различного происхождения имеет большое значение при решении ряда вопросов профилактической и лечебной медицины (санитарной бактериологии, микробиологии, эпидемиологии, терапии и др.) - Существующие приемы (седиментационный, фильтрационный, преципитационный и др.) по установлению количественной характеристики аэрозоля, помимо их длительности и трудоемкости, в известной части опираются на субъективные методы оценки, что в какой-то степени отрицательно сказывается на точности получаемых результатов. Значительный интерес представляют попытки некоторых авторов применять объективные физические методы исследования бактериальных аэрозолей с использованием фотоэлектрического счетчика [Гуккер, О'Конски, Пиккард и Питтс (Gucker, O'Konski, Pickard, Pitts), Гуккер и О'Конски, 1949; Ферри, Фар и Гертман (Ferry, Farr, Hartman, 1949)]. Сущность рекомендуемых ими приборов состоит в автоматическом счете электрических импульсов, возникающих в фотоэлементе под действием света, отраженного в специальной камере от частиц аэрозоля.
Целью наших исследований явилось изучение возможности использования высокочувствительной фотоэлектронной установки на базе ФЭУ-25 совместно с усилителем и электромеханическим счетчиком СБ-1М для автоматического подсчета частиц в поточном ультрамикроскопе ВДК- Решение этого вопроса позволило бы быстро, объективно и точно определять концентрации частиц аэрозолей органического и неорганического происхождения как в экспериментальных камерах, так и в наружной атмосфере. Возможность автоматизации счета частиц аэрозоля в поточном ультрамикроскопе путем замены глаза наблюдателя фотоэлементом была указана Б. В. Дерягиным и Г. Я. Власенко еще в 1951 г.
Поточный ультрамикроскоп ВДК хорошо зарекомендовал себя в ряде областей, но не нашел еще широкого применения для исследования бактериальных аэрозольных систем. В то же время применение этого метода может быть широко использовано в санитарно-гигиенической практике не только для изучения величины запыленности воздуха различных помещений, но и для определения количества микроорганизмоз в нем.
Прибор для ультрамикроскопического исследования был разработан в 1943 г Б. В. Дерягиным и Г. Я. Власенко и основывается на фиксации глазом наблюдателя коротких вспышек света на темном поле при прохождении частиц аэрозоля через освещаемую зону. В ряде опытов мы убедились в возможном использовании существующей конструкции поточного ультрамикроскопа ВДК для подсчета общего количества бак-
термального аэрозоля в экспериментальной камере и в безусловном преимуществе этого метода перед седиментационным и др. Однако подсчет количества и определение размеров частиц при помощи глаза человека несовершенны, так как правильный подсчет частиц возможен только при прохождении через освещаемую зону одновременно не более 2—3 частиц. При частоте более 150 вспышек в минуту счет вообще делается невозможным. Кроме того, при определении размеров частиц методом дозированного уменьшения освещенности зоны наблюдения возникает значительная трудность улавливания коротких вспышек, обусловливае-
Усилитель и счетчик частиц
мых высокодисперсной фракцией аэрозоля. Необходимо отметить и возникающее при длительных наблюдениях утомление глаза, что отражается на его чувствительности.
В связи с этим нами для подсчета концентрации аэрозоля был разработан ультрамикроскопический метод исследования с использованием в качестве счетчика частиц специальной фотоэлектронной приставки совместно с механическим счетчиком электрических импульсов.
Процесс подсчета частиц аэрозолей можно достаточно просто автоматизировать, использовав явление свечения частицы в момент прохождения ее в световом луче камеры поточного ультрамикроскопа. Величина светового потока, рассеиваемого частицей, является достаточной для регистрации его при помощи современных промышленных фотоэлектронных умножителей ФЭУ-19, ФЭУ-25 и др. Как показали наши наблюдения, длительность светового импульса от частицы не превосходит 0,5—0,6 секунды, а частота следования импульсов зависит от концентрации частиц и при визуальном наблюдении обычно не превышает 120 импульсов в минуту. В связи с невысокой производительностью этого метода желательна автоматизация подсчета частиц аэрозолей при помощи электронных устройств.
На принципе регистрации импульсов светового потока, рассеянного частицей; была создана и испытана в лабораторных условиях экспери-
ментальная установка, подтвердившая возможность автоматизации подсчета частиц аэрозолей.
Установка состоит из следующих узлов: фотоэлектронной приставки к поточному ультрамикроскопу ВДК, усилителя и счетчика импульсов, источника питания. Электронная схема установки приведена на рис. 1.
Фотоэлектронная приставка предназначена для преобразования светового потока от частицы аэрозолей в электрический импульс и предварительного усиления электрического сигнала. Фотоэлектронная приставка состоит из фотоэлектронного умножителя типа ФЭУ-25 и пред-усилителя, собранного на лампе 6Ж4. Конструктивно приставка выполнена в виде отдельного блока, который входным окном приставляется вплотную к окуляру поточного ультрамикроскопа ВДК.
Усилитель и счетчик импульсов предназначен для усиления электрических импульсов до уровня, достаточного для срабатывания электромеханического счетчика типа СБ-1М. Блок усиления и счета импульсов состоит из входного вентильного каскада и усилителя-ограни-чителя на лампе 6Н8, застопоренного входного мультивибратора на двух лампах 6Ж8, выходного мультивибратора на лампе 6Н7 и усилительного каскада на лампе 6Н7, приводящего в действие электромеханический счетчик.
Источник питания вырабатывает высокое напряжение для питания фотоэлектронного умножителя, анодное напряжение и напряжение, необходимое для обеспечения накала ламп.
Конструктивно усилитель, счетчик импульсов и источник питания объединены в один блок, который сопряжен посредством кабелей с фотоэлектронной приставкой.
При попадании светового потока, рассеянного частицей бактериального аэрозоля, на катод фотоэлектронного умножителя на выходе его возникает электрический импульс, который усиливается в предуси-лителе и подается на входной вентильный каскад усилителя. Усиленный до необходимой величины импульс поступает на электромеханический счетчик и вызывает его срабатывание. Частота следования импульсов, при которой счетчик безошибочно производит подсчет, составляет примерно 100 импульсов в секунду (6000 импульсов в минуту). Этим обеспечивается надежная регистрация числа частиц. Ошибка за счет инерционности схемы может возникать только в том случае, когда в поле зрения прибора появляются две или более частиц с интервалами времени, меньшими 0,01 секунды, что практически маловероятно. Поэтому ошибка, вызываемая этой причиной, не превосходит 1°/о. Для обеспечения большой точности измерений и для увеличения чувствительности прибора -необходимо особое внимание обращать на увеличение контраста частиц, стремясь обеспечить низкий уровень светового потока от фона поля зрения прибора.
На рис. 2 приведен общий вид установки для автоматического подсчета частиц аэрозоля органического и неорганического происхождения, состоящей из аэрозольной камеры /, ультрамикроскопа 2, фотоэлектронной приставки 3 и блока усиления и счета числа частиц 4. Питание установки осуществляется от сети напряжением 127 или 220 V.
На рис. 3 изображена фотоэлектронная приставка со снятыми передней и задней крышками. Фотоэлектронная приставка к ультрамикроскопу проста по конструкции. Она' может быть легко изготовлена в лабораторных условиях. В качестве усилителя и счетчика импульсов, а также источника питания может быть при необходимости использована промышленная установка типа Б-2 с небольшими изменениями в схеме, которые ясны из приведенной на рис. 1 электронной схемы прибора.
Концентрацию частиц и дисперсный состав при помощи поточного ультрамикроскопа, снабженного фотоэлектронным счетчиком, опреде-
4 Журнал «Гигиена и санитария». № 2
49
ляли как в условиях искусственной бактериальной аэрозольной системы, так и в наружной атмосфере. Искусственный бактериальный аэрозоль создавали в специальной камере объемом 500 л, в которой распыляли водную взвесь палочки чудесной крови (СЬготоЬас1епит ргосП-
giosum).
В камере создавали систему бактериального аэрозоля различной концентрации: распыляли 1-и 3-миллиардную бактериальную взвесь в 1 мл (на 1 л воздуха камеры приходилось 2 млн. и 6 млн. бактериальных тел). После распыления бактериальной суспензии содержимое камеры перемешивалось при помощи вентилятора.
Счет частиц производили двумя метола-ми — учитывалось число частиц аэрозоля, улавли-* ваемых в единицу вр'еме-Рис. 2. Внешний вид установок для автоматиче- ни фотоэлементом и гласного подсчета частиц. зом. Кроме того, определяли также размеры частиц методами дозированного уменьшения освещенности поля зрения. Предварительно методом визуального наблюдения в поточном ультрамикроскопе изучали изменение концентрации бактериальных частиц в
зависимости от времени нахождения аэрозольной системы в камере. Для этой цели определяли концентрацию аэрозоля в единице объема через различные интервалы времени после распыления бактериальной взвеси.
Результаты исследований пркведены в табл. 1.
Рис. 4. Кривая стабильности бактериального аэрозоля в камере.
Рис. 3. Фотоэлектронная приставка.
Таблица 1 [■ Стойкость бактериального аэрозоля в зависимости от времени (средние данные из 10 серий исследований)
Как показывают данные, представленные в табл. 1 и на рис. 4, концентрация частиц бактериального аэрозоля существенно не изменяется в течение 90 минут. Через 1'/г часа наблюдается резкое снижение плотности аэрозоля. Поэтому сравнительные измерения величины концентрации частиц бактериального аэрозоля двумя методами производились в течение 90 минут от начала распыления бактериальной взвеси.
Средние данные из 200 измерений приведены в табл. 2.
Согласно данным, табл. 2, имеется хорошее совпадение результатов, полученных старым и новым способом, с некоторым преимуществом фотоэлектронной установки. При помоши прибора ВДК визуально удается определить в среднем 20 частиц в поле зрения, в то время как фотоэлектронная установка определяет 25 частиц, т. е. 125%. Расчет по формуле содержания абсолютного числа частиц показывает, что фотоэлектронная установка
Таблица 2
Сравнительные данные подсчета числа частиц аэрозоля прибором ВДК визуально и фотоэлектронной установкой (средние данные из 200 измерений)
Поточный ультрамикроскоп Число час-
Условия опыта и тиц бакте-
время наблюдения показа- риального
диаф- ния сче- аэрозоля
рагма константа А тчика оба ем а в 1 мл
До распыления 2 53,4 0.9 203
Распыление 6 3,125-10» 0.9 7 650
Через 15 минут 6 3,125-10» 0,8 7 600
» 30 » 5 9,5-10; 0,6 7 600
> 45 » 5 9,5-10» 0,7 6 650
> 60 » 5 9,5-10' 0,7 6 650
Э 90 » 5 9,5-10! 0.7 6 650
> 2 часа 4 4,11•10! 0,9 2 055
» 2 »/а » 4 4,11-10' 0,9 2 055
» 3 » 4 4,11-10* 1,2 1 644
» 3 1/а » 4 4,1110- 1,2 1 644
> 4 » 3 1,61-10» 1,1 805
э 4 1/2 » 3 1,61-10» 1,1 675
» 5 часов 2 53,4 0,6 426
» 5 »/i » 2 53,4 0,9 267
э 6 » 2 53,4 0,9 267
определяет в среднем на 1567 частиц больше, чем глаз человека при пользовании прибором ВДК.
Результаты этих исследований были подтверждены при использовании в качестве аэрозоля табачного дыма. При визуальном наблюдении число частиц аэрозоля в приборе ВДК составляло при диафрагме 3 и скорости потока 0,5 мл/мин в среднем 142 000 в 1 мл; при пользовании фотоэлектронной установкой удалось определить в среднем 223 200 частиц в 1 мл, что объясняется большей чувствительностью ее.
Следовательно, фотоэлектронная установка дает более близкие данные к истинной концентрации аэрозоля в камере, чем визуальное наблюдение.
Представляет также интерес дальнейшее сравне-
Визуальио
Фотоэлектронная установка
число частиц в поле зрения число частиц в 1 мл число частиц по счетчику число частиц в 1 мл
30 9 660 30 9 660
30 9 660 27 8 800
29 9 "80 34 10 880
15 4 830 30 9 660
13 4 186 24 7 680
22 5 940 30 9 660
23 7 360 20 6 400
23 7 360 25 8 050
22 5 340 24 7 680
25 8 050 29 9 280
16 4 320 26 8 3?0
19 6 080 33 10 560
11 2 970 20 6 400
17 5 440 19 6 080
22 7 040 30 9 660
18 5 760 19 6 080
18 5 760 19 6 080
13 4 186 20 6 400
13 4 186 21 6 720
18 5 760 16 4 320
Средние данные 20 6133 25 7 700
4*
51
ние чувствительности двух методов исследований при помощи дозированного уменьшения освещенности зоны наблюдений, создаваемого в поточном ультрамикроскопе. Результаты исследований представлены в табл. 3.
Т а б л и ц"а 3 Т
Определение дисперсного состава бактериального аэрозоля прибором ВДК (средние данные из 200 исследований)
Дисперсность (радиус) частиц аэрозоля в а Визуально Фотоэлектронная установка
диафрагма число частиц. улавливаемых глазом абсолютное число частиц в 1 мл диафрагма число частиц по счетчику абсолютное число частиц в 1 мл
Общий счет 0,2—0,7 0,7—1,3 1,3-2,0 2,0—2,7 2,7—3,4 3 3 2 1 1 1 20 8 4 5 2" 1 5 450 1 915 360 198 70 39 3 3 3 1 1 1 25 11 4 10 7 2 6 000 2 485 966 397 241 70
Данные табл. 3 также показывают, что при помощи фотоэлектронной приставки к ультрамикроскопу определяется большее число частиц бактериального аэрозоля, чем при подсчете при помощи глаза.
Представлялось также целесообразным выявить максимальную возможность подсчета частиц аэрозоля в приборе ВДК при помощи фотоэлектронной установки и визуально. В отличие от прежних исследований эти опыты ставили с изучением аэрозоля наружного воздуха города, т. е. твердой фазы аэрозоля. Полученные результаты приведены в табл. 4.
Таблица 4
Сравнительный подсчет числа частиц аэрозоля воздуха атмосферы
Визуально Фотоэлектронная установка
число частиц абсолютное число час- число частиц абсолютное число час-
в поле зрения тиц в 1 л воздуха в поле зрения тиц в 1 л воздуха
110 35,42-10» 270 86,40-10»
140 46,20-10» 290 95,70-10»
111 35,74 10» ЗСО 99.СО-10»
119 39,60-10» 346 115.СО-10»
140 46,20-10» 360 118,80-10»
129 42,90-10» 375 125.00 10«
140 46,20-10» 380 128,00-10»
118 39.40 10* 384 128,70-10»
117 38.61 10» 360 118.80-10»
110 35,42-10» 375 125,СО-10»
119 39,60-10» 355 115.60-10»
111 35.74 10» 360 118,80-10*
112 36,96.10« 370 122.10-10»
113 37,5:9-10» 384 128,70-10»
115 37,95-10» 370 122,10-10е
Средние данные 120 39,28-10» 350 110,00-10*
Относительно высокая концентрация твердых частиц объясняется тем, что измерения проводились в непосредственной близости от бетонного завода.
Из табл. 4 видно, что при значительном содержании частиц твердой фазы в исследуемом воздухе в поточном ультрамикроскопе можно определить визуально не более 120—150 частиц в поле зрения микроскопа. Замена глаза высокочувствительной фотоэлектронной установкой в дан-
ном опыте позволила повысить количество сосчитываемых частиц до 350, т. е. почти втрое. Тем самым возможности поточного ультрамикроскопа ВДК значительно расширяются. Как уже упоминалось, на основании расчетных данных по аэрозолю выявлено, что производительность фотоэлектронной установки теоретически возможна до 6000 импульсов в минуту. Практически же в наших исследованиях мы работали в пределах до 1000.
Таким образом, на основании ряда экспериментов были выявлены несомненные достоинства фотоэлектронного счетчика частиц аэрозолей, который по своей чувствительности, быстроте и точности показал результаты, значительно лучшие, чем данные, получаемые глазом наблюдателя при работе с поточным ультрамикроскопом ВДК. Можно полагать, что фотоэлектронная установка, успешно проверенная нами при работе с бактериальным аэрозолем, найдет применение и при изучении аэрозолей другой природы, например при решении ряда вопросов санитарной бактериологии, микробиологии, гигиены, эпидемиологии, ингаляционной терапии и т. д.
Выводы
1. Предлагаемая фотоэлектронная установка совместно с поточным ультрамикроскопом ВДК позволяет проводить объективно, быстро и достаточно точно подсчет частиц аэрозоля органического и неорганическою происхождения.
2. Фотоэлектронная установка и электромеханический счетчик в качестве дополнительных приспособлений к поточному ультрамикроскопу могут быть использованы для автоматического подсчета частиц бактериального аэрозоля в аэрозольной камере.
3. Разработанный прибор в сочетании с поточным ультрамикроскопом может быть рекомендован для изучения количественной характеристики различных аэрозолей с твердой и жидкой дисперсной фазой.
ЛИТЕРАТУРА
Дерягин Б. В., Власенко Г. Я. Коллоидный журн., 1951, в. 4, стр. 249. — Ferry R. М., F л г г L. Е„ Hartman М. G., Chem. Rev., 1949, v. 44, p. 388,— Gucker F Т., O'Konski С. Т.. Pickard Н. В. et al„ J. Am. ehem. Soc., 1947, v. 69, p. 2422, —Gucker F. Т., O'K о n s k i С. Т., Chem. Rev., 1949, v. 44, p. 373.
Поступила 10/V 1960 r.
•k -b TÜr
K ВОПРОСУ О МЕТОДАХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ
Кандидат медицинских наук Э. И. Гольдман Из санитарно-эпидемиологической станции Сталинского района Москвы
В практике исследования загрязнений атмосферного воздуха окислами азота широко применяется метод, основанный на взаимодействии реактива Грисса—Илосвая с азотистыми соединениями. В результате этой реакции образуется азокраситель розового цвета, по интенсивности окраски которого колориметрически определяют содержание двуокиси азота. Далее полученный результат пересчитывают на N2Os.
Указанный метод позволяет определять в атмосферном воздухе только двуокись азота, азотистый ангидрид и нитриты. Вместе с тем хорошо известно, что большинство предприятий, загрязняющих атмосферный воздух окислами азота, выбрасывают в составе хвостовых газов не
