浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置与呼吸气氛形成方法

本发明属于生物医学工程领域，更具体地，涉及一种浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置与呼吸气氛形成方法。

背景技术：

1、在生物医学领域，臭氧暴露实验旨在揭示臭氧环境对人体及动物健康的危害，是环境毒理学的重要研究项目之一。臭氧暴露实验通常是将实验动物暴露在含有稳定浓度臭氧的空气中，观察实验动物的行为和生理指标。臭氧暴露实验装置的功能即提供含有稳定浓度臭氧的空气的实验动物生活空间，其关键技术在于控制臭氧浓度稳定。一般而言实验动物需要暴露较长时间4到6小时，来观察实验动物的变化，而由于臭氧浓度低且不稳定，臭氧需要不断补充以维持浓度，臭氧含量波动明显。

2、为了提高臭氧暴露装置的臭氧浓度稳定性，目前的方案包括扩大臭氧暴露空间、采用传感器闭环控制臭氧浓度。但这些方案都需要大量的硬件投入和控制开销，来维持臭氧浓度稳定，不利于或者不适合小型动物实验或小规模实验。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置与呼吸气氛形成方法，其目的在于通过使含预设浓度臭氧的空气在受限的空间区域内形成稳定的气流稳态，从而稳定臭氧浓度，形成臭氧暴露实验的稳定呼吸气氛，由此解决现有技术为维持臭氧浓度稳定，投入的硬件盒控制开销大的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，包括依次连通的进气管、缓冲盒、暴露室以及出气口；

3、所述进气管的管路上设有单向稳流阀，以预设流速通入含预设浓度臭氧的空气；

4、所述缓冲盒设置于暴露室与进气管之间，具有曲折气道；

5、所述出气口与所述缓冲盒相对设置，其高度低于所述缓冲盒，且其末端开放。

6、优选地，所述浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其出气口面积与进气管横截面积之比(9~25):1。

7、优选地，所述浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其所述缓冲盒与所述暴露室的容积之比小于0.2。

8、优选地，所述浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其所述缓冲盒负载有填料以形成所述曲折气道，所述填料优选为硼硅酸盐玻璃珠；所述缓冲盒气流方向的末端设置有均流孔板，所述均流孔板具有均匀开孔，设置于暴露室内或暴露室与缓冲盒之间。

9、优选地，所述浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其所述单向稳流阀为音速喷嘴。

10、优选地，所述浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其所述暴露室下部设置有集污底盒；所述集污底盒具有镂空上表面，内置氧化性化学吸附剂以及干燥剂。

11、优选地，所述浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其所述氧化性化学吸附剂铺设与干燥剂分层设置，干燥剂层之上形成氧化性化学吸附剂层。

12、优选地，所述浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其所述进气管、缓冲盒、暴露室、以及出气口的内表面为臭氧惰性表面，所述臭氧惰性表面选自氟塑料、氟硅橡胶、臭氧饱和钝化处理的硼硅酸盐玻璃、不锈钢；所述暴露室优选为臭氧饱和钝化处理的硼硅酸盐玻璃；所述进气管、以及出气口的内表面为聚四氟乙烯材质。

13、优选地，所述浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其包括臭氧传感器，所述臭氧传感器设置于与暴露室连通的采样管路中，所述臭氧传感器的设置高度与实验动物呼吸高度相当。

14、按照本发明的另一个方面，提供了一种浓度稳态标定的臭氧呼吸气氛形成方法，其应用本发明提供的臭氧暴露实验装置，以预设流速通入含预设浓度臭氧的空气，维持暴露室正压，直至暴露室内臭氧浓度变化率小于预设阈值且与目标臭氧浓度的差异小于容许误差，形成稳定的含有臭氧的呼吸气氛；按照目标臭氧浓度越大预设流速越高或预设浓度越大的原则，根据标定的先验知识确定通入空气的预设流速和预设浓度。

15、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

16、本发明使含臭氧的空气在受限制的空间范围内形成稳定的气流，从而维持臭氧浓度稳定，形成臭氧浓度及分布稳态，作为臭氧暴露实验的呼吸气氛，通过控制受限制空间范围的含臭氧空气的浓度、进气量来控制呼吸气氛的臭氧浓度以满足实验要求，这种被动稳态结构则提供了恒定的物质输入与输出边界，即使不采用传感器和浓度控制的情况下，能自然稳定臭氧浓度，大幅降低实验设备的硬件和控制开销。

17、优选方案，控制空间内影响臭氧浓度的因素，包括空间内壁材质、实验动物排泄物影响等因素，帮助稳定臭氧浓度，进一步减小臭氧浓度波动幅度。壁面预处理消除了初始吸附这一最快的时间瓶颈，排泄物淬灭处理维持了暴露中后期的化学稳定性，结合被动稳态结构，使得纯机械结构的暴露盒在连续运行4小时内浓度漂移小于±8%，达到与带反馈控制的中端设备相近的性能水平，而成本仅为后者的十分之一以下。

1.一种浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，包括依次连通的进气管、缓冲盒、暴露室以及出气口；

2.如权利要求1所述的浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，出气口面积与进气管横截面积之比(9~25):1。

3.如权利要求1所述的浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，所述缓冲盒与所述暴露室的容积之比小于0.2。

4.如权利要求1所述的浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，所述缓冲盒负载有填料以形成所述曲折气道，所述填料优选为硼硅酸盐玻璃珠；所述缓冲盒气流方向的末端设置有均流孔板，所述均流孔板具有均匀开孔，设置于暴露室内或暴露室与缓冲盒之间。

5.如权利要求1所述的浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，所述单向稳流阀为音速喷嘴。

6.如权利要求1所述的浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，所述暴露室下部设置有集污底盒；所述集污底盒具有镂空上表面，内置氧化性化学吸附剂以及干燥剂。

7.如权利要求6所述的浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，所述氧化性化学吸附剂铺设与干燥剂分层设置，干燥剂层之上形成氧化性化学吸附剂层。

8.如权利要求1所述的浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，所述进气管、缓冲盒、暴露室、以及出气口的内表面为臭氧惰性表面，所述臭氧惰性表面选自氟塑料、氟硅橡胶、臭氧饱和钝化处理的硼硅酸盐玻璃、不锈钢；所述暴露室优选为臭氧饱和钝化处理的硼硅酸盐玻璃；所述进气管、以及出气口的内表面为聚四氟乙烯材质。

9.如权利要求1所述的浓度稳态标定的臭氧暴露实验装置，其特征在于，包括臭氧传感器，所述臭氧传感器设置于与暴露室连通的采样管路中，所述臭氧传感器的设置高度与实验动物呼吸高度相当。

10.一种浓度稳态标定的臭氧呼吸气氛形成方法，其特征在于，应用如权利要求1至9任意一项所述的臭氧暴露实验装置，以预设流速通入含预设浓度臭氧的空气，维持暴露室正压，直至暴露室内臭氧浓度变化率小于预设阈值且与目标臭氧浓度的差异小于容许误差，形成稳定的含有臭氧的呼吸气氛；按照目标臭氧浓度越大预设流速越高或预设浓度越大的原则，根据标定的先验知识确定通入空气的预设流速和预设浓度。