Chem. Senses 35: 109–120, 2010

Производство запахов: динамическая ольфактометрия для измерения порогов

Roland Schmidt and William S. Cain

Аннотация

Данные о порогах запаха для человека различаются настолько значительно, что этого достаточно, чтобы изолировать обонятельных психофизиков и сделать неприемлемым использование этих данных в других областях. Вариация на порядки величин в разных исследованиях, большей частью систематическая, ставит под удар значимые сравнения с животными, сравнения между исследованиями в условиях in vivo и in vitro, поиск молекулярных детерминант активности, а также использование обонятельной информации в защите окружающей среды или в общественной политике в области здравоохранения. Исходя из того, что хорошие результаты эксперимента будут получаться при использовании хороших инструментов, в настоящем докладе описывается система подачи пара и его периферийных устройств, чтобы создать хороший инструмент. Устройство подачи пара 8 (VDD8) обеспечивает гибкость в диапазоне поставляемых концентраций, обеспечивает стабильность поставки, включает поставки ниже части на триллион без растворителя, дает реалистичный интерфейс с испытателями, имеет доступные и сменные компоненты, и приспосабливается к различным психофизическим методикам. Устройство служит чаще всего для измерения абсолютной чувствительности, так как его дизайн обеспечивает получение тысяч оценок в день от испытателей обследуемых одновременно. Полученные результаты показали, что люди более чувствительны и менее изменчивы, чем в предыдущих исследованиях. VDD8 также может служить для измерения дифференциальной чувствительности, дискриминации качества и восприятия смесей и маскировки. Описание стремится дать общую картину, и в тоже время передаёт некоторые особенности дизайна для воспроизведения особенностей устройства в новой или существующей системе. Эти принципы могут применяться к устройствам для испытаний на животных.

Ключевые слова: абсолютная чувствительность, порог восприятия запаха, обоняние, ольфактометрия, психофизика, летучие органические соединения

Факторы, которые необходимо было бы изучить, чтобы разгадать многие методологические влияния на порог превышают любые ресурсы, но переменные, представляющие основной интерес, включают: 1) способ контроля стимула (например, статический против динамического разбавления, использование растворителей), 2) измерения уровня (а именно, никаких усилий, чтобы проверить концентрации), 3) интерфейс между паром и испытателем (например, постоянный поток воздуха, дуновение из бутыли), и 4) психофизический метод (например, использование принудительного выбора; использование метода «да-нет").

Первые 3 переменные включают в себя перенос масс. Были проведены несколько исследований, причём любые измерения концентраций были доступны и показано, что нет потерь при доставке к субъектам. В большинстве исследований сделали ставку на номинальном выражении силы, таком, как концентрация одоранта в растворителе или доля номинально насыщенного пара. Составители баз данных часто вынуждены проводить преобразования результатов, приведенных как концентрация в жидкости или процент "насыщения", в концентрацию паров. Как они это рассчитали, они не говорят. Концентрация в паровой фазе над жидкостью будет зависеть не только от мольной доли растворенного вещества, но и от растворителя ( Cometto-Мунис и соавт. 2Оценки давления пара в литературе также могут отличаться от источника к источнику. При отсутствии попыток подтвердить концентрации, расчет порога влечет за собой догадки. Ситуация усложняется тем, что при нюхании из банки, и даже из воздушного потока может происходить разбавление паров окружающим воздухом, что сделает оценку даже должным образом приготовленной концентрации систематически неправильной.

Четвертая переменная, а именно психофизические методологии, играет свою роль наиболее заметно в отношении доставки реалистичных бланков (холостых проб). Испытатели дают ложные положительные суждения о запахе легко ( Engen 1972 , Cain 1Большинство современных исследователей пытались избежать проблем с помощью использования принудительного выбора. Можно использовать однократную презентацию и соответствующий анализ, но к измерениям обнаружения может быть немного доверия без использования бланков.

Хотя использование бланков может показаться почти тривиальным, это оказалось камнем преткновения, возможно, особенно для сложных устройств. Многие одоранты имеют пороги ниже частей на миллиард, и не менее важно, что некоторые из них будут сильно адсорбироваться на поверхности. При очень низких концентрациях, нет рутинной аналитической процедуры, которая может гарантировать доставку потока свободного от загрязнений в нос, как это требуется по определению. Следовые загрязнения могут сделать бесполезным устройство для измерения порога. Любое устройство с оконечным общим путём доставки рискует переносить загрязнения из опыта в опыт. В своем описании сложного и полезного устройства, Johnson and Sobel (2007) отметили: «В частности, ольфактометр, который мы описали здесь не лишён недостатков... в том, что он основан на одном канале доставки запахов из ольфактометра к испытателю (а не нескольких каналах, по одному для каждого запаха, используемого в данном эксперименте), он склонен к небольшому загрязнению и поэтому не подходит для приложений, таких как измерение порога обнаружения.»(с. 244). Исследователи демонстрирует похвальную честность, потому что только они знают о проблеме. Возможно некоторые из них инвестировали значительные средства в создание устройства и обнаружили, что он не может давать адекватных бланков.

Хотя исследователи могут и не утверждать этого, страх загрязнения, скорее всего, побуждает некоторых из них исследовать только одоранты с соответствующими свойствами: высоким давлением паров, низкой поверхностной адсорбцией и высокими порогами. Такая стратегия исключает тысячи химических веществ, в том числе многие из наиболее интересных, таких как большинство веществ обеспечивающих аромат. Наука о запахах не может развиваться исходя из порогов только для веществ с небольшими, очень летучими молекулами, такими как этиловый спирт и ацетон. Более того, невозможность очистки устройств может объяснить, почему некоторые исследователи используют одни и те же вещества в течение многих лет, даже в исследованиях в области сверхпороговых концентраций.

Некоторые особенности конструкции могут выявить преимущества одного ольфактометра над другим, но никто не может претендовать на успех без учета производительности. Устройство описанное ниже пережило годы эксплуатации без изменения базовой конструкции. Изменения повлекшие дополнения - это порты для отбора проб шприцем. Загрязнение оказалось вопросом не представляющим интереса. Измеренные с помощью устройства значения порогов веществ - одни из самых низких, что является показателем успеха ( табл. 1 ).

Посмотреть эту таблицу:

ñ  В этом окне

ñ  В новом окне

Таблица 1

Пороги запаха в ppb, полученные с VDD8 по сравнению со значениями собранными в работе ​​Девос и др. (1990) , или другими, как указано.

Принципы

Десять принципов, положенные в основу разработки устройства подачи пара 8 (VDD8), названного так, поскольку оно подаёт пары на 8 станций. Поскольку устройство может обеспечивать большие уровни концентраций, достаточные для раздражения (irritation), название "ольфактометр" кажется слишком ограниченным.

ñ  1) "Разрешить создание любого диапазона концентраций (100:1, 1000:1 и т. д.) и любого ряда (2:1, 3:1 и т. д.) в пределах этого диапазона. "

ñ  2) "Создание паров без использования жидких растворителей, кроме воды. " Органические растворители часто имеют запах. С крошечной пропорцией одоранта растворённого в "относительно непахнущем растворителе," растворитель может маскировать запах. Он может адсорбировать на поверхности и препятствовать передаче одоранта.

ñ  3) "Создание стабильных концентраций паров непрерывно в течение суток непрерывной работы. " Сенсорные определения зависят от момента измерения, как показано на стрельчатых формах психометрических функций (например, Каин и Шмидт 2Функция отражает все источники вариации, биологические и физические, в том числе флуктуации раздражителя. Шум в подаваемом уровне может подавлять и искажать функцию.

ñ  4) "Разрешить регулярные измерения как самого уровня, так и изменчивости подачи." Обеспечение стабильности подаваемых концентраций является основой для каждого психофизика, выполняющего количественные измерения. При этом требуется обойти проблему, что человеческий нос часто имеет лучшую чувствительность, чем аналитические инструменты ( турок и соавт. 2Лаборатории обоняния должны иметь фундаментальную возможность для измерения концентраций.

ñ  5) "Обеспечить возможность для тестирования принудительного выбора из 3-х альтернатив. " Тестирование принудительного выбора стало нормой. Устройство, которое позволяет 3-х альтернативное тестирование, может также обеспечить 2-альтернативное тестирование и различные виды психофизических алгоритмов, например, адаптивные методы.

ñ  6) «Моделировать условия естественного нюхания". При нюхании мгновенный расход достигает десятков литров в минуту ( Laing 1982 , 1983 ).

ñ  7) "Позволить одновременное взаимодействие с устройством более одного человека для повышения эффективности тестирования." Параллельное тестирование нескольких испытателей позволяет работать неспешным темпом и поддерживать носы свежими и не останавливаться на адаптацию. Параллельное тестирование обеспечивает эффективность недоступную в серийных испытаниях и позволяет собрать значительный объём данных за день.

ñ  8) "Управлять временной последовательностью тестирования за счет использования автоматизированных команд." Программируемые звуковые инструкции могут вводить режим тестирования испытателям одновременно.

ñ  9) «Использовать интерактивные таблицы для расчета ожидаемых концентраций и других условий." Оператор должен решить, какую концентрацию подать, есть ли запас веществ расходуемых во время тестирования, может ли концентрация в линии превысить концентрацию насыщенного пара, должно ли разбавление проходить в одну стадию или в несколько, и так далее.

ñ  10) "Быть готовым к худшему относительно загрязнения, используя запасные части по умеренной цене". Тщательным уходом следует избегать загрязнения. Аварии могут произойти, но должны вызывать минимальные нарушения.

Предшественники

VDD8 обязан некоторыми аспектами дизайна Эндрю Дравниексу, который создал два устройства, отличающиеся простотой и надежностью ( 1974 Dravnieks , 1Более популярное устройство "Ольфактометр динамического разбавления по двоичной шкале" состоит из 8 портов, которые выделяют 160 мл / мин одорированного воздуха через сопла. Две линии питают каждый порт (сопла), одна паром, а другая воздухом. Капиллярные трубки из 2-коллекторов определяют скорость потока в портах. Следовательно, порт, который обеспечивает 2-кратное разбавление исходной концентрации имеет линию, которая питается 80 мл / мин одорированного воздуха и 80 мл / мин воздуха помещения на своё сопло. Аквариумный насос подает воздух и маностат водяного столба поддерживает давление на коллекторах. Слово "двоичный" в названии происходит от шага 2:1 между разбавлениями. Три особенности делают устройство уникальным: 1) оно устанавливает параллельные серии концентраций (фиксированный диапазон 128:1) доступен всегда; 2) все линии несущие пары поддерживаются при одной и той же концентрации, меняется только расход подачи в порт, и 3) все части могут подвергаться очистке, а линии замене. Выбор Дравниексом скорости подачи исходит от намерения позволить устройству работать в любом хорошо проветриваемом помещении. Его площадь равна всего 0,17 м2 (1,9 футов2). Он рекомендовал устройство для сравнения ощущаемой интенсивности одного запаха к запаху стандарта ( Американское общество по испытанию материалов 2004 ).

Второе устройство, "Динамический ольфактометр тройного принудительного выбора", следует тем же принципам, как двоичные устройства, но дает 3 варианта через три сопла проведённых в пластиковом стакане к каждой из 6 станций. Дравниекс планировал прибор для измерения порога (Dravnieks и Прокоп 1Разбавление от одной станции к другой равно 3:1, с расходом на сопло 1 или 3 л/мин. В то время как функции устройства Дравниекса перенесены в конструкцию VDD8, выбор скоростей потока и интерфейс между субъектом и устройством были взяты частично. Как уже было отмечено, когда испытатели нюхают, они достигают высоких скоростей потока за секунды и даже менее. Если устройство не в состоянии удовлетворить спрос, окружающий воздух войдет и разбавит концентрацию в носу. Поставка необходимых скоростей потока из сопел устройства Дравниекса дала бы ощущение отвращения, почти как из шланга сжатого воздуха. Однако, как оказалось, использование конических портов поставки обеспечивает высокие скорости потока без дискомфорта (Gunnarsen и др. 1994.). Устройство, описанное ниже, включает множество других возможностей для достижения целей, перечисленных выше.

Дорожная карта

Устройство и процедуры, изложенные ниже, могут служить для того, чтобы дать ответы на некоторые вопросы, которые могут возникнуть у некоторых людей, не желающих вкладываться в такое рискованное начинание, как ольфактометрия. Те же, кто рискнул должны по существу ответить на такие вопросы, как:

ñ  Могу ли я представить количественные дозы паров без использования органических растворителей?

ñ  Если я работаю без органических растворителей, должен ли я исключить изучение веществ с очень низкими порогами?

ñ  Если вещество имеет некоторую растворимость в воде, могу я использовать это свойство, как преимущество?

ñ  Как я могу удостовериться, что аппаратное обеспечение, используемое для дозирования запаха, имеет диапазон мощности, необходимый для работы с веществами сильно отличающимися по свойствам?

ñ  Могу ли я рассчитать результаты в различных ситуациях, таких, как разные стартовые уровни и разные концентрации в растворителе?

ñ  Если я не могу физически измерить конечную подачу одоранта с очень высокой активностью (например, порог 1 ppt), могу ли я исследовать его, могу ли я измерить его в другом месте, а не в точке подачи?

ñ  Как калибруется аналитический инструмент?

ñ  Какая степень вариабельности обычна в аналитических измерениях?

ñ  Должен ли я использовать контроллеры массового расхода (MFC) для всех измерений расхода?

ñ  Есть ли абсолютный стандарт для измерения расхода?

Ответы на эти и другие вопросы находятся ниже, либо в основном тексте либо в приложении (дополнительный материал). Хотя в тексте речь идёт о конкретном устройстве подачи запаха, описания относятся скорее к ольфактометрии, а не к самому устройству. Устройство служит в качестве образца, и решением примера можно проиллюстрировать математические принципы. Логическая последовательность текста идет следующим образом: 1) введение в устройство, которое на первый взгляд на схему может показаться сложным, но должно выглядеть проще по мере освоения материала. 2) Текстовые инструкции, позволяющие читателю взглянуть сначала только на ту часть, где вещество поступает, а затем рассматривается вопрос о том, что выйдет в конце на испытателя. 3)Чтобы узнать, каков будет результат, оператор должен предвидеть потоки и разбавления, а расчётные таблицы показывают, как достичь желаемого результата. 4) Расчётные таблицы подготавливают читателя к пониманию компонентов устройства, так как эти компоненты выполняют ту роль, которую читатель увидел в таблицах. 5) Чтобы знать, что устройство отвечает своей цели, калиброванный физико-химический прибор должен измерять концентрацию пара. 6) Если измерение подтверждает ожидания, тогда оператор может собирать психофизические данные, но необходимо понимать, что интерфейс между устройством и испытателем должен обеспечить гарантии того, что пар идет туда, куда и предназначено в нос.

Предыдущий раздел Следующий раздел

Конструкция и эксплуатация

Генерация стимула

VDD8 работает при комнатной температуре. В большинстве случаев оператор будет подавать жидкие летучие органические соединения (ЛОС), через программируемый шприцевой насос в линию, которая идет к обогреваемому блоку, поддерживаемому при температуре чуть ниже температуры кипения (см. Рисунок 1 ). Подаваемый поток азота контролируется через МФЦ и проходит через блок для транспортировки вещества в ёмкость для пара. Повышенная температура нагрева блока повышает скорость превращения жидкости в пар. Ёмкость для пара позволяет вновь созданной смеси азота и летучих органических соединений пребывать около 30 секунд, до того как она входит в разбавительную часть устройства. Оператор может отобрать пробу смеси через прокладку в стенке ёмкости для пара.

Посмотреть большую версию:

ñ  На этой странице

ñ  В новом окне

ñ  Скачать как слайдов PowerPoint

Рисунок 1

Схема показывает основные части VDD8. Генерация паров начинается с потока инертного азота (питающий поток) через MFC к нагревателю, который получает поток жидкости из шприца. Затем пар поступает в 1,9 л ёмкость пара (большой цилиндр). Пар может затем пройти через аттенюатор разбавляющий его в одну или 2 стадии (до :1), либо в обход аттенюатора. Когда пар поступает в распределительную магистраль, он распределяется на 8 (или 4) линий, каждая на 1 конус из 3 на станции. (Распределительный коллектор на 8 линий может преобразовываться в два коллектора на 4 линии и работать независимо. Альтернативный генератор пара относится к установке, которая дублирует компоненты, описанные пунктирной линией). Чуть ниже того места, где поток входит в конус, установка позволяет производить отбор проб пара. Поток пара поступает в нижнюю часть конуса, где он смешивается с фоновым потоком воздуха обеспечиваемым воздуходувкой (безмасляный кольцевойкомпрессор). Все конусы получают одинаковый поток воздуха, как правило, 40 л/мин, очищаемый активированным углем только перед подачей в конус. Перфорированный диск в каждый конусе создает турбулентность для содействия смешиванию. Устье конуса дает третье место, где можно отобрать пробы для проверки концентрации паров. Фото вставка дает ощущение масштаба, с распределительным коллектором на 8 линий, блоком на 4 - ротаметра аттенюатора над ним, и блоком на 4-ротаметра одоризатора. Этот рисунок появляется в цвете в онлайн-версии Chemical Senses .

Приложение ( дополнительный материал ) представляет собой описание некоторых ключевых компонентов. Двойная экспозиция должна позволить читателям, которые хотят усвоить принципы сделать это, и тех, кто желает реализовать принципы на практике сделать это также. Следующий раздел посвящен прогнозированию выхода VDD8.

Интерактивные таблицы

«Интерактивные таблицы" играют важную роль для понимания VDD8. Оператор должен создать соответствующую таблицу перед испытанием нового вещества. Это может позволить оператору предвидеть различные пути для достижения интересующих концентраций.

Одоранты различаются по потенциалу примерно на 10 порядков величины. Оператору необходимо также рассмотреть вопрос о рабочем диапазоне шприцевого насоса и о количестве вещества, потребляемого за часы работы.

Таблицы, показанные на рисунке 2 (http://chemosensory. ucsd. edu/ и дополнительный материал) позволяют оператору предвидеть параметры для поставки в исследовании D-лимонена. Оператор заполняет места в затененных клетках в разделе "свойства материала" (молекулярная масса, плотность и давление пара) и в разделе "настройки VDD". Рассмотрим ячейку "желаемая концентрация на станции № 1." Эта станция будет представлять самую высокую концентрацию, поэтому оператор должен ожидать от испытателей, что они обнаружат её легко. При выборе численного значения можно руководствоваться данными из литературы. Среднее геометрическое из списка в ван Gemert (2003) указывает на порог в 141 частей на миллиард, но содержит одно значение намного выше других. При том, что выброс удален, список подразумевает порог в 70 частей на миллиард. В попытке сохранить поставку в общем диапазоне, оператор может выбрать ввести 100 частей на миллиард. Остальные элементы в столбце состоят из обычных параметров испытания. Скорость потока 2000 мл / мин на станции 1 устанавливает ряд вполне измеримых расходов до станции 8 с прогрессивной шкалой (2-кратное разведение). " Расход на конус" 40 л/мин равен проектной скорости для VDD8, хотя другие значения можно также выставить. Температура 295,15 К равна комнатной температуре (22 ° C). "Ослабление" 1 раз означает, что смесь D-лимонена и азота достигнута и не требует разбавления (аттенюации), прежде чем она попадает в распределительную магистраль. Поток из ёмкости пара поэтому может идти в обход аттенюатора. Задание 1 для аттенюатора, однако, водится, как предположение. Расчёт покажет качество предположения.

Посмотреть большую версию:

ñ  На этой странице

ñ  В новом окне

ñ  Скачать как слайдов PowerPoint

Рисунок 2

Верхняя часть: таблица для настройки VDD для данного результата, в этом случае для D - лимонена при максимальной концентрации 100 ppb и 2-кратными разбавлениями на 8 станций. Пользователь вводит информацию в левых столбцах таблицы и получает информацию в правых столбцах. В настройках VDD информация помеченная звездочками представляет, что обычно используется для получения данных для психометрических функций. Ввод 1 для аттенюатора является стартовой точкой, которая может нуждаться в корректировке. В рассчитанных свойствах, информация со звездочкой (верхняя ячейка) лежит ниже номинального минимума подачи жидкости из шприца. В таком случае, оператор может увеличить ввод для аттенюатора. Игнорируя, что на этот момент, рассчитанные свойства не представляют других проблем. "Динамический диапазон" от 128:1 просто представляет 7 последовательных уполовиниваний самой высокой концентрации. Расчет максимального потока без конденсации показывает, что скорость подачи 0,05 мкл / мин находится очень далеко от скорости, которая приводит к «конденсации». Поэтому, таблица даёт ответ: "Нет". С вводом 1 для аттенюатора, "концентрация в ёмкости для пара" и концентрация на конусах одинаковы, и в данном случае равны 2 ppm. Предполагая, точную калибровку 8 ротаметров распределительной магистрали, значения в таблице концентраций на конусах: 100 ppbv, 50 ppbv и т. д., должны держаться хорошо. Нижняя часть: нижняя часть таблицы отличается от верхней в небольшой, но существенной мере. Поскольку в верхней указана скорость подачи жидкости ниже критической для равномерной поставки, оператор ввёл 20 на аттенюатор. При расчетной скорости подачи жидкости 1,07 мкл / мин, примерно в 4 раза выше критического значения, единственное другое изменение в нижней части появляется в концентрации в ёмкости для пара, где она увеличилась в 20 раз. Аттенюатор, предназначен для разбавления концентрации. Этот рисунок появляется в цвете в онлайн-версии Chemical Senses .

"Расчетные свойства" дают 2 важных ответа в верхних ячейках: скорость подачи жидкости из шприца и общую скорость потока азота, обеспечивающую соответствующий поток до станций. Скорость подачи жидкости будет иметь определенные ограничения при высоких и низких значениях. При высоких значениях, скорость может привести к перенасыщению потока азота. Оценка, показанная в ячейке "концентрация насыщенного пара" указывает, сколько ЛОС с давлением пара 1,7 мм Hg поток 3,98 л/мин может содержать при комнатной температуре. Как показано на рисунке 1, преобразование ЛОС из жидкости в пар происходит при температуре значительно выше температуры окружающей среды, которая может позволить потоку держать высокую концентрацию. Охлаждение потока в ёмкости для паров может вызвать снижение концентрации за счёт конденсации. Расчет гарантирует, что поток содержит не больше, чем может содержать при температуре 22 ° C. Расчётные скорости находятся далеко от области насыщенного пара. Ситуация может измениться если оператор подаст более высокие концентрации, например, в случае исследования раздражения. Чтобы гарантировать, что оператор заметит рассчитанную перенасыщенность, ячейка предупреждает "да" или "нет" по мере необходимости.

В сноске к ячейке "скорость подачи жидкости" показано, что скорость подачи должна превышать 0,25 мкл/мин. При более низких скоростях, насос может показать нетривиальный гистерезис. (Как следует из названия, ёмкость для пара существует, в частности, чтобы ослабить гистерезис). В данном случае расчетная скорость почти в 5 раз выше минимальной и вопрос снимается.

Две нижних ячейки расчётных свойств показывают концентрацию в ёмкости для пара и на конусах, соответственно. Обе равны 2 ppm, количество измеряемое вводом проб шприцом в газовый хроматограф с детектором ионизации пламени (GC-FID), например. В таблице в разделе "концентрация в конусах" показаны номинальный концентрационный ряд и потоки пара в конусах.

Чтобы справиться с проблемой, когда расчётная скорость подачи жидкости находится ниже номинального минимума почти в 5 раз, оператор может увеличить аттенюацию. Ввод 20 увеличит скорость подачи соразмерно, до приемлемых 1,07 мкл/мин, и концентрация в ёмкости для паров увеличится с 2 до 40 ppm. При аттенюации более 1, оператору потребуется переключить поток от ёмкости для пара на аттенюатор ( рисЧасть потока сможет выйти из устройства через фильтр выхлопных газов, остальное пойдёт в распределительную магистраль. Даже с учетом необходимости сброса некоторой части пара, количество жидкости, используемой в течение 8 часов испытаний будет равно только 0,51 мл.

Хотя он и предназначен для поставки веществ без использования растворителей, VDD8 может работать с одним веществом, растворенным в другом, желательно только в воде. Рисунок 3 показывает случай для этилового н - бутирата, с использованием 0,005% раствора. Таблицы ( http://chemosensory. ucsd. edu/ и дополнительный материал ) теперь имеют 2 колонки для ввода свойств, по одной для растворенного вещества и для растворителя. Что касается настроек, ячейка "концентрация растворенного вещества" заменила ячейку аттенюация, так как растворитель обеспечивает разбавление. В рассчитанных свойствах, ячейка "максимальный поток без конденсации" показывает более низкий процент для растворителя, что составляет 99,995% раствора. В этом примере для этилового бутирата, даже концентрация в ёмкости для пара находится ниже измеримого с помощью отбора пробы шприцем, этот вопрос рассмотрен ниже.

Посмотреть большую версию:

ñ  На этой странице

ñ  В новом окне

ñ  Скачать как слайдов PowerPoint

Рисунок 3

Показывает версию интерактивной таблицы для использования с ЛОС с очень низким порогом и небольшой растворимостью в воде (этиловый н -бутират) и растворитель вода, а не предварительного разбавления азотом. Также как это сделано для таблиц на рисунке 2, она имеет ячейки для ввода данных пользователем. Вместо ячейки для аттенюации, имеется ячейка концентрации растворенного вещества. В данном случае, когда раствор загружается в шприц, он содержит 99,995% воды, концентрация водяного пара в потоке будет лимитировать максимальную скорость подачи шприцевого насоса. В ячейке расчётной скорости подачи жидкости максимальная концентрация ЛОС 0,25 ppbv, концентрация водяного пара в потоке (735 ppm) составляет лишь 3,2% от концентрации насыщенного пара. Этот рисунок появляется в цвете в онлайн-версии Chemical Senses .

Концентрация водяного пара находится в этом случае примерно в 30 раз ниже концентрации насыщенного пара. Если необходима более высокая скорость инъекции и нет возможности растворить в воде большее количество вещества, тогда концентрация в воде может стать проблемой.

Аттенюатор

Для использования VDD8 в режиме, который позволяет избежать органических растворителей, оператору, возможно, потребуется привлечь аттенюатор на 1 или 2 ступени разбавления ( рисСтадия аттенюации влечет за собой бифуркацию потоков одорированного азота из ёмкости для пара. Один поток идет на выхлоп, а другой следует в распределительную магистраль. Когда это происходит, поток азота через второй MFC (Make-Up 1) разбавляет его до 800:1, с восстановлением первоначального расхода (3,98 л/мин). При аттенюации 20, концентрация на конусы остается, как и задано, а концентрация в ёмкости для пара увеличивается в 20 раз ( рис. 2 ).

Первый этап аттенюации может принести самые низкие уровни серии до десяти частей на триллион. Поскольку пороговые значения, могут лежать в этом диапазоне и всегда хочется, проверить ниже порога, на втором этапе можно добиться дальнейшего ослабления, 1000:1. Таким образом, диапазон равен :1 и поставки могут достигать десятков частиц на квадриллион. При второй стадии аттенюации, еще один поток азота (Make-Up 2) подключается и разбавляет уже разбавленный поток летучих органических веществ с восстановлением первоначального расхода.

Управление потоками в аттенюаторе основано на ротаметрах, которые имеют следующие преимущества: 1) гибкость, потому что диапазоны ротаметров можно легко переключить на выходе. (Возможен выбор, который может расширить диапазон за :Хотя МFС имеют фору независимости скорости потока от давления, у них есть недостаток - возможные необратимые загрязнения; ротаметр можно мыть, а MFC нет. В VDD8, MFC вступают в контакт только с инертным газом.

Распределительная магистраль

Когда поток выходит из аттенюатора или идёт в обход, он распадается на параллельные пути, каждый из которых отправляется на станцию. Из 3 конусов станции только один получает поток пара в любой момент времени. Все 3 имеют фоновый поток.

Когда необходимо измерять резко ускоренные психометрические функции для хеместесиса (chemesthesis), например, 4-х уровней может быть достаточно (см. Каин, Шмидт и Jalowayski 2Два комплекта из 4 уровней доступны одновременно и можно удвоить производительность тестирования. Можно также запустить устройство на 2 одоранта. Клапан может разделить распределительную магистраль пополам, и оператор может добавить компоненты для генерации второго вещества (альтернативный блок генерации).

Ниже конуса, в линии пара, тройник предоставляет доступ к потоку через прокладку. Все тройники ниже активных конусов содержат одинаковые концентрации летучих органических соединений. Концентрация в линии пара будет превышать концентрацию в активном конусе на множитель, обратно пропорциональный расходу пара, делённому на расход плюс поддув 40 л/мин. Если станция 1 получает пар при 2 л/мин, то его концентрация будет равна [2 / (2 + 40)] х 100% = 4,8% от подачи пара. В зависимости от свойств летучих органических соединений, можно отобрать пробу прямо из самого конуса.

Калибровка

Калибровка VDD8 влечет за собой измерение потоков. Ротаметры (измерители расходов переменной площади) поставляются с графиками для указанного газа и могут иметь шкалы в интересующих единицах (например, л/мин). Индивидуальные трубки могут варьироваться и требуют проверки относительно первичного стандарта. Калибратор потока (Gilibrator-2, Sensidyne, Inc), основанный на движении мыльной плёнки в трубке, обеспечивает абсолютный стандарт. Показания будут зависеть от температуры и давления, поэтому трубки необходимо калибровать в условиях их использования, вопрос, касающийся аттенюатора (обратное давление 15 МПа [1.03 бар]). Оператор калибрует потоки периодически. По опыту работы VDD, настройки остаются такими же, как во время тестирования, даже через день, так что оператор не обязан перенастраивать ротаметры. Это сводит к минимуму ошибки, которые могут возникнуть при смене настроек.

Калибровка распространяется на инструменты, используемые для подтверждения поставки. В истории VDD8, это были:

ñ  Для большинства ЛОС, газовый хроматограф (ГХ), оснащенный универсальным детектором, таким, как пламенно-ионизационный детектор (ГХ-ПИД) или детектор фотоионизации (ГХ-ФИД).

ñ  Для хлорпикрина, ГХ с детектором электронного захвата (ГХ-ДЭЗ).

ñ  Для глутарового альдегида, высокоэффективный жидкостной хроматограф (ВЭЖХ) с УФ-детектором.

ñ  Для озона, хемилюминесцентный анализатор озона (модель 265A, Teledyne API).

ñ  Для суммарного содержания ЛОС, широкополосный анализатор с ФИД (ppbRAE, RAE Systems, Inc.)

Можно калибровать ГХ и высокоэффективный жидкостный хроматограф введением жидких проб в растворителе, который выходит с временем удерживания отличным от растворённого вещества (рис. 4). Отклики ГХ поддерживают линейность от концентрации в несколько порядков. Оператору может и не понадобиться калибровать анализатор на конкретное вещество. Хемилюминесцентный анализатор проходит калибровку на заводе. Можно откалибровать широкополосный анализатор по парам стандартов.

Валидация

Подтверждение выхода из VDD8 происходит при измерении концентраций калиброванным прибором. Сложность проверки, возможно, побудила некоторых и, возможно, многих исследователей обоняния сказать: "Так как я не могу измерить концентрацию вплоть до порогового уровня, я могу не измерять её вовсе". Поэтому, отказ от измерений стал обычным делом.

Приведенные ниже примеры дают некоторое представление о том, как проверить концентрацию. Список вряд ли исчерпывает все возможности. Оператор должен рассматривать вариант "без проверки" как недопустимый в настоящее время. Даже измерение концентрации только в одном месте, в ёмкости для пара, обеспечивает важный шаг вперёд, и это лучше, чем отказ от проверки (рис. 1).

Прямой отбор проб требует инструмента, который может показывать массу в отобранной пробе. Рисунок 4 иллюстрирует случай прямого отбора проб шприцем (250 мкл) из конусов и анализ галогенсодержащего вещества хлорпикрина на ГХ-ДЭЗ. В левой части показана, калибровочная функция для ГХ, где ввод жидкости (0,5 мкл) хлорпикрина в н - гептане даёт единицы площади, показанные по оси ординат. Оператор периодически проводит перекалибровку в случае, если детектор изменил свою чувствительность. Обычно, калибровочные кривые показывают небольшую случайную ошибку (коэффициент вариации [CV] в несколько процентов), потому что источниками ошибок являются только приготовление растворов, введение постоянного объема и внутренняя вариабельность прибора. Поскольку измерения в ходе проверки проводятся с паром, то они обычно имеют более высокий [CV], возможно, 10-15%. Измерения повторных инъекций шприцем паровой фазы над чистыми ЛОС были проведены с VDD8 ( Каин и Шмидт 2В обоих случаях коэффициенты вариации были около 10-15%, что означает, что VDD8 не внёс добавочной вариации.

Посмотреть большую версию:

ñ  На этой странице

ñ  В новом окне

ñ  Скачать как слайдов PowerPoint

Рисунок 4

Показаны 3 примера калибровки аналитических приборов и проверки доставки VDD8. "Верхний ряд" показывает калибровку отклика от ГХ-ДЭЗ с вводом жидкости (0,5 мкл) хлорпикрина в н -гептане и подтверждение поставки при вводе 250 мкл проб пара из конусов. Средний CV прямого ввода проб пара равен 10%. "Средний ряд" показывает калибровку отклика от ВЭЖХ для инъекции жидкости (20 мкл) глутаральдегида-бис-ДНФГ в ацетонитриле и подтверждение поставки с вводом жидких проб тех же продуктов реакции (производных), полученных после захвата глутаральдегида на обработанные фильтры и реакции захваченного материала с ДНФГ и фосфорной кислотой. CV составила 10%. "Нижний ряд" показывает калибровку отклика от ГХ-ПИД с вводом жидкости (0,5 мкл) этилового н - бутирата в этаноле и подтверждение поставки из проб термически десорбирующихся паров, отобранных из конусов на Tenax.

В ходе одного из исследований с VDD8, применили анализатор фирмы Teledyne Instruments API Model 265A хемилюминесценции озона, который обеспечивает мониторинг уровня озона от 100 ppb до 0,6 ppb ( Каин, Шмидт и Wolkoff 2Монитор показал стабильность в несколько процентов в течение за все дни работы с VDD8.

Концентрирование влечет за собой использование специальных сред, таких как активированный уголь, Tenax, или обработанный фильтр, для улавливания летучих органических соединений из большого объема. Это может оказаться необходимым, когда отбираемая проба имеет слишком мало массы для регистрации отклика или когда используемый стандартный метод требует концентрирования. Такой метод применялся при исследовании глутаральдегида ( ​​Каин, Шмидт и Jalowayski 2Администрация США по безопасности и гигиене труда (OSHA) требует, при отборе проб для измерений по методу (# 64), чтобы объем воздуха проходил через кассеты, которые содержат 2 фильтра из стекловолокна, каждый из которых пропитан 2,4-динитрофенилгидразином (ДНФГ) и фосфорной кислотой ( о безопасности и гигиене администрации 1Персональные насосы прокачивают 15 или 60 л через фильтры, в зависимости от концентрации пробы). Анализ включает экстракцию ацетонитрилом и ввод глутаральдегида-бис-ДНФГ на ВЭЖХ. Концентрирование означает потерю информации об изменчивости мгновенных проб. Коэффициент вариации CV повторных проб на рисунке 4 составил 10%. Умножение на коэффициент 2 подразумевает диапазон ±20%, то есть 2 стандартных отклонения выше и ниже среднего, которые по существу соответствуют диапазону обнародованому OSHA, ± 25%. Таким образом, VDD8 не привёл к заметной дополнительной изменчивости.

Усиление (amplification) включает калибровку с более высокой концентрацией, чем планируется поставить испытателям. Оператор может использовать усиление отдельно или совместно с концентрированием. Усиление может сохранить информацию об изменчивости отдельных испытаний, в то время как интегрирование не может, при этом неизбежны потери для некоторых веществ с очень низкими порогами. Рисунок 4 показывает пример усиления и интегрирования для этилового н - бутирата.

Как часто бывает, данные из литературных источников предлагают оператору начинать с концентраций гораздо выше измеряемого порога. Важное руководство ( Cheremisanoff 1999 ), приводит порог для этилового бутирата 150 ppb. Примем, что в пределах области поставок, можно использовать максимум около 2,5 ppm и минимум 39 ppb. В таблице на рисунке 3 показан диапазон, который на самом деле необходим для VDD8, максимум до 250 ppt (0,250 ppb) и минимум 2 ppt (0,002 ppb), то есть 4 порядка ниже значения, предложенные для порога в справочнике. Рисунок 5 показывает, насколько хорошо отдельные испытатели могут обнаружить эти уровни. Калибровочная кривая на рисунке 4 исходит из 0,5 мкл инъекций этилового бутирата в этаноле. Проверка исходит из проб пара, объёмом 30 л, которые адсорбируются на Tenax-TA/Carboxen-1000/Carbosieve S-III при отборе из конуса, а затем термически десорбируются в ГХ-ПИД. Для этого оператор усилил поставку в 62,5 раз для серии от 125ppt до 16 ppt. Постановка измерения, как описано ниже, как правило, устраняет необходимость в усилении.

Посмотреть большую версию:

ñ  На этой странице

ñ  В новом окне

ñ  Скачать как слайдов PowerPoint

Рисунок 5

Показано, как хорошо 4 молодых испытамужчины и женщина) обнаружили тутти-фрутти запах этилового бутирата в 3-х альтернативном испытании принудительного выбора, с концентрацией до 2 ppt. Испытатели дали информированное согласие на участие в исследовании в протоколе, утвержденном экспертным советом университета. Каждый внёс 100 суждений на точку в течение 3 дней тестирования. Порог оказался в среднем 15 ppt, на 4 порядка ниже, чем указано в Руководстве по промышленной токсикологии и опасных материалах ( Cheremisanoff 1Более подробную информацию о протоколе, такую, как тайминг, смотри в приложении ( дополнительный материал ).

Постановка измерения относится к предварительной оценке концентрации до конечного разбавления. Проверка этилового бутирата имела место ещё до установки тройников пробоотбора в VDD8. С установленными тройниками оператор может брать пробы до разбавления фоновым воздухом ( рис. 1 и 3 ). В случае D-лимонена, например, оператор может измерять количество 2 ppm в любой линии на активный конус, а не количество от 100 ppb до 0,78 ppb. Пробы до станций, а затем простой расчет разбавления фоном, дал оценку вариации поставляемого уровня лимонена 12%. Пробы, взятые из тройников стали нормой как для измерения уровня, так и вариации поставки. Во время психофизического испытания оператор отбирает пробу каждый час.

Если другие варианты для проверки предлагают недостаточную концентрацию, ёмкость для пара может служить для проверки. При этом можно, по крайней мере, проверить концентрацию порождаемую питающим шприцем.

Смеси и маскировка

Конусы позволяют введение более чем одного вещества. Две и даже 3 трубки из нержавеющей стали можно ввести в пробку и смешать с фоновым потоком. VDD8 также может поставлять смеси путем добавления летучих органических соединений в фоновый поток ( рисЭтот маневр позволяет изучать эффект маскировки, когда испытатели стремятся обнаружить наличие сигнала одного качества на фоне другого. Блок с 4 параллельными каналами может обеспечить введение одного ЛОС в фоновые потоки 2, 4, 6, или всех 8 станций или до 4-х различных ЛОС распределяются между 2-мя станциями за один раз. Таким образом, станции 1 и 2 могут иметь один ЛОС в фоновом режиме, станции 3 и 4 другой, и так далее. При исследовании маскировки, концентрация летучих органических соединений в фоновом режиме будет оставаться постоянной, но можно варьировать уровни. Таким образом, 4 пары станций могут иметь 4 различных уровня одного ЛОС или 2 уровня 2-х ЛОС.

Для запуска VDD8 в режиме маскировки, оператору необходимо удалить уголь из линий фона. Компрессор черпает воздух из комнаты. Воздух проходит через пылевой фильтр на входе. Он может пройти также через слой угля. К счастью, компрессор не создает заметного загрязнения. Он не имеет масла и конденсата в линии. Выборочное использование угля для фильтрации в линиях запахов может фактически создавать станцию ​​с ЛОС в фоновом режиме для конусов 1 и 2, но не для 3, и так далее.

Камеры

VDD8 может подавать пары в камеры и тем самым создавать условия для изучения окружающего воздействия (см. приложение [ Дополнительные материалы ]). Камеры могут служить не только для экспозиции испытателей в парах, но и для контроля окружающей среды до проведения тестирования. Обработка в атмосферы камер активированным углем может уменьшить воздействие загрязнения приносимого в лабораторию по вентиляции. Если испытатели находятся в камерах они могут переходить от измерения к измерению без воздействия нефильтрованного воздуха (Каин, Шмидт и Wolkoff 2007).

Предыдущий раздел Следующий раздел

Обсуждение

Когда представлена проба ЛОС, ученый может спросить: "Как это пахнет?" Дуновение может быстро дать ответ, что, однако субъективно. Ученый также может спросить: "Каков порог этого запаха?" Дуновение само по себе не может дать такой ответ. Некоторые вещества с подавляющими запахами при аккуратном обращении могут иметь высокие пороги, а некоторые с более умеренными запахами могут иметь чрезвычайно низкий порог. Чтобы узнать ответ, надо измерить, задача, которая может показаться настолько простой, что любой студент-химик мог бы сделать это. История сбора данных о порогах говорит об ином. Исследователи не доверяли значениям, полученным другими исследователями, и поэтому повторяли их, и как правило, их скептицизм был вознаграждён получением других значений. Следующий исследователь делает то же самое, и его скептицизм вознаграждён снова. В конце концов, он имеет базу данных с погрешностью ± 1000%. Когда это выяснилось, могло показаться, что исследования отличаются, потому что чувствительность испытателей в одной группе может превышать чувствительность другой группы на несколько порядков. Данные, полученные на VDD8 говорят об ином. Они говорят, что обоняние нормальных людей не отличается по величине больше, чем слух, около полутора порядков. Одна группа испытуемых не должна отличаться от другой более чем на малый фактор. Если, вместо этого, разница достигает уровня статистической значимости, тогда нужно спросить, почему разница существует. В исследовании влияния фильтрации воздуха в комнате через уголь на порог D - лимонена, в группе из 13 испытателей различия менее чем на 2:1 для этого систематического эффекта. Результаты оказались значимы на P <0,005 ( Каин, Шмидт и Wolkoff 2В области измерений, где порядки величин казались просто рябью на воде, разница всего в 80% может показаться безнадежно несущественной.

VDD8 представляет собой фактический инструмент, но что еще более важно воплощает подход к измерению запаха. В недавнем сравнении Cometto-Мунис и соавт. (2008) обнаружили, что пороговые значения для ацетатов, полученные с VDD8 лежат примерно в 200 раз ниже, чем полученные ими ранее значения с использованием сжимаемых пластиковых бутылок ( Cometto-Мунис и Каин 1Таблица 1 показывает общую картину того, как пороги, измеренные VDD8, соответствуют опубликованным значениям, например, от Девос и др.. (1990) или, при отсутствии у Девоса, значениям других авторов. Уроки здесь не претендуют на гегемонию, хотя выпадают из общей картины. Речь здесь идёт о полезности архивных данных.

Инструмент, такой как VDD8 может позволить гибкость в диапазоне исследуемых концентраций, свободен от растворителей, обеспечивает стабильность поставок, имеет реалистичный интерфейс с испытателями, доступные компоненты и приспособлен к изменениям психофизической методологии. Он с лёгкостью может служить для измерения дифференциальной чувствительности. Он может служить для измерения качества запаха и для измерения смесей и маскировки. VDD8 способствует одновременному тестированию испытателей, сбору многочисленных откликов в течение дня, но все же в неторопливом темпе. В обычный день, испытатель тратит 95% времени сидя в ожидании или нюхая бланки. (Общая продолжительность воздействия ЛОС составляет около 8-10 минут в течение 6-7 часов испытаний.) Сбор многочисленных откликов добавляет стабильности измерениям. Порог, измеренный в одном исследовании, должен иметь архивную ценность, а не относится только к данному устройству или методологии. Он должен дать любому, кто нуждается в его применении, например, человеку, который должен написать паспорт безопасного обращения с веществом (MSDS), гарантию того, что он будет выдерживать критику и воспроизводится. Исследование с VDD8 по запаху глутарового альдегида привело к пересмотру порога запаха в его паспорте по безопасному обращению внизболее чем в 100 раз ( Каин, Шмидт и Jalowayski 2Запах глутарового альдегида дает гораздо больший запас безопасности, чем полагали, в отношении способности вещества вызывать раздражение глаз или носа.

Предыдущий раздел Следующий раздел

Дополнительный материал

Дополнительный материал можно найти на http://www. chemse. oxfordjournals. org/~~V

Предыдущий раздел Следующий раздел

Финансирование

Эта работа была поддержана грантом [R01 DC05602] Национального института глухоты и других нарушений коммуникации Национального института здоровья США.