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Dr. Christian Monsé
Humanstudien unter standardisierten Expositionsbedingungen
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Gliederung:
-Technische Details der Klimaanlagentechnik -Generierung von Gasatmosphären -Analysenmethoden -Inhomogenitäten/ Probandeneinflüsse -Partikelexpositionen
-Simulationsrechnungen
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Unter- suchung ca. 10m2
Dur
chbl
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enst
er
Technik
ca. 9m2
Exposition ca. 12m2
Abzug
Vorbereitung
ca. 18m2
Architektur ExpoLab:
Konzept ExpoLab:
-Luftaustauschrate: 4 – 16 facher Luftwechsel (120 – 450 m3/h)
-Temperatur: einstellbar zwischen 20 und 24 °C
-Relative Luftfeuchtigkeit: einstellbar ab 40 % aufwärts
-Zuführung der beladenen Luft am Boden, Absaugung unter der Decke
-Entsorgung der verbrauchten Luft wahlweise über thermische Nachverbrennung
oder Aktivkohlebündel
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ExpoLab Innenansicht:
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Voraussetzungen für Humanstudien: -Positives Votum der Ethikkommission
-Ausreichender Versicherungsschutz der Probanden
-Erfüllung des Datenschutzes
-Ausreichende Anlagensicherheit
(Explosionsschutz, wiederkehrende
Betriebsprüfungen durch externe Sachverständige)
-Behördliche Umgangsgenehmigung im Bereich
Strahlenschutz
ExpoLab Innenansicht:
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Steuersoftware:
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Generierung der Gasatmosphären:
Aufbau:
-300 L-Glasgefäß mit Rührer (und Heizmantel)
-Prüfgasgenerator mit Verdampfereinheit
-Sicherheitstechnik (Explosionsschutz)
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Verteilung der Gas- und Partikelatmosphären:
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Analytik: 2-Kanal-Micro-GC
-Beprobt wird die Gasatmosphäre im Glasgefäß
-Breite Abdeckung unterschiedlichster Messaufgaben
-Schnelle Analytik (quasikontinuierlich ca. alle 3 Minuten Auftrennung und Detektion)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00
Geh
alt/p
pm
Zeit/min.
Aceton-Sequenz
Kanal AKanal B
Beispiel: Aceton-Atmosphären am Ausgang eines Gasgenerators
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Analytik (Fortsetzung): CIMS (Chemical Ionisation Mass Spectrometry):
-Sehr schnelle Analysezeit (1 Scan/s)
-Analyse von Mehrkomponentengemischen ohne chromatographische Trennung möglich
(qualitativ und quantitativ)
-Sehr nachweisstarke Methode (unterer ppb-Bereich)
Beispiel: n-Butanol-Atmosphären im ExpoLab
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Profilmessungen mit SF6:
Konzentrationen [ppb] 682 – 683 671 – 681 669 – 670
Mittelwert: 676 ppb Standardabw.: 0,40 %
0,36 %
0,34 %
0,30 %
0,41 %
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Monsé et al.: Considerations for the design and technical setup of a human whole-body exposure chamber. Inhalation Toxicology 01/2012; 24(2):99-108
Einfluss von Probanden auf die Konzentrationen: Beispiel: Kohlenstoffdioxid-Expositionen, ca. 20 Türöffnungen innerhalb von 4 h
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 200 400 600 800
Geh
alt/%
CO2 mit 0,5 Vol.-%
15.11.
19.11.
2.12.
7.12.
Fehler: 0,50 % +/- 0,02 %
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 200 400 600 800
Geh
alt/%
CO2 mit 1,0 Vol.-%
18.11.
22.11.
30.11.
10.12.
Fehler: 1,00 % +/- 0,03 %
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 200 400 600 800
Geh
alt/%
CO2 mit 2,0 Vol.-%
16.11.
3.12.
6.12.
9.12.
Fehler: 2,00 % +/- 0,04 %
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Bisher durchgeführte Expositionen gegenüber gasförmigen Stoffen (Stand: 2014): Im Rahmen von Studien: -Kohlendioxid
-Ethylacetat
-Ozon
-Anilin
-Ethylacrylat
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Im Rahmen von Begutachtungen: -Ethyl-2-cyanacrylat
-Methylmethacrylat
-Formaldehyd
Käfferlein et al.: Human exposure to airborne aniline and formation of methemoglobin: a contribution to occupational exposure limits. Archives of Toxicology 06/2014; 88(7):1419
Monsé et al.: Generation and characterization of airborne ethyl 2-cyanoacrylate atmospheres in a human whole-body exposure unit. Analytical methods 01/2014; Anal. Methods(6):3124 - 3132
Hoffmeyer et al.: Relationship of pulmonary function response to ozone exposure and capsaicin cough sensitivity. Inhalation Toxicology 08/2013
Vorversuche zu Partikelexpositionen: Erzeugung von nanoskaligem Ruß Funktionsweise:
Funkengenerator erzeugt durch elektrische
Entladung zwischen zwei Kohlenstoffelektroden
nanoskaligen Ruß
Fazit:
Einspeisung von Nanopartikeln in das ExpoLab
ist ohne größere Verluste möglich Nachteil:
Partikelmasse viel zu gering (< 100 µg/m3)
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Monz et al.: Vorbereitungen zur Untersuchung gesundheitlicher Effekte von Zinkoxidpartikeln. Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft 01/2013; 73:144-148
Erzeugung von nanoskaligem Zinkoxid:
Funktionsweise:
Flammenpyrolyse von
wässrigen Zinksalzlösungen
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Vorteile:
-Eine Vielzahl weiterer Metalloxide und anderer Stoffe
ist darstellbar (z. B. TiO2, CuO, NaCl)
-Partikelmassen können hoch dosiert werden (bis 2 mg/m3)
-Pyrolyseprozess ist hochkonstant und reproduzierbar
Charakterisierung der Partikel: Online-Bestimmungen: -Anzahlkonzentration der Partikel: SMPS-Spektrometer (Scanning Mobility Partikel Sizer) -Partikeldurchmesser: SMPS-Spektrometer -Luftgetragene Partikelmasse: TEOM-Gerät (Tapered Elemental Oscillating Microbalance)
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Charakterisierung der Partikel: Offline-Bestimmungen: -Luftgetragene Partikelmasse: Gravimetrische Filterbestimmung -Morphologie: REM (Rasterelektronenmikroskop) -Elementarzusammensetzung: EDX-Spektroskopie (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) -Elementarzusammensetzung: C, H, N-Elementaranalytik
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Monsé et al.: Development and Evaluation of a Nanoparticle Generator for Human Inhalation Studies with Airborne Zinc Oxide. Aerosol Science and Technology 01/2014; 48(4).
Analyse von Strömungsbedingungen im ExpoLab: Simulationsrechnungen: -Fire Dynamics Simulator (FDS): entwickelt und in ständiger Verbesserung durch „National Institute of Standards and Technology“ (NIST), USA -Unterteilung des ExpoLabs in 5 x 5 x 5 cm große Volumeneinheiten -Lösung Navier-Stokes-Gleichungen für alle Volumina (Massen-, Energie- und Impulserhaltung) mit Turbulenzmodellierung
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Abklingkurve mit Ventilator: Abklingkurve ohne Ventilator:
Ergebnisse aus den Simulationen: Gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Wirklichkeit: -Validierungsuntersuchungen zur Übertragung des Berechnungsmodells zur Ausbreitung von Feuern auf Gefahrstoffe erfolgreich Einsatz eines Deckenventilators empfehlenswert bei Gasatmosphären: -Homogene Durchmischung bei Profilversuchen mit An- und Abfahrintervallen
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CMess,mV – Messwert, mit Ventilator CRech,mV – Rechenergebnis, mit Ventilator CRech,oV – Rechenergebnis, ohne Ventilator
Ergebnisse aus den Simulationen (Fortsetzung): Einsatz eines Deckenventilators empfehlenswert bei Partikelexpositionen: -Homogene Partikelgrößenverteilung aufgrund gleichmäßiger Luftgeschwindigkeiten
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Ohne Ventilator Mit Ventilator
Kooperation zwischen Fachgebiet Sicherheitstechnik/ Arbeitssicherheit Fachbereich D – Abt. Sicherheitstechnik Bergische Universität Wuppertal und IPA Bochum
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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