במאמר זה, הליך לכימות הפרמטרים תחבורה ההמוני של כימיקלים בחומרים שונים מוצג. תהליך זה כרוך העסקת מודל דיפוזיה מבוססת הפוך-ניתוח לאדי פרופילי פליטה שנרשמו על ידי בזמן אמת, ספקטרומטריית מסה בואקום גבוה.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
במאמר זה
סיכום
תקציר
היכולת לאפיין תחבורה כימית ואינטראקציות המתרחשות בתוך חומר ישירות (כלומר, דינמיקה מתחת לפני הקרקע) היא מרכיב חיוני בהבנת תחבורה המונית מזהם והיכולת לטהר חומרים. אם חומר מזוהם, לאורך זמן, הובלת כימיקלים רעילים ביותר (כגון מיני חומר לחימה כימית) מהחומר יכולה לגרום לחשיפת אדים או להעביר לעור, אשר יכול לגרום לחשיפת מלעורית לאנשים שאינטראקציה עם חומר. בשל הרעילות הגבוהה של חומרי לחימה כימיים, השחרור של כמויות כימיות עקבות הוא דאגה משמעותית. מאפייני הפצת ריכוז מתחת לפני הקרקע מיפוי והובלה של סוכנים נספגו מאפשרים סכנות חשיפה להיות מוערכות בתנאים שלא נבדקו. יתר על כן, ניתן להשתמש בכלים אלה כדי לאפיין את דינמיקת תגובה מתחת לפני הקרקע כדי לתכנן סופו של דבר decontaminants השתפר או נהלי טיהור. To להשיג מטרה זו, גישת דוגמנות תחבורה המוני ניתוח הפוכה פותחה אשר מנצלת מדידות ספקטרוסקופיה המונית זמן נפתרו של פליטת אדים מציפוי צבע מזוהם כפרמטר הקלט לחישוב פרופילי ריכוז מתחת לפני הקרקע. פרטים מסופקים על הכנת מדגם, כוללים זיהום וטיפול בחומר, היישום של ספקטרומטריית מסה למדידת אדים מזהמים נפלטים, והיישום של ניתוח הפוך תוך שימוש במודל דיפוזיה פיסיקה מבוססת כדי לקבוע מאפייני הובלה של חומרי לחימה כימית בשידור חי לרבות מים מזוקקים חרדל (HD) וגז העצבים VX.
מבוא
מנגנוני התחבורה המונית הקשורים לזיהום של חומרים על ידי חומרי לחימה כימיים מונעים על ידי מגוון רחב של תהליכים ומפותלים כולל מעברים פיזיים מדינה, אינטראקציות כימיות בין מינים ניידים, וממשקי חומרים. לפתח טכנולוגיות יעילות טיהור, נהלי טיהור מותאמים, ומודלי חיזוי, הוא חיוני, כי תהליך הזיהום מובן היטב, כולל התחבורה של מזהמים לחומרים באמצעות קליטה והפליטה הכימית שלאחר מכן בחזרה לסביבה. כתוצאה מכך, קיים הכרח כי גישות מפותחות שיכול להעריך את פרופילי ריכוז מתחת לפני הקרקע לזוגות מזהמים-חומר כפונקציה של תנאי סביבה. בקנה מידת רצף, מודל פיסיקה מבוססת פותחה כדי לחזות את התפלגות הריכוז של סוכן שקוע במצע מזוהם. פרמטרים תחבורה המוניים נגזרו באופן ניסיוני יאפשר החיזוי של tהוא אדי פליטה מתפקיד חומר החיטוי המזוהם. יכולת לחזות את חלוקת הריכוז בחומר יכולה להקל על הערכת סיכונים פוטנציאליים ואדים, בתורו, מאפשרת אבחון מדויק של מפגעי טוקסיקולוגי 1. גישה זו מאפשרת להערכת פרמטרים מזהמים מהותי זוג ספציפיים תחבורה המונית כגון ריכוז diffusivity ורוויה שבדוגמנות היתר תור לתרחישים ומצבים אחרים. במחקר זה, טפלנו בזיהום השלב הנוזלי של פיזור ממס, ציפויי צבע פוליאוריטן עם bis חומרי לחימה כימית (2-chloroethyl) גופרי (חרדל מזוקק, סוכן שלפוחית HD) וO -ethyl S - [2 (diisopropylamino) methylphosphonothioate אתיל] (VX), גז עצבים organophosphate.
המתודולוגיה שפותחה מאפיינת פרופילי desorption גז מחומרים מזוהמים, כוללים חומרי לחימה כימית כמו HD וVX, ללארב של ההגבלות שתקשינה על גישות אחרות 2,3. מדידות ספקטרומטריית מסת זמן נפתרה אבולוציה מזהם ממצעים מזוהמים לאפשר למודל תחבורה diffusive עם ניתוח הפוך לחישוב פרמטרים תחבורה המוניים לזיהום בחומר, כוללים פרופיל הריכוז נספג לזיהום החל מאירוע החלחול המקורי. עם הקמתה של יכולת ניבוי להתוויית פרופילי ריכוז של מזהמים בחומרים כפונקציה של תנאי סביבה מגיעה היכולת להעריך סיכוני טוקסיקולוגי וסופו של דבר לפתח מסלולים לטיהור יעילה.
במאמר זה, את הפרטים הקשורים בהכנת מדגם מוצגים, לרבות עבודה עם מזהמי חומר לחימה כימית, כמו גם אוסף נתונים ניסיוני מחומרים מזוהמים ודוגמנות שלאחר מכן 4. ריצות ניסוי נערכו כיורדותribed במסמך המזהם הכימי ומקור decontaminant 5 ויידון בסעיף הבא. תרשים זרימה לשלבי הכנת מדגם וניתוח שבנכלל באיור 1.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
1 מצעי צבע מצב לאיכות הסביבה הרצויה
- מראש את החדר הסביבתי למצע אוויר לטמפרטורה שנקבעה ולחות היחסית (20 מעלות צלזיוס, 50%). ודא שתנאי המצע נשמרים באופן עקבי מאז שתי טמפרטורה ותכולת מים יכולים להשפיע באופן משמעותי שיעורי ספיגה לחומרים.
- מעיל 0.32 ס"מ עובי, דיסקי רדיוס 5.08 סנטימטר נירוסטה עם שטח פנים של 20.25 2 סנטימטר עם שכבה של צבע (מערכת MIL-DTL-53039, ממס מסיס (SD) אליפטי פוליאוריטן ציפוי 6) עם סך הכל עובי ציפוי ( פריימר ומעיל עליון) של כ 100 מיקרומטר. מניחים את מצעים (עם מספר רצוי של משכפל) על מגשי נירוסטה עם משטח הבדיקה להיחשף לסוכן כימי יפנה כלפי מעלה.
- כסה מצעים עם צלחות פטרי. מניחים את המגשים המכילים את מצעי המבחן לתוך התא הסביבתי לפחות 60 מילn אבל באופן אידיאלי O / N, אם אפשר.
.2 זיהום של מצעים מותנים מראש
- ציוד דון מגן אישי כגון חלוק מעבדה, משקפיים בטיחות, וכפפות.
- זהירות: השג את המזהמים הכימיים מאחסון קר ולאפשר בקבוקון מיכל עיקרי לאזן לRT. הכימיקלים המשמשים בפרוטוקול זה הם כימית סוכן רגיל אנליטית עיון חומר (CASARM, טוהר 98.0%) HD כיתה וCASARM (89.0% טוהר גבוה) ציון VX (שניהם שלב נוזלי). לקבל מידע טוהר משתי כרומטוגרפיה תהודה או גז / ספקטרוסקופית מסה מגנטית גרעינית מנתח ולשמור על קובץ.
הערה: זהירות: הטיפול בחומרי לחימה כימיים צריכה להתבצע רק על ידי אדם מיומן במסגרת שאושרה באמצעות אמצעי בטיחות, ביטחון, וערבות ישימות. - זהירות: התאם את כלי משלוח הסוכן עם קצה פיפטה ולהגדיר את הכלי כדי לספק טיפה של סוכן (לדוגמא, μl 1). Uncapבקבוקון מזהם, ולמקם את הכובע על פני השטח מכסה המנוע, אשכולות פונים כלפי מעלה. להרים את פיפטה, ולהוריד את הקצה לפתרון הזיהום לאט. טען את כלי משלוח הסוכן עם סוכן בהתאם להוראות היצרן. מניח בעדינות את פיפטה הועמסה על משטח עבודה למכסה המנוע, ולסכם את הבקבוקון המזהם.
- זהירות: לזהם את מצעי המבחן.
- הסר את המגשים המכילים את מצעי מבחן מהתא הסביבתי.
- הסר את צלחות פטרי ממצעי המבחן, ולהגדיר על פני השטח מכסה המנוע. באופן דיגיטלי לצלם כל מצע בדיקה כדי להקליט את המראה של כל מצע לפני הזיהום.
- להרים את פיפטה הטעונה ולספק טיפה אחת (לדוגמא, μl 1) של סוכן על גבי מצע המבחן הראשון. כסה את החומר המזוהם בצלחת פטרי קלקר כדי למזער אידוי ואילו זיהום מצעים נוספים. חזור על פעולה עבור כל אחד מצע; טען מחדש את קצה פיפטה (STEP 2.3) במידת הצורך.
הערה: איסוף דגימות אישור פיפטה לפני ואחרי המינון של מצעים לניתוח באמצעות כרומטוגרפיה כדי לאשר משלוח המוני מזהם. - הסר את צלחות פטרי ממצעי הבדיקה ולהגדיר על פני השטח מכסה המנוע. באופן דיגיטלי לצלם כל מצע בדיקה כדי להקליט את האינטראקציות מזהמים-חומר הראשונית.
- כסה מצעי בדיקה עם צלחות פטרי.
- מניחים את המגש של מצעים בחזרה לתוך התא הסביבתי.
תקופת הזדקנות אינטראקציה .3 מזהם-חומר
- לפני הזדקנות הדגימות, לפרוק תא ניסוי ואקום גבוה הנירוסטה כדי להכין אותו לשימוש בסעיף 4.
- לאפשר מצעים המזוהמים לגיל בחדר הסביבתי לזמן שצוין, אשר יכול להיות מגוון המבוסס על הדינמיקה הכימית של חומר ההסביבה אינטראקציה (לדוגמא, 60 דקות).
- הסר מצעים מenvironmקאמרי ental ומניחים על משטח העבודה של מכסה המנוע. הסר את צלחות פטרי ממצעי המבחן ודיגיטליים לצלם כל מצע כדי להקליט את האינטראקציות מזהמים-חומר הודעה ההזדקנות.
- פעמיים להכיל את דגימות בדיקה (למשל, מיכלים אטומים מרובים) ולהעביר למכסה המנוע עובד עם תא ואקום גבוה.
.4 אבק גבוה מדידת החמקן פליטה קאמרית
תא הוואקום הגבוה הוא כלי נפח קטן נשאב על ידי משאבה טורבו מולקולרית גרירה ומשאבת גיבוי סרעפת (איור 2). ספקטרומטר מסת quadrupole הוא רכוב על יציאה באופן ישיר בפני בעל מצע בטמפרטורה מבוקרת ומשמש למדידת התפתחות גז בזמן אמת ממצעים מזוהמים בתנאי ואקום גבוהים. פרטים נוספים על מפרט תא הוואקום וחומרים כלולים בהתייחסות 4.
- ודא שהחדר פרק כראוי.
- זהירות: Unpackage הדגימות מוכנות בסעיף 3, ולהסיר צלחת פטרי ממצעי המבחן. מניחים מצע מבחן אחד לכל בעל מצע בטמפרטורה מבוקרת באמצעות פינצטה נירוסטה.
- לאטום את תא הוואקום ולהתחיל רצף המשאבה למטה. לבצע שלב זה באופן שהתא הוא ואקום בזמן גיל שצוין (לדוגמא, 60 דקות) ביחס לכאשר המצע היה מזוהם.
- להתחיל בהקלטת ערוצי בר המוניים שנבחרו כפונקציה של זמן (מדידה ישירה של שטף מסה) מזוהות עם מסה מסוימת לערכי תשלום יחידה (m / z). למדוד מיני גז רקע ספציפיים, בנוסף לברי המסה העיקריים מהמולקולות של עניין (VX: מ '/ z = 114; HD: מ' / z = 109) בזמן אמת ב< הרץ 0.25 עד הלחץ חלקי הזיהום יורד מתחת מגבלות זיהוי של ספקטרומטר המסה (10-8 Pa).
- לאסוף את עקומות פליטה למשך הפליטה של מזהמים מהמצע.
- לעצור את הקלטת עקומות פליטה עם ספקטרומטר מסת פעם אחת השטף ההמוני המזהם ירד ל בסיס הלחץ קאמרי.
- Vent תא ואקום הגבוה ללחץ אטמוספרי.
.5 לאחר טיפול הערכה לזיהום סך נותרים
- פתח את המכשיר קאמרי פליטת אדי ואקום הגבוה (HVVEC) ולהסיר את המצע מהתא באמצעות פינצטה נירוסטה.
- מניחים את המצע לתוך צנצנת זכוכית חילוץ ולהוסיף 20 מ"ל של מיצוי בממסים לצנצנת (למשל, באלכוהול הרפואי: VX; כלורופורם: HD). מכסה את הצנצנת ולערבל את הצנצנת שלוש פעמים. השאר את המצע בממס החילוץ ל60 דקות.
- לערבל את הצנצנת שלוש פעמים שוב ואז מסיר את הפקק מעל הצנצנת. בעזרת פיפטה נקייה, חד פעמית, זכוכית, להעביר כ 1 עד 2 מ"ל של ממס חילוץ לבקבוקון אנליטיים לניתוח באמצעות גז או נוזלכרומטוגרפיה 7 למדוד את מסת המזהם שמורה בידי מצעים.
.6 ניתוח נתונים ודוגמנות
- המרת נתונים המוני גלם ספקטרומטריית (לחץ חלקי נגזר מיון הנוכחי נמדד) לשטף המוני מהמצע. השתמש בשילוב של נוסחת הרץ-קנודסן להמרת לחץ חלקי של מיני גז שאותרו לשטף אדי תקרית בגלאי וכולל גורם קנה מידה שמסביר את האזור המזוהם על פני המצע מאירוע הזיהום המקורי.
- השתמש בשיטות הפוכות (למשל, אלגוריתם לבנברג-Marquardt) כדי לקבוע את ערכי ריכוז הרוויה ודיפוזיה קבועים (פרמטרים תחבורה המוניים מפתח) למזהם באמצעות ציפוי הצבע. השווה את השטף בניסוי נקבע אדים לשטף אדים ניבא (פתרון אנליטי לחוק השני של Fick עם תנאי שפה מתאימים מיושמות (ראה משוואה 4 מהתייחסות 4)).
- השתמש בפרמטרי התחבורה ההמוניים לחזות את פרופילי ריכוז למערכת המזהם מהותית.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
הפנל העליון של דוגמאות איור 3 מציג את השטף מחושב ההמוני של VX ו HD ממצעים מצויר SD מבוסס על ספקטרומטריית מסת הזמן נפתרו לברי המסה העיקריים של VX ו HD (מסה לתשלום יחס, מ '/ z = 114 ו109, בהתאמה). יש ספקטרומטר מסת quadrupole שלושה מרכיבים עיקריים: ionizer, מנתח המוני או מסנן, וגלאי תשלום. מיני גז מיוננים באמצעות יינון השפעת האלקטרונים (מקור אלקטרונים חם נימה סגנון), והיונים מיוצרים מוזרקים לתוך מסנן המוני quadrupolar בדרך להגעה לגלאי כוס או מכפיל האלקטרונ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
פרמטרים תחבורה המוניים לHD וVX בצבע נקבעו באמצעות הניתוח ההפוך המספרי של נתוני פליטת אדים. עם פרמטרים מחושבים, אפשר היה אז כדי לייצר מפות מפל ריכוזים תלויי זמן להפצת זיהום בציפוי הצבע. תוצאות הניתוח ההפוכה הוכיחו כי המסיסות של HD בצבע SD הייתה גבוהה יותר מאשר VX, אבל diffusivity היה כ 5x נמוך יותר. מהתוצאות עולות כי זיהום HD היה מרוכז מאוד על פני השטח של הציפוי, ואילו פרופיל זיהום VX חדר דרך ציפוי צבע SD. לכן, דרישות טיהור לצבע SD תהיינה שונות המבוססות על המזהמים הכימיים. יישומים ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
יש לי המחברים אין לחשוף.
תודות
המחברים מודים לד"ר ווס גורדון (ECBC) לתמיכה בעיצוב מכשיר. עבודה זו מייצגת את התוצאות המצטברות משתי תוכניות מחקר מומנו על ידי אריק לוינשטיין ומיכאל רוברטס (איום ביטחון הפחתת סוכנות) תחת CA08MSB317 תכנית. ניתן להשיג הדוחות הטכניים צוטטו במסמך זה בhttp://www.dtic.mil.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| מגש נירוסטה | McMaster Carr | 4189T1 | 13-5/8 אינץ' L x 9-3/4 אינץ' W, http://www.mcmaster.com/#stainless-steel-trays/=p8dcgp |
| MIL-DTL-53039 מערכת ציפוי פוליאוריטן אליפטית הניתנת לפיזור ממס | מצעים המסופקים על ידי מקור פנימי | ||
| פרטים מלאים על מפרטי תא הוואקום והחומרים הכלולים בהתייחסות 4. | |||
| ביס(2-כלורואתיל) סולפיד | CASARM | TOXIC | |
| em>O-אתיל S-[2-(diisopropylamino)ethyl] methylphosphonothioate | CASARM | ||
| TOXIC Pipetter | Fisher Scientific | 22260201 | טווח של 1.0 ומיקרו; l עד 10 מ"ל |
| טיפים לפיפטר | פישר סיינטיפיק | 13-683-709 | 0.1 מ"ל נפח |
| נירוסטה תא ניסוי ואקום גבוה עיצוב | מותאם אישית | ||
| ספקטרומטר מסה מרובע | ExTorr | RGA300 | |
| פינצטה מנירוסטה | McMaster Carr | 5516A15 | כל פינצטה מנירוסטה מתאימה. |
| צנצנת מיצוי זכוכית | התמחויות מדעיות | 170808 | צנצנת מתאימה למצע בקוטר ~5 ס"מ. צנצנות זכוכית שונות עם מכסים מרופדים בטפלון מתאימות למצעים בגדלים שונים. |
| כלורופורם | סיגמא-אולדריץ' | 650498 | מזיק. ממס המיצוי עבור HD עשוי להשתנות בהתאם לשיטה האנליטית. |
| איזופרופנול | סיגמא-אולדריץ' | 650447 | מזיק. ממס המיצוי עבור VX עשוי להשתנות בהתאם לשיטה האנליטית. |
| פיפטת פסטר | VWR | 14673-010 | גודל = 5 3/4 אינץ' |
מקורות
- Willis, M. P., Mantooth, B. A., Lalain, T. Novel Methodology for the Estimation of Chemical Warfare Agent Mass Transport Dynamics, Part II: Absorption. J. Phys. Chem. C. 116, 546-554 (2011).
- Felder, R. M. Estimation of Gas Transport-Coefficients from Differential Permeation, Integral Permeation, and Sorption Rate Data. J. Membr. Sci. 3, 15-27 (1978).
- Taviera, P., Mendes, A., Costa, C. On the Determination of Diffusivity and Sorption Coefficients Using Different Time-lag Models. J. Membr. Sci. 221, 123-133 (2003).
- Willis, M. P., Gordon, W. O., Lalain, T. A., Mantooth, B. A. Characterization of Chemical Agent Transport in Paints. J. Hazard Mater. 260, 907-913 (2013).
- Lalain, T., Mantooth, B., Shue, M., Pusey, S., Wylie, D. The Chemical Contaminant and Decontaminant Test Methodology Source Document. Second Edition. Report No. ECBC-TR-980. , U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center. Aberdeen Proving Ground, MD. (2011).
- MIL-DTL-53039B: Coating Aliphatic Polyurethane, Single Component, Chemical Agent Resistant. , U.S. Army Research Laboratory, Weapons and Materials Research Directorate, Materials Applications Branch, Specifications and Standards Office. Aberdeen Proving Ground, MD. (2005).
- Shue, M., et al. Low-Level Analytical Methodology Updates to Support Decontaminant Performance Evaluations. Report No. ECBC-TR-883. , Aberdeen Proving Ground, MD. U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center. (2011).
- Schwope, A. D., Klein, J. M., Sidman, K. R., Reid, R. C. Sorption-Desorption Phenomena of Chemicals from Polymer (Paint) Films. J. Hazard. Mater. 13, 353-367 (1986).
- Li, F., Niu, J. Control of Volatile Organic Compounds Indoors - Development of an Integrated Mass-Transfer-Based Model and Its Application. Atmos. Environ. 41, 2344-2354 (2007).
- Li, F., Niu, J., Zhang, L. A Physically-Based Model for Prediction of VOCs Emissions from Paint Applied to an Absorptive Substrate. Build. Environ. 41, 1317-1325 (2006).
- Li, F., Niu, J. L. Simultaneous Estimation of VOCs Diffusion and Partition Coefficients in Building Materials via Inverse Analysis. Build. Environ. 40, 1366-1374 (2005).
- Li, F., Niu, J. L. An Inverse Technique to Determine Volatile Organic Compounds Diffusion and Partition Coefficients in Dry Building Material. Heat and Mass Transfer. 41, 834-842 (2005).
- Li, F., Niu, J. L. An Inverse Approach for Estimating the Initial Distribution of Volatile Organic Compounds in Dry Building Material. Atmos. Environ. 39, 1447-1455 (2005).
- Vesely, D. Diffusion of Liquids in Polymers. Int. Mater. Rev. 53, 299-315 (2008).
- Goossens, E. L. J., van der Zanden, A. J. J., Wijen, H. L. M., van der Spoel, W. H. The Measurement of the Diffusion Coefficient of Water in Paints and Polymers from Their Swelling by Using an Interferometric Technique. Prog. Org. Coat. 48, 112-117 (2003).
- Arya, R. K., Vinjamur, M. Measurement of Concentration Profiles Using Confocal Raman Spectroscopy in Multicomponent Polymeric Coatings-Model Validation. J. Appl. Polym. Sci. 128, 3906-3918 (2013).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
