空气负离子浓度测量方法的探讨和研究

空气负离子对某些疾病确实能起到缓解和治疗作用

国内外大量临床实践证明, 空气负离子对某些疾病确实能起到缓解和治疗作用。空气负离子在许多国家已被广泛作为改善工作环境和临床医疗的手段之一^〔1〕。一般认为, 空气离子能影响血清素的释放, 从而影响植物神经系统的调节作用。也有人认为, 空气离子通过体液的作用, 以自身的电荷影响血液胶体和细胞的电代谢过程, 使血液中带电粒子的组成和分布发生变化, 从而对人体健康产生影响^〔2〕。

用于研究的高浓度的空气负离子通常是由空气负离子发生器产生的, 临床记录和实验结果表明, 受试者在一定浓度的空气负离子环境中停留一定时间后会产生一定的生理效应。这些资料还表明, 生理效应的显著程度与所处环境的空气负离子浓度和持续时间的长短有一定的相关关系^〔3〕。

有关空气负离子可能存在的有效作用剂量和剂量浓度及其极限值尚缺少详细的报道。国外有人认为,在短时间内吸入高浓度空气负离子对人体有益, 而长期处在高电离化的空气环境中则对人体有害; 另外一些人则认为电离化的空气不会对人体造成器质性损害^〔4〕。而在大量应用空气负离子的临床治疗和生物实验报告中, 有些结论很不一致, 甚至有相当大的差异。

一些研究人员指出, 通常用于测量环境空气离子浓度的空气负离子检测仪通常在受试者附近测得的负离子浓度并不能代表受试者所处位置的实际浓度。由于一般空气负离子检测仪的采气量远大于受试者的吸气量, 且由于空气负离子检测仪的接地效应(ground effect) , 可能使受试者口鼻附近的负离子浓度很低, 而测量仪本身则可能测到相当大的负离子浓度^〔5〕。换言之, 受试者附近的空气负离子检测仪由于其较大的吸气量和接地效应, 实际上起到了清除受试者附近空气中负离子的作用。

通用环境空气离子浓度测量仪结构原理

常规负离子发生器的负离子浓度产生效果测量、评估

（图中白色产品为空气负离子测量仪，红色产品为负离子发生器）

基于以上原因, 国外有学者提出替代测量法(pre - post measurement) , 并进行了实验, 取得了很好的效果^〔6〕, 实验结果表明, 这种测量方式得到的数据更接近受试者的实际吸入浓度, 这种浓度被称为“剂量浓度”, 以与环境浓度相区别。由于人体是一自然缓冲系统, 其生物效应是空气负离子浓度分布的平均效应, 剂量浓度一般均取某一时间段的平均值。许多研究人员在评价空气负离子的生物效应时, 提出应在报告中提供受试者所接触的空气离子浓度和在接触时间内所吸入的负离子总数, 即剂量浓度和总剂量。有人推荐以空气离子生物学单位来计量人体的吸入剂量。一个生物学单位的离子数为8 ×10⁹个。在自然条件下, 人体一昼夜应正常吸入2～3 个生物学单位的空气负离子。但在许多有关空气离子的生物效应的文献和报告中, 缺乏剂量方面的详细数据和资料, 主要原因是缺乏相应的空气负离子检测仪和统一的检测方法。

基于以上讨论, 我们采用微型空气负离子收集器进行实验, 提出一种专门用于空气负离子生物效应实验的测量方法, 使评价空气负离子生物效应时受试者所接受的剂量浓度和总剂量等数据更接近准确。

1.      方法

采气量是空气负离子检测仪的重要参数。一般空气负离子检测仪的采气量在200～400 L/ min 左右, 气流速度在1.15～2 m/ s之间。空气负离子检测仪在工作时, 过大的采气量可能改变采样区附近的浓度分布规律, 影响到测量数据的真实性。而在封闭空间内, 应使采气量与采样空间的体积保持一定的比率。进行剂量浓度测量时, 应该使采气量尽量与人体正常活动时的肺通气量大致相同。微型空气负离子收集器着重于三个主要指标: 采气量不大于10 L/min ; 气流速度不大于0.5 m/ s ; 电池驱动, 减低接地效应。

我们根据人体呼吸机理的一般准则, 以每分钟静息通气量(VZ) 的上限值作为微型空气负离子收集器采气量标准。VZ 的表达式如下:

1)        VZ = VT·f

公式中: VT 为采气量, f 为呼吸频率(次/ min)

正常人的呼吸频率参考值为20 , 采气量参考值为500 ml ,则VZ 值为10 L/ min。空气负离子生理效应实验和临床治疗使用的负离子浓度一般在10⁵～10⁷ (个/ cm3) 数量级, 使用的方法主要有吸入法、局部吹淋法和离子浴法。我们采用的微型空气负离子收集器剂量浓度测量范围为：10⁴～2 ×10⁷ (个/ cm3 ) , 剂量测量范围为10⁹ ～10¹³(个) , 可以满足各种使用方式的需要。

2.      空气负离子剂量的计算方法

我们采用公认的收集器法进行空气负离子采样,采样气流以固定的速度进入收集器, 在极化电压的作用下, 气流中临界迁移率以上的空气负离子被收集器所收集, 剂量计算的数学模型如(1) 式所示。

2)        D0 = CQT

公式中: D₀ 代表剂量, C代表剂量浓度, Q代表采气量, T代表采样时间

当受试者的VZ 值与微收集器设定值差异较大时, 可对显示值按下式进行修正：

3)        D = 0.1VZ·D0

公式中D 为受试者的实际接受剂量。

3.      微型空气负离子收集器的参数与结构形式

微型空气负离子收集器采用电容式集电原理, 与环境空气离子测量仪的原理相同。其主要参数是采气量10 L/min ; 气流速度0.5 m/ s ; 极化电压9 V ; 极板间距2mm; 体积20 mm ×20 mm ×150 mm。

低压仪表风扇、液晶显示器和极化电池与微型空气负离子收集器组装为一体, 以电池为动力, 不接外电源。与通用环境空气离子测量仪相比, 体积减小了大约100倍, 采气量减小了大约20 倍。极化电池在两极板间产生垂直于气流方向的电场, 改变电池的极性, 可使不同极性的离子移向收集板。如果离子的迁移率足够大, 则离子将在飞出收集器区域前到达收集板, 并释放出所携带的电荷, 释放出所携带的电荷, 形成收集电流。这个电流经过微电流计放大, 即可指示出相应的空气离子浓度。其测量原理见图1。

图1 　微型空气负离子收集器原理图

微型收集器的临界迁移率可用⁽⁴⁾式表示:

4)        K_临界= D² U/ LV

公式中: D代表极板间距(cm) ; U 代表气流速度(cm/s) ; L代表收集区长度 (cm) ; V代表极化电压 (V) 。

捕获到的离子量N 可用(5) 式表示:

5)        N = I/ QUA

公式中: N代表每毫升空气中的负离子数(个/ cm³) ; I代表收集极电流(安) ; Q代表基本电荷量(1.6 ×10^-19C) ; U代表气流速度, (cm/ s) ; A代表有效收集截面积,(cm²) 。

4.      环境空气离子测量仪和微型空气负离子收集器的比对测试方法

用环境空气离子测量仪和微型收集器对同一台空气负离子发生器进行平行测试和换位测试。平行测试时微型空气负离子收集器与环境空气离子测量仪并排放置, 二者入口相距20 cm , 与负离子发生器距离相同。距地面1.5 m。负离子发生器开机30 min 后开始测试。换位测试分两种情况, 一种是微型空气负离子收集器与环境空气离子测量仪轮换放置在同一位置, 入口与负离子发生器距离相同。其他条件与平行测试相同。另一种是把环境空气离子测量仪和微型空气负离子收集器分别放在人体20 cm 旁的同一位置进行测试。入口与人体口鼻部并排, 与负离子发生器距离相同。

5.      结果

a)       平行测试结果见表1。

b)       换位测试结果见表3 和表4。

6.      讨论

实验结果表明, 无论旁边有没有人体或微型空气负离子收集器, 环境空气离子测量仪的示数基本不变, 表明测量仪是空气离子的主要接收者, 模拟人体的微型空气负离子收集器指数则偏低。移去环境空气负离子测量仪后微型空气负离子收集器指数明显上升, 表明环境空气负离子测量仪的存在确实改变了空气离子发生器产生的空气负离子的浓度扩散模式, 使测量仪附近的空气负离子浓度变低。微型空气负离子收集器与人体平行测试时指数没有明显的变化, 表明二者对空气离子整体环境的影响大致处于同一数量级, 微型空气负离子收集器可以更准确地表示人体在空气负离子环境中所受的影响。因此, 在有关空气负离子的生物效应实验中应采用体积和吸气量更接近人体的微型空气负离子收集器代替环境空气负离子测量仪, 以获得更接近准确的实验结果。

目前对空气负离子剂量方面的研究缺乏定量的资料, 对剂量指标也缺乏统一的标准。常见的推荐剂量指标是以环境调查的洁净地区的空气负离子为基数,以人群的平均呼吸量为乘数因子推算而得。这种剂量标准规定了人在自然条件下应吸入的空气负离子下限值, 可以作为一种保健指标。在医疗方面, 由于使用的方法和仪器不同, 所得的结果有所差异。但从数据分析的趋势可以看出, 生物效应的显著程度与受试者接收的剂量浓度和总剂量有关。一些动物实验的结果也表明, 实验的敏感指标不同, 所需要的剂量浓度水平和剂量值也不同, 且与动物个体的大小有关。本实验旨在表明不同测量方法与受试者接受的剂量浓度和剂量值的相关关系, 可以看作是改进实验手段的一种探索。

参　考　文　献

1)        Krueger , A1P , Biological effects of air ions1Int J Biometer , 1985 , 29(3) : 29 - 311

2)        钮式如.空气离子与人体健康.环境与健康杂志, 1984 , 1(2) : 33 - 351

3)        Charry JM1Biological effects of small air ions1Environ Res , 1984 , 34 :88 – 891

4)        Krueger , AP , Biological impact of small air - ions1Science , 1976 , 12(9) : 1931

5)        Matisen R1Measurement of air ion concentrations in rooms of different in2 dustries , Int J Biometeor , 1979 , 24 : 1141

6)        Moody N F1Design and construction of an improved , portable , air – ion counter , Int J Biometeor , 1984 , 28 (3) : 1691

转载自：中国自然医学杂志 (部分内家有所调整和删减)

作者：戈鹤山（中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所研究员）

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