Σχεδιασμός και κατασκευή προσομοιωτή οσμών για ιατροδικαστικές εφαρμογές

Abstract

Το χημικό περιβάλλον στα ερείπια ενός κτιρίου που έχει καταρρεύσει είναι ιδιαίτερα σύνθετο. Οι πηγές που μπορούν να συνεισφέρουν στην εκπομπή πτητικών οργανικών ενώσεων είναι πολλές και διαφορετικές, όπως άνθρωποι που έχουν εγκλωβιστεί, νεκρά σώματα, οικιακά απορρίμματα, δομικά υλικά, πυρκαγιές, άλλες διαρροές αερίων όπως το φυσικό αέριο κλπ. Οι συγκεντρώσεις των ενώσεων αυτών είναι συνήθως στην περιοχή των ppt ή ppb και μπορεί δυνητικά να φθάσουν και σε επίπεδα μερικών ppm μετά από ώρες/ημέρες εγκλωβισμού. Το χημικό αυτό περιβάλλον επηρεάζεται από αρκετούς τυχαίους, μη επαναλήψιμους και μη ελεγχόμενους παράγοντες όπως η ταχύτητα του ανέμου, η θερμοκρασία, η υγρασία, τα αιωρούμενα σωματίδια (σκόνη στην ατμόσφαιρα), όπως επίσης και από αλληλεπιδράσεις τόσο μεταξύ των παραγόμενων ουσιών ή άλλων ουσιών του περιβάλλοντος (πχ. αέριους ρυπαντές) όσο και μεταξύ των παραγόμενων ουσιών και των δομικών υλικών του χώρου εγκλωβισμού. Για τους παραπάνω λόγους προκύπτει η ανάγκη για επαναλήψιμο και αξιόπιστο έλεγχο των χημικών αισθητήρων που χρησιμοποιούνται σε παρόμοια σύνθετα χημικά περιβάλλοντα/οσμές. Είναι επίσης σημαντική η δημιουργία αναπαραγωγίσιμων οσμών για την εκπαίδευση ανιχνευτικών σκύλων που χρησιμοποιούνται στις περιπτώσεις έρευνας και διάσωσης. Ο προσομοιωτής οσμών είναι μια συσκευή που προσομοιάζει σύνθετα χημικά περιβάλλοντα όπως εκείνο του χώρου εγκλωβισμού σε κτίριο που έχει καταρρεύσει. Ο προσομοιωτής «παράγει» την οσμή μιας πηγής μέσω της παραγωγής ενός αερίου μίγματος που περιέχει χαρακτηριστικά συστατικά, χαμηλού μοριακού βάρους, τα οποία εκλύονται από τη συγκεκριμένη πηγή. Η τεχνική πρόκληση στην ανάπτυξη του προσομοιωτή οσμών ήταν η ελαχιστοποίηση των αλληλεπιδράσεων των αναλυτών και της συσκευής. Καθώς μειώνονται οι συγκεντρώσεις της αέριας φάσης, οι αλληλεπιδράσεις αυτές γίνονται όλο και σημαντικότερες. Φαινόμενα προσρόφησης αλλά και η επίδραση της θερμοκρασίας και υγρασίας προσδίδουν μεγάλη αβεβαιότητα στην παραγωγή αερίων μιγμάτων. Η αποδέσμευση ενός «νέφους» πτητικών οργανικών ενώσεων από την επιφάνεια των ερειπίων ενός κτιρίου που έχει καταρρεύσει δεν θεωρείται συνεχής αλλά δυναμική διεργασία. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι πολλές πηγές δεν έχουν συνεχή και σταθερή παραγωγή ουσιών. Αντίθετα, η εκπομπή τους μπορεί να χαρακτηρίζεται από περιοδικότητα με αντίστοιχη μεταβολή στη συγκέντρωση. Η ταχύτητα του ανέμου, η δομή των ερειπίων, η αλληλεπίδραση των παραγόμενων ουσιών με τα δομικά υλικά είναι παράγοντες που συνδράμουν στο δυναμικό προφίλ συγκεντρώσεων των ουσιών. Η προτεινόμενη διάταξη του προσομοιωτή οσμών περιλαμβάνει: • Τη μονάδα παραγωγής σταθερού προφίλ συγκεντρώσεων για την παραγωγή σταθερών μιγμάτων σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις • Τη μονάδα παραγωγής δυναμικού προφίλ συγκεντρώσεων για την προσομοίωση των μεταβαλλόμενων φαινόμενων. • Τον ανιχνευτή αναφοράς για την παρακολούθηση της εξόδου του προσομοιωτή • Τη φιάλη συνθετικού αέρα • Τη φιάλη ηλίου υψηλής καθαρότητας για τον ανιχνευτή αναφοράς • Το σωλήνα δομικών υλικών για τη μελέτη αλληλεπίδρασης των παραγόμενων ουσιών με διάφορα δομικά υλικά Τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής συνοψίζονται παρακάτω. • Ο προσομοιωτής οσμών παρουσιάζει πολύ καλή συμπεριφορά σε ό,τι αφορά την απόκρισή του κάτω από διαφορετικούς συνδυασμούς πειραματικών συνθηκών. Αυτό γίνεται φανερό τόσο στην παραγωγή μεμονωμένων αερίων ουσίας όσο και σε αέρια μίγματα. • Η μέγιστη διάρκεια παραγωγής οσμής ήταν μέχρι και 24min. • Η σχετική τυπική απόκλιση στο σήμα της οσμής στον ανιχνευτή αναφοράς έδειξε σταθερότητα της τάξης του 11% • Αναπτύχθηκε μέθοδος για την παραγωγή συνθετικών οσμών ανθρώπινης αποσύνθεσης και ούρων. • Παρατηρήθηκε μια μικρή επίδραση των δομικών υλικών στις παραγόμενες οσμές από τον προσομοιωτή πιθανότατα λόγω φυσικοχημικών δράσεων. • Μικρή επίδραση της υγρής φάσης και της αμμωνίας παρατηρήθηκε στην παραγόμενη οσμή. • Η ανάλυση διακύμανσης στις ανεξάρτητες μεταβλητές και στα επίπεδα που αυτές εξετάστηκαν έδωσαν συγκεκριμένους παράγοντες (είτε τις ίδιες τις μεταβλητές είτε συνδυασμούς αυτών) που επηρεάζουν σημαντικά την ένταση του σήματος του ανιχνευτή (και άρα την παραγόμενη συγκέντρωση) ή την τυπική του απόκλιση (και άρα τη σταθερότητα της συγκέντρωσης). Η εστίαση στους παράγοντες αυτούς δείχνει την κατεύθυνση προς την οποία χρειάζεται περαιτέρω έρευνα για την βελτιστοποίηση του προσομοιωτή οσμών.

The chemical environment in the debris of collapsed buildings is extremely complex. Various sources emitting Volatile Organic Compounds (VOCs) and gases, such as entrapped victims, dead bodies, household wastes, construction materials, fires, gas leaks, contribute to it. Concentrations of VOCs in the debris are usually in the area of ppt to ppb level and potentially can increase to ppm level after hours/days of entrapment. The chemical environment in the debris is affected by a number of random, non-reproducible and uncontrollable factors, such as the emission dynamics of VOCs and gases from the various sources, the wind velocity, the temperature, the humidity and dust, the interactions between the emitted chemicals or interactions of the emitted chemicals with the construction materials and the indoor air quality as well as the urban pollution. There is a need to reproducibly and reliably test and validate the chemical sensors used in such complicated environments. There is also a need to design reproducible tests for training canines for urban search and rescue operations. Standardization is of major importance in the experiments. The “Odour Simulator” is a device which provides near-real simulation of the complex chemical environment in the debris. The Odour Simulator generates the odour of a source by the production of a gas-phase mixture consisting of a few characteristic analytes, low molecular weight chemicals, emitted by the specific source. The technical challenge in developing an Odour Simulator which can provide such atmospheres is to minimize the interactions between the analytes and the apparatus which contains them. As vapor phase concentrations reduce, these interactions become more significant. Competitive absorption phenomena, temperature effects, gas-phase mixing all combine to introduce significant uncertainty and non-reproducibility in the simulator. The release of a plume of volatile organic compounds from the surface of a collapsed building will not be a continuous and stable process but rather a dynamic process. This is due to a number of factors. First of all the emission process from a certain source might have a dynamic profile. For example, a source might emit substances not continuously but with a periodicity and/or with variable intensity. Other factors that contribute to a dynamic concentration profile could be the wind velocity which affects the motion of the plume, the rubbles structure (e.g. accumulation in confined spaces) or the interactions of the plume with the construction material (e.g. absorbance, reaction).

The proposed set up of the Odour Simulator consists of: • A stable concentration module generating mixtures of stable ultra low level concentrations. • A dynamic concentration module generating dynamic concentration profiles for simulating transient phenomena. It will allow adding specific vapors to the gas mixture produced by module A. • A Packed Construction Material Tube (PCMT). This serves the purpose of receiving the gas-phase mixture produced by the two modules and making it interact with different construction materials. • A Reference Detector for monitoring the effluent of the simulator • A zero air cylinder • A Reference Gas supply The general conclusions of the PhD thesis are summarized in the following: • The Odour Simulator shows quite distinctive responses against the experimental conditions that were tested. This is clear both for single compounds of interest as well as for synthetic mixtures • The duration of the odor generation was as long as 26 min • The relative standard deviation of the odor signal in the reference detector was approximately 11% • A method was established for producing near real synthetic odor samples for human decay and urine • A minimum impact of the construction material on the generated odor was observed • Water phase and ammonia had a low impact on the vapor generation • The Analysis of Variance determined the factors (Odor Simulator parameters) that have a significant effect in the produced concentration and can, thus, be further elaborated for optimization of the system