一種正壓式防護(hù)口罩對(duì)微生物氣溶膠防護(hù)效果的研究

張柯，胡凌飛，靳愛軍，李勁松，曹杰，李娜，李光熙

近年來(lái)，眾多醫(yī)務(wù)人員和病原微生物實(shí)驗(yàn)室的工作人員面臨著流感、SARS、結(jié)核等經(jīng)空氣傳播的微生物感染的威脅[1-3]，佩戴防護(hù)口罩能夠阻斷病原微生物侵入人體，是預(yù)防呼吸道傳染病的流行、保護(hù)人員健康的有效手段。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)防護(hù)口罩性能的一個(gè)重要參數(shù)是對(duì)微生物顆粒的過(guò)濾效率。目前，隨著電子技術(shù)和超高濾網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，顆粒過(guò)濾效率為 99.99% 以上的防護(hù)口罩被研制面世，用來(lái)應(yīng)對(duì)愈發(fā)頻繁的高危生物污染環(huán)境作業(yè)。本文對(duì)一種高效正壓式防護(hù)口罩對(duì)細(xì)菌和病毒氣溶膠的過(guò)濾效率進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)其對(duì)微生物氣溶膠的防護(hù)效果。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究對(duì)象 正壓式防護(hù)口罩由主機(jī)、空氣軟管和面罩組成，主機(jī)通過(guò) USB 線纜進(jìn)行充電，配備一個(gè)手持遙控器，控制主機(jī)的運(yùn)行。主機(jī)設(shè)置三個(gè)氣流速度，分別為 100、120 和 180 L/min。機(jī)器開啟后，外部環(huán)境空氣在風(fēng)扇的帶動(dòng)下，通過(guò)主機(jī)內(nèi)的主過(guò)濾器，將潔凈空氣經(jīng)過(guò)空氣軟管送入面罩內(nèi)。主過(guò)濾器采用超高效率空氣過(guò)濾網(wǎng)（ULPA），濾網(wǎng)總面積為 0.3 m2，能夠過(guò)濾最小直徑為 10 nm 的顆粒物。

該正壓式防護(hù)口罩與通過(guò)過(guò)濾器阻力呼吸的被動(dòng)式面罩不同，采用產(chǎn)生正氣壓的“主動(dòng)式”過(guò)濾技術(shù)，環(huán)境中的空氣經(jīng)由預(yù)過(guò)濾濾芯，濾除毛發(fā)以及顆粒雜質(zhì)、灰塵后，進(jìn)入強(qiáng)力推進(jìn)的全密閉的風(fēng)道，氣流攜帶的超微顆粒物質(zhì)被主過(guò)濾濾芯攔截，可以去除空氣中的 PM2.5 和細(xì)菌、病毒等生物氣溶膠。該口罩的主機(jī)尺寸為 26.5 cm × 19 cm ×5.5 cm，重量約為 1.7 kg，標(biāo)稱的過(guò)濾效率是對(duì)小至 10 nm 的顆粒物能夠達(dá)到 99.9999% 以上，由北京泓興浩楊科技有限公司研制。

1.1.2 菌株 選擇粘質(zhì)沙雷菌（ATCC 8039）為細(xì)菌的替代物；選擇噬箘體 ΦX174（ATCCl3706-B1）為病毒的替代物，大腸桿菌（ATCCl3706）為其宿主菌。

1.1.3 試驗(yàn)儀器 頭部模型、Andersen 六級(jí)空氣微生物采樣器由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院微生物流行病研究所提供；MS-I 多功能空氣微生物采樣器購(gòu)自青島眾瑞智能儀器有限公司；Φ90 一次性培養(yǎng)皿、APS 3321 空氣動(dòng)力學(xué)粒子分析儀均購(gòu)自美國(guó) TSI公司；氣溶膠發(fā)生裝置包括氣溶膠密閉艙室、潔凈氣源系統(tǒng)（由空壓機(jī)、除濕機(jī)、除油機(jī)、多級(jí)空氣凈化器和流量計(jì)組成）和氣溶膠發(fā)生器 Collision250購(gòu)自美國(guó) BGI 公司。

1.1.4 主要試劑 普通營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、普通營(yíng)養(yǎng)肉湯為美國(guó) BD 公司產(chǎn)品；上層瓊脂培養(yǎng)基為上海根生生物科技有限公司產(chǎn)品。

1.2 方法

1.2.1 懸液制備 粘質(zhì)沙雷菌和噬箘體 ΦX174的懸液制備參考文獻(xiàn)[4-5]中的方法進(jìn)行。

1.2.2 防護(hù)效果測(cè)試 在氣溶膠密閉艙室中，將正壓式防護(hù)口罩戴在頭部模型上，用三通將頭部模型鼻腔部位的抽氣管道與 Andersen 六級(jí)采樣器和 APS 3321 的進(jìn)氣口連接，以便采集口罩與面部形成的口罩內(nèi)腔中的微生物氣溶膠和氣溶膠粒子；同時(shí)，在佩戴正壓式防護(hù)口罩的頭部模型旁 10 cm處放置采樣膠管，將其另一端與 Andersen 六級(jí)采樣器和 APS 3321 連接，采集密閉艙室中的口罩外部微生物氣溶膠和總氣溶膠粒子。氣溶膠發(fā)生器固定于頭部模型前上方發(fā)生生物氣溶膠粒子，測(cè)試裝置如圖 1 所示。

關(guān)閉密閉艙室柜門，將正壓式防護(hù)口罩主機(jī)風(fēng)速調(diào)至 100 L/min，以 10 L/min 的氣體流量發(fā)生微生物氣溶膠，同時(shí)向艙室內(nèi)補(bǔ)充潔凈空氣，待氣溶膠發(fā)生 5 min 后，用 APS 3321 分別測(cè)試氣溶膠密閉艙室內(nèi)的總粒子濃度和口罩內(nèi)腔中的總粒子濃度，然后同時(shí)開啟兩個(gè) Andersen 六級(jí)采樣器，采樣流量為 28.3 L/min，氣溶膠密閉艙室中的氣溶膠采樣時(shí)間為 0.5 min，口罩內(nèi)腔采樣時(shí)間為 5 min。關(guān)閉發(fā)生器并開啟空氣凈化裝置，待氣溶膠密閉艙室內(nèi)空氣潔凈后重復(fù)上述步驟依次做 3 組測(cè)試。改變正壓式防護(hù)口罩主機(jī)風(fēng)速，分別調(diào)至 120 L/min和 180 L/min，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。

采樣結(jié)束后取出平皿，粘質(zhì)沙雷菌放入 30 ℃溫箱培養(yǎng) 24 h，獲得每個(gè)平皿上存活的粘質(zhì)沙雷菌菌落數(shù) CFU。噬箘體 ΦX174 的采樣平皿取出后，倒入上層宿主菌懸液，利用雙層營(yíng)養(yǎng)瓊脂平板培養(yǎng)計(jì)數(shù)法獲得噬菌體噬菌斑數(shù) PFU。

1.2.3 結(jié)果計(jì)算

1.2.3.1 微生物氣溶膠粒子數(shù)量中值直徑的計(jì)算 根據(jù) Andersen 六級(jí)采樣器各級(jí)平皿上的菌落數(shù)（噬菌斑數(shù)），按照偏態(tài)分布 50% 中值直徑的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。具體算法是依據(jù) Andersen 六級(jí)采樣器每一級(jí)捕獲的粒子大小不同，第一級(jí) 〉 7 μm、第二級(jí)為 4.8 ～ 7 μm、第三級(jí)為 3.4 ～ 4.7 μm、第四級(jí)為 2.1 ～ 3.3 μm、第五級(jí)為 1.1 ～ 2.0 μm、第六級(jí)為 0.6 ～ 1.0 μm，把六級(jí)采樣器捕獲的粒子作為 6 組大小不同數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為：數(shù)量中值直徑 P50= L +（i/f）（50%n – C）。公式中 L 為累計(jì)頻數(shù)中值的組距下限；i 為累計(jì)頻數(shù)中值的組距；f為累計(jì)頻數(shù)中值的粒子數(shù)；50%n 為累計(jì)頻數(shù)中值所在組的累計(jì)頻數(shù)；C 為累計(jì)頻數(shù)中值[6-7]。

圖1 正壓式防護(hù)口罩測(cè)試裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of test device for a positive pressure protective mask

1.2.3.2 防護(hù)效率的計(jì)算

按照 ⑴ 計(jì)算正壓式防護(hù)口罩對(duì)氣溶膠總粒子的防護(hù)效率。

式中：ηB是正壓式防護(hù)口罩對(duì)氣溶膠總粒子的防護(hù)效率；CTin是 APS 3321 檢測(cè)到的口罩內(nèi)腔中的氣溶膠總粒子濃度；CT是 APS 3321 檢測(cè)到的氣溶膠密閉艙室中的氣溶膠總粒子濃度。

按照 ⑵ 計(jì)算正壓防護(hù)口罩對(duì)微生物氣溶膠的防護(hù)效率。

式中：ηS是正壓式防護(hù)口罩對(duì)微生物氣溶膠粒子的防護(hù)效率；CAin是 Andersen 六級(jí)采樣器檢測(cè)到的口罩內(nèi)腔中的微生物氣溶膠粒子濃度；CA是Andersen 六級(jí)采樣器檢測(cè)到的氣溶膠密閉艙室中的微生物氣溶膠粒子濃度。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

統(tǒng)計(jì)軟件采用 SPASS23.0，分析方法采用單因素方差分析，P＜ 0.05 認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2 粘質(zhì)沙雷菌氣溶膠總粒子的粒譜分布圖Figure 2 Distribution of particle spectra of the total Serratia marcescens aerosol

2 結(jié)果

2.1 微生物氣溶膠粒子的粒譜分布

APS 3321 空氣動(dòng)力學(xué)粒子分析儀測(cè)定的是空氣中所有氣溶膠粒子的濃度分布，粘質(zhì)沙雷菌氣溶膠總粒子的粒譜分布及累積濃度分布如圖 2 和圖 3所示，5 μm 以下的粒子占粒子總數(shù)的 78.5%；噬箘體 ΦX174 的氣溶膠總粒子的粒譜分布及累積濃度分布分別如圖 4 和圖 5 所示，5 μm 以下的粒子占粒子總數(shù)的 93%，兩種微生物氣溶膠粒子的大小和濃度分布相似。

根據(jù) Andersen 六級(jí)采樣器采樣結(jié)果，其氣溶膠中值直徑結(jié)果如表 1 所示，粘質(zhì)沙雷菌和噬箘體 ΦX174 的粒子數(shù)量中值直徑為 1.8 μm 左右。

2.2 正壓式防護(hù)口罩對(duì)氣溶膠總粒子的防護(hù)性能

口罩內(nèi)腔中經(jīng)過(guò)高效過(guò)濾器過(guò)濾后的氣溶膠粒子通過(guò) APS 3321 檢測(cè)到的粒譜分布分別如圖 6 和圖 7 所示，與口罩外氣溶膠總粒子濃度進(jìn)行比較，得出該防護(hù)口罩對(duì)空氣中的氣溶膠總粒子的防護(hù)效率，結(jié)果如表 2 所示。APS 3321 檢測(cè)到包含粘質(zhì)沙雷菌和噬箘體 ΦX174 的氣溶膠總粒子濃度達(dá)到 106個(gè)/L 數(shù)量級(jí)，正壓式防護(hù)口罩對(duì)總粒子的防護(hù)效率基本上在 99% 以上。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，氣溶膠總粒子中含有的微生物粒子的種類對(duì)正壓式防護(hù)口罩的防護(hù)效率沒有影響（P=0.36）。

圖3 粘質(zhì)沙雷菌氣溶膠總粒子的累積濃度分布圖Figure 3 Distribution of particle cumulative concentration of the total Serratia marcescens aerosol

圖4 噬箘體 ΦX174 氣溶膠總粒子的粒譜分布圖Figure 4 Distribution of particle spectra of the total phage ΦX174 aerosol

圖5 噬箘體 ΦX174 氣溶膠總粒子的累積濃度分布圖Figure 5 Distribution of particle cumulative concentration of the total phage ΦX174 aerosol

表1 采樣法計(jì)算測(cè)得的微生物氣溶膠粒子直徑Table 1 Diameter of aerosol calculated from sampling

圖6 口罩內(nèi)腔中粘質(zhì)沙雷菌氣溶膠粒子的粒譜分布圖（CTin = 187 個(gè)/L）Figure 6 Distribution of particle spectra of the Serratia marcescens aerosol in the mask inner cavity (CTin =187 particles/L)

圖7 口罩內(nèi)腔中噬箘體 ΦX174 氣溶膠粒子的粒譜分布圖（CTin = 1264 個(gè)/L）Figure 7 Distribution of particle spectra of the phage ΦX174 aerosol in the mask inner cavity (CTin = 1264 particles/L)

表2 正壓式防護(hù)口罩對(duì)氣溶膠總粒子的防護(hù)效果Table 2 Protective efficiencies of positive pressure protective mask for total aerosol

表3 正壓式防護(hù)口罩對(duì)微生物氣溶膠的防護(hù)效率Table 3 Protective efficiencies of positive pressure protective mask for bioaerosol

2.3 正壓式防護(hù)口罩對(duì)微生物氣溶膠的防護(hù)效率

將 Andersen 六級(jí)采樣器采樣結(jié)果代入正壓防護(hù)口罩對(duì)微生物氣溶膠的防護(hù)效率計(jì)算公式 ⑵，結(jié)果如表 3 所示，口罩外部采集到的細(xì)菌和病毒氣溶膠的濃度達(dá)到 105CFU/m3或 PFU/m3的數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)低于氣溶膠總粒子濃度。在不同氣流速度的送風(fēng)量下，該正壓式防護(hù)口罩對(duì)細(xì)菌和病毒氣溶膠的防護(hù)效率有顯著差異（對(duì)于粘質(zhì)沙雷菌，F(xiàn)=113.58，P＜ 0.01，對(duì)于噬箘體 ΦX174，F(xiàn)= 28.24，P＜ 0.01），說(shuō)明氣流速度對(duì)微生物氣溶膠的防護(hù)效率有影響，氣流速度越大，口罩的防護(hù)效率越高。在 180 L/min 的送風(fēng)氣流下，口罩內(nèi)腔中在 5 min內(nèi)的微生物氣溶膠濃度未能達(dá)到 Andersen 六級(jí)采樣器能夠采集到的最低濃度值，口罩對(duì)微生物氣溶膠的防護(hù)效率高于 99.99%。

正壓式防護(hù)口罩對(duì)氣溶膠總粒子和對(duì)微生物氣溶膠粒子的防護(hù)效率之間的差異不顯著[F=0.43，P= 0.52（粘質(zhì)沙雷菌）；F= 3.04，P= 0.10（噬箘體 ΦX174）]，對(duì)兩種微生物氣溶膠的防護(hù)效率也無(wú)顯著差異（F= 0.16，P= 0.70）。

3 討論

防護(hù)效率指在規(guī)定的氣流速度下口罩濾料能夠?qū)馊苣z濾除的百分?jǐn)?shù)，是口罩防護(hù)性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。GB 19083-2010《醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求》以及 WSB 59-2003《自吸過(guò)濾式生物防護(hù)口罩通用規(guī)范》（中國(guó)人民解放軍總后勤部衛(wèi)生部標(biāo)準(zhǔn)）中規(guī)定口罩對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)直徑為 0.3 μm 顆粒防護(hù)效率大于 95%，對(duì)細(xì)菌氣溶膠防護(hù)效率大于99%[8-9]。由于目前尚無(wú)針對(duì)正壓式防護(hù)口罩的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)參照醫(yī)用防護(hù)口罩標(biāo)準(zhǔn)和生物防護(hù)口罩標(biāo)準(zhǔn)，該正壓式防護(hù)口罩對(duì)細(xì)菌和病毒氣溶膠的防護(hù)效率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

該正壓式防護(hù)口罩采用的是 ULPA 超高效空氣過(guò)濾網(wǎng)，能夠?yàn)V除小于或等于 0.1 μm 的超細(xì)顆粒，標(biāo)稱吸塵效率達(dá)到 99.99999% 以上，濾材對(duì)病毒過(guò)濾效率標(biāo)稱值為 99.9999% 或以上，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)稱值差距較大。國(guó)內(nèi)外對(duì)多個(gè)采用 N95過(guò)濾材料的醫(yī)用防護(hù)口罩進(jìn)行測(cè)試，防護(hù)效率均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值要求，最低值甚至才 23.200%[10]，表明防護(hù)口罩的標(biāo)稱防護(hù)效率并不一定準(zhǔn)確反映其實(shí)際防護(hù)效果[11]?？谡譃V材的過(guò)濾效率測(cè)試是保證口罩合格的首要條件，但是濾材過(guò)濾效率高不能保證口罩佩戴時(shí)的實(shí)際防護(hù)效率也高，本次測(cè)試的分體式的防護(hù)口罩，濾材安裝在主機(jī)上，其防護(hù)效果還與濾材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝以及整體的氣密性有關(guān)系。該正壓式防護(hù)口罩對(duì)細(xì)菌氣溶膠和病毒氣溶膠的防護(hù)效率都達(dá)到 99% 以上，且送風(fēng)氣流越大，防護(hù)效率越高，因此在保證人體佩戴舒適的前提下，在使用時(shí)盡量使用較高的送風(fēng)氣流。

利用微生物氣溶膠評(píng)價(jià)防護(hù)裝備的生物防護(hù)效率，能夠真實(shí)地反映防護(hù)裝備對(duì)微生物氣溶膠粒子的防護(hù)效果[12-13]，但是這種方法需要經(jīng)過(guò)采樣培養(yǎng)，耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)驗(yàn)技能具有較高的要求。空氣動(dòng)力學(xué)粒子分析儀 APS 3321 能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)空氣中氣溶膠粒子的大小和濃度分布，本研究利用 APS 3321 檢測(cè)所發(fā)生的微生物氣溶膠總粒子的本底濃度，同時(shí)檢測(cè)正壓式防護(hù)口罩佩戴后內(nèi)腔中的氣溶膠粒子，利用粒子濃度比較的方式可以實(shí)時(shí)獲得防護(hù)口罩對(duì)總粒子的防護(hù)效果，省時(shí)省力，檢測(cè)結(jié)果與用 Andersen六級(jí)采樣器采樣得到的微生物氣溶膠的防護(hù)效率沒有顯著差異，因此可以進(jìn)一步研究用實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法來(lái)評(píng)價(jià)防護(hù)裝備對(duì)微生物粒子的防護(hù)效果。

此外在評(píng)價(jià)口罩的實(shí)際防護(hù)效果時(shí)要考慮臉型密合度[14]，由于個(gè)體差異，佩戴者的臉型也具有較大差異，口罩佩戴后與臉部之間如果達(dá)不到密合性要求，實(shí)際防護(hù)效果與標(biāo)稱值是不能等同的[15]。本次檢測(cè)正壓式防護(hù)口罩的防護(hù)效率，是佩戴在頭部模型上，實(shí)驗(yàn)時(shí)盡可能將口罩與頭部模型之間的縫隙密封，但還是存在密合性上的缺陷，造成測(cè)試結(jié)果上的差異。

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