細(xì)菌過濾效率系統(tǒng)微型氣流式噴霧器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳現(xiàn)坤，易雅誼，吳兆良，王川經(jīng)，王飛，朱帥

青島眾瑞智能儀器股份有限公司 （山東青島 266000）

環(huán)境空氣中懸浮的病原微生物，如細(xì)菌和病毒等，被認(rèn)為是引起呼吸系統(tǒng)感染、增加呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率和病死率的關(guān)鍵因素[1-2]。在流感季節(jié)或病毒性疾病暴發(fā)時(shí)，民眾需要佩戴口罩以防止細(xì)菌和病毒感染?？谡挚捎行Ы档铜h(huán)境空氣中的病原微生物被吸入體內(nèi)致病的危險(xiǎn)，是保護(hù)民眾健康和安全最簡單、有效的方法[3-4]。其防護(hù)性能主要取決于口罩濾材的過濾效率[5]，生產(chǎn)企業(yè)需要不斷提高口罩質(zhì)量及口罩對(duì)細(xì)菌和病毒的阻留效果，使生產(chǎn)的口罩滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，以保證民眾的安全。因此，生產(chǎn)企業(yè)急需一款檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確的細(xì)菌過濾效率（bacterial filtration efficiency，BFE）檢測(cè)裝置。

BFE 檢測(cè)儀是目前用于生產(chǎn)企業(yè)檢測(cè)口罩BFE 的重要儀器，其中，氣溶膠平均粒徑是一項(xiàng)影響B(tài)FE 檢測(cè)結(jié)果的重要參數(shù)。BFE 檢測(cè)儀中的氣流式噴霧器利用高速氣流將液體分散為小霧滴，結(jié)構(gòu)形式多樣，而現(xiàn)有的大多數(shù)氣流式噴霧器僅可完成將液體分散為小霧滴，其產(chǎn)生的所有粒徑的氣溶膠全部被輸出，平均粒徑調(diào)整困難，難以輸出平均粒徑穩(wěn)定的氣溶膠，當(dāng)將氣流式噴霧器用于對(duì)口罩BFE的檢測(cè)時(shí)，難以達(dá)到Y(jié)Y 0469-2011《醫(yī)用外科口罩技術(shù)要求》[6]中對(duì)氣溶膠平均粒徑的要求，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果誤差較大。在此背景下，本研究設(shè)計(jì)了一款能夠產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求的氣溶膠平均粒徑的微型氣流式噴霧器。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

胰蛋白酶大豆瓊脂（TSA，青島海博生物技術(shù)有限公司）；胰蛋白酶大豆肉湯（TSB，青島海博生物技術(shù)有限公司）；蛋白胨水（青島海博生物技術(shù)有限公司）；金黃色葡萄球菌ATCC6538（青島海博生物技術(shù)有限公司）。

錐形瓶（250～500 ml，青島海博生物技術(shù)有限公司）；瓊脂平板（φ90 mm，青島海博生物技術(shù)有限公司）；移液槍（100、1 000、5 000 μl，北京大龍）；試管（青島海博生物技術(shù)有限公司）；試管架（青島海博生物技術(shù)有限公司）；接種環(huán)（青島海博生物技術(shù)有限公司）。

高壓蒸汽滅菌鍋（上海申安療器械廠，恒溫121～123 ℃）；培養(yǎng)箱[韶關(guān)市泰宏醫(yī)療器械有限公司，恒溫（37±2）℃]；分析天平（藍(lán)發(fā)科貿(mào)津平科學(xué)儀器，精度0.001 g）；旋渦式混勻器（Shanghai Magal Scientific Instrument Co.,LTD，可容納16 mm×150 mm 的試管）；軌道式振蕩器（常州智博瑞儀器制造有限公司，轉(zhuǎn)速100～250 r/min）；冰箱（青島海爾，2～8 ℃）；BFE檢測(cè)儀（ZR-1000，青島眾瑞智能儀器有限公司）；菌落計(jì)數(shù)器（ZR-1100，青島眾瑞智能儀器有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

首先，將金黃色葡萄球菌ATCC6538接種在適量TSB 培養(yǎng)基中，在（37±2）℃恒溫箱中振蕩培養(yǎng)（24±2）h，然后用蛋白胨水將其稀釋至約5×105cfu/ml；試驗(yàn)開始時(shí)，先不要將樣品放入BFE 檢測(cè)儀中，先將通過采樣器的氣體流速控制在28.3 L/min，向噴霧器輸送細(xì)菌懸液的時(shí)間設(shè)定為1 min，空氣壓力和采樣器運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為2 min，將細(xì)菌氣溶膠收集到瓊脂平板上，作為陽性質(zhì)控值，應(yīng)為1 700～3 000 cfu，否則需調(diào)整培養(yǎng)物的濃度；陽性質(zhì)控測(cè)試完成后，將瓊脂平板取出，標(biāo)上層號(hào)，然后放入新的瓊脂平板，將試驗(yàn)樣品夾在采樣器上端，口罩內(nèi)側(cè)朝向氣溶膠，按照上述程序進(jìn)行采樣，在一批試驗(yàn)樣品測(cè)試完成后，再進(jìn)行一次陽性對(duì)照試驗(yàn)，然后收集2 min 氣溶膠室中的空氣樣品，作為陰性質(zhì)控，在此過程中，不可向噴霧器中輸送細(xì)菌懸液，可同時(shí)進(jìn)行陽性質(zhì)控采集與樣品采集；接下來，將采樣后的瓊脂平板在（37±2） ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（48±4）h，然后對(duì)細(xì)菌顆粒氣溶膠形成的菌落形成單位（陽性孔）進(jìn)行計(jì)數(shù)，并使用轉(zhuǎn)換表將其轉(zhuǎn)換為可能的撞擊顆粒數(shù)（1級(jí)和2級(jí)不進(jìn)行轉(zhuǎn)換），然后將轉(zhuǎn)換后的細(xì)菌數(shù)按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算，即可得氣溶膠平均粒徑：

其中，MPS為氣溶膠平均粒徑，P為撞擊顆粒數(shù)，C為轉(zhuǎn)換后的細(xì)菌數(shù)，1、2、3、4、5、6分別代表粒徑的不同級(jí)別。

表1為安德森采樣器各級(jí)粒徑的大小及細(xì)菌數(shù)。

表1 安德森采樣器各級(jí)粒徑的大小及細(xì)菌數(shù)

2 微型氣流式噴霧器的工作原理

圖1為微型氣流式噴霧器的構(gòu)造圖，噴霧器產(chǎn)生細(xì)菌氣溶膠的原理為：恒定流量的氣體介質(zhì)由氣路接頭7進(jìn)入噴霧器，經(jīng)過孔板5后，在混合腔1后方形成具有一定速度的氣體射流，氣體流速由輸入氣體流量和孔板孔徑確定；一定流量液體由供液接頭9進(jìn)入噴霧器，到達(dá)供液孔8后被氣體介質(zhì)吹進(jìn)混合腔1中，液體流速由供液流量和供液孔孔徑確定；混合腔1中的液體與氣體射流發(fā)生摩擦，被拉成一條條細(xì)長的絲，這些絲狀體在較細(xì)處迅速斷裂形成球狀的小霧滴，小霧滴被氣體射流裹挾，離開混合腔1的噴霧出口3后在錐形擴(kuò)散流和紊流的作用下最終形成氣溶膠[7]；噴出的氣溶膠會(huì)在重力和空氣動(dòng)力學(xué)特性的作用下沿不同的軌跡運(yùn)動(dòng)，在噴霧器外殼的篩選作用下，只有b、c、d 所代表的部分粒徑范圍的氣溶膠能從噴霧出口3噴出，未噴出的氣溶膠與外殼碰撞聚集后，形成液流從廢液出口4流出噴霧器，氣溶膠粒徑大小受孔板孔徑、混合腔直徑、混合腔長度、混合腔形狀、氣體流量、液體流量、液體物理性質(zhì)、供液孔直徑、供液孔在混合腔中的相對(duì)位置和角度等因素的綜合影響。

圖1 微型氣流式噴霧器的構(gòu)造圖

3 微型氣流式噴霧器的設(shè)計(jì)

根據(jù)YY 0469-2011《醫(yī)用外科口罩技術(shù)要求》和BS EN 14683:2019《Medical face masks-Requirements and test methods》[8]中的要求：細(xì)菌氣溶膠的平均粒徑應(yīng)為（3.0±0.3）μm。為了獲得符合要求的氣溶膠平均粒徑，應(yīng)設(shè)計(jì)噴霧器外殼的幾何尺寸。

通過更換具有不同孔徑的孔板，可改變噴霧器產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑和粒徑分布。當(dāng)氣體流量及液體流量大小不變時(shí)，選擇不同孔徑的孔板，可產(chǎn)生不同粒徑大小的氣溶膠。如圖2所示，3種孔徑孔板產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑分別為d1、d2和d3。

圖2 不同孔徑孔板產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑范圍示意圖

通過調(diào)整噴霧器外殼的幾何尺寸，可改變能從噴霧出口噴出的氣溶膠大小，從而調(diào)整其對(duì)粒徑的篩選范圍和范圍寬度。如圖3所示，調(diào)整外殼混合腔形狀后允許粒徑介于d4和d7之間的氣溶膠通過；調(diào)整外殼混合腔長度后允許粒徑介于d5和d6之間的氣溶膠通過，粒徑的分布寬度從d4～d7調(diào)整為d5～d6。

圖3 固定孔板孔徑與外殼幾何尺寸的氣溶膠平均粒徑范圍示意圖

結(jié)合不同孔徑孔板和噴霧器外殼的幾何尺寸，可根據(jù)具體需求通過調(diào)整噴霧流量和液體流速調(diào)整產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑和分布范圍。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 噴霧器不同孔徑孔板產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑比較

保證其他試驗(yàn)條件相同，對(duì)不同孔徑的孔板進(jìn)行試驗(yàn)（孔徑分別為1.10、1.11、1.12、1.13、1.14、1.15、1.16、1.17、1.18 mm），結(jié)果表明，在孔板孔徑為1.14 mm 時(shí)，氣溶膠平均粒徑最接近（3.0±0.3）μm，故我們選定孔板孔徑為1.14 mm，見表2。

表2 不同孔徑孔板噴霧器產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑比較

4.2 不同外殼幾何尺寸噴霧器產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑比較

隨著噴嘴至氣溶膠出口的距離不斷減小，氣溶膠平均粒徑逐漸增大，當(dāng)噴嘴至氣溶膠出口的距離為40.0 cm 時(shí)，氣溶膠平均粒徑在（3.0±0.3） μm 范圍內(nèi)，見表3。圖4為4種不同外殼幾何尺寸的噴霧器產(chǎn)生的氣溶膠，由拋物線運(yùn)行軌跡可知，顆粒越大的氣溶膠運(yùn)動(dòng)軌跡越短，被D 噴霧器采集到的大顆粒最多，且平均粒徑恰好在（3.0±0.3）μm 范圍內(nèi)，故不再縮短噴嘴至氣溶膠出口的距離。

表3 不同外殼幾何尺寸噴霧器產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑比較

圖4 4種不同外殼幾何尺寸的噴霧器產(chǎn)生的氣溶膠大小比較

4.3 新型噴霧器與傳統(tǒng)噴霧器比較

由表4和表5可知，相較于傳統(tǒng)噴霧器，新型噴霧器產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑增大，從傳統(tǒng)噴霧器的1.76 μm 增大到2.94 μm。且由于傳統(tǒng)噴霧器（圖4中A 款噴霧器）是玻璃件一體式設(shè)計(jì)，外殼尺寸及噴霧孔徑固定，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，故氣溶膠平均粒徑無法通過人為控制，不能達(dá)到Y(jié)Y 0469-2011《醫(yī)用外科口罩技術(shù)要求》和BS EN 14683:2019《Medical face masks-Requirements and test methods》中對(duì)細(xì)菌氣溶膠平均粒徑的要求[ 應(yīng)為（3.0±0.3） μm]。而新款噴霧器（圖4中B、C、D 款噴霧器）由前端的玻璃件和后端的不銹鋼噴霧頭組合而成，可通過更換孔板調(diào)節(jié)噴霧孔徑，對(duì)于前端玻璃件的外殼尺寸，亦設(shè)計(jì)了多個(gè)版本進(jìn)行試驗(yàn)，并尋找到了最優(yōu)的外殼尺寸和噴霧孔徑，實(shí)現(xiàn)了氣溶膠平均粒徑在（3.0±0.3）μm 范圍內(nèi)，且外殼尺寸和噴霧孔徑一經(jīng)確認(rèn)，便無需再進(jìn)行更改，可直接進(jìn)行批量生產(chǎn)。表6為小批量生產(chǎn)的20個(gè)新型噴霧器的測(cè)試結(jié)果，由表可知，實(shí)現(xiàn)粒徑滿足（3.0±0.3）μm 的噴霧器達(dá)到99%以上，個(gè)別噴霧器的陽性質(zhì)控值可能會(huì)偏高或偏低，均可通過調(diào)節(jié)噴霧器流量實(shí)現(xiàn)。

表4 新型噴霧器試驗(yàn)所得的氣溶膠平均粒徑

表5 傳統(tǒng)噴霧器試驗(yàn)所得的氣溶膠平均粒徑

表6 20個(gè)新型噴霧器試驗(yàn)所得的氣溶膠平均粒徑

5 小結(jié)

微型氣流式噴霧器可穩(wěn)定輸出平均粒徑可調(diào)控的氣溶膠，適用于多種需要人為調(diào)控氣溶膠平均粒徑大小的微生物檢測(cè)儀器中。噴霧器的氣溶膠平均粒徑主要由噴霧器孔板孔徑大小和噴嘴至氣溶膠出口的距離決定，當(dāng)孔板孔徑為1.14 mm、噴嘴至氣溶膠出口的距離為40.0 cm 時(shí)，通過調(diào)節(jié)噴霧流量和細(xì)菌懸液的濃度，噴霧器可穩(wěn)定輸出平均粒徑為（3.0±0.3）μm 的氣溶膠，可用于BFE 檢測(cè)儀中。