細菌過濾效率系統微型氣流式噴霧器的設計與試驗

陳現坤，易雅誼，吳兆良，王川經，王飛，朱帥

青島眾瑞智能儀器股份有限公司 （山東青島 266000）

環境空氣中懸浮的病原微生物，如細菌和病毒等，被認為是引起呼吸系統感染、增加呼吸系統疾病發病率和病死率的關鍵因素[1-2]。在流感季節或病毒性疾病暴發時，民眾需要佩戴口罩以防止細菌和病毒感染。口罩可有效降低環境空氣中的病原微生物被吸入體內致病的危險，是保護民眾健康和安全最簡單、有效的方法[3-4]。其防護性能主要取決于口罩濾材的過濾效率[5]，生產企業需要不斷提高口罩質量及口罩對細菌和病毒的阻留效果，使生產的口罩滿足國家標準的相關要求，以保證民眾的安全。因此，生產企業急需一款檢測結果更為準確的細菌過濾效率（bacterial filtration efficiency，BFE）檢測裝置。

BFE 檢測儀是目前用于生產企業檢測口罩BFE 的重要儀器，其中，氣溶膠平均粒徑是一項影響BFE 檢測結果的重要參數。BFE 檢測儀中的氣流式噴霧器利用高速氣流將液體分散為小霧滴，結構形式多樣，而現有的大多數氣流式噴霧器僅可完成將液體分散為小霧滴，其產生的所有粒徑的氣溶膠全部被輸出，平均粒徑調整困難，難以輸出平均粒徑穩定的氣溶膠，當將氣流式噴霧器用于對口罩BFE的檢測時，難以達到YY 0469-2011《醫用外科口罩技術要求》[6]中對氣溶膠平均粒徑的要求，導致檢測結果誤差較大。在此背景下，本研究設計了一款能夠產生符合標準要求的氣溶膠平均粒徑的微型氣流式噴霧器。

1 試驗

1.1 試驗材料

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

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

高壓蒸汽滅菌鍋（上海申安療器械廠，恒溫121～123 ℃）；培養箱[韶關市泰宏醫療器械有限公司，恒溫（37±2）℃]；分析天平（藍發科貿津平科學儀器，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，轉速100～250 r/min）；冰箱（青島海爾，2～8 ℃）；BFE檢測儀（ZR-1000，青島眾瑞智能儀器有限公司）；菌落計數器（ZR-1100，青島眾瑞智能儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

首先，將金黃色葡萄球菌ATCC6538接種在適量TSB 培養基中，在（37±2）℃恒溫箱中振蕩培養（24±2）h，然后用蛋白胨水將其稀釋至約5×105cfu/ml；試驗開始時，先不要將樣品放入BFE 檢測儀中，先將通過采樣器的氣體流速控制在28.3 L/min，向噴霧器輸送細菌懸液的時間設定為1 min，空氣壓力和采樣器運行時間設定為2 min，將細菌氣溶膠收集到瓊脂平板上，作為陽性質控值，應為1 700～3 000 cfu，否則需調整培養物的濃度；陽性質控測試完成后，將瓊脂平板取出，標上層號，然后放入新的瓊脂平板，將試驗樣品夾在采樣器上端，口罩內側朝向氣溶膠，按照上述程序進行采樣，在一批試驗樣品測試完成后，再進行一次陽性對照試驗，然后收集2 min 氣溶膠室中的空氣樣品，作為陰性質控，在此過程中，不可向噴霧器中輸送細菌懸液，可同時進行陽性質控采集與樣品采集；接下來，將采樣后的瓊脂平板在（37±2） ℃培養箱中培養（48±4）h，然后對細菌顆粒氣溶膠形成的菌落形成單位（陽性孔）進行計數，并使用轉換表將其轉換為可能的撞擊顆粒數（1級和2級不進行轉換），然后將轉換后的細菌數按照公式（1）進行計算，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，C為轉換后的細菌數，1、2、3、4、5、6分別代表粒徑的不同級別。

表1為安德森采樣器各級粒徑的大小及細菌數。

表1 安德森采樣器各級粒徑的大小及細菌數

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造圖，噴霧器產生細菌氣溶膠的原理為：恒定流量的氣體介質由氣路接頭7進入噴霧器，經過孔板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進入噴霧器，到達供液孔8后被氣體介質吹進混合腔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生摩擦，被拉成一條條細長的絲，這些絲狀體在較細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后在錐形擴散流和紊流的作用下最終形成氣溶膠[7]；噴出的氣溶膠會在重力和空氣動力學特性的作用下沿不同的軌跡運動，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、供液孔直徑、供液孔在混合腔中的相對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造圖

3 微型氣流式噴霧器的設計

根據YY 0469-2011《醫用外科口罩技術要求》和BS EN 14683:2019《Medical face masks-Requirements and test methods》[8]中的要求：細菌氣溶膠的平均粒徑應為（3.0±0.3）μm。為了獲得符合要求的氣溶膠平均粒徑，應設計噴霧器外殼的幾何尺寸。

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

圖2 不同孔徑孔板產生的氣溶膠平均粒徑范圍示意圖

通過調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，從而調整其對粒徑的篩選范圍和范圍寬度。如圖3所示，調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

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

4 試驗結果與分析

4.1 噴霧器不同孔徑孔板產生的氣溶膠平均粒徑比較

保證其他試驗條件相同，對不同孔徑的孔板進行試驗（孔徑分別為1.10、1.11、1.12、1.13、1.14、1.15、1.16、1.17、1.18 mm），結果表明，在孔板孔徑為1.14 mm 時，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，當噴嘴至氣溶膠出口的距離為40.0 cm 時，氣溶膠平均粒徑在（3.0±0.3） μm 范圍內，見表3。圖4為4種不同外殼幾何尺寸的噴霧器產生的氣溶膠，由拋物線運行軌跡可知，顆粒越大的氣溶膠運動軌跡越短，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，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生的氣溶膠大小比較

4.3 新型噴霧器與傳統噴霧器比較

由表4和表5可知，相較于傳統噴霧器，新型噴霧器產生的氣溶膠平均粒徑增大，從傳統噴霧器的1.76 μm 增大到2.94 μm。且由于傳統噴霧器（圖4中A 款噴霧器）是玻璃件一體式設計，外殼尺寸及噴霧孔徑固定，無法進行調節，故氣溶膠平均粒徑無法通過人為控制，不能達到YY 0469-2011《醫用外科口罩技術要求》和BS EN 14683:2019《Medical face masks-Requirements and test methods》中對細菌氣溶膠平均粒徑的要求[ 應為（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，可通過更換孔板調節噴霧孔徑，對于前端玻璃件的外殼尺寸，亦設計了多個版本進行試驗，并尋找到了最優的外殼尺寸和噴霧孔徑，實現了氣溶膠平均粒徑在（3.0±0.3）μm 范圍內，且外殼尺寸和噴霧孔徑一經確認，便無需再進行更改，可直接進行批量生產。表6為小批量生產的20個新型噴霧器的測試結果，由表可知，實現粒徑滿足（3.0±0.3）μm 的噴霧器達到99%以上，個別噴霧器的陽性質控值可能會偏高或偏低，均可通過調節噴霧器流量實現。

表4 新型噴霧器試驗所得的氣溶膠平均粒徑

表5 傳統噴霧器試驗所得的氣溶膠平均粒徑

表6 20個新型噴霧器試驗所得的氣溶膠平均粒徑

5 小結

微型氣流式噴霧器可穩定輸出平均粒徑可調控的氣溶膠，適用于多種需要人為調控氣溶膠平均粒徑大小的微生物檢測儀器中。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，當孔板孔徑為1.14 mm、噴嘴至氣溶膠出口的距離為40.0 cm 時，通過調節噴霧流量和細菌懸液的濃度，噴霧器可穩定輸出平均粒徑為（3.0±0.3）μm 的氣溶膠，可用于BFE 檢測儀中。