CO2激光烟雾颗粒的粒径测定及元素分析

廖彩荷， 刘广鹏， 叶信海



CO2激光烟雾颗粒的粒径测定及元素分析

廖彩荷， 刘广鹏， 叶信海

目的 测定超脉冲CO2激光治疗时产生的烟雾颗粒大小，并进行元素成分分析。方法 超脉冲CO2激光治疗时开启可移动式吸烟机，使用1周的吸烟机过滤芯海绵作为实验组，未经使用的过滤芯为对照组。扫描电镜测量过滤芯内烟雾颗粒大小及分布，X射线光电子能谱仪分析检测烟雾颗粒的组成元素及构成比。结果 扫描电镜显示，超脉冲CO2激光治疗产生的烟雾颗粒平均直径为3.37 μm，能谱分析显示激光烟雾主要元素成分为碳和氧，另有微量钠、硫、氯元素。结论 超脉冲CO2激光的烟雾颗粒与PM 2.5微粒大小相当，属于对肺有损害的微颗粒，建议医学激光治疗时增强医患人员防护意识与措施。

二氧化碳； 激光烟雾； 成分； 粒径； PM 2.5

激光具有定位精确、微创和疗效确切等特点，广泛应用于皮肤科、整形科、五官科、口腔科。激光烟雾是激光高温烧灼组织致蛋白质、脂肪及体液不完全燃烧形成的混合物，形态表现为分散到空气中肉眼可见的可被吸入的细小微粒、烟雾或气溶胶，也称为激光导致的空气污染物[1-2]。目前，国外对其化学成分及危害的研究较多，而国内对激光烟雾的防护尚无具体法规，只是规定应具有负压烟雾抽吸装置。自2015年8～10月，上海市第十人民医院临床医学院选取超脉冲CO2激光，对其烟雾扩散分布、粒径大小及元素成分进行研究，为规范激光治疗的防护措施提供理论依据。

1 设备与方法

1.1 主要仪器设备

超脉冲CO2激光治疗仪(XH-CO2型，武汉镭射科技有限公司)，移动式吸烟机(JYLB-200A型，重庆京渝激光生物研究所有限公司)，扫描电子显微镜(日本电子株式会社)，X射线光电子能谱仪(日本电子株式会社)。

1.2 研究方法

1.2.1 激光治疗室烟雾浓度测算 根据《上海市医疗技术临床应用准入管理办法》，激光专用诊疗室场地面积一般应在25 m2以上。激光治疗室面积为25 m2，估算空间体积为70 m3。随机选取整形外科手术切除废弃的圆形色素增生性皮肤病变(黑痣、斑痣、疣状新生物)，测量其直径及质量，重复采集3次数据，推算烟雾空间浓度。

1.2.2 样品收集 超脉冲CO2激光治疗仪主要用于体表色素增生性病变的治疗，平均每天使用时间 ≥ 1.5 h，临床治疗中常用激光脉冲宽度0.8～1.0 ms，频率16～20 Hz，脉冲周期50～60 ms，能量密度32～35 J/cm2，终端输出功率≥ 30 W。使用CO2脉冲激光治疗仪的同时开启可移动式吸烟机。吸烟机使用参数为大气压力范围700～1060 hPa，整机最大功率1500 W，采用连续控制方式。集烟罩距离治疗部位5.0 cm，入口处放置合适大小的海绵泡沫作为过滤芯(直径3.0 cm、厚度0.7 cm)。收集连续使用1周的吸烟机过滤芯海绵用于以下检测，以未经使用暴露在同一环境中的过滤芯作为对照。

1.2.3 样品预处理 在实验组和对照组的过滤芯中央剪取 2 mm×2 mm×2 mm的样品块，双面胶带固定在样品托上，抽真空去除表面污染物，通过镀金法矫正样品的电荷。

1.2.4 扫描电镜观察 将处理后的对照组和实验组样品块分别行扫描电子显微镜观察，测量颗粒直径并拍照。

1.2.5 X射线光电子能谱仪测定 将处理后的对照组和实验组样品块分别洗脱颗粒，用石油醚清洗后烘干，置于光电子能谱仪下检测分析，选取孔隙间颗粒测定其元素构成谱图。

1.2.6 统计学处理 采用SPSS 18.0软件进行统计学分析。两样本元素质量比均值进行成组t检验，P﹤0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 激光治疗室烟雾浓度测算

通过测量手术切除皮肤病变的面积和重量，计算得出直径1 mm圆形皮肤病损(包含表皮层与真皮层)的平均质量为(8.8±2.1) mg (n=3)。推算在70m3的治疗区域内，如无吸烟除尘装置，激光烧灼直径1mm的皮肤病变组织可产生的理论烟雾浓度为(125±30)μg/m3。

2.2 标本大体观察

对照组未使用的过滤芯海绵呈乳白色圆柱形，质地均匀，孔隙清楚。实验组经抽吸CO2激光烟雾1周的过滤芯为棕黑色，中央区域颜色深于外围。孔隙结构存在，外形大小与对照组相比无明显改变。

2.3 扫描电镜观察

2.3.1 激光烟雾颗粒分布情况 扫描电镜显示，对照组的过滤芯海绵呈规则的蜂窝状多孔结构，孔径大小200.00～500.00μm，边界光滑，密度较为均匀；实验组的过滤芯镜下显示，海绵框架结构已被破坏，孔径大小不等，腔壁变薄，排列紊乱。烟雾颗粒黏附在多孔结构表面，数量密集。高倍镜下(×500)可见超脉冲CO2激光烟雾颗粒大小不等，形状不规则，有球形、半球形、片状、羽状、多角形等(图1)。

图1 超脉冲CO2激光烟雾颗粒的电镜观察a.×35b.×200c.×500

Fig 1 Observation of the CO2laser smoke particles with SEM. a. ×35. b. ×200. c. ×500.

2.3.2 激光烟雾粒径测定 扫描电镜1200倍镜下可清晰显示单个CO2激光烟雾颗粒。实验组过滤芯选取3处不重叠范围，每处随机取10个边界完整的烟雾颗粒，应用电镜自带软件测量颗粒长度并标记，测得烟雾颗粒直径为(3.37±1.11) μm(n=30，图2)。

图2 扫描电镜测量烟雾粒径

Fig 2 Mensuration of the diameter of laser smoke with SEM.

2.4 能谱分析检测

能谱分析仪检测显示,对照组海绵材料主要元素成分为碳和氧。实验组的烟雾颗粒除碳、氧元素外，还含有钠、硫、氯(表1)。两组所含碳和氧元素的质量比差异无统计学意义(n=3，P>0.05)。

表1 两组过滤芯内颗粒所含元素质量比

组别碳氧钠硫氯实验组67.81±2.5229.42±1.981.41±0.350.63±0.760.73±0.88对照组70.32±15.2029.68±15.20---

3 讨论

3.1 激光烟雾的危害

激光烟雾是一种影响人体健康的危害物，主要成分包括有毒有害化学物质、活性致病菌及病毒、细胞组织团块及可诱导突变的物质等[3-4]。既往研究发现，激光烟雾中含有多种有毒有害的化学物质，如苯系物、碳氧化合物、醛类化合物、酚类化合物、脂肪酸等，其中CO与丙烯腈是最主要的有毒化学物质[3]。CO可在血液中与氧气竞争结合血红蛋白，形成碳氧血红蛋白，组织器官反复缺氧后红细胞比积升高。丙烯腈是一种无色、有辛辣气味、易挥发的有毒物质，经皮肤及呼吸道吸收，导致恶心、眼表不适和上呼吸道疼痛等不适。进入细胞后的丙烯腈能抑制线粒体上的细胞色素氧化酶活性，阻断细胞电子传递链的循环[4]。特别是表皮组织不完全燃烧后会产生大量的苯、二甲苯等苯系物[5]。苯系物会破坏骨髓造血，损伤中枢神经系统及危害肝肾功能，包括贫血、白血病、头晕、头痛、记忆力下降、癌变等。在激光烟雾的元素组成方面，Weld等研究发现，内镜手术烟雾颗粒可分成小型颗粒和大型颗粒。小型颗粒多为球形，是由液体蒸发形成的球形晶核，主要化学成分有钠、钾、镁、钙等；大型颗粒是未完全燃烧的人体组织碎片，主要化学成分为碳和氧[6-8]。本研究发现，CO2激光烟雾也含有钠、硫、氯等元素，与上述研究结果相符。颗粒大小和数量也是激光烟雾危险性的重要因素。本研究还发现,超脉冲CO2激光烟雾颗粒粒径多小于10.00 μm，均值接近PM 2.5(particular matter 2.5)，属于对肺有损害的可吸入微颗粒(0.50～5.00 μm)。PM 2.5的微小颗粒能深入肺泡并沉积于肺泡区，滞留后产生炎症和氧化应激反应；也可通过气血交换进入血液循环，改变血液成分，导致血管重建，对呼吸系统、循环系统均产生诸多危害[9-10]。我们测算在70 m3的治疗区域内,每烧灼直径1 mm的皮肤组织产生的烟雾浓度约为125 μg/m3，且主要空气污染物为PM 2.5。所以，短时间内的激光治疗就足以使室内空气质量达到污染的程度。

3.2 激光烟雾的防护

激光烟雾对职业暴露人群存在潜在的健康危害，但目前我国对此研究还重视不够，防护意识与措施有待提高。例如《上海市激光治疗质量控制条例》只是笼统规定“CO2激光、饵激光等烧灼性激光操作的治疗室应配备吸烟除尘装置，并保持良好通风”。 而美国国家职业安全与卫生研究院(National Institute for Occupational Safety and Health， NIOSH)在1996年即建议控制手术中使用激光产生烟雾，强调使用高性能的过滤器通风系统以及对工作人员采取全方位保护措施[11]。为减少PM 2.5激光烟雾颗粒的吸入，同时也防止造成二次污染室外空气环境，我们建议激光诊疗室应强制使用含空气净化过滤网的通风排烟系统，对吸入的烟气进行无害化处理。为了保护激光烟雾暴露人群的身体健康，还应加强烟雾防范教育，了解激光烟雾的危害性。并正确使用个人防护措施，例如正确佩戴高过滤性的口罩、眼部防护镜、手套和穿隔离衣等。普通外科口罩只能滤除5.00 μm以上的微颗粒[12]。本研究结果表明，这种口罩不能对超脉冲CO2激光烟雾提供有效的防护作用，因此，建议患者及医师使用带活性炭吸附层的高效防PM 2.5口罩。

总之，激光烟雾是激光治疗中不可避免的问题。随着激光设备在医疗领域的广泛应用，烟雾颗粒的危害也随之日益凸显，要求医务人员规范激光操作，主动防护，全面保护个人健康。

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Mensuration of particle diameter of carbon dioxide and elemental analysis of smoke particles

LIAOCai-he,LIUGuang-peng,YEXin-hai.

(ShanghaiTenthPeople′sHospitalofNanjingMedicalUniversity,Nanjing210029,China)

YEXin-hai,Email:dryxh@189.cn

Objective To measure the particle size and analyze the chemical elements of the smoke produced by ultra pulsed CO2laser treatment. Methods A smoking machine with sponge filter was used when turning on the ultra pulsed CO2laser for treatment. After one week the filter was observed with scanning electron microscope to detect the diameter and distribution of smoke particles, while the blank filter served as the control. The chemical elements and composition ratio of laser smoke were determined using energy disperse spectroscopy. Results It was demonstrated that the mean diameter of CO2laser smoke particles was approximately 3.37 μm. Furthermore, carbon and oxygen were the main elements in laser smoke measured with energy disperse spectroscopy, with trace elements of sodium, sulfur and chlorine. Conclusion The diameter of CO2laser smoke was similar to the size of PM 2.5, which is harmful to lungs definitely. Enhancing individual awareness and safety control when using medical lasers is recommended.

Carbon dioxide; Laser smoke; Smoke composition; Particle size; PM 2.5

国家自然科学基金(81171475,31271027) 作者单位：210029 江苏 南京，南京医科大学上海市第十人民医院临床医学院(廖彩荷，叶信海);上海市第十人民医院 整形 外科(刘广鹏) 第一作者：廖彩荷(1992-)，女，浙江人，硕士研究生. 通信作者：叶信海，210029，南京医科大学上海市第十人民院临床医学院，电子信箱：dryxh@189.cn

10.3969/j.issn.1673-7040.2016.07.003

R454.2

A

1673-7040(2016)07-0392-04

2016-04-10)