一种医用超声雾化粒径测试方法解析

杨航 林鸿宁 刘智伟 广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 广州 510663）

内容提要：医用超声雾化器产生的雾粒以胶体形式存在于分散系中，雾粒的尺寸组成很复杂，如何更快速、更准确地检测胶体粒子的颗粒大小和浓度分布是当前研究热点。文章通过运用光散射原理，利用夫琅禾费衍射近似光学模型理想状态下的一种求解公式，进行模拟气溶胶的颗粒粒径参数测量，结合激光粒度分析测量系统，有效应用于快速检测医用超声雾化器产生的雾化粒径分布。

医用超声雾化器使用广泛，其主要由超声换能器、薄膜、送风装置、调节和控制系统等组成，工作原理为通过超声换能器震荡产生超声波在药液中传播，当超声波传播到达药液表面时，在药液表面与空气交界处受表面张力波作用形成雾化颗粒。而雾化粒径是医用超声雾化器最为重要关键的性能指标参数[1]。

医用超声雾化器产生的雾粒以胶体形式存在于分散系中，雾粒的尺寸组成很复杂，如何更快速准确检测胶体粒子的颗粒大小和浓度分布是当前研究热点。在分散系中往往有多种尺寸颗粒存在，单个颗粒由多种物质组成，很难知道它的颗粒大小和浓度分布。在众多粒子测量方法中，激光散射法由于其非接触、无干扰、精度高、速度快、测量范围广等优点而得到迅速发展，广泛应用于医疗行业检测，气溶胶研究等，提高了检测灵敏度、效率和可靠性。现今，医用超声雾化粒径测试方法主要运用光散射原理，采用激光粒度分析测量系统检测雾状颗粒的粒度分布情况。本文通过测试方法解析，加强基本原理知识学习和各种操作应用，有助于更好掌握相关检验标准和技术能力。

1.测试原理

均匀介质与某些颗粒混合，颗粒的折射率不同于周围的均匀介质，例如胶体溶液、悬浮液、乳液等，由于这种含有不均匀和不规则分布的颗粒物质介质产生光散射，原本均匀介质中的折射率均匀性被破坏。光散射原理和分散系的折射率有关，物体的折射率包含实部和虚部，物体折射率虚数部分反映了介质对光波的吸收特性，即当光波在介质中传播时，光强因为存在吸收而发生衰减。在本文中涉及的折射率应为复折射率。散射光的大小与颗粒和介质的折射率实部的差值有关，如果颗粒和分散系的折射率相同，不会发生明显的散射现象。散射理论是麦克斯韦方程对处在均匀介质中的均匀颗粒在平面单色波照射下的严格数学解。每个理想下的球形颗粒散射产生非偏振光的散射强度分布计算见公式（1）[2]。

k——波数（光波长的倒数）；la——散射颗粒到探测器的距离；θ——散射光线分布角度（散射角）；I0——入射的非偏振光的总光强。

S1(θ)和S2(θ)是散射理论定义的无量纲的复变函数，用于描述垂直和平行偏振光的振幅在前进方向上随散射角变化的函数。

在实际中颗粒的性质十分复杂，考虑需测量的颗粒性质，作出以下假设：①测量的颗粒光学性质稳定、各项同性，为理想球体；②测量时应用的激光波长固定且单色；③颗粒和分散系的折射率（包括实部和虚部）都是已知的；④颗粒表面不带电并且无表面电流流过；⑤颗粒不会在光照下发生化学反应。

基础假设后，颗粒的测量仍然十分复杂。利用光散射理论，必须知道系统的光学性质，才能进行计算。雾化颗粒的复折射率（包括实部和虚部）和分散质的复折射率都很难得知。复折射率的虚部（吸收）与波长有关，不同物质在不同波长的光照射，其吸收能力不一样。颗粒的形状和外表面也会对结果产生影响。实际操作中仅仅利用上述假设还是不能够完全测量颗粒的性质，这需要设计合理的光学模型和在光学模型建立后对颗粒进一步合理假设。

本文采用夫琅禾费近似光学模型，而现实中无法使光源和屏幕的距离无限远。利用巴比涅原理得到和夫琅禾费衍射相同的图像。在光学模型确定后，本论文需根据使用的光学模型和之前的假设，以简化计算。假设：①颗粒的折射率虚数部分存在且不能忽略；②仅考虑颗粒边界处发生的衍射；③光源发出的波长已知且固定；④只考虑衍射角很小的情况（衍射方向接近正前方）；⑤所有的颗粒都为理想球体；⑥颗粒直径远大于波长。

在现实工作中，很难知道复折射率，对计算实验结果有很大影响。由于夫琅禾费近似不考虑偏振的影响，也不考虑光穿过颗粒，最重要的是无需知道颗粒的折射率。如此通过光学模型可巧妙避开最难因素。在此近似条件下，见公式（2）、公式（3）[2]：

其中：α——无量纲的颗粒直径参数，（x为颗粒直径，nm为介质折射率的实部）；J1——一阶贝塞尔函数。

本文处理结果的过程相对简单，通过上式可以求得粒径参数，无需知道颗粒的光学性质，因此通常用于检测光学性质未知或者多种颗粒混合的分散系。但由于本文选用的光学模型本身对过小颗粒不适用，因此还需知道颗粒和分散系的复折射率，才能对更小颗粒进行最精确的测量。利用夫琅禾费近似法，能够方便快捷的检测胶体颗粒的大小和分布浓度。此方法无需知道粒子的光学特性，对检测复杂胶体颗粒提供了有利途径。另需注意消光问题：消光是指在测量过程中因吸收和散射光强发生衰减的现象。光束中颗粒的消光与下列因素有关[2]：①颗粒的大小；②颗粒和分散系的折射率；③入射光的波长；④颗粒的几何形状；⑤孔径角。

其中，折射率指的是复折射率，但有的物质虚数部分为0，这表示它不吸收任何光，例如某些白色乳状外观胶体，这种外观是由所有可见波长上的多重散射造成的。对于复折射率，虚数部分很难测量，且它与光的波长有关。当虚数不为0时，表示颗粒对光有吸收，这部分吸收的能量主要转化为内能。此外，由于现实中绝大多数颗粒并不规则，在不规则颗粒边界处发生的全反射也包含在虚数部分。部分颗粒的几何形状对散射的影响如图1所示[2]。

图1.部分颗粒形状对散射影响

光与颗粒间的相互作用，也会对结果产生影响：①颗粒投影边界上的衍射；②在颗粒边界处发生的全反射；③关穿过介质和颗粒的界面发生的折射；④颗粒的复折射率虚数部分。

这些作用不只是影响消光，而且影响散射光分布，对测试结果产生干扰。消光影响测试误差，其主要因素有颗粒的尺寸、几何形状和颗粒的复折射率（颗粒材料），这也是前文建立光学模型时尽量避免的问题。无法忽略过小颗粒（颗粒直径小于预设值的下限）的光学性质，因为在该情况下无法建立上述光学模型，所以了解材料的完整光学特性是提高量程的重要核心。医用超声雾化器本身产生的雾化粒径也不能保证完全稳定，这些都对测试结果有一定影响，所以导致图像有微弱差异，造成暂时无法避免的误差。其他误差还有可能是反卷积程序平滑处理方法和信噪比造成，这些误差可经过计量认证或比对试验消除。本文对仪器本身的误差不作探讨，只指出可能性。

2.测量系统

对医用超声雾化粒径测试时，主要使用激光粒度分析测量系统等实验室检测设备。该测试系统主要由两部分组成：测量主机和计算机。其中，测量主机包含光学系统、信号采集处理系统等；计算机进行数据处理并显示。其测试光路图如图2所示[2]。

图2.测试光路图（注：1.遮光率/光学探测器；2.散射光；3.定向光束；4.傅里叶透镜；5.未被透镜4收集到的散射光；6.分散的颗粒群；7.光源；8.光束处理单元；9.透镜4的工作距离；10.多元探测器；11.透镜4的焦距）

测量主机里面的半导体激光器产生激光束，经过扩束、滤波、汇聚后照射到测量区，测量区中待测胶体颗粒在激光照射下产生散射谱。散射谱的强度及其空间分布与被测颗粒的大小及分布有关，并被位于傅里叶透镜后焦面上的光电探测器阵列接收，转换为电信号后再经放大和A/D转换传输到计算机，通过反演运算和数据处理后，获得被测颗粒的大小和浓度分布等参数。

散射光分布检测器是由多个硅光探测器或光电二极管组成，散射光能通常由数十个不同大小的同心圆环组成的光电探测元件（光靶）测得。光靶直径及环数与颗粒测量范围有关，环面积由内向外递增[3]。光探测元器件将接收到的散射光光信号转化为电信号，并与下方电路板相连接。电路板将探测器与电路连接，将电信号传输到计算机进行数据分析与处理。光敏感涂层间距越小，理论上灵敏度越高，但由于空气本身的不清洁，会导致多次散射，如果光敏感涂层距离过近，误差会更大。测试时，将测量主机和计算机安装在稳固的光学平台上，周围不安放其他电子设备，在测试中要求确保仪器接地。为避免其他干扰，要防止有明亮的日光，或是其他过强的光照射到探测器上，一般采用遮光板防止过度的无关光源照射探测器。

3.小结

本文通过光散射原理及夫琅禾费光学模型，结合激光粒度分析测量系统等实验室检测设备，解析医用超声雾化粒径测试方法，有效应用于快速检测医用超声雾化器产生的雾化粒径分布，可进行更精准的测试结果图形绘制与数据分析，也可用于临床风险分析和参考，方法简便，应用前景好，是一种高效的检测方法。