细菌过滤效率系统微型气流式喷雾器的设计与试验

陈现坤，易雅谊，吴兆良，王川经，王飞，朱帅

青岛众瑞智能仪器股份有限公司 （山东青岛 266000）

环境空气中悬浮的病原微生物，如细菌和病毒等，被认为是引起呼吸系统感染、增加呼吸系统疾病发病率和病死率的关键因素[1-2]。在流感季节或病毒性疾病暴发时，民众需要佩戴口罩以防止细菌和病毒感染。口罩可有效降低环境空气中的病原微生物被吸入体内致病的危险，是保护民众健康和安全最简单、有效的方法[3-4]。其防护性能主要取决于口罩滤材的过滤效率[5]，生产企业需要不断提高口罩质量及口罩对细菌和病毒的阻留效果，使生产的口罩满足国家标准的相关要求，以保证民众的安全。因此，生产企业急需一款检测结果更为准确的细菌过滤效率（bacterial filtration efficiency，BFE）检测装置。

BFE 检测仪是目前用于生产企业检测口罩BFE 的重要仪器，其中，气溶胶平均粒径是一项影响BFE 检测结果的重要参数。BFE 检测仪中的气流式喷雾器利用高速气流将液体分散为小雾滴，结构形式多样，而现有的大多数气流式喷雾器仅可完成将液体分散为小雾滴，其产生的所有粒径的气溶胶全部被输出，平均粒径调整困难，难以输出平均粒径稳定的气溶胶，当将气流式喷雾器用于对口罩BFE的检测时，难以达到YY 0469-2011《医用外科口罩技术要求》[6]中对气溶胶平均粒径的要求，导致检测结果误差较大。在此背景下，本研究设计了一款能够产生符合标准要求的气溶胶平均粒径的微型气流式喷雾器。

1 试验

1.1 试验材料

胰蛋白酶大豆琼脂（TSA，青岛海博生物技术有限公司）；胰蛋白酶大豆肉汤（TSB，青岛海博生物技术有限公司）；蛋白胨水（青岛海博生物技术有限公司）；金黄色葡萄球菌ATCC6538（青岛海博生物技术有限公司）。

锥形瓶（250～500 ml，青岛海博生物技术有限公司）；琼脂平板（φ90 mm，青岛海博生物技术有限公司）；移液枪（100、1 000、5 000 μl，北京大龙）；试管（青岛海博生物技术有限公司）；试管架（青岛海博生物技术有限公司）；接种环（青岛海博生物技术有限公司）。

高压蒸汽灭菌锅（上海申安疗器械厂，恒温121～123 ℃）；培养箱[韶关市泰宏医疗器械有限公司，恒温（37±2）℃]；分析天平（蓝发科贸津平科学仪器，精度0.001 g）；旋涡式混匀器（Shanghai Magal Scientific Instrument Co.,LTD，可容纳16 mm×150 mm 的试管）；轨道式振荡器（常州智博瑞仪器制造有限公司，转速100～250 r/min）；冰箱（青岛海尔，2～8 ℃）；BFE检测仪（ZR-1000，青岛众瑞智能仪器有限公司）；菌落计数器（ZR-1100，青岛众瑞智能仪器有限公司）。

1.2 试验方法

首先，将金黄色葡萄球菌ATCC6538接种在适量TSB 培养基中，在（37±2）℃恒温箱中振荡培养（24±2）h，然后用蛋白胨水将其稀释至约5×105cfu/ml；试验开始时，先不要将样品放入BFE 检测仪中，先将通过采样器的气体流速控制在28.3 L/min，向喷雾器输送细菌悬液的时间设定为1 min，空气压力和采样器运行时间设定为2 min，将细菌气溶胶收集到琼脂平板上，作为阳性质控值，应为1 700～3 000 cfu，否则需调整培养物的浓度；阳性质控测试完成后，将琼脂平板取出，标上层号，然后放入新的琼脂平板，将试验样品夹在采样器上端，口罩内侧朝向气溶胶，按照上述程序进行采样，在一批试验样品测试完成后，再进行一次阳性对照试验，然后收集2 min 气溶胶室中的空气样品，作为阴性质控，在此过程中，不可向喷雾器中输送细菌悬液，可同时进行阳性质控采集与样品采集；接下来，将采样后的琼脂平板在（37±2） ℃培养箱中培养（48±4）h，然后对细菌颗粒气溶胶形成的菌落形成单位（阳性孔）进行计数，并使用转换表将其转换为可能的撞击颗粒数（1级和2级不进行转换），然后将转换后的细菌数按照公式（1）进行计算，即可得气溶胶平均粒径：

其中，MPS为气溶胶平均粒径，P为撞击颗粒数，C为转换后的细菌数，1、2、3、4、5、6分别代表粒径的不同级别。

表1为安德森采样器各级粒径的大小及细菌数。

表1 安德森采样器各级粒径的大小及细菌数

2 微型气流式喷雾器的工作原理

图1为微型气流式喷雾器的构造图，喷雾器产生细菌气溶胶的原理为：恒定流量的气体介质由气路接头7进入喷雾器，经过孔板5后，在混合腔1后方形成具有一定速度的气体射流，气体流速由输入气体流量和孔板孔径确定；一定流量液体由供液接头9进入喷雾器，到达供液孔8后被气体介质吹进混合腔1中，液体流速由供液流量和供液孔孔径确定；混合腔1中的液体与气体射流发生摩擦，被拉成一条条细长的丝，这些丝状体在较细处迅速断裂形成球状的小雾滴，小雾滴被气体射流裹挟，离开混合腔1的喷雾出口3后在锥形扩散流和紊流的作用下最终形成气溶胶[7]；喷出的气溶胶会在重力和空气动力学特性的作用下沿不同的轨迹运动，在喷雾器外壳的筛选作用下，只有b、c、d 所代表的部分粒径范围的气溶胶能从喷雾出口3喷出，未喷出的气溶胶与外壳碰撞聚集后，形成液流从废液出口4流出喷雾器，气溶胶粒径大小受孔板孔径、混合腔直径、混合腔长度、混合腔形状、气体流量、液体流量、液体物理性质、供液孔直径、供液孔在混合腔中的相对位置和角度等因素的综合影响。

图1 微型气流式喷雾器的构造图

3 微型气流式喷雾器的设计

根据YY 0469-2011《医用外科口罩技术要求》和BS EN 14683:2019《Medical face masks-Requirements and test methods》[8]中的要求：细菌气溶胶的平均粒径应为（3.0±0.3）μm。为了获得符合要求的气溶胶平均粒径，应设计喷雾器外壳的几何尺寸。

通过更换具有不同孔径的孔板，可改变喷雾器产生的气溶胶平均粒径和粒径分布。当气体流量及液体流量大小不变时，选择不同孔径的孔板，可产生不同粒径大小的气溶胶。如图2所示，3种孔径孔板产生的气溶胶平均粒径分别为d1、d2和d3。

图2 不同孔径孔板产生的气溶胶平均粒径范围示意图

通过调整喷雾器外壳的几何尺寸，可改变能从喷雾出口喷出的气溶胶大小，从而调整其对粒径的筛选范围和范围宽度。如图3所示，调整外壳混合腔形状后允许粒径介于d4和d7之间的气溶胶通过；调整外壳混合腔长度后允许粒径介于d5和d6之间的气溶胶通过，粒径的分布宽度从d4～d7调整为d5～d6。

图3 固定孔板孔径与外壳几何尺寸的气溶胶平均粒径范围示意图

结合不同孔径孔板和喷雾器外壳的几何尺寸，可根据具体需求通过调整喷雾流量和液体流速调整产生的气溶胶平均粒径和分布范围。

4 试验结果与分析

4.1 喷雾器不同孔径孔板产生的气溶胶平均粒径比较

保证其他试验条件相同，对不同孔径的孔板进行试验（孔径分别为1.10、1.11、1.12、1.13、1.14、1.15、1.16、1.17、1.18 mm），结果表明，在孔板孔径为1.14 mm 时，气溶胶平均粒径最接近（3.0±0.3）μm，故我们选定孔板孔径为1.14 mm，见表2。

表2 不同孔径孔板喷雾器产生的气溶胶平均粒径比较

4.2 不同外壳几何尺寸喷雾器产生的气溶胶平均粒径比较

随着喷嘴至气溶胶出口的距离不断减小，气溶胶平均粒径逐渐增大，当喷嘴至气溶胶出口的距离为40.0 cm 时，气溶胶平均粒径在（3.0±0.3） μm 范围内，见表3。图4为4种不同外壳几何尺寸的喷雾器产生的气溶胶，由抛物线运行轨迹可知，颗粒越大的气溶胶运动轨迹越短，被D 喷雾器采集到的大颗粒最多，且平均粒径恰好在（3.0±0.3）μm 范围内，故不再缩短喷嘴至气溶胶出口的距离。

表3 不同外壳几何尺寸喷雾器产生的气溶胶平均粒径比较

图4 4种不同外壳几何尺寸的喷雾器产生的气溶胶大小比较

4.3 新型喷雾器与传统喷雾器比较

由表4和表5可知，相较于传统喷雾器，新型喷雾器产生的气溶胶平均粒径增大，从传统喷雾器的1.76 μm 增大到2.94 μm。且由于传统喷雾器（图4中A 款喷雾器）是玻璃件一体式设计，外壳尺寸及喷雾孔径固定，无法进行调节，故气溶胶平均粒径无法通过人为控制，不能达到YY 0469-2011《医用外科口罩技术要求》和BS EN 14683:2019《Medical face masks-Requirements and test methods》中对细菌气溶胶平均粒径的要求[ 应为（3.0±0.3） μm]。而新款喷雾器（图4中B、C、D 款喷雾器）由前端的玻璃件和后端的不锈钢喷雾头组合而成，可通过更换孔板调节喷雾孔径，对于前端玻璃件的外壳尺寸，亦设计了多个版本进行试验，并寻找到了最优的外壳尺寸和喷雾孔径，实现了气溶胶平均粒径在（3.0±0.3）μm 范围内，且外壳尺寸和喷雾孔径一经确认，便无需再进行更改，可直接进行批量生产。表6为小批量生产的20个新型喷雾器的测试结果，由表可知，实现粒径满足（3.0±0.3）μm 的喷雾器达到99%以上，个别喷雾器的阳性质控值可能会偏高或偏低，均可通过调节喷雾器流量实现。

表4 新型喷雾器试验所得的气溶胶平均粒径

表5 传统喷雾器试验所得的气溶胶平均粒径

表6 20个新型喷雾器试验所得的气溶胶平均粒径

5 小结

微型气流式喷雾器可稳定输出平均粒径可调控的气溶胶，适用于多种需要人为调控气溶胶平均粒径大小的微生物检测仪器中。喷雾器的气溶胶平均粒径主要由喷雾器孔板孔径大小和喷嘴至气溶胶出口的距离决定，当孔板孔径为1.14 mm、喷嘴至气溶胶出口的距离为40.0 cm 时，通过调节喷雾流量和细菌悬液的浓度，喷雾器可稳定输出平均粒径为（3.0±0.3）μm 的气溶胶，可用于BFE 检测仪中。