基于自制检测装置的口罩防护效果探究

黄雪琪 刘付恒 林臻

朱朝义 中学正高级教师，中国发明协会中小学创造教育分会常务理事，湖南省优秀科技工作者，《发明与创新》专家团专家。

一、研究背景

生活中，很多人佩戴口罩的方式都不规范，本次研究通过自制实验装置探究了不同条件下不同口罩的防护效果，以提高人们的防护意识，培养正确佩戴口罩的习惯，并为居民日常选购口罩提供科学的指导。

二、实验材料

自制检测装置：真空罐、镂空垫片、阀杆、延长管、圆柱架、抽气枪。

实验仪器：微生物恒温培养箱。

材料：营养琼脂培养皿、五种不同的口罩。

三、研究过程

1. 自制口罩过滤检测装置

（1）根据延长管的直径，在圆柱架的一端用小刀划出一个约1.5 cm×1.5 cm大小的缺口，使延长管可以通过。

（2）将真空罐上的阀杆向上提起，保证气流畅通，接入延长管。将真空罐罐口朝上放置在圆柱架上，延长管沿圆柱架自然向下，从圆柱架下端缺口伸出，连接抽气枪。

（3）将镂空垫片作为琼脂培养皿支架置于真空罐内，使其与地面平行且保持稳定。用胶水将垫片与真空罐连接处粘好。

（4）罐内消毒：使用75%酒精对罐体内部、镂空垫片进行消毒。

2.探究不同类型口罩的细菌过滤效率

（1）采样

在琼脂培养皿底部标记待测口罩编号，将其置于镂空垫片上，取下皿盖，将皿盖倒扣在桌面上。用待测口罩（医用外科口罩、一次性医用口罩、普通口罩、带呼吸阀的N95口罩、不带呼吸阀的N95口罩）包住真空罐罐口，并用橡皮筋扎紧（该过程应迅速，避免琼脂培养皿与空气中的微生物接触）。以每秒一次的速度匀速抽拉抽气枪，共采样10 min。

（2）空白对照组采样

将罐内消毒后，在琼脂培养皿底部标记CK，置于镂空垫片上，取下皿盖，倒扣在桌面上。真空罐罐口不覆盖口罩，以每秒一次的速度匀速抽拉抽气枪，共采样10 min。

（3）培养与观察

取下口罩并立即盖好皿盖，用封口膜封好。于37 ℃恒温培养箱中倒置培养48～72 h后取出观察结果，计算不同培养皿中出现的菌落总个数。每个实验重复三次。

（4）计算细菌过滤效率

计算每个培养皿所代表的口罩细菌过滤效率。计算公式为：细菌过滤效率（%）＝（C-T）/C×100%（其中C为对照组的细菌菌落数目，T为经口罩过滤后的细菌菌落数目）。

3.探究不同口罩数量对细菌过滤效率的影响

分别取1个一次性医用口罩、2个一次性医用口罩、3个一次性医用口罩，按照实验2的步骤进行实验。记录实验数据。

4.探究不同环境对口罩细菌过滤效率的影响

取一次性医用口罩分別在实验室、天台、电梯间、客厅、卫生间，按照实验2的步骤进行实验。记录实验数据。

5.探究不同佩戴习惯对口罩细菌过滤效率的影响

取一次性医用口罩，分别在正常佩戴、佩戴不严、正常佩戴5 min后摘下再次佩戴三种条件下进行实验，重复实验2的步骤并记录实验数据。

6.数据处理

使用Excel 2016和SPSS 24对数据进行统计和分析，采用方差分析评价不同实验条件下口罩的防护效果是否有显著性差异。

四、结果与分析

1.不同类型口罩防护效果对比实验

根据口罩防护标准可知，不同类型口罩的防护效果存在差异，一般来说为：N95防护口罩>医用口罩>普通口罩。

实验中采集到如表1所示的数据。通过方差分析可知，不同类型口罩的防护效率存在显著性差异（p＜0.05），具有统计学意义。从表1可知，N95口罩的防护效率显著高于医用口罩，医用口罩的防护效率显著高于普通口罩，且除了普通口罩以外，其他4种口罩的防护效率均达到90%以上。

2.口罩数量对防护效果影响的实验

由实验前的简单定性推理可知，相同情况下，口罩数量越多，飞沫需要穿过的口罩层数越多，细菌越难透过口罩，防护效果越好。

实验中采集到的数据如表2所示，通过方差分析，口罩数量为2个和3个时，与口罩数量为1个时的防护效率存在显著性差异（p＜0.05），而2个口罩的防护效率与3个口罩的防护效率无显著性差异，因此没有必要佩戴3个或3个以上的口罩。

3.不同环境对口罩防护效果的影响

通过方差分析可知，在不同环境下，一次性医用口罩的防护效率具有显著性差异（p＜0.05），其中在电梯间的防护效率最低，侧面反映了电梯内细菌数量较多，说明乘坐电梯时佩戴口罩的必要性。在不同环境下口罩的防护效率均达到90%以上，这说明一次性医用口罩具有较好的环境普适性，在不同环境下均能较好地保护人们。

4.不同佩戴方式对口罩防护效果的影响

实验中对口罩佩戴不严、中途摘口罩两种不良的佩戴习惯进行了对比实验。通过方差分析发现，不同佩戴方式下的口罩防护效率具有显著性差异（p＜0.01），结合表4可知：不良的佩戴习惯会导致口罩的防护效果严重下降，在日常使用中这种情况很有可能导致防护的失效。中途摘口罩会导致口罩防护效果降低约一半，口罩佩戴不严则会导致口罩防护效果降低到原来的约三分之一。

五、结论

1.不同品牌、类型的口罩存在防护效果上的差异。细菌过滤效果最好的是不带呼吸阀的N95口罩，其次是带呼吸阀的N95口罩、医用外科口罩和一次性医用口罩，过滤效果最差的是普通口罩。在日常选购中要尽量选择防护效果较好的口罩。

2.一次性医用口罩数量为2个时的防护效率与数量为3个时的防护效率无显著性差异，因此没有必要佩戴3个或3个以上的口罩。在需要加强防护时，可同时佩戴2个口罩。

3.在不同环境下，一次性医用口罩的防护效率均达到90%以上，这说明一次性医用口罩具有较好的环境普适性，在不同环境下均能较好地保护人们，也说明在不同环境下佩戴口罩的必要性。

4.不良的佩戴习惯会严重影响口罩的防护效果。因此，只有正确地佩戴口罩才能起到良好的防护效果。（指导老师：赵晓东   李芳）

专家点评

目前，口罩成为个人日常防护的必需品。本实验从这一生活现象出发，自制检测装置，分别从口罩的类型、数量、使用环境和使用习惯对细菌的过滤效率等方面评价其防护效果，体现了作者较强的科学素养。

建议实验设计更科学，实验结论更严谨。如采样时间选择抽气10 min的依据应该是通过预实验后确定的，如果菌落密度过大，则应该减少抽气时间，否则应延长实验时间。而对“口罩使用环境”这一自变量，考虑到情况复杂，各种无关变量较多，实验设计应更加完善，不能轻易得出结论。