一種正壓式防護口罩對微生物氣溶膠防護效果的研究

張柯，胡凌飛，靳愛軍，李勁松，曹杰，李娜，李光熙

近年來，眾多醫(yī)務人員和病原微生物實驗室的工作人員面臨著流感、SARS、結核等經(jīng)空氣傳播的微生物感染的威脅[1-3]，佩戴防護口罩能夠阻斷病原微生物侵入人體，是預防呼吸道傳染病的流行、保護人員健康的有效手段。根據(jù)國內(nèi)外相關標準，評價防護口罩性能的一個重要參數(shù)是對微生物顆粒的過濾效率。目前，隨著電子技術和超高濾網(wǎng)技術的發(fā)展，顆粒過濾效率為 99.99% 以上的防護口罩被研制面世，用來應對愈發(fā)頻繁的高危生物污染環(huán)境作業(yè)。本文對一種高效正壓式防護口罩對細菌和病毒氣溶膠的過濾效率進行測試，以檢驗其對微生物氣溶膠的防護效果。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究對象 正壓式防護口罩由主機、空氣軟管和面罩組成，主機通過 USB 線纜進行充電，配備一個手持遙控器，控制主機的運行。主機設置三個氣流速度，分別為 100、120 和 180 L/min。機器開啟后，外部環(huán)境空氣在風扇的帶動下，通過主機內(nèi)的主過濾器，將潔凈空氣經(jīng)過空氣軟管送入面罩內(nèi)。主過濾器采用超高效率空氣過濾網(wǎng)（ULPA），濾網(wǎng)總面積為 0.3 m2，能夠過濾最小直徑為 10 nm 的顆粒物。

該正壓式防護口罩與通過過濾器阻力呼吸的被動式面罩不同，采用產(chǎn)生正氣壓的“主動式”過濾技術，環(huán)境中的空氣經(jīng)由預過濾濾芯，濾除毛發(fā)以及顆粒雜質(zhì)、灰塵后，進入強力推進的全密閉的風道，氣流攜帶的超微顆粒物質(zhì)被主過濾濾芯攔截，可以去除空氣中的 PM2.5 和細菌、病毒等生物氣溶膠。該口罩的主機尺寸為 26.5 cm × 19 cm ×5.5 cm，重量約為 1.7 kg，標稱的過濾效率是對小至 10 nm 的顆粒物能夠達到 99.9999% 以上，由北京泓興浩楊科技有限公司研制。

1.1.2 菌株 選擇粘質(zhì)沙雷菌（ATCC 8039）為細菌的替代物；選擇噬箘體 ΦX174（ATCCl3706-B1）為病毒的替代物，大腸桿菌（ATCCl3706）為其宿主菌。

1.1.3 試驗儀器 頭部模型、Andersen 六級空氣微生物采樣器由軍事醫(yī)學科學院微生物流行病研究所提供；MS-I 多功能空氣微生物采樣器購自青島眾瑞智能儀器有限公司；Φ90 一次性培養(yǎng)皿、APS 3321 空氣動力學粒子分析儀均購自美國 TSI公司；氣溶膠發(fā)生裝置包括氣溶膠密閉艙室、潔凈氣源系統(tǒng)（由空壓機、除濕機、除油機、多級空氣凈化器和流量計組成）和氣溶膠發(fā)生器 Collision250購自美國 BGI 公司。

1.1.4 主要試劑 普通營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、普通營養(yǎng)肉湯為美國 BD 公司產(chǎn)品；上層瓊脂培養(yǎng)基為上海根生生物科技有限公司產(chǎn)品。

1.2 方法

1.2.1 懸液制備 粘質(zhì)沙雷菌和噬箘體 ΦX174的懸液制備參考文獻[4-5]中的方法進行。

1.2.2 防護效果測試 在氣溶膠密閉艙室中，將正壓式防護口罩戴在頭部模型上，用三通將頭部模型鼻腔部位的抽氣管道與 Andersen 六級采樣器和 APS 3321 的進氣口連接，以便采集口罩與面部形成的口罩內(nèi)腔中的微生物氣溶膠和氣溶膠粒子；同時，在佩戴正壓式防護口罩的頭部模型旁 10 cm處放置采樣膠管，將其另一端與 Andersen 六級采樣器和 APS 3321 連接，采集密閉艙室中的口罩外部微生物氣溶膠和總氣溶膠粒子。氣溶膠發(fā)生器固定于頭部模型前上方發(fā)生生物氣溶膠粒子，測試裝置如圖 1 所示。

關閉密閉艙室柜門，將正壓式防護口罩主機風速調(diào)至 100 L/min，以 10 L/min 的氣體流量發(fā)生微生物氣溶膠，同時向艙室內(nèi)補充潔凈空氣，待氣溶膠發(fā)生 5 min 后，用 APS 3321 分別測試氣溶膠密閉艙室內(nèi)的總粒子濃度和口罩內(nèi)腔中的總粒子濃度，然后同時開啟兩個 Andersen 六級采樣器，采樣流量為 28.3 L/min，氣溶膠密閉艙室中的氣溶膠采樣時間為 0.5 min，口罩內(nèi)腔采樣時間為 5 min。關閉發(fā)生器并開啟空氣凈化裝置，待氣溶膠密閉艙室內(nèi)空氣潔凈后重復上述步驟依次做 3 組測試。改變正壓式防護口罩主機風速，分別調(diào)至 120 L/min和 180 L/min，重復上述實驗步驟。

采樣結束后取出平皿，粘質(zhì)沙雷菌放入 30 ℃溫箱培養(yǎng) 24 h，獲得每個平皿上存活的粘質(zhì)沙雷菌菌落數(shù) CFU。噬箘體 ΦX174 的采樣平皿取出后，倒入上層宿主菌懸液，利用雙層營養(yǎng)瓊脂平板培養(yǎng)計數(shù)法獲得噬菌體噬菌斑數(shù) PFU。

1.2.3 結果計算

1.2.3.1 微生物氣溶膠粒子數(shù)量中值直徑的計算 根據(jù) Andersen 六級采樣器各級平皿上的菌落數(shù)（噬菌斑數(shù)），按照偏態(tài)分布 50% 中值直徑的計算公式進行計算。具體算法是依據(jù) Andersen 六級采樣器每一級捕獲的粒子大小不同，第一級 〉 7 μm、第二級為 4.8 ～ 7 μm、第三級為 3.4 ～ 4.7 μm、第四級為 2.1 ～ 3.3 μm、第五級為 1.1 ～ 2.0 μm、第六級為 0.6 ～ 1.0 μm，把六級采樣器捕獲的粒子作為 6 組大小不同數(shù)據(jù)，計算公式為：數(shù)量中值直徑 P50= L +（i/f）（50%n – C）。公式中 L 為累計頻數(shù)中值的組距下限；i 為累計頻數(shù)中值的組距；f為累計頻數(shù)中值的粒子數(shù)；50%n 為累計頻數(shù)中值所在組的累計頻數(shù)；C 為累計頻數(shù)中值[6-7]。

圖1 正壓式防護口罩測試裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of test device for a positive pressure protective mask

1.2.3.2 防護效率的計算

按照 ⑴ 計算正壓式防護口罩對氣溶膠總粒子的防護效率。

式中：ηB是正壓式防護口罩對氣溶膠總粒子的防護效率；CTin是 APS 3321 檢測到的口罩內(nèi)腔中的氣溶膠總粒子濃度；CT是 APS 3321 檢測到的氣溶膠密閉艙室中的氣溶膠總粒子濃度。

按照 ⑵ 計算正壓防護口罩對微生物氣溶膠的防護效率。

式中：ηS是正壓式防護口罩對微生物氣溶膠粒子的防護效率；CAin是 Andersen 六級采樣器檢測到的口罩內(nèi)腔中的微生物氣溶膠粒子濃度；CA是Andersen 六級采樣器檢測到的氣溶膠密閉艙室中的微生物氣溶膠粒子濃度。

1.3 統(tǒng)計學處理

統(tǒng)計軟件采用 SPASS23.0，分析方法采用單因素方差分析，P＜ 0.05 認為具有統(tǒng)計學意義。

圖2 粘質(zhì)沙雷菌氣溶膠總粒子的粒譜分布圖Figure 2 Distribution of particle spectra of the total Serratia marcescens aerosol

2 結果

2.1 微生物氣溶膠粒子的粒譜分布

APS 3321 空氣動力學粒子分析儀測定的是空氣中所有氣溶膠粒子的濃度分布，粘質(zhì)沙雷菌氣溶膠總粒子的粒譜分布及累積濃度分布如圖 2 和圖 3所示，5 μm 以下的粒子占粒子總數(shù)的 78.5%；噬箘體 ΦX174 的氣溶膠總粒子的粒譜分布及累積濃度分布分別如圖 4 和圖 5 所示，5 μm 以下的粒子占粒子總數(shù)的 93%，兩種微生物氣溶膠粒子的大小和濃度分布相似。

根據(jù) Andersen 六級采樣器采樣結果，其氣溶膠中值直徑結果如表 1 所示，粘質(zhì)沙雷菌和噬箘體 ΦX174 的粒子數(shù)量中值直徑為 1.8 μm 左右。

2.2 正壓式防護口罩對氣溶膠總粒子的防護性能

口罩內(nèi)腔中經(jīng)過高效過濾器過濾后的氣溶膠粒子通過 APS 3321 檢測到的粒譜分布分別如圖 6 和圖 7 所示，與口罩外氣溶膠總粒子濃度進行比較，得出該防護口罩對空氣中的氣溶膠總粒子的防護效率，結果如表 2 所示。APS 3321 檢測到包含粘質(zhì)沙雷菌和噬箘體 ΦX174 的氣溶膠總粒子濃度達到 106個/L 數(shù)量級，正壓式防護口罩對總粒子的防護效率基本上在 99% 以上。經(jīng)統(tǒng)計學分析發(fā)現(xiàn)，氣溶膠總粒子中含有的微生物粒子的種類對正壓式防護口罩的防護效率沒有影響（P=0.36）。

圖3 粘質(zhì)沙雷菌氣溶膠總粒子的累積濃度分布圖Figure 3 Distribution of particle cumulative concentration of the total Serratia marcescens aerosol

圖4 噬箘體 ΦX174 氣溶膠總粒子的粒譜分布圖Figure 4 Distribution of particle spectra of the total phage ΦX174 aerosol

圖5 噬箘體 ΦX174 氣溶膠總粒子的累積濃度分布圖Figure 5 Distribution of particle cumulative concentration of the total phage ΦX174 aerosol

表1 采樣法計算測得的微生物氣溶膠粒子直徑Table 1 Diameter of aerosol calculated from sampling

圖6 口罩內(nèi)腔中粘質(zhì)沙雷菌氣溶膠粒子的粒譜分布圖（CTin = 187 個/L）Figure 6 Distribution of particle spectra of the Serratia marcescens aerosol in the mask inner cavity (CTin =187 particles/L)

圖7 口罩內(nèi)腔中噬箘體 ΦX174 氣溶膠粒子的粒譜分布圖（CTin = 1264 個/L）Figure 7 Distribution of particle spectra of the phage ΦX174 aerosol in the mask inner cavity (CTin = 1264 particles/L)

表2 正壓式防護口罩對氣溶膠總粒子的防護效果Table 2 Protective efficiencies of positive pressure protective mask for total aerosol

表3 正壓式防護口罩對微生物氣溶膠的防護效率Table 3 Protective efficiencies of positive pressure protective mask for bioaerosol

2.3 正壓式防護口罩對微生物氣溶膠的防護效率

將 Andersen 六級采樣器采樣結果代入正壓防護口罩對微生物氣溶膠的防護效率計算公式 ⑵，結果如表 3 所示，口罩外部采集到的細菌和病毒氣溶膠的濃度達到 105CFU/m3或 PFU/m3的數(shù)量級，遠低于氣溶膠總粒子濃度。在不同氣流速度的送風量下，該正壓式防護口罩對細菌和病毒氣溶膠的防護效率有顯著差異（對于粘質(zhì)沙雷菌，F(xiàn)=113.58，P＜ 0.01，對于噬箘體 ΦX174，F(xiàn)= 28.24，P＜ 0.01），說明氣流速度對微生物氣溶膠的防護效率有影響，氣流速度越大，口罩的防護效率越高。在 180 L/min 的送風氣流下，口罩內(nèi)腔中在 5 min內(nèi)的微生物氣溶膠濃度未能達到 Andersen 六級采樣器能夠采集到的最低濃度值，口罩對微生物氣溶膠的防護效率高于 99.99%。

正壓式防護口罩對氣溶膠總粒子和對微生物氣溶膠粒子的防護效率之間的差異不顯著[F=0.43，P= 0.52（粘質(zhì)沙雷菌）；F= 3.04，P= 0.10（噬箘體 ΦX174）]，對兩種微生物氣溶膠的防護效率也無顯著差異（F= 0.16，P= 0.70）。

3 討論

防護效率指在規(guī)定的氣流速度下口罩濾料能夠將氣溶膠濾除的百分數(shù)，是口罩防護性能評價的重要指標之一。GB 19083-2010《醫(yī)用防護口罩技術要求》以及 WSB 59-2003《自吸過濾式生物防護口罩通用規(guī)范》（中國人民解放軍總后勤部衛(wèi)生部標準）中規(guī)定口罩對空氣動力學直徑為 0.3 μm 顆粒防護效率大于 95%，對細菌氣溶膠防護效率大于99%[8-9]。由于目前尚無針對正壓式防護口罩的技術標準，檢測參照醫(yī)用防護口罩標準和生物防護口罩標準，該正壓式防護口罩對細菌和病毒氣溶膠的防護效率均滿足標準要求。

該正壓式防護口罩采用的是 ULPA 超高效空氣過濾網(wǎng)，能夠濾除小于或等于 0.1 μm 的超細顆粒，標稱吸塵效率達到 99.99999% 以上，濾材對病毒過濾效率標稱值為 99.9999% 或以上，本次實驗結果與標稱值差距較大。國內(nèi)外對多個采用 N95過濾材料的醫(yī)用防護口罩進行測試，防護效率均未達到標準值要求，最低值甚至才 23.200%[10]，表明防護口罩的標稱防護效率并不一定準確反映其實際防護效果[11]。口罩濾材的過濾效率測試是保證口罩合格的首要條件，但是濾材過濾效率高不能保證口罩佩戴時的實際防護效率也高，本次測試的分體式的防護口罩，濾材安裝在主機上，其防護效果還與濾材的結構設計和安裝以及整體的氣密性有關系。該正壓式防護口罩對細菌氣溶膠和病毒氣溶膠的防護效率都達到 99% 以上，且送風氣流越大，防護效率越高，因此在保證人體佩戴舒適的前提下，在使用時盡量使用較高的送風氣流。

利用微生物氣溶膠評價防護裝備的生物防護效率，能夠真實地反映防護裝備對微生物氣溶膠粒子的防護效果[12-13]，但是這種方法需要經(jīng)過采樣培養(yǎng)，耗時較長，對實驗人員的實驗技能具有較高的要求。空氣動力學粒子分析儀 APS 3321 能夠實時檢測空氣中氣溶膠粒子的大小和濃度分布，本研究利用 APS 3321 檢測所發(fā)生的微生物氣溶膠總粒子的本底濃度，同時檢測正壓式防護口罩佩戴后內(nèi)腔中的氣溶膠粒子，利用粒子濃度比較的方式可以實時獲得防護口罩對總粒子的防護效果，省時省力，檢測結果與用 Andersen六級采樣器采樣得到的微生物氣溶膠的防護效率沒有顯著差異，因此可以進一步研究用實時檢測的方法來評價防護裝備對微生物粒子的防護效果。

此外在評價口罩的實際防護效果時要考慮臉型密合度[14]，由于個體差異，佩戴者的臉型也具有較大差異，口罩佩戴后與臉部之間如果達不到密合性要求，實際防護效果與標稱值是不能等同的[15]。本次檢測正壓式防護口罩的防護效率，是佩戴在頭部模型上，實驗時盡可能將口罩與頭部模型之間的縫隙密封，但還是存在密合性上的缺陷，造成測試結果上的差異。

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