楊航 林鴻寧 劉智偉 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 （廣東 廣州 510663）

內(nèi)容提要：醫(yī)用超聲霧化器產(chǎn)生的霧粒以膠體形式存在于分散系中，霧粒的尺寸組成很復(fù)雜，如何更快速、更準(zhǔn)確地檢測膠體粒子的顆粒大小和濃度分布是當(dāng)前研究熱點。文章通過運用光散射原理，利用夫瑯禾費衍射近似光學(xué)模型理想狀態(tài)下的一種求解公式，進(jìn)行模擬氣溶膠的顆粒粒徑參數(shù)測量，結(jié)合激光粒度分析測量系統(tǒng)，有效應(yīng)用于快速檢測醫(yī)用超聲霧化器產(chǎn)生的霧化粒徑分布。

醫(yī)用超聲霧化器使用廣泛，其主要由超聲換能器、薄膜、送風(fēng)裝置、調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)等組成，工作原理為通過超聲換能器震蕩產(chǎn)生超聲波在藥液中傳播，當(dāng)超聲波傳播到達(dá)藥液表面時，在藥液表面與空氣交界處受表面張力波作用形成霧化顆粒。而霧化粒徑是醫(yī)用超聲霧化器最為重要關(guān)鍵的性能指標(biāo)參數(shù)[1]。

醫(yī)用超聲霧化器產(chǎn)生的霧粒以膠體形式存在于分散系中，霧粒的尺寸組成很復(fù)雜，如何更快速準(zhǔn)確檢測膠體粒子的顆粒大小和濃度分布是當(dāng)前研究熱點。在分散系中往往有多種尺寸顆粒存在，單個顆粒由多種物質(zhì)組成，很難知道它的顆粒大小和濃度分布。在眾多粒子測量方法中，激光散射法由于其非接觸、無干擾、精度高、速度快、測量范圍廣等優(yōu)點而得到迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)檢測，氣溶膠研究等，提高了檢測靈敏度、效率和可靠性?，F(xiàn)今，醫(yī)用超聲霧化粒徑測試方法主要運用光散射原理，采用激光粒度分析測量系統(tǒng)檢測霧狀顆粒的粒度分布情況。本文通過測試方法解析，加強基本原理知識學(xué)習(xí)和各種操作應(yīng)用，有助于更好掌握相關(guān)檢驗標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)能力。

1.測試原理

均勻介質(zhì)與某些顆?；旌?，顆粒的折射率不同于周圍的均勻介質(zhì)，例如膠體溶液、懸浮液、乳液等，由于這種含有不均勻和不規(guī)則分布的顆粒物質(zhì)介質(zhì)產(chǎn)生光散射，原本均勻介質(zhì)中的折射率均勻性被破壞。光散射原理和分散系的折射率有關(guān)，物體的折射率包含實部和虛部，物體折射率虛數(shù)部分反映了介質(zhì)對光波的吸收特性，即當(dāng)光波在介質(zhì)中傳播時，光強因為存在吸收而發(fā)生衰減。在本文中涉及的折射率應(yīng)為復(fù)折射率。散射光的大小與顆粒和介質(zhì)的折射率實部的差值有關(guān)，如果顆粒和分散系的折射率相同，不會發(fā)生明顯的散射現(xiàn)象。散射理論是麥克斯韋方程對處在均勻介質(zhì)中的均勻顆粒在平面單色波照射下的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解。每個理想下的球形顆粒散射產(chǎn)生非偏振光的散射強度分布計算見公式（1）[2]。

k——波數(shù)（光波長的倒數(shù)）；la——散射顆粒到探測器的距離；θ——散射光線分布角度（散射角）；I0——入射的非偏振光的總光強。

S1(θ)和S2(θ)是散射理論定義的無量綱的復(fù)變函數(shù)，用于描述垂直和平行偏振光的振幅在前進(jìn)方向上隨散射角變化的函數(shù)。

在實際中顆粒的性質(zhì)十分復(fù)雜，考慮需測量的顆粒性質(zhì)，作出以下假設(shè)：①測量的顆粒光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、各項同性，為理想球體；②測量時應(yīng)用的激光波長固定且單色；③顆粒和分散系的折射率（包括實部和虛部）都是已知的；④顆粒表面不帶電并且無表面電流流過；⑤顆粒不會在光照下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

基礎(chǔ)假設(shè)后，顆粒的測量仍然十分復(fù)雜。利用光散射理論，必須知道系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)，才能進(jìn)行計算。霧化顆粒的復(fù)折射率（包括實部和虛部）和分散質(zhì)的復(fù)折射率都很難得知。復(fù)折射率的虛部（吸收）與波長有關(guān)，不同物質(zhì)在不同波長的光照射，其吸收能力不一樣。顆粒的形狀和外表面也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。實際操作中僅僅利用上述假設(shè)還是不能夠完全測量顆粒的性質(zhì)，這需要設(shè)計合理的光學(xué)模型和在光學(xué)模型建立后對顆粒進(jìn)一步合理假設(shè)。

本文采用夫瑯禾費近似光學(xué)模型，而現(xiàn)實中無法使光源和屏幕的距離無限遠(yuǎn)。利用巴比涅原理得到和夫瑯禾費衍射相同的圖像。在光學(xué)模型確定后，本論文需根據(jù)使用的光學(xué)模型和之前的假設(shè)，以簡化計算。假設(shè)：①顆粒的折射率虛數(shù)部分存在且不能忽略；②僅考慮顆粒邊界處發(fā)生的衍射；③光源發(fā)出的波長已知且固定；④只考慮衍射角很小的情況（衍射方向接近正前方）；⑤所有的顆粒都為理想球體；⑥顆粒直徑遠(yuǎn)大于波長。

在現(xiàn)實工作中，很難知道復(fù)折射率，對計算實驗結(jié)果有很大影響。由于夫瑯禾費近似不考慮偏振的影響，也不考慮光穿過顆粒，最重要的是無需知道顆粒的折射率。如此通過光學(xué)模型可巧妙避開最難因素。在此近似條件下，見公式（2）、公式（3）[2]：

其中：α——無量綱的顆粒直徑參數(shù)，（x為顆粒直徑，nm為介質(zhì)折射率的實部）；J1——一階貝塞爾函數(shù)。

本文處理結(jié)果的過程相對簡單，通過上式可以求得粒徑參數(shù)，無需知道顆粒的光學(xué)性質(zhì)，因此通常用于檢測光學(xué)性質(zhì)未知或者多種顆?；旌系姆稚⑾?。但由于本文選用的光學(xué)模型本身對過小顆粒不適用，因此還需知道顆粒和分散系的復(fù)折射率，才能對更小顆粒進(jìn)行最精確的測量。利用夫瑯禾費近似法，能夠方便快捷的檢測膠體顆粒的大小和分布濃度。此方法無需知道粒子的光學(xué)特性，對檢測復(fù)雜膠體顆粒提供了有利途徑。另需注意消光問題：消光是指在測量過程中因吸收和散射光強發(fā)生衰減的現(xiàn)象。光束中顆粒的消光與下列因素有關(guān)[2]：①顆粒的大??；②顆粒和分散系的折射率；③入射光的波長；④顆粒的幾何形狀；⑤孔徑角。

其中，折射率指的是復(fù)折射率，但有的物質(zhì)虛數(shù)部分為0，這表示它不吸收任何光，例如某些白色乳狀外觀膠體，這種外觀是由所有可見波長上的多重散射造成的。對于復(fù)折射率，虛數(shù)部分很難測量，且它與光的波長有關(guān)。當(dāng)虛數(shù)不為0時，表示顆粒對光有吸收，這部分吸收的能量主要轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。此外，由于現(xiàn)實中絕大多數(shù)顆粒并不規(guī)則，在不規(guī)則顆粒邊界處發(fā)生的全反射也包含在虛數(shù)部分。部分顆粒的幾何形狀對散射的影響如圖1所示[2]。

圖1.部分顆粒形狀對散射影響

光與顆粒間的相互作用，也會對結(jié)果產(chǎn)生影響：①顆粒投影邊界上的衍射；②在顆粒邊界處發(fā)生的全反射；③關(guān)穿過介質(zhì)和顆粒的界面發(fā)生的折射；④顆粒的復(fù)折射率虛數(shù)部分。

這些作用不只是影響消光，而且影響散射光分布，對測試結(jié)果產(chǎn)生干擾。消光影響測試誤差，其主要因素有顆粒的尺寸、幾何形狀和顆粒的復(fù)折射率（顆粒材料），這也是前文建立光學(xué)模型時盡量避免的問題。無法忽略過小顆粒（顆粒直徑小于預(yù)設(shè)值的下限）的光學(xué)性質(zhì)，因為在該情況下無法建立上述光學(xué)模型，所以了解材料的完整光學(xué)特性是提高量程的重要核心。醫(yī)用超聲霧化器本身產(chǎn)生的霧化粒徑也不能保證完全穩(wěn)定，這些都對測試結(jié)果有一定影響，所以導(dǎo)致圖像有微弱差異，造成暫時無法避免的誤差。其他誤差還有可能是反卷積程序平滑處理方法和信噪比造成，這些誤差可經(jīng)過計量認(rèn)證或比對試驗消除。本文對儀器本身的誤差不作探討，只指出可能性。

2.測量系統(tǒng)

對醫(yī)用超聲霧化粒徑測試時，主要使用激光粒度分析測量系統(tǒng)等實驗室檢測設(shè)備。該測試系統(tǒng)主要由兩部分組成：測量主機和計算機。其中，測量主機包含光學(xué)系統(tǒng)、信號采集處理系統(tǒng)等；計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示。其測試光路圖如圖2所示[2]。

圖2.測試光路圖（注：1.遮光率/光學(xué)探測器；2.散射光；3.定向光束；4.傅里葉透鏡；5.未被透鏡4收集到的散射光；6.分散的顆粒群；7.光源；8.光束處理單元；9.透鏡4的工作距離；10.多元探測器；11.透鏡4的焦距）

測量主機里面的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光束，經(jīng)過擴束、濾波、匯聚后照射到測量區(qū)，測量區(qū)中待測膠體顆粒在激光照射下產(chǎn)生散射譜。散射譜的強度及其空間分布與被測顆粒的大小及分布有關(guān)，并被位于傅里葉透鏡后焦面上的光電探測器陣列接收，轉(zhuǎn)換為電信號后再經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)接嬎銠C，通過反演運算和數(shù)據(jù)處理后，獲得被測顆粒的大小和濃度分布等參數(shù)。

散射光分布檢測器是由多個硅光探測器或光電二極管組成，散射光能通常由數(shù)十個不同大小的同心圓環(huán)組成的光電探測元件（光靶）測得。光靶直徑及環(huán)數(shù)與顆粒測量范圍有關(guān)，環(huán)面積由內(nèi)向外遞增[3]。光探測元器件將接收到的散射光光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并與下方電路板相連接。電路板將探測器與電路連接，將電信號傳輸?shù)接嬎銠C進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。光敏感涂層間距越小，理論上靈敏度越高，但由于空氣本身的不清潔，會導(dǎo)致多次散射，如果光敏感涂層距離過近，誤差會更大。測試時，將測量主機和計算機安裝在穩(wěn)固的光學(xué)平臺上，周圍不安放其他電子設(shè)備，在測試中要求確保儀器接地。為避免其他干擾，要防止有明亮的日光，或是其他過強的光照射到探測器上，一般采用遮光板防止過度的無關(guān)光源照射探測器。

3.小結(jié)

本文通過光散射原理及夫瑯禾費光學(xué)模型，結(jié)合激光粒度分析測量系統(tǒng)等實驗室檢測設(shè)備，解析醫(yī)用超聲霧化粒徑測試方法，有效應(yīng)用于快速檢測醫(yī)用超聲霧化器產(chǎn)生的霧化粒徑分布，可進(jìn)行更精準(zhǔn)的測試結(jié)果圖形繪制與數(shù)據(jù)分析，也可用于臨床風(fēng)險分析和參考，方法簡便，應(yīng)用前景好，是一種高效的檢測方法。