N95口罩真的安全吗？Science子刊教你筛选14种口罩！

Glenn

2020-09-10

第一作者：Emma P. Fischer

通讯作者：Martin C. Fischer

通讯单位：美国杜克大学

研究亮点：

1. 设计了一种简单、便捷的口罩性能测试方法。

2. 对比了14种口罩及其遮挡物的效果表现。

3. 对目前设计装置的短板和限制因素进行了分析。

在新型冠状病毒(COVID-19)大流行期间，由于全球商业供应短缺，导致自制口罩和口罩替代品的广泛使用。戴口罩防止感染的原因很简单:戴口罩会减少含有病毒的呼吸道飞沫的传播。尽管如此，确定口罩的功效仍然是一个复杂的课题，因为受很多因素的影响，例如传播途径、口罩的正确佩戴和使用以及环境变量。

虽然有研究报告已经对一些用于口罩制作的纺织品进行了表征，但是需要考虑实际环境中可用口罩的性能。因此，亟需一种测量方法，可用于评估功效，以指导口罩的选择和购买。

近日，美国杜克大学Martin C. Fischer团队以“Low-cost measurement of face mask efficacy for filtering expelled droplets during speech”为题，在Science Advances上发表最新研究成果，演示了一种简单的光学测量方法，用于评估口罩在正常说话过程中减少呼吸道飞沫传播的功效。该研究使用的测量装置价格低廉，可以由非专业人员构建和操作，能够在讲话、打喷嚏或咳嗽时快速评估口罩的性能。

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测量原理

如图1所示，操作者戴着口罩，对着黑暗、封闭空间中扩展的激光束方向说话。通过激光束传播的飞沫会散射光线，并通过手机摄像头记录下来。一个简单的计算机算法被用来计算视频中的飞沫数。实验装置很简单，非专业人员可以很容易地建立和操作。

图1. 实验装置示意图。

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14种口罩测试

作者测试了14种常用口罩或口罩替代品、一片口罩材料和经过专业测试的N95口罩(详见图2和表1)。作为参考，作者记录了说话者没有戴防护面具或遮盖物的对照试验。每项测试都采用相同的方案，摄像机被用来记录大约40s长的视频，记录说话时喷出的飞沫。视频的前10s作为基线。在接下来的10s钟里，面具佩戴者重复了“保持健康，人类（Stay healthy, people）”这句话五次，之后镜头继续记录另外20s(观察)。

 图2. 实验中采用的口罩。

表1. 实验选用的口罩类型。

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测试结果

研究结果如图3A所示，显示了每个测试口罩的相对飞沫数。在图3B中，显示出了由第一说话者测试的四个代表性示例(外科手术口罩、棉花口罩5、手帕和对照试验)的检测结果随时间的变化，实线表示飞沫随时间的传输速率。对于对照试验(绿色曲线)，五个不同的峰值对应于操作者说话的五次重复。在通过面罩讲话的情况下，存在物理障碍，这导致传输的飞沫减少，并且在讲话和检测飞沫之间有显著的延迟。

实际上，口罩起到暂时性的低通量过滤作用，随着时间的推移降低飞沫传输速率，并降低整体的传输率。对于手帕(红色曲线)，液滴速率仅降低了2倍，说话的重复仍然明显。棉质口罩(橙色曲线)的效果更强，说话模式不再可识别，与对照实验相比，大部分飞沫被去除。手术口罩的曲线在这个刻度上不可见。所有曲线的阴影区域显示一段时间内的累积飞沫数:曲线越低，被口罩阻挡的飞沫越多。

另外，实验发现，通过一些口罩（尤其是脖套）说话似乎可以将最大的液滴分散成许多较小的液滴，这解释了在这种情况下，相对于没有面罩，液滴数量明显增加的原因。考虑到较小的粒子比大的液滴在空气中停留的时间长（大的液滴下沉得更快），使用这种口罩可能会适得其反。此外，带阀N95面罩的性能可能会受到呼气阀的影响，呼气阀打开后会产生强大的向外气流。虽然阀门不会损害对佩戴者的保护，但它会降低对佩戴者周围人员的保护。相比之下，无阀N95口罩的性能要高得多。

图3. 通过面罩的飞沫传播。（a）通过不同口罩的相对飞沫传输。（b）飞沫计数随时间变化。

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实验缺陷

该实验装置的实现非常简单，所需的硬件和软件容易获得。然而，这种简单性确实伴随着一些限制，以及可能的改进和未来研究的路线。同样，我们要注意的是，这里操作的口罩测试(一个说话者用于所有口罩测试，四个说话者用于选定的口罩测试)应该仅作为演示。主体间的差异是可以预料的，例如，由于生理、面罩配合、头部位置、语言模式等方面的差异。

作者列举的目前装置的限制因素包括下面几点：

1）设计的实验装置只对一小部分进行采样，因此，一些通过口罩传输的飞沫可能无法记录在激光束中。类似地，通过将前额和下巴对准盒，定位说话者的面部。每个说话人的生理机能不同，导致嘴相对于光片的位置发生变化。因此，飞沫计数只反映了所有飞沫的一部分，但是当我们对所有口罩使用相同的初始条件进行实验时，可以比较口罩的相对性能。

2）手机摄像头的使用对探测灵敏度造成了一定的限制，即最小的可识别液滴尺寸。图4A显示了从直径为5μm的飞沫散射的532nm光的散射分布示例和水的折射率（n=1.33）。图4B中显示了每帧散射到手机相机光圈中的光子的估计数量，与粒子直径的关系函数。

3）考虑到拍摄尽可能多的液滴所需的大视场，单个手机摄像头的使用也限制了可实现的尺寸分辨率，这使得在我们的装置中无法直接测量小飞沫的尺寸。

图4. 光散射特性。（a）用绿色激光照明时，被直径为5 μm的飞沫散射的光的角度分布(散射相位函数)；（b）相机在一帧中记录的光子数，与飞沫直径间的函数关系。

小结

综上所述，该测量方法提供了一种快速且经济有效的方法来评估口罩的有效性。虽然，本文的实验包含的说话者数量有限，但是，设计的装置仍可以作为未来研究的基础，比如不同的说话人、说话的音量、语音模式和其他影响下，对口罩的性能进行检测。这种方法也可以在其他条件下测试口罩，比如咳嗽或打喷嚏。

参考文献

Emma P. Fischer, et al. Low-cost measurement of face mask efficacy for filtering expelled droplets during speech, Science Advances, 2020.

DOI: 10.1126/sciadv.abd3083

https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eabd3083