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雾化器的粒度测试与分析
时间:2015-09-21 点击次数:1411
【摘要】:本文阐述了雾化器雾化液滴的测试原理及方法。激光粒度分析仪能够快速、连续、准确的测试分析雾化液滴的粒径分布。激光粒度测试技术为雾化器研究提供了重要的数据检测支持。
【关健词】:雾化器 激光粒度分析仪 气雾剂
雾化吸入治疗是呼吸系统疾病治疗方法中一种十分有效的治疗方法。雾化治疗一般采用雾化器将药液雾化成微小颗粒,使药物通过呼吸吸入的方式进入呼吸道和肺部,从而达到无痛和迅速有效治疗的目的。雾化的药物液滴的大小直接影响药物的吸收效果。如果液滴大,雾化快,导致患者吸入过多的水蒸气,使呼吸道湿化,呼吸道内原先部分堵塞支气管的干稠分泌物吸收水分后膨胀,加大呼吸道阻力,可能会产生缺氧现象,且会使药液结成水珠挂在内腔壁上,对药物需求量大,造成浪费的现象,并且对于疾病雾化治疗的效果不佳。所以,雾化出来的粒度决定了雾化器的治疗效果和质量[1-3]。
济南微纳仪器股份有限公司研究开发的Winner311XP激光粒度分析仪能够对雾化液滴的粒度分布进行快速准确的测试分析并给出测试报告。
Win311XP激光粒度分析仪是以Mie散射为原理,针对国家药典中对吸入型气雾剂、喷雾剂、粉雾剂等粒度要求而研发的台式喷雾激光粒度仪,可以对各种小型喷雾装置进行测试,融和了微纳公司多种技术,外观小巧,能很好地对小型喷雾粒度进行测试,并实现数据的快速采集,能够可靠地在喷雾过程中实时连续测量雾化液滴的粒度分布[4-6], 1分钟内即可完成测量,并提供详细的数据报告。能够有效指导生产厂家进行成品检验和科技研发,为企业带去利润和效益。
1、测试原理:
Winner311XP采用Mie散射原理[7-8]。Mie散射原理假定颗粒是均匀的、各向同性的圆球,则可根据Maxwell电磁波方程严格地推导出散射光场强度分布:

 
其中和分别表示垂直方向和水平方向的散射光强:

式中,表示散射角,和为Mie散射系数,表达式为:
其中,
式中,为介质的介电常数,为散射粒子的介电常数,为电导率,和分别为真空和介质中的光波长,为粒子半径,而


 

其中为一阶缔合勒让德多项式。
Mie理论是描述散射光场的严格理论,适用于经典意义上任意大小的颗粒。
Mie散射计算的中心问题是Mie散射系数和的计算,济南微纳公司自主研究的Mie散射改进算法在很好地计算散射系数同时,又避免了计算机在计算过程中出现数据溢出现象,保证了微纳公司仪器测量数据过硬的准确性和稳定性[7-8]。
如图1,Winner311XP采用了单光束平行光路和双镜头双阵列探测器技术,保证了不同角度散射光的采集。激光器发出的细窄光束,通过扩束镜进行会聚后发散,然后再通过一个准直透镜将出射光变成平行光,当平行光束通过测试区域时,由于雾滴的遮挡,光束向四周散射,由于不同粒度的颗粒的散射角度不同,我们在光路的前方以及上方设计了多个探测器来收集不同角度的散射光,之后探测器将接收到的光信号传输转换为电信号并通过计算机进行计算,得出颗粒的粒度分布。Winner311XP使用平行平晶来对平行光进行校准,并使用国家标样来对测试数据进行标定,能够很好地保证测试数据的准确性和重复性。
图1 Winner311XP仪器原理图
2、测试步骤:
2.1 开启Winner311XP,预热5分钟,使用时需要验证光路是否为平行光,在测试区域放置一块平晶,观察通过平晶前后面反射后的两个光斑重叠区域是否存在明暗相间条纹,如果是,就证明是光束平行性较好,满足测试要求,否则就需调节光路。
2.2 联机测试,观察背景是否为稳定、均匀的能谱图,否则需要调节探测器,使其中心小孔位于主光汇聚位置,并保证透过小孔的出射光斑为圆形光斑。光路正常后测试背景,背景测试完毕后进入能谱测试界面。
2.3 组装某医疗器械公司生产的雾化器,雾化杯里加入药液至刻度线,打开开关,预先雾化1-2分钟,使雾化气流稳定。
2.4 然后将雾化杯口对准winner311XP的测试区域,握住雾化杯,保持平稳,且保持每次测量时位置不变。当雾滴通过主光束时即开始数据采集,电脑开始显示采集到的能谱图,如图4,在能谱图稳定后保存数据。

图2 样品测试频谱分析
3、 测试结果分析
表1 两款雾化器测试对比
由表1可看到,Winner311XP测试重复性都小于1%,重现性好。小于5um的雾滴累积百分比进口雾化器(蓝色)是 85.5% ,国产雾化器(黄色)是 84.4% 。
图3 两款雾化器粒度分布对比
4、结论:
雾化液滴的粒度直接关系到雾化治疗的效果好坏,激光粒度测试技术是一种雾化器液滴的粒度有效的测试手段。Winner311XP激光粒度分析仪能够快速准确测试分析雾滴粒径分布,重现性<1%,并详细给出特殊尺寸的雾滴的累积百分数,是测试雾化器雾滴粒径分布的一项新技术,能够为雾化器厂商提供准确的数据来检验雾化器的性能。
参考文献
【1】杨冠玲, 何振江等,雾粒粒度测试研究粉体技术,1996,2(1)28-34
【2】张以默,毛义等,粒子尺寸分布的激光衍射测量研究,光电工程,1990 17 (1):1-8
【3】[英]T.艾伦 颗粒大小测定 中国建筑出版社 1984 62-664
【4】Gokturk Halit S..Effects of particle shape and size distributions on the electrical and magnetic properties of nickel/polyethylene composites .Journal of Applied Polymer Science,Dec15 1993, 50 (11):1891-1901.
【5】任俊,沈健,卢寿慈,颗粒分散科学与技术 化学工业出版社 2005 20-23
【6】winner311XP激光粒度分析仪说明书 2015 (1) 4-10
【7】汲云涛,任中京. Mie理论在静态光散射粒度测量的应用下限研究[J]. 中国粉体技术 2005 (6) 14-16
【8】王少清,任中京,张希明等. Mie散射系数的新算法[J]. 激光杂志 1997 18(3): 9-12

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