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Virus-Aerosolforschung

Fokus auf Tröpfchen und Aerosolen bei der Virusübertragung

Virus aerosol researchWir wissen, dass infizierte Menschen durch Husten, Atmen, Sprechen usw. Tröpfchen und Aerosole erzeugen und freisetzen. Andere, die mit diesen Tröpfchen oder Aerosolen in Kontakt kommen, können eine Infektion riskieren. Die Bestimmung der Exposition und des Infektionsrisikos für diese Personen wirft viele Fragen auf. Zum Beispiel:

  • Wie verbreiten sich diese Partikel in einem Raum?
  • Wie wirkt sich die Luftzirkulation im Raum darauf aus, wie weit sich diese Partikel vom Ort der Freisetzung ausbreiten können?
  • Wie wirkt sich die Größenverteilung der Partikel auf die Verteilung und Ausbreitung der Aerosolwolke aus?
  • Was ist der Virengehalt und seine Lebensfähigkeit innerhalb der Aerosoltröpfchen oder Partikel?

Seit Jahren sehen unsere Kunden aus der Forschung die Geräte zur Messung von Partikeln und Strömungsmechanik von TSI als wertvolle experimentelle Werkzeuge zur Beantwortung solcher Fragen an.

Die Entwicklung vom Menschen erzeugter Aerosole

Aerosole, die von Menschen beim Atmen, Sprechen, Niesen und Husten abgegeben werden, sind Flüssigkeitströpfchen. Da die Außenluft in der Regel nicht so feucht ist wie die Luft im Inneren eines menschlichen Atmungssystems, beginnen die Tröpfchen schon bald nach der Emission zu verdampfen. Durch die Verdunstung schrumpfen sie, was sich darauf auswirkt, wie weit sie sich fortbewegen können.

Die größten Tröpfchen setzen sich aufgrund der Schwerkraft auf dem Boden oder anderen Oberflächen ab. Die übrigen bleiben je nach ihrer endgültigen Größe nach Abschluss der Verdunstung noch einige Zeit in der Luft. Aus den Tröpfchen werden schließlich winzige feste Partikel, die lebensfähige Mikroorganismen, einschließlich Viren, enthalten können. Je kleiner die Partikel sind, desto länger können sie in der Luft schweben und desto besser können sie sich über größere Entfernungen ausbreiten. Wir wissen, dass sehr kleine Tröpfchen und Partikel in der Lage sind, sich tief in den Atemwegen abzulagern. Größe, Verteilung und Konzentration sind Partikeleigenschaften, die für die oben genannten Forschungsfragen relevant sind. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, diese Eigenschaften genau messen zu können. 

Messungen der Aerosolgrößenverteilung

Größenmessungen für 1 Mikrometer und größer

Für die Messung von Partikeln im Bereich von 0,5 bis 20 µm ist das 3321 Aerodynamische Partikelgrößenspektrometer (APS) ein praxiserprobtes Gerät. Es verwendet eine stabile "Time of Flight"-Technik zur direkten Bestimmung des aerodynamischen Partikeldurchmessers, ein Parameter, der üblicherweise zur Charakterisierung der Ablagerung von Partikeln im menschlichen Atmungssystem verwendet wird. Das 3321 APS wird vom Labor der US-Armee verwendet, um Partikel zu messen, die beim menschlichen Niesen emittiert werden.

Das Optische Partikelgrößenmessgerät 3330 (OPS) ist ein weiteres Gerät, das luftgetragene Partikel im Größenbereich von 0,3 bis 10 µm messen kann, jedoch mit einer geringeren Größenauflösung im Vergleich zum 3321 APS. Dieses Spektrometer verwendet eine Lichtstreuungstechnik, um eine Aussage zu liefern, die vom Brechungsindex der gemessenen Partikel abhängig ist. Die Abbildung unten zeigt zum Beispiel so einen Versuchsaufbau mit TSI-Geräten. In diesem Experiment versuchten die Forscher, die Größenverteilung und Konzentration von Aerosolpartikeln zu messen, die von einer Person beim Husten ausgestoßen werden.

Größenmessungen für Submikrometer-Partikel

Für die Messung von Partikeln im Größenbereich von 1 bis 1000 nm bietet TSI Geräte an, die auf der Klassifizierung nach der elektrischen Mobilität basieren, gefolgt von einer Zählung durch einen Kondensationspartikelzähler. Das 3938 Scanning Mobility Particle Sizer-Spektrometer (SMPS) ist konfigurierbar, um je nach Anwendung verschiedene Größenbereiche zu messen; es verfügt über eine ausgezeichnete Größenauflösung und Partikelkonzentrationsbereich. Die 3938 SMPS-Spektrometer von TSI werden weltweit in der akademischen Welt und in der Industrie für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich Untersuchungen zur physikalischen Charakterisierung von Viren.

Techniken der Strömungsvisualisierung und Bildgeschwindigkeitsmessung

Bei der Strömungsvisualisierung wird eine Kamera eingesetzt, um die Strömungsbewegung qualitativ zu beurteilen, indem Hochgeschwindigkeitsbilder von Tröpfchen aufgenommen werden, während sie sich durch die Luft bewegen. Durch Kalibrierung der Bilder in Bezug auf ein bekanntes Entfernungsnormal und Kenntnis der zwischen den Bildern verstrichenen Zeit kann ein Forscher sowohl die Tröpfchengröße als auch die Geschwindigkeit messen.

Particle Image Velocimetry (PIV) ist eine Technik, bei der ein Laserlichtschnitt den planaren Bereich eines Strömungsfeldes beleuchtet. Eine Kamera, die im 90-Grad-Winkel zum Lichtschnitt positioniert ist, nimmt Bilder der Partikel auf, während sie durch das Laserlicht laufen. Die Kamera nimmt Bilder mit hoher Geschwindigkeit auf und ermöglicht so die quantitative Messung der Bewegung einzelner Partikel oder Tröpfchen. Dies liefert ein hochgenaues Geschwindigkeitsfeld mit einer räumlichen Auflösung von weniger als einem Millimeter.

Es gibt zwei Anwendungen von PIV, die sich auf die Virusaerosolforschung beziehen:

Innenräume

Mit der PIV-Technik können Forscher die Geschwindigkeit und Ausbreitung von Aerosoltröpfchen in einem Raum untersuchen. Dies kann ein wertvolles Hilfsmittel zur Modellierung der Tröpfchen- und Aerosolübertragung in Innenräumen sein.

Leckage um Atemschutzgeräte

Im Alltag ist die wichtigste Frage für eine Atemschutzlösung, ob es die Person, die es trägt, schützt. Die korrekte Anpassung einer Lösung an das Gesicht der Person ist eine Schlüsselkomponente dieses Schutzes. Das PortaCount® Atemschutzmasken-Dichtsitzprüfgerät misst objektiv, wie vollständig eine Maske am Gesicht des Trägers abdichtet. Es ist in der Lage, viele Arten von Atemschutzmasken - Gasmasken, SCBAs, Atemschutzgeräte und Einwegartikel wie N95s und FFP3s - quantitativ zu testen.

Ein PortaCount Atemschutzmasken-Dichtsitzprüfgerät kann eine undichte Gesichtsmaske identifizieren, aber es kann nicht feststellen, wo sich das Leck befindet. PIV kann bei der Bewertung der Arten und Quellen von Leckagen helfen, indem es Strömungen identifiziert, die beim Ausatmen des Trägers die Maske umgehen.

Vor kurzem führte das Strömungsmechanik-Team bei TSI eine Reihe von Tests durch, um die Quelle eines Lecks an einer Schaufensterpuppe mit einer N95-Maske zu ermitteln. Der Luftstrom um die Kopfform der Schaufensterpuppe wurde mit Nebel-Tracer-Partikeln geimpft, die von einem Laserblatt beleuchtet wurden. Eine Hochgeschwindigkeitskamera nahm eine Reihe von Bildern der Tracerpartikel auf, und zur Analyse der Bilder wurde die TSI INSIGHT4G-Software verwendet, die Strömungsgeschwindigkeitsfelder in der Umgebung der Maske lieferte.

Vector map of flow velocity surrounding a face maskDas Team erstellte aus den Daten eine Vektorkarte, die die Lage des Lecks am Nasenrücken der Schaufensterpuppe zeigte. Da Partikel beobachtet wurden, die die Maske umströmten, können wir davon ausgehen, dass die Wirksamkeit der Maske beeinträchtigt war.

Andere Forscher beantworten zusätzliche Fragen im Zusammenhang mit Husten und Tröpfchentransport mit Hilfe von PIV. Sehen Sie sich zum Beispiel diesen Bericht der Western University an: Wissenschaftler bauten eine "Hustenkammer", um zu sehen, wie weit die Tröpfchen tatsächlich transportiert werden.

Größenselektive Probenahme für biologische Untersuchungen

Wenn sich virushaltige Tröpfchen und Aerosole durch einen Raum oder eine andere Umgebung bewegen, sind sie dann noch lebensfähig? Was ist mit Tröpfchen oder Aerosolen, die durch eine Maske oder einen anderen Filter gelangt sind? Forscher hoffen, diese und verwandte Fragen beantworten zu können.

Die Partikelgröße spielt eine wichtige Rolle für die Infektiosität und Überlebensfähigkeit von luftübertragenen Viren.1 Aus diesem Grund ist die Lebensfähigkeit von Viren in Aerosolpartikeln bei zwei Anwendungen oft ein Problem: bei der Charakterisierung der Umgebungsluft und bei der biologischen Filtereffizienz oder bei der Prüfung auf BFE. 

Charakterisierung der Umgebungsluft

Durch die Luft übertragene infektiöse Viren sind aufgrund ihrer extrem niedrigen Konzentration in der Luft und aufgrund der Einschränkungen der üblicherweise verwendeten Luftkeimsammler in der Regel schwer zurückzugewinnen. SARS-CoV-2-RNA wurde in Luftproben in Patientenzimmern gefunden.2 Zuverlässige Probenahmeverfahren für die Luftprobenahme, einschließlich Messungen des kultivierbaren Virus, sind entscheidend für das Verständnis der Rolle von Belüftungssystemen bei der Exposition gegenüber infektiösen Aerosolen.

Messung der biologischen Filtereffizienz (BFE) von Atemschutzgeräten

Luft, die ein Atemschutzgerät, wie z.B. eine Operationsmaske, durchströmt hat, kann getestet werden, um zu überprüfen, ob das Maskenmaterial lebensfähige Mikroorganismen zurückhält. In diesem Fall ist die Prüfung der Filtrationseffizienz des zur Herstellung von Atemschutzgeräten verwendeten Materials (Medien) von entscheidender Bedeutung.

Die BFE geht noch einen Schritt weiter, indem sie quantifiziert, wie wirksam Maskenmedien beim Einfangen lebensfähiger Mikroorganismen sind. Eine Standardtestmethode der Vereinigten Staaten (ASTM F2101) misst die Belichtungszeit von medizinischen Gesichtsmaskenmaterialien, berechnet als Verhältnis der stromaufwärts gerichteten bakteriellen Anfangskonzentration zur stromabwärts gerichteten Restkonzentration, und verwendet Staphylococcus aureus als Testorganismus. Die äquivalente Version dieser Norm (EN 14683) gilt in Europa für den gleichen Zweck. Dasselbe Standardverfahren gilt für Messungen der viralen Filtrationseffizienz unter Verwendung der Bakteriophase phiX174 als Test-Organismus. Lesen Sie über ein ähnliches Experiment in Italien: In Sant'Orsola werden Masken getestet: Das Labor wurde in Rekordzeit eingerichtet.

Bei der Durchführung von Prüfungen der Käufer-Ausrüstungen erfordern die Normen einen Kaskadenimpaktor zur Probenahme. Dies ermöglicht eine BFE-Berechnung nach Partikelgröße, da Kaskadenimpaktoren die Proben größengetrennt sammeln. Der MOUDI-Impaktor TSI 100NR ist ein Kaskaden-Impaktor, mit dem die beprobten Partikel in acht Größenfraktionen zwischen 0,18 und 10 µm getrennt werden können. Auch der MOUDI-Impaktor Modell 110NR hat zehn Stufen zwischen 56 nm und 10 µm. Diese Impaktoren haben scharfe Sammeleffizienz-Kurven, die es den Benutzern ermöglichen, den Virusgehalt und die Lebensfähigkeit der gesammelten Proben als Funktion des aerodynamischen Durchmessers zu beurteilen.

Erhalten der Lebensfähigkeit der gesammelten Viren

Die Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit eines gesammelten Virus während der Probenahme und Handhabung ist für die Gewährleistung der Genauigkeit unerlässlich. Mit Agar-Medien oder Gelatinefiltern gefüllte Impfplatten tragen dazu bei, die Lebensfähigkeit des Virus während der Probenahme aufrechtzuerhalten. Konventionelle MOUDI-Impaktoren (Modelle 100NR und 110NR) ermöglichen den Anwendern die Durchführung quantitativer biologischer Untersuchungen, wie z.B. Polymerase-Kettenreaktionsanalysen (PCR).

Täglich unterstützt TSI die Forscher, wichtige Fragen zu beantworten und ihre Ziele zu erreichen. Wie können wir Ihnen helfen, Ihr Wissen auf Ihrem Gebiet zu erweitern?

Referenzen

  1. Zuo et al 2013, https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/02786826.2012.754841 
  2. Liu et al 2020, https://doi.org/10.1101/2020.03.08.982637

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Partikelgrößen-Spektrometer

Wird für Motoremissionen, Atmosphären- und Partikelforschung verwendet.

PIV Systeme

Messen der Partikelgeschwindigkeit und anderer Fließeigenschaften anhand Lasermessungen.

Kaskaden-Impaktoren

Sammeln Partikel von 10 nm-10 µm bei Durchflussraten von 2, 10, 30 oder 100 L/min.