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RECHERCHE

Recherche sur les aérosols de virus

Se concentrer sur les gouttelettes et les aérosols dans la transmission des virus

Virus aerosol researchNous savons que les personnes infectées génèrent et libèrent des gouttelettes et des aérosols en toussant, en respirant, en parlant, etc. Les autres personnes qui sont en contact avec ces gouttelettes ou aérosols risquent d'être infectées. La détermination du risque d'exposition et d'infection pour ces personnes soulève de nombreuses questions. Par exemple :

  • Comment ces particules se propagent-elles dans une pièce ?
  • Comment la circulation de l'air dans la pièce affecte-t-elle la distance que ces particules peuvent parcourir à partir du point de rejet ?
  • Comment la répartition de la taille des particules affecte-t-elle la dispersion et la propagation du nuage d'aérosols ?
  • Quel est le contenu viral et sa viabilité dans les gouttelettes ou les particules d'aérosol ?

Depuis des années, nos clients chercheurs ont trouvé dans les instruments de mesure des particules et de mécanique des fluides de TSI des outils expérimentaux précieux pour répondre à des questions de ce genre.

L'évolution des aérosols produits par l'homme

Les aérosols émis par les gens lorsqu'ils respirent, parlent, éternuent et toussent sont des gouttelettes liquides. L'air extérieur n'étant généralement pas aussi humide que l'air à l'intérieur du système respiratoire humain, les gouttelettes commencent à s'évaporer peu après leur émission. L'évaporation les rétrécit, ce qui affecte la distance qu'elles peuvent parcourir.

Les plus grosses gouttelettes se déposent sur le sol ou sur d'autres surfaces, sous l'effet de la gravité. Les autres restent en suspension dans l'air pendant un certain temps, en fonction de leur taille finale une fois l'évaporation terminée. Les gouttelettes finissent par devenir de minuscules particules solides qui peuvent contenir des micro-organismes viables, y compris des virus. Plus les particules sont petites, plus elles peuvent rester en suspension dans l'air et mieux elles sont capables de se propager sur de longues distances. Nous savons que de très petites gouttelettes et particules sont capables de se déposer profondément dans les voies respiratoires. La taille, la distribution et la concentration sont des caractéristiques des particules qui sont pertinentes pour les questions de recherche ci-dessus. Par conséquent, il est vital de pouvoir mesurer ces caractéristiques avec précision. 

Mesures de la distribution de la taille des aérosols

Solutions de dimensionnement pour 1 micromètre et plus

Pour mesurer les particules dans la gamme de 0,5 à 20 µm, le Spectromètre de mesure du diamètre aérodynamique des particules 3321 (Aerodynamic Particle Sizer, APS) est un instrument qui a fait ses preuves sur le terrain. Il utilise une technique robuste de "temps d’envol" qui détermine le diamètre aérodynamique des particules, un paramètre couramment utilisé pour caractériser le dépôt de particules dans le système respiratoire humain. Le spectromètre 3321 APS est utilisé par le laboratoire de l'armée américaine pour mesurer les particules émises par les éternuements humains.

Le Compteur optique de particules 3330 (Optical Particle Sizer, OPS) est un autre instrument qui peut mesurer les particules en suspension dans l'air dans la gamme de taille de 0,3 à 10 µm, mais avec une résolution de taille inférieure par rapport au 3321 APS. Ce spectromètre utilise une technique de diffusion de la lumière pour fournir une réponse qui dépend de l'indice de réfraction des particules mesurées. Par exemple, l'illustration ci-dessous montre un dispositif expérimental utilisant des instruments TSI. Dans cette expérience, les chercheurs ont essayer de mesurer la distribution de taille et la concentration des particules d'aérosol émises par une personne lors d'événements de toux.

Solutions de mesure de taille des particules submicroniques

Pour mesurer les particules de taille comprise entre 1 et 1000 nm, TSI propose des instruments basés sur la classification par la mobilité électrique, suivie du comptage par un compteur de particules à noyau de  condensation. Le Spectromètre de mobilité électrique SMPS 3938 (Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS) est configurable pour mesurer différentes gammes de taille en fonction de l'application spécifique ; ils ont une excellente résolution de taille et une excellente gamme de concentration de particules. Les spectromètres SMPS 3938 fabriqués par TSI sont utilisés dans le monde entier par les universités et l'industrie pour diverses applications, y compris les études de caractérisation physique des virus. 

Techniques de visualisation des flux et de vélocimétrie d'image

La visualisation de l'écoulement utilise une caméra pour évaluer qualitativement le mouvement de l'écoulement en capturant des images à grande vitesse des gouttelettes qui se déplacent dans l'air. En calibrant les images par rapport à une distance connue, et en connaissant le temps écoulé entre les images, un chercheur peut mesurer à la fois la taille et la vitesse des gouttelettes.

La vélocimétrie par image de particules (Particle Image Velocimetry, PIV) est une technique dans laquelle une nappe laser illumine la région plane d'un champ d'écoulement. Une caméra placée à 90 degrés de la nappe de lumière capture les images des particules lorsqu'elles passent à travers la lumière laser. La caméra capture les images à une vitesse rapide, permettant la mesure quantitative du mouvement des particules ou des gouttelettes individuelles. Cela permet d'obtenir un champ de vitesse très précis, avec une résolution spatiale de moins d'un millimètre.

Il existe deux applications de la PIV qui s'appliquent à la recherche sur les aérosols de virus :

Les espaces intérieurs

Grâce à la technique de PIV, les chercheurs peuvent examiner la vitesse et la propagation des gouttelettes d'aérosol dans une pièce. Cela peut être un outil précieux pour aider à modéliser la transmission des gouttelettes et des aérosols dans les espaces intérieurs.

Fuite autour des appareils de protection respiratoire

Au quotidien, la question la plus importante pour un appareil de protection respiratoire est de savoir s'il protège la personne qui le porte. L'ajustement correct d'un appareil sur le visage de la personne est un élément clé de cette protection. Le Testeurs d'ajustement de masques respiratoires PortaCount® mesure objectivement l'étanchéité d'un masque sur le visage du porteur. Il est capable de tester quantitativement de nombreux types d'appareils respiratoires - masques à gaz, SCBA, respirateurs et appareils jetables comme les N95 et les FFP3.

Un système de test d'ajustement des respirateurs PortaCount peut identifier un masque facial qui fuit, mais ne permet pas de localiser la fuite. La PIV peut aider à évaluer les types et les sources de fuites en identifiant les flux qui contournent le masque lors de l'expiration du porteur.

Récemment, l'équipe de mécanique des fluides de TSI a effectué une série de tests afin de déterminer la source d'une fuite sur un mannequin portant un masque N95. Le flux d'air autour de la forme de la tête du mannequin a été ensemencé avec un brouillard de particules traceurs éclairées par une nappe feuille laser. Une caméra à grande vitesse a pris une série d'images des particules traceur, et le logiciel INSIGHT4G de TSI a été utilisé pour analyser les images fournissant des champs de vitesse d'écoulement dans la région entourant le masque.

Vector map of flow velocity surrounding a face maskL'équipe a produit une cartographie vectorielle de vitesse à partir des données, montrant l'emplacement de la fuite à l'arête du nez du mannequin. Etant donné que des particules ont été observées contournant le masque, on peut supposer que l'efficacité du masque a été compromise.

D'autres chercheurs répondent à des questions supplémentaires liées à la toux et au transport de gouttelettes, en utilisant la PIV. Par exemple, voir l'article de Western University, "Les scientifiques ont construit une "chambre de toux" pour voir la distance parcourue par les gouttelettes.

Échantillonnage sélectif en fonction de la taille pour les tests biologiques

Lorsque les gouttelettes et les aérosols contenant des virus traversent une pièce ou un autre espace, sont-ils encore viables ? Qu'en est-il des gouttelettes ou des aérosols qui ont traversé un masque ou un autre filtre ? Les chercheurs espèrent répondre à ces questions et à d'autres questions connexes.

La taille des particules joue un rôle important dans l'infectivité et la capacité de survie des virus en suspension dans l'air.1 C'est pourquoi la viabilité des virus dans les particules d'aérosols est souvent une préoccupation dans deux applications : la caractérisation de l'air ambiant et l'efficacité de la filtration biologique ou test BFE.

Caractérisation de l'air ambiant

Les virus infectieux transmis par voie aérienne sont généralement difficiles à récupérer en raison de leur concentration extrêmement faible dans l'air et des limites des échantillonneurs d'air couramment utilisés. De l'ARN du SRAS-CoV-2 a été trouvé dans des échantillons d'air à l'intérieur des chambres de patients.2 Des méthodes fiables d'échantillonnage de l'air, y compris des mesures de virus cultivables, sont cruciales pour comprendre le rôle des systèmes de ventilation dans l'exposition aux aérosols infectieux.

Mesure de l'efficacité de filtration biologique (EFF) des appareils de protection respiratoire

L'air qui a traversé un appareil de protection respiratoire, tel qu'un masque chirurgical, peut être testé pour vérifier que le matériau du masque retient les microorganismes viables. Dans ce cas, il est essentiel de tester l'efficacité de filtration du matériau (média) utilisé pour fabriquer les appareils de protection respiratoire.

Le BFE pousse cette notion un peu plus loin en quantifiant l'efficacité des masques à capturer les microorganismes viables. Une méthode d'essai standard aux États-Unis (ASTM F2101) mesure le BFE des matériaux de masques médicaux, calculé comme le rapport entre la charge bactérienne en amont et la concentration résiduelle en aval, et utilise le Staphylococcus aureus comme organisme de test. La version équivalente de cette norme (EN 14683) s'applique en Europe dans le même but. Cette même procédure standard est applicable aux mesures de l'efficacité de filtration virale utilisant la bactériophase phiX174 comme organisme de provocation. Découvrez une expérience similaire en Italie : Les masques sont testés à Sant'Orsola : Le laboratoire est installé en un temps record.

Lors des tests BFE, les normes exigent un impacteur en cascade pour l'échantillonnage. Cela permet un calcul de l'EBA en fonction de la taille des particules, puisque les impacteurs en cascade collectent les échantillons de manière séparée en fonction de leur taille. L'impacteur TSI 100NR MOUDI est un impacteur en cascade qui peut séparer les particules échantillonnées en huit fractions de taille comprises entre 0,18 et 10 µm. De même, l'impacteur MOUDI modèle 110NR possède dix étages entre 56 nm et 10 µm. Ces impacteurs ont des courbes d'efficacité de collecte très précises qui permettent aux utilisateurs d'évaluer la teneur en virus et la viabilité des échantillons collectés en fonction du diamètre aérodynamique.

Préserver la viabilité des virus échantillonnés

Il est essentiel de maintenir la viabilité d'un virus collecté tout au long de l'échantillonnage et de la manipulation pour garantir la précision. Des plaques d'impact remplies de gélose ou de filtres en gélatine aident à maintenir la viabilité du virus pendant l'échantillonnage. Les impacteurs MOUDI conventionnels (modèles 100NR et 110NR) permettent aux utilisateurs d'effectuer des tests biologiques quantitatifs, tels que l'analyse par réaction en chaîne de la polymérase (PCR).

Chaque jour, TSI aide les chercheurs à répondre à des questions importantes et à atteindre leurs objectifs. Comment pouvons-nous vous aider à faire progresser les connaissances dans votre domaine ?

Références

  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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Granulomètres

Utilisé pour la recherche sur les émissions des moteurs, l'atmosphère et les particules.

Système de PIV

Mesurez la vitesse des particules et d'autres propriétés d'écoulement à l'aide du laser.

Impacteurs

Ils collectent des particules de 10 nm à 10 µm à des débits de 2, 10, 30 ou 100 L/min.