口罩效果的激光测试

新冠病毒对日常生活产生了许多影响，其中最明显的是病毒大流行引发的口罩设计的多样化、有时具有创造性的方法。在遵守全球口罩规定的公民身上，可以看到各种各样的东西，从专业医用口罩，到家庭缝制、图案鲜艳的棉质面罩，再到用普通的手帕裹住脸部。但是，撇开时尚不谈，这些临时制作的覆盖物在防止疾病传播方面到底有多有效呢？
       美国杜克大学的一个研究小组开发了一种低成本的光学方法，为这个问题提供了答案。该团队的简单设置包括一个廉价的激光器、一个暗箱和一个手机摄像头，再加上一个简单的计算机算法。该小组使用这种装置进行的早期口罩测试的信息很清楚:并非所有口罩都是一样的，而一些自制口罩在阻止新冠病毒传播方面可能更糟糕，而不是毫无用处。
       正如许多人意识到的那样，口罩的主要作用不是保护佩戴者免受新冠病毒感染，而是防止佩戴者通过携带病毒的飞沫将疾病传播给他人。越来越明显的是，感染者不仅可以通过打喷嚏传播飞沫，甚至在日常讲话和呼吸过程中也可以传播飞沫。
       今年早些时候，美国国立卫生研究院(NIH)和宾夕法尼亚大学的科学家报告了一项有助于确定这种风险的研究。该论文发表在《新英格兰医学杂志》上，PNAS NIH-Penn团队表明，在讲话测试项目中，普通讲话中射出的液滴，经过被漆成黑色的纸箱时，可以通过散射激光被可视化。
      巧合的是，新的工作背后的杜克大学的研究人员是为了寻找一种方法来测试某一特定口罩的样品，他们正计划大量购买，以分发给当地缺医少药社区、学校。该团队突然想到了采用NIH-Penn小组之前报告的简单可视化方案来测试新冠病毒口罩原型的想法。
      在该团队的测试装置中，一束激光束通过一个圆柱形透镜形成一个椭圆的轮廓，通过狭缝照射到一个30×30×35厘米的黑色盒子中。在使用这种装置进行测试时，一个戴着口罩的人会对着盒子前面的一个洞说话，手机通过背后的另一个孔，当激光从扬声器口中喷出的水滴散射时，手机就会录下视频。然后，视频文件被传输到一个计算机算法，该算法对在光散射中记录的水滴进行计数。研究人员表示，口罩测试装置比在典型的激光实验室中常见的要简单得多，只包括一台激光器、一个镜头和一台照相机。
       该团队使用了杜克大学实验室的一种科学级激光器，其输出功率为2W，工作波长 532nm。但是研究人员说，这种装置对于零售价不到100美元的廉价商用激光器也同样有效。他们认为，整个装置的总花费不超过200美元就可以实现，而且非专业人员也可以很容易地建造和操作。
       该团队使用该装置测试了14种常见的口罩或口罩替代品，从黄金标准、专业测试适用的N95口罩和医用外科口罩，到手工缝制的针织和棉质口罩，羊毛围巾和头巾。每次试验都以对照组控制变量，在测试种，受试者不戴口罩说出“保持健康”这句话，然后戴着口罩测试。对于每个被检查的口罩，这个测试重复十次。结果并不十分令人惊讶。例如，专业级的N95口罩(无排气阀)的效率最高，允许不到0.1%的雾滴通过。医用口罩也有效地阻止了大部分飞沫的传播。商用的和自制的棉花口罩的效果较差，但在大多数情况下仍然抑制了80%甚至更多的液滴传播——当然，这比不戴口罩要好得多。
       然而，其他材料的性能则更成问题。例如，头巾允许平均超过50%的飞沫通过(差异很大)。测试表明，一种流行的自制口罩解决方案—用羊毛围巾罩住脸部可能会增加小飞沫传播的数量。研究小组推测，这可能是因为羊毛材料将较大的液滴分解成较小的液滴，然后通过。该团队还警告不要使用带排气阀的口罩(即使是N95口罩)。这种口罩之所以流行是因为戴起来更舒服。但研究人员表示，它们在保护佩戴者免受外部环境影响方面做得很好，但在保护他人免受佩戴者影响方面做得很差。
       研究人员承认他们的测试设置有一些局限性。例如，激光光板只覆盖了有限的区域，可能无法记录盒子里的所有液滴。而且，说话人对盒子的定位因人而异，所以比较不同说话人的结果可能会比较困难。手机摄像头的探测灵敏度和分辨率也带来了不确定性，这些缺点可以通过多种方式调整设置来克服。
       研究小组认为，这种方法通过提供了一种低成本的工具，可以用来指导公众、口罩生产商用来验证口罩的有效性，他们提供的简单和直接的装置胜过了这些缺点。然而，该团队的特殊装置依赖于一种高功率的科学级激光器，需要对眼睛安全采取一些预防措施，而且需要至少受过一些激光训练的人来操作。研究人员表示他们正在设计一种低功率、对眼睛安全的激光作为测试光源。

图1实验装置图

图2 每一种口罩允许通过的雾滴比例图，显示不同类型口罩的功效差异很大。