De levensduur van kleine spraakdruppeltjes in de lucht en hun potentieel belang bij de overdracht van SARS-CoV-2

Resultaten en discussie

De output van een groene (532 nm) Coherent Verdi-laser die bij een optisch vermogen van 4 W werkte, werd met sferische en cilindrische optiek omgezet in een lichtblad van ∼1 mm dik en 150 mm hoog. Deze lichtplaat ging door spleten die gecentreerd waren aan tegenoverliggende zijden van een kubusvormige 226-L-behuizing. Wanneer geactiveerd, homogeniseert een 40-mm, 12-V muffin ventilator binnen de behuizing ruimtelijk de verdeling van de deeltjes in de behuizing. Een film die de opstelling toont is beschikbaar (17). Filmclips van spraak druppel kernen werden opgenomen met een frame rate van 24 Hz met high-definition resolutie (1,920 × 1,080 pixels). De cameralens bood een horizontaal gezichtsveld van ∼20 cm. Het volume dat door de lichtplaat wordt onderschept en door de camera wordt bekeken, bedraagt derhalve ∼30 cm3. Het totale aantal deeltjes in de omhulling kan worden benaderd door het gemiddelde aantal deeltjes dat in een enkel filmframe wordt gedetecteerd te vermenigvuldigen met de volumeverhouding van de omhulling tot het in beeld gebrachte vel, die ∼7.300 bedraagt. Trage convectiestromen, met snelheden van enkele centimeters per seconde, bleven tijdens de gehele duur van de opname bestaan. Deze convectiestromen worden toegeschreven aan een temperatuurgradiënt van 0,5 °C in de behuizing (van onder naar boven), die vermoedelijk het gevolg is van warmte die wordt afgevoerd door de iPhone11 camera, die aan de voorzijde van de behuizing was bevestigd. Aangezien de netto luchtstroom over elk horizontaal vlak van de behuizing nul is, heeft deze convectie geen invloed op de gemiddelde snelheid waarmee druppelkernen op de bodem van de behuizing vallen.

Met de interne circulatieventilator ingeschakeld, werd de behuizing gedurende enkele minuten doorgeblazen met HEPA-gefilterde lucht. Daarna werd de spoelluik gesloten, de filmclip gestart, de luidsprekerpoort geopend en de behuizing “gevuld” met spraakdruppels door iemand die de zin “blijf gezond” herhaalde gedurende 25 s. Deze zin werd gekozen omdat de “th” fonatie in het woord “gezond” een efficiënte generator van spraakdruppels bleek te zijn. De interne ventilator werd 10 s na het beëindigen van de spraak uitgeschakeld, en de camera bleef gedurende 80 minuten opnemen. De film werd frame per frame geanalyseerd om het aantal spots/streaks te bepalen waarvan de maximale intensiteit per pixel een drempelwaarde van 30 overschreed. Fig. 1 grafieken de tijd-afhankelijke daling van het aantal verstrooiing deeltjes gedetecteerd. We zijn nog niet in staat om kwantitatief verband te leggen tussen de waargenomen lichtverstrooiing intensiteit en de grootte van het verstrooiende deeltje, omdat de lichtintensiteit varieert over het blad. Echter, de helderste 25% bleken sneller te vervallen dan de dimmer fractie, met de twee curven redelijk goed beschreven door exponentiële verval tijden van 8 en 14 min, respectievelijk (Fig. 1A). Deze past dat, in de buurt van tijd 0, waren er gemiddeld ongeveer negen druppel kernen in de 30-cm3 observatie venster, met de grotere en helderder kernen (gemiddeld) vallen naar de bodem van de behuizing bij hogere snelheden dan de kleinere en dimmer ones.

Met de aanname dat de inhoud van de doos wordt gehomogeniseerd door de muffin ventilator op tijdstip 0, komt het gemiddelde aantal druppeltjes gevonden in een enkel frame in de buurt van tijdstip 0 overeen met ca. 66.000 kleine druppeltjes uitgestoten in de 226-L behuizing, of ca. 2.600 kleine druppel kernen per seconde van spreken. Als de deeltjesgrootteverdeling een deltafunctie zou zijn en de deeltjes uniform verdeeld zouden zijn in de behuizing, zou het deeltjesaantal naar verwachting constant blijven totdat de deeltjes van de bovenkant van de behuizing naar de bovenkant van de lichtplaat dalen, waarna het deeltjesaantal lineair zou afnemen tot het achtergrondniveau. De waarneming dat het verval profielen zijn ongeveer exponentieel wijst op een aanzienlijke heterogeniteit in de deeltjesgrootte, zelfs na binning ze in twee afzonderlijke groepen.

De gewogen gemiddelde vervalsnelheid (0.085 min-1) van de heldere en zwakke fracties van deeltjes (Fig. 1A) vertaalt zich in een halfwaardetijd in de behuizing van ca. 8 min. Ervan uitgaande dat deze halfwaardetijd overeenkomt met de tijd die nodig is voor een deeltje om 30 cm vallen (de helft van de hoogte van de doos), de eindsnelheid is slechts 0,06 cm ⋅s-1, wat overeenkomt met een druppel kern diameter van ∼4 urn. Bij de relatieve vochtigheid (27%) en temperatuur (23 ° C) van ons experiment, verwachten we dat de druppeltjes uit te drogen binnen een paar seconden. Een gedehydrateerd deeltje van 4 μm komt overeen met een gehydrateerde druppel van ca. 12- tot 21-μm diameter, of een totaal gehydrateerd volume van ∼60 nL tot 320 nL voor 25 s luid spreken. Bij een gemiddelde virale lading van 7 × 106 per milliliter (7), schatten wij dat 1 minuut luid spreken minstens 1.000 virion-bevattende druppelkernen genereert die meer dan 8 minuten in de lucht blijven. Deze kunnen dus door anderen worden ingeademd en, volgens IAH, een nieuwe SARS-CoV-2 infectie veroorzaken.

De langste door ons waargenomen vervalconstante komt overeen met druppeltjes met een gehydrateerde diameter van ≥12 μm bij het verlaten van de mond. Het bestaan van nog kleinere druppeltjes is vastgesteld door aërodynamische deeltjes sizer (APS) metingen (2). APS wordt algemeen gebruikt voor het opsporen van aërosoldeeltjes en is het meest geschikt voor deeltjes in het bereik van 0,5- tot 5-µm. Morawska et al. (2) detecteerden maar liefst 330 deeltjes per seconde in het bereik van 0,8 tot 5,5 μm na een aanhoudende “aah” vocalisatie. Gezien de korte reistijd (0.7 s) tussen het verlaten van de mond en de APS detector, en de hoge relatieve vochtigheid (59%) gebruikt in die studie, kan druppel dehydratatie onvolledig zijn geweest. Als het 75% uitgedroogd bij de detector, zou een waargenomen 5,5-μm deeltje zijn begonnen als een 8,7-μm druppel bij het verlaten van de mond, ver buiten de 12- tot 21-μm bereik hierboven waargenomen door lichtverstrooiing. Dit resultaat suggereert dat APS en lichtverstrooiing metingen een perfecte aanvulling vormen. We merken echter ook op dat, zelfs als de kleinste druppelkernen effectief voor onbepaalde tijd in de lucht blijven en een halfwaardetijd hebben die wordt gedomineerd door de ventilatiesnelheid, bij een speekselvirusbelasting van 7 × 106 kopieën per milliliter, de waarschijnlijkheid dat een druppelkern van 1 µm (teruggebracht tot zijn oorspronkelijke gehydrateerde grootte van 3 µm) een virion bevat slechts 0,01% bedraagt.01%.

Onze huidige setup detecteert niet elk klein deeltje in elk frame van de film, en onze gerapporteerde waarden zijn daarom conservatieve ondergrens schattingen. Wij merken ook op dat de virale belasting in speeksel grote variatie van patiënt tot patiënt vertoont. Sommige patiënten hebben virale titers die de gemiddelde titer van Wölfel et al. met meer dan twee orden van grootte overschrijden (7, 18), waardoor het aantal virionen in de uitgestoten druppeltjes oploopt tot ver boven de 100.000 per minuut van spreken. De druppelkernen waargenomen in onze huidige studie en eerder door APS (2, 9) zijn voldoende klein om de onderste luchtwegen te bereiken, wat geassocieerd is met een verhoogde nadelige ziekte-uitkomst (19, 20).

Onze laserlichtverstrooiingsmethode biedt niet alleen real-time visueel bewijs voor spraakdruppelemissie, maar beoordeelt ook hun levensduur in de lucht. Deze directe visualisatie toont aan hoe normale spraak druppeltjes in de lucht genereert die tientallen minuten of langer kunnen blijven hangen en bij uitstek in staat zijn om ziekten over te brengen in besloten ruimten.