Resultat och diskussion
Utgången från en grön (532 nm) Coherent Verdi-laser med en optisk effekt på 4 W omvandlades med sfärisk och cylindrisk optik till en ljusplatta som är ∼1 mm tjock och 150 mm hög. Denna ljusskiva passerade genom slitsar centrerade på motsatta sidor av ett kubiskt 226-L hölje. När den aktiveras homogeniserar en 40 mm, 12 V muffinsfläkt inuti höljet fördelningen av partiklar i höljet. En film som visar arrangemanget finns tillgänglig (17). Filmklipp av taldroppkärnor spelades in med en bildfrekvens på 24 Hz med högupplöst upplösning (1 920 × 1 080 pixlar). Kameralinsen gav ett horisontellt synfält på ∼20 cm. Därför är den volym som fångas av ljusskivan och ses av kameran ∼30 cm3. Det totala antalet partiklar i inhägnaden kan uppskattas genom att multiplicera det genomsnittliga antalet partiklar som upptäcks i en enskild filmruta med volymförhållandet mellan inhägnaden och det visualiserade bladet, vilket är ∼7 300. Långsamma konvektionsströmmar, med hastigheter på några centimeter per sekund, kvarstod under hela inspelningen. Dessa konvektionsströmmar tillskrivs en temperaturgradient på 0,5 °C i höljet (från botten till toppen) som förmodligen beror på den värme som avges av iPhone11-kameran, som var fäst på framsidan av höljet. Eftersom nettoluftflödet över varje horisontellt plan i höljet är noll, påverkar denna konvektion inte den genomsnittliga hastigheten med vilken droppkärnorna faller till botten av höljet.
Med den interna cirkulationsfläkten påslagen spolades höljet med HEPA-filtrerad luft under flera minuter. Därefter stängdes spolningsluckan, filmklippet startades, högtalarporten öppnades och höljet ”fylldes” med taldroppar genom att någon upprepade frasen ”stay healthy” (håll dig frisk) under 25 s. Denna fras valdes eftersom ”th”-fonationen i ordet ”healthy” har visat sig vara en effektiv generator av taldroppar från munvätska. Den interna fläkten stängdes av 10 s efter det att talet avslutats och kameran fortsatte att spela in i 80 min. Filmklippet analyserades bild för bild för att fastställa antalet fläckar/streck vars maximala intensitet i en enskild pixel översteg ett tröskelvärde på 30. I figur 1 visas den tidsberoende minskningen av antalet upptäckta spridande partiklar. Vi kan ännu inte kvantitativt koppla den observerade spridda ljusintensiteten till storleken på den spridande partikeln eftersom ljusintensiteten varierar över arket. Det visade sig dock att de ljusaste 25 % avtog snabbare än den svagare fraktionen, och de två kurvorna beskrevs någorlunda väl av exponentiella avklingningstider på 8 respektive 14 minuter (fig. 1A). Dessa anpassningar visar att det nära tid 0 i genomsnitt fanns ungefär nio droppkärnor i observationsfönstret på 30 cm3 , där de större och ljusare kärnorna (i genomsnitt) föll till botten av höljet i snabbare takt än de mindre och svagare kärnorna.
Med antagandet att innehållet i lådan homogeniseras av muffinsfläkten vid tiden 0, motsvarar det genomsnittliga antalet droppar som hittas i en enskild bild nära tiden 0, ca. 66 000 små droppar som avges in i 226-L-kapslingen, eller ca. 2 600 små droppkärnor per talande sekund. Om partikelstorleksfördelningen var en deltafunktion och partiklarna var jämnt fördelade i höljet, skulle partikelantalet förväntas förbli konstant tills partiklar från toppen av höljet sjunker ner till ljusskivans överkant, varefter partikelantalet skulle sjunka linjärt till bakgrundsnivå. Observationen att nedbrytningsprofilerna är ungefär exponentiella pekar på en betydande heterogenitet i partikelstorlekarna, även efter att de sorterats i två separata grupper.
Den viktade genomsnittliga nedbrytningshastigheten (0,085 min-1) för de ljusa och svaga fraktionerna av partiklar (Fig. 1A) ger en halveringstid i inneslutningen på ca. 8 minuter. Om man antar att denna halveringstid motsvarar den tid som en partikel behöver för att falla 30 cm (halva lådans höjd), är dess sluthastighet endast 0,06 cm⋅s-1, vilket motsvarar en droppkärndiameter på ∼4 μm. Vid den relativa luftfuktigheten (27 %) och temperaturen (23 °C) i vårt experiment förväntar vi oss att dropparna dehydrerar inom några sekunder. En uttorkad partikel på 4 μm motsvarar en hydratiserad droppe med en diameter på ca 12-21 μm, eller en total hydratiserad volym på ∼60 nL till 320 nL för 25 s högt tal. Vid en genomsnittlig virusbelastning på 7 × 106 per milliliter (7) uppskattar vi att 1 min högt tal genererar minst 1 000 virioninnehållande droppkärnor som förblir luftburna i mer än 8 min. Dessa kan därför inhaleras av andra och enligt IAH utlösa en ny SARS-CoV-2-infektion.
Den längsta avklingningskonstanten som vi observerat motsvarar droppar med en hydrerad diameter på ≥12 μm när de lämnar munnen. Förekomsten av ännu mindre droppar har fastställts med hjälp av mätningar med aerodynamisk partikelsifierare (APS) (2). APS används i stor utsträckning för att upptäcka aerosolpartiklar och lämpar sig bäst för partiklar i intervallet 0,5-5 μm. Morawska et al. (2) upptäckte så många som 330 partiklar per sekund i 0,8- till 5,5-μm-området vid ihållande ”aah”-vokalisering. Med tanke på den korta restiden (0,7 s) mellan munnen och APS-detektorn och den höga relativa luftfuktighet (59 %) som användes i den studien kan dropparnas uttorkning ha varit ofullständig. Om den var 75 % uttorkad vid detektorn skulle en observerad partikel på 5,5 μm ha börjat som en droppe på 8,7 μm när den kom ut ur munnen, långt utanför det intervall på 12-21 μm som observerats ovan genom ljusspridning. Detta resultat tyder på att APS- och ljusspridningsmätningar utgör ett perfekt komplement. Vi noterar dock också att även om de minsta droppkärnorna i praktiken förblir luftburna på obestämd tid och har halveringstider som domineras av ventilationshastigheten, är sannolikheten för att en droppkärna på 1 μm (skalad tillbaka till sin ursprungliga hydratiserade storlek på 3 μm) innehåller en virion vid en virusbelastning i saliven på 7 × 106 kopior per milliliter, endast 0.01 %.
Vår nuvarande uppställning upptäcker inte varje liten partikel i varje bild i filmen, och våra rapporterade värden är därför konservativa uppskattningar av den nedre gränsen. Vi noterar också att virusbelastningen i saliven uppvisar en stor variation från patient till patient. Vissa patienter har virustitrar som överstiger Wölfel et al:s genomsnittliga titer med mer än två storleksordningar (7, 18), vilket ökar antalet virioner i de utsända dropparna till långt över 100 000 per talminut. De droppkärnor som observerats i vår nuvarande studie och tidigare av APS (2, 9) är tillräckligt små för att nå de nedre luftvägarna, vilket är förknippat med ett ökat negativt sjukdomsutfall (19, 20).
Vår metod för laserljusspridning ger inte bara ett visuellt bevis i realtid för utsläpp av taldroppar, utan bedömer också deras luftburna livslängd. Denna direkta visualisering visar hur normalt tal genererar luftburna droppar som kan förbli svävande i tiotals minuter eller längre och som är eminent kapabla att överföra sjukdomar i slutna utrymmen.
Data Availability Statement.
Alla rådata som använts för analysen är tillgängliga i ref. 17.