氣溶膠:用途、類型、示例

氣霧劑

我們中的許多人都曾在人生的某個時刻凝視過日出和日落的驚人美景。居住在極地地區附近的人們可能也對引人注目的暮色感到驚嘆。這兩個觀察結果都是一種稱為光散射的物理現象的影響。但是是什么導致光線在清澈的空氣中散射呢?雖然看起來很清晰,但幾乎可以肯定的是,當我們深呼吸時,我們會吸入數以千萬計的固體顆粒和液滴,即氣溶膠。術語氣溶膠(“aero-solutions”的縮寫)包括多種最終懸浮在空氣(或其他氣體)中的小物質。它們可以是固體或液體,并且可以無限小或大到足以用肉眼看到。天然氣溶膠的例子有霧、薄霧、灰塵、森林滲出物和間歇泉蒸汽。氣溶膠科學涵蓋了廣泛的領域,因為存在各種可能遇到氣溶膠存在的現象??梢愿鶕馊苣z的產生和去除、氣溶膠的技術應用、氣溶膠對環境和人的影響等主題進行分類。讓我們討論一下日常生活中可能遇到的幾種氣溶膠。

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氣溶膠的類型

有一種常見的誤解,認為“氣溶膠”一詞是指化合物的固相,而實際上,根據定義,它是氣相和固相的組合。

大氣氣溶膠

氣溶膠在大氣中的生命周期圖,顯示了排放、沉積和傳輸過程以及氣溶膠在大氣中的作用

大氣氣溶膠是液體、固體或混合顆粒在空氣中的懸浮物,具有高度可變的化學成分和尺寸分布。當這些粒子足夠大時,我們會注意到它們的存在,因為它們會散射和吸收陽光。它們散射的陽光導致霧霾和紅色的日出和日落。氣溶膠在散射光時會對氣候產生重大影響。直徑較大的粒子將其大部分入射太陽輻射向前散射,而返回太空的則較少。粒徑越大,向前散射的光的百分比就越大。因此,較大的氣溶膠顆粒對對流層冷卻的貢獻較小。根據它們的來源,大氣氣溶膠基本上分為兩類:

初級氣溶膠

初級氣溶膠是直接排放到大氣中的大氣顆粒。它包含粒徑大于 0.1 微米的有機和無機化合物。這些氣溶膠在大氣中的壽命很短,通常只有幾天。它們被陣風、火山爆發或從煙囪或火焰中飄散到大氣中。

例子

  • 黑碳: 黑碳,通常稱為煙灰,是空氣中最主要的吸光顆粒物氣溶膠。它主要由多種燃燒過程排放,例如柴油發動機和野火。眾所周知,這些顆粒沉積在雪和冰上,導致吸收入射的太陽輻射,從而融化雪并導致反照率降低,進而導致對流層變暖降低。黑碳也可能對人類健康產生不利影響;然而,與二氧化碳等持久性溫室氣體不同,黑碳會在 1-2 周內從大氣中清除,因此其影響往往更具區域性而非全球性。

  • 生物質燃燒:生物質是指用作產生電力或熱量的燃料的植物或動物材料。生物質或生物燃料的例子包括木材、能源作物以及來自森林、庭院或農場的廢物。燃燒此類材料會產生多種顆粒物,如氮氧化物、一氧化碳、二氧化硫、鉛、汞和其他有害空氣污染物,可能對氣候和人類健康產生重大影響。一般來說,這些粒子通過散射陽光或通過成為導致雨或雪形成的云凝聚核 (CCN) 來冷卻對流層。盡管如此,這些粒子中的一些吸收入射的太陽輻射,從而導致對流層變暖。

  • 礦物粉塵: 礦物粉塵是一種大氣氣溶膠,來源于構成土壤的礦物質的懸浮液。它主要由粘土和淤泥顆粒組成,其直徑在 0.1 到 20 微米之間(約 1/10 的頭發)。較大的顆粒,例如沙子,不被視為氣溶膠,因為它們最終會通過重力沉降從大氣中去除。礦物塵??梢晕栈蛏⑸淙肷涞奶栞椛?。然而,散射更頻繁地被觀察到,這導致對流層冷卻作為凈效應。礦物塵埃也被認為在許多海洋和陸地生物地球化學過程中發揮重要作用,因為塵埃中存在的微量金屬是各種生態系統發展的重要營養物質。

  • 海噴霧: 海噴霧是指直接從海洋形成的氣溶膠顆粒,主要是通過在海氣界面處破裂氣泡噴射到大氣中。它包含有機和無機,形成分布最廣泛的天然氣溶膠,稱為海鹽氣溶膠 (SSA)。它們的特點是散射性強、吸濕性強、粒徑范圍廣。由于吸濕性,海鹽顆??梢宰鳛榉浅S行У脑颇Y核 (CCN),改變云反射率、壽命和降水過程。一般來說,它們對對流層有冷卻作用。

  • 火山氣溶膠: 火山噴發導致幾種顆粒物質到達平流層。平流層中存在的大多數氣溶膠是從火山噴出的富含硫的顆粒。它們也被稱為平流層硫氣溶膠。這些顆粒由硫酸和水的混合物組成?;鹕綒馊苣z是吸收和散射粒子的混合物,吸收劑通常大到足以迅速脫落,因此較小的粒子占主導地位。

二次氣溶膠

當漂浮在大氣中的不同物質(如植物釋放的有機化合物、液態酸液滴或其他材料)碰撞在一起時,會形成二次氣溶膠,最終導致化學或物理反應。天然二次氣溶膠起源于大氣,是可冷凝蒸汽原位氣體向顆粒轉化的結果。大氣中的氣體到粒子 (g-to-p) 轉換可以有兩種形式:現有氣溶膠的生長或新粒子的成核。由 g-to-p 轉換產生的氣溶膠量與初級天然氣溶膠相當,超過了初級人為氣溶膠。二次氣溶膠主要由三類化合物組成:硫酸鹽、硝酸鹽和有機化合物。讓我們討論一些它的例子。

例子

  • 硫酸鹽氣溶膠: 術語“硫酸鹽氣溶膠”用于懸浮細小的硫酸鹽固體顆?;蛄蛩猁}或硫酸溶液的微小液滴({H}_{2}{SO}_{4}H2所以4)。它們是由大氣中涉及氣態前體的化學反應產生的,但海鹽硫酸鹽和石膏塵粒除外。硫酸鹽氣溶膠在氣態前體的現有顆粒上均勻成核或形成。天然硫酸鹽氣溶膠由 ({SO}_{2}所以2由火山排放到大氣中和從二甲基硫醚(即({CH}_{3}{SCH}_{3}CH_3SC H3,或稱為 DMS)由生物源排放,尤其是海洋浮游生物。硫酸鹽氣溶膠很常見,散射特性超過吸收特性,從而對對流層產生凈冷卻效果。然而,來自火山的其他粒子也可能是云凝結核,從而增強了它們的冷卻效果。

  • 硝酸鹽氣溶膠 (NOx): 硝酸鹽氣溶膠是由于大氣中存在氨和硝酸而形成的。氨和一氧化氮是硝酸的前體,有很多人為和天然來源,包括家養和野生動物的排泄物、合成肥料、海洋、生物質燃燒、農作物、人口和寵物、土壤、工業過程、和化石燃料。硝酸銨氣溶膠的形成取決于其前體的熱力學狀態,并在很大程度上取決于環境條件。氣態氨與硝酸在大氣中反應生成氣溶膠硝酸銨,{NH}_{4}{NO}_{3}NH _4不3. 硝酸鹽氣溶膠的濃度非常重要,因為硝酸鹽是大氣中存在的主要氣候驅動氣溶膠之一。盡管硝酸鹽氣溶膠的影響小于溫室氣體,但其濃度的穩步增加表明,到 2030 年代末,它可能成為最大的空氣污染物。

  • 二次有機氣溶膠 (SOA):  SOA 顆粒通過有機氣體氧化產生的低壓產物到氣溶膠相的質量傳遞而產生于大氣中。直接排放到大氣中的碳質顆粒主要來自生物質火災。有機氣溶膠和含碳氣溶膠是通過從生物圈釋放的氣體和揮發性化合物(例如泄漏到地球表面的原油)進行 g-to-p 轉換而產生的。有機氣體在氣相中被羥基(OH)、臭氧(O3)、硝酸根(NO3)等物質氧化,使這些氧化產物逐漸積累。這些產品中的一些具有低揮發性并凝結在可用顆粒上以在氣相和氣溶膠相之間建立平衡。

有機氣溶膠

已知大氣氣溶膠顆粒含有不同數量的有機碳材料,具體取決于它們的位置。在世界的某些地方,有機化合物占總懸浮顆粒質量的大部分。由于有機化學的豐富性,有機氣溶膠既作為初級氣溶膠顆粒排放,又作為有機氣體冷凝形成的次級氣溶膠顆粒形成。雖然有機氣溶膠散射的光可能比吸收的多(冷卻效應),但它們也可能導致臭氧的形成,臭氧是一種溫室氣體(變暖效應)。

藥用氣霧劑

制藥

藥用氣霧劑是最獨特和最有效的藥物輸送系統之一。在藥學中,術語“氣溶膠”通常被稱為加壓系統,其通過在氣體介質中釋放含有一種或多種藥物活性成分的液體和/或固體材料的連續或計量劑量的精細分散體而起作用。藥物氣溶膠劑量的內容物可以是細霧、濕或干噴霧過程、穩定流或穩定或快速破裂的泡沫。藥物氣霧劑的主要優勢在于其通過將少量霧化藥物顆粒遞送至作用部位(即直接朝向氣道表面)提供局部效應的能力,從而產生快速的臨床反應。主要有兩種類型的藥用氣霧劑噴霧劑。

  • 空間噴霧: 這些是用于提供釋放產品粒徑小于 50μm 的氣霧的氣溶膠。

  • 表面噴霧劑: 這些是旨在將活性成分帶到表面(例如皮膚)的氣溶膠。

藥用氣霧劑治療性能的有效性受各種因素的影響,如推進劑的類型和特性,包括推進劑的蒸氣壓、粘度和密度閃點,以及其他因素,如活性成分、容器、閥門和執行器的類型和特性,以及水分含量的百分比和發射劑量沉積的機制、噴霧模式、閥門壓接效率和顆粒大小氣溶膠的測量。讓我們簡要討論一下制藥行業生產的氣霧劑系統和氣霧劑的主要類型。

氣溶膠系統

  • 兩相系統: 該系統包括汽化產品濃縮物(活性成分)和以噴霧形式排出制劑的液化推進劑的兩相混合物。如果活性成分可直接溶于推進劑,則配方中無需使用額外的溶劑;否則,使用共溶劑,例如乙醇、丙酮、丙二醇、甘油和乙酸乙酯。這些助溶劑還有助于降低系統的蒸氣壓,從而在噴涂時形成較大的顆粒。

  • 三相系統:三相系統由除汽化推進劑外的一種或多種活性成分的懸浮液或乳液組成。它是一種三層非均相混合物,由一層與水不混溶的液體推進劑、一層包含產品濃縮物的推進劑不混溶液體和氣相組成。當配方需要存在與推進劑不混溶的液相時,使用這種類型的系統。當氣溶膠閥被啟動時,氣相的壓力導致液相在汲取管中上升并從容器中排出。如果產品要保持液化氣為后面的噴霧保留,則汲取管不得超出水相。有時需要將一些液化推進劑與水相混合以促進噴霧的分散或產生泡沫。在這種情況下,應在使用前立即搖動容器。

  • 壓縮氣體系統: 使用壓縮氣體作為推進劑的氣溶膠基本上作為壓力噴霧運行。氣溶膠容器頭部的壓縮氣體壓力迫使產品從汲取管上升并流出閥門。使用氮氣等不溶性氣體會導致產品排放,其形式與放置在內部的形式基本相同。此外,氮氣是一種無味無味的氣體,不會影響藥物的味道或氣味。當需要將它們與產品濃縮物一起排出以實現噴霧或起泡時,可以使用微溶于氣溶膠產品液相中的其他氣體,例如二氧化碳和一氧化二氮。

吸入氣溶膠

吸入療法起源于一些傳統文化中對呼吸系統疾病的治療,其歷史可以追溯到公元前 2000 年左右。直到 1956 年,科學家們發明了計量吸入器(MDI),吸入藥物達到了安全、有效、方便的狀態,足以廣泛用于公眾使用。藥物遞送的肺部途徑可以為局部肺部疾病以及全身遞送的其他途徑提供極好的替代方案。使用吸入氣溶膠的目的是產生細顆粒和液滴,用于通過嘴吸入并沉積在肺樹中。該過程從識別目標組織開始,然后利用技術參數,例如通過配方技術和輸送裝置調整粒度,以最有效地輸送所需的劑量。用于此目的的醫療設備稱為吸入器。有多種吸入器通常用于治療多種疾病,例如哮喘和慢性阻塞性肺病 (COPD)。醫療專業人員根據患者的具體需求、年齡、協調性和肺功能來選擇吸入器的類型。讓我們來看看最常見的吸入氣溶膠類型。有多種吸入器通常用于治療多種疾病,例如哮喘和慢性阻塞性肺病 (COPD)。醫療專業人員根據患者的具體需求、年齡、協調性和肺功能來選擇吸入器的類型。讓我們來看看最常見的吸入氣溶膠類型。有多種吸入器通常用于治療多種疾病,例如哮喘和慢性阻塞性肺病 (COPD)。醫療專業人員根據患者的具體需求、年齡、協調性和肺功能來選擇吸入器的類型。讓我們來看看最常見的吸入氣溶膠類型。

例子

  • 計量吸入器 (MDI):它是最常見的吸入器類型,它包含三個主要部件:金屬罐、塑料致動器和計量閥。藥物通常儲存在含有推進劑或懸浮液的加壓罐中的溶液中。在啟動時,它將特定量的藥物以短時間的霧化藥物形式輸送到肺部,通常由患者通過吸入自行給藥。它最常用于為哮喘患者和患有其他肺部疾病的患者提供藥物。其他不太常用但也由 MDI 管理的藥物是肥大細胞穩定劑,例如色甘酸或奈多羅米。

  • 干粉吸入器 (DPI):顧名思義,它是一種用于將粉末狀藥物直接輸送到肺部(或目標組織)的裝置。藥物通常裝在膠囊中,以便在吸入器內手動裝載。藥物的輸送是通過患者放入他/她嘴里的狹窄喉舌完成的。大多數 DPI 依靠患者吸入的力量將粉末從設備中帶走,然后將粉末分解成小到足以到達肺部的顆粒。出于這個原因,患者吸入流速不足可能會導致劑量輸送減少和粉末不完全解聚,從而導致設備性能不理想。因此,大多數 DPI 具有正確使用所需的最小吸氣努力,因此此類 DPI 通常僅用于年齡較大的兒童和成人。

  • 軟霧吸入器 (SMI):軟霧吸入器 (SMI) 是一種新型設備。它產生一團藥物,人們可以在沒有推進劑的幫助下吸入。由于霧中的顆粒比 MDI 和 DPI 多,而且噴霧離開吸入器的速度更慢,因此更多的藥物進入肺部。此外,與 MDI 產生的氣溶膠相比,霧氣在空氣中的釋放速度更慢且持續時間更長。吸氣時按下吸入器側面的按鈕釋放藥物。使用時需要較少的協調,可能對年輕患者或發現 MDI 吸入器難以使用的患者有所幫助。支氣管擴張藥噻托溴銨 (Spiriva Respimat) 和奧達特羅 (Striverdi Respimat) 均呈柔和的霧狀。SMI 帶有內置劑量計數器,因此您可以查看剩余的藥物劑量;當吸入器幾乎是空的時,它也會變成紅色。使用完所有藥物后,設備會自行鎖定。

  • 霧化器:霧化器是一種獨特的吸入器技術,它依靠電力在較長時間內輸送藥物。他們使用氧氣、壓縮空氣或超聲波能量將溶液和懸浮液分解成小的氣溶膠液滴,然后從設備的吸嘴中吸入。當一個人哮喘發作時,肺內的氣道變得更窄,這使得呼吸幾乎不可能。在這種情況下,霧化器是比 MDI 更合適的選擇,因為霧化器可以自行將霧化藥物部署到肺系統的最深處。此外,霧化器還用于哮喘和某些其他肺部疾病的長期藥物治療。有多種類型的霧化器,包括噴射式、振動網式和超聲波式,

鼻氣霧劑

鼻噴霧

鼻腔給藥是治療過敏性和非過敏性鼻炎、鼻竇炎等鼻子和鼻旁竇疾病的合理選擇。在某些情況下,鼻腔給藥途徑是全身治療的首選,因為它提供了一種可以替代注射或藥丸的方法。藥物活性成分的溶液可以形成非??焖俸椭苯拥撵F化鼻噴霧劑。許多藥物以鼻噴霧劑的形式存在,用于全身給藥(例如鎮靜鎮痛劑、偏頭痛、骨質疏松癥和惡心的治療)。其他應用包括激素替代療法、阿爾茨海默病和帕金森病的治療。鼻腔噴霧劑被視為一種更有效的藥物運輸方式,有可能用于穿過血腦屏障。

例子:

  • 抗組胺藥

  • 皮質類固醇

  • 減充血劑

  • 鹽水

局部氣霧劑

外用

局部氣霧劑產品旨在將藥物活性成分直接應用于皮膚。它們通常用于治療燒傷、輕微割傷、瘀傷、感染和各種皮膚病。當氣霧劑設計用于局部應用時,建議將顆粒大小保持在 3-6 μm 之間,以避免意外吸入可能產生的不利影響。大多數局部氣霧劑由惰性、無毒和環保的烴基溶液組成。局部給藥的發展是漸進式的,重點是克服與皮膚屏障特性相關的問題,降低皮膚刺激率,并改善與傳統局部給藥系統相關的美學。.

例子:

  • 非甾體抗炎噴霧劑

  • 抗真菌氣霧劑

  • 硝酸益康唑噴霧

  • 普魯卡因麻醉劑

  • 非中樞鎮痛藥

  • 抗感染藥,即抗生素、防腐劑、化療劑

生物氣溶膠

從瓊脂上生長的室內生物氣溶膠中捕獲的生物

生物氣溶膠(生物氣溶膠的縮寫)包括一組以生物方式來源于陸地和海洋生態系統的顆粒。它們由活的和非活的成分組成,例如在環境中普遍存在的代謝物、毒素或微生物碎片。全球對生物氣溶膠的興趣迅速增加,以拓寬關于其識別、量化、分布和健康影響(例如傳染性和呼吸道疾病、過敏和癌癥)的知識庫。生物氣溶膠要么直接釋放,要么通過湍流帶到大氣中。它們在地球生態系統中發揮著至關重要的作用,特別是在大氣、生物圈、氣候和公共衛生之間的相互作用中。生物氣溶膠最重要的功能之一包括分散植物和微生物(花粉、孢子等)的生殖單位,使大氣能夠跨越地理障礙和長距離運輸。讓我們來看看大氣中存在的幾種生物氣溶膠。

菌類

Penicillium-notatum-來源-青霉素

青霉

真菌是真核生物中的一員,其中包括酵母和霉菌等微生物,以及更常見的蘑菇。真菌有多種形式,包括匍匐腐爛、蓬松霉菌、單細胞酵母、大型支架真菌、毒菌和蘑菇。大多數人的一個共同特點是對空氣生物學家很重要,即它們會產生大量空氣傳播的孢子和其他有活力的碎片,這些碎片有時構成空氣的主要顆粒成分。真菌氣溶膠由具有多種形態的孢子和碎片組成。雖然由于高海拔地區的干燥效應,大多數真菌氣溶膠在穿過大氣層時會死亡,但盡管暴露在紫外線輻射下,它們中的一些仍能在旅行中幸存下來。真菌孢子的大小差異很大,但一般來說,它們比大多數單個細菌細胞大,比花粉小。讓我們來看看一些存在于大氣中混雜環境中的真菌氣溶膠的例子。

例子:

  • 枝孢屬

  • 鏈格孢屬

  • 青霉屬

  • 曲霉屬

  • 酵母菌

  • 黑粉病

  • 銹跡

  • 擔子菌

所有這些真菌都有可能引起一種稱為過敏性肺泡炎的疾病。然而,沒有足夠的證據支持這些事實。

病毒

病毒是最小的初級生物氣溶膠之一。它們的直徑可以小至 20 納米,通常不作為個體在空氣中傳播,但更可能附著在其他懸浮顆粒上。許多研究表明,作為主要生物氣溶膠存在的病毒并不多。然而,由于它們的傳染性,它們是衛生社會的主要關注點。人類、動物、鳥類、魚類、昆蟲和植物中存在的許多疾病是由氣溶膠中的病毒引起的(可能的感染傳播途徑之一)。許多環境因素可能會影響病毒的存活,包括溫度、濕度和病毒類型(脂質和非脂質包膜)、周圍有機物質(例如唾液和粘液)的存在、陽光(紫外線)或抗病毒化學物質。

例子:

  • SARS-CoV-2(疾?。篊ovid-19)

  • 鼻病毒(疾?。浩胀ǜ忻埃?/p>

  • 流感(A型、B型、H1N1)(疾?。毫餍行愿忻?、流感、豬流感)

  • 水痘-帶狀皰疹(疾?。核唬?/p>

  • 風疹病毒(疾?。郝檎睿?/p>

  • 漢坦病毒(疾?。簼h坦病毒肺綜合征)

細菌

炭疽桿菌

炭疽桿菌顯微照片

由于它們體積小,與較大的顆粒相比,細菌在大氣中的停留時間相對較長(大約幾天或更長時間),并且可以長距離運輸(長達數千公里)。與其他生物氣溶膠不同,細菌能夠在它們在大氣中存活的幾天或幾周內完成完整的繁殖周期,使它們成為空氣生物群生態系統的主要組成部分。細菌的生存取決于霧和云中的水滴,這些水滴為細菌提供營養并防止紫外線照射??諝庵械募毦赡軙詥蝹€細胞的形式懸浮,但它們更可能附著在其他顆粒上,例如土壤或葉子碎片,或者被發現為許多細菌細胞的聚集體。為此原因,

例子: 

  • 嗜肺軍團菌(疾?。悍窝?、LD 熱)

  • 結核分枝桿菌(疾?。航Y核?。?/p>

  • 炭疽桿菌(疾?。禾烤遥?/p>

  • 白喉棒狀桿菌(疾?。喊缀恚?/p>

  • 鼠疫耶爾森菌(疾?。悍问笠撸?/p>

  • 支原體肺炎(疾?。悍窝祝?/p>

花粉

在所有初級生物氣溶膠顆粒中,花粉粒的物理尺寸可能是最大的,代表了含有雄配子的植物的生殖單位。它們可以有各種形狀,尺寸從十到幾百微米不等。作為生物氣溶膠,它們既可以作為完整的花粉單元存在,也可以作為碎片存在。當濕度高時,花粉會破裂,這些碎片已被證明在 30 nm 至 5 μm 的范圍內。單個植物放棄的花粉量從一年到另一年可能會有很大差異。環境中花粉濃度的增加與哮喘病例的增加密切相關。它們是風散過敏原的主要來源,特別是來自草和樹木的季節性釋放。

氣溶膠的用途

用途

氣霧劑提供范圍廣泛的產品,從化妝品和家用產品等大眾市場商品到專用于工業或醫療用途的特定氣霧劑類型。

  • 在化妝品行業,氣霧劑被生產為多種身體護理產品,包括發膠、除臭劑、剃須泡沫、保濕霜、防曬保濕霜等。

  • 環顧四周,我們可以找到幾種基于氣霧劑技術的家居用品,例如空氣清新劑、清潔產品、拋光產品、防靜電氣霧劑、殺蟲劑、殺蟲劑等。

  • 氣溶膠還用于校準儀器、進行研究以及測試采樣設備和空氣過濾器。

  • 在工業領域,氣溶膠有多種應用,包括大眾市場和專業用途。例如,發動機清潔、控制臺清潔和內飾清潔等幾個清潔過程都是使用氣溶膠完成的。除冰和防霧等維護服務也在工業中使用氣溶膠。

  • 多年來,醫療和制藥氣霧劑在全世界數百萬人的健康和福祉中發揮了至關重要的作用。這些產品包括加壓計量吸入器、氣溶膠冷卻劑、氣溶膠消毒劑、氣溶膠麻醉劑和氣溶膠繃帶。

  • 氣溶膠技術還用于以噴涂形式提供油漆和其他幾種產品。

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