低功率电子烟气溶胶排放速度与粒径特性的相位多普勒风速仪研究

电子烟作为戒烟辅助工具日益普及，但其气溶胶颗粒特性与健康风险仍需深入探究。本研究采用相位多普勒风速仪（PDA）技术，首次对第四代电子烟在2.5 W低功率下未稀释气溶胶的粒径（PSD）和速度分布进行时空演化分析，揭示了颗粒蒸发、吸湿增长与湍流强度的关联性，为优化电子烟设计及评估吸入风险提供关键数据。

　　

电子烟（e-cigarette）近年来因其作为传统卷烟的替代品而备受关注，但其气溶胶颗粒对人体呼吸系统的沉积效应仍存在诸多未知。尤其当电子烟在低功率（<10 W）运行时，其产生的气溶胶颗粒尺寸（particle size distribution, PSD）和速度特性如何影响呼吸道不同区域（如肺泡、支气管）的沉积？这一问题直接关系到电子烟使用的安全性评估。然而，现有研究多采用稀释法测量气溶胶，可能扭曲真实粒径分布；且针对低功率电子烟的全面数据仍属空白。更关键的是，相位多普勒风速仪（phase Doppler anemometry, PDA）这一高精度技术在电子烟气溶胶检测中的应用几乎未见报道。

为填补这些空白，Mohammad Shajid Rahman团队在《Journal of Aerosol Science》发表研究，首次采用PDA技术对第四代电子烟（Vuse epod 2+）在2.5 W低功率下的未稀释气溶胶进行实时测量。研究人员通过定制喷嘴优化颗粒检测，在3秒的抽吸周期内，沿气流中心线（x/d=2-33）和横向位置（y/d=0.6-1.3）同步捕捉粒径与速度的动态变化，并结合高斯分布模型和湍流理论解析气溶胶演化机制。

关键技术方法

实验采用Dantec Dynamics的PDA系统，配备514.5 nm激光发射器和40°散射角接收器，检测粒径范围0.1-40.4 μm。通过隔离舱控制电子烟（含50%PG/50%VG无味电子液）在2.5 W功率下产生气溶胶，以1.0 L/min流速经1.5 mm喷嘴排出。时空分辨率达0.6×0.08×0.08 mm的测量体积内，验证率高达95%-99%。

速度特性揭示受限混合效应

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  瞬时速度：原子化器启动0.3秒后达到稳态，中心线速度从x/d=2处的10.6 m/s衰减至x/d=33处的5.7 m/s，衰减斜率仅0.015，显著低于常规空气/水射流。这表明气溶胶颗粒的存在抑制了流场混合与卷吸。

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  湍流强度：中心线湍流强度u_rms/U_j在x/d=33处比层流射流高62%，推测由颗粒间碰撞加剧湍流所致。

粒径时空演化规律

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  时间维度：抽吸期间颗粒算术平均直径（D_mean）从0.27 μm增至1.10 μm（增幅86%），2-3秒时段出现24.1 μm的二次峰，源于电子液持续加热导致的剧烈颗粒聚并。

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  空间维度：沿中心线D_mean从x/d=2处的1.10 μm降至x/d≥7处的0.90 μm，而几何标准偏差（GSD）从2.63收窄至2.37，反映下游蒸发与吸湿平衡。横向分布显示y/d=1.3处直径比中心线低14%，证实剪切层内的粒径再分布。

健康沉积启示

根据多路径粒子剂量模型，本研究主导粒径范围（0.5-1.1 μm）对应肺泡沉积率11%-25%。值得注意的是，低功率下未稀释气溶胶的CMD（0.63-0.76 μm）比稀释法测量结果高60%，凸显传统方法可能低估真实暴露风险。

这项研究不仅首次将PDA技术应用于电子烟气溶胶检测，更建立了低功率条件下未稀释气溶胶的基准数据，为后续设备优化、毒理学模型验证及监管标准制定提供了关键技术支持。作者建议未来研究应聚焦喷嘴几何形状对颗粒聚并的影响，以及不同电子液成分在真实呼吸温度湿度下的沉积差异。这些发现对理解电子烟健康风险与推进"减害"设计具有里程碑意义。