了解流量如何影响多级撞击器和产品性能，以及如何确保精确的流量控制。
D50,2/D50,1=(Q1/Q2)1/2
[Where D is stage cut-off diameter and Q is volumetric air flow rate.]
以上简化方程显示了斯托克斯定律如何描述多级撞击器的层级截留直径与空气流量之间的关系。其量化了多级撞击器的粒度分级性能如何随流量发生变化 (而非固定不变)。例如，如果流量出现5%偏差，相当于层级截留直径变化2.5%。
流量也会影响某些经口吸入制剂 (OIP) 的性能，尤其是干粉吸入剂 (DPI)。
这两个问题为在多级撞击器测量中进行有效、精确的流量控制提供了巨大动力。本博客将介绍一些关键问题，以及如何获取可靠的空气动力学粒度分布 (APSD) 测量所需的精度。
流量如何影响多级撞击器性能
下表显示了新一代撞击器 (NGI) 的流量与层级收集性能之间的关系。
层级
15
30
60
100
L/min
第1层级
14.10
11.72
8.06
6.12
微米
第2层级
8.61
6.40
4.46
3.42
微米
第3层级
5.39
3.99
2.82
2.18
微米
第4层级
3.30
2.30
1.66
1.31
微米
第5层级
2.08
1.36
0.94
0.72
微米
第6层级
1.36
0.83
0.55
0.40
微米
第7层级
0.98
0.54
0.34
0.24
微米
层级 | 15 | 30 | 60 | 100 | L/min |
第1层级 | 14.10 | 11.72 | 8.06 | 6.12 | 微米 |
第2层级 | 8.61 | 6.40 | 4.46 | 3.42 | 微米 |
第3层级 | 5.39 | 3.99 | 2.82 | 2.18 | 微米 |
第4层级 | 3.30 | 2.30 | 1.66 | 1.31 | 微米 |
第5层级 | 2.08 | 1.36 | 0.94 | 0.72 | 微米 |
第6层级 | 1.36 | 0.83 | 0.55 | 0.40 | 微米 |
第7层级 | 0.98 | 0.54 | 0.34 | 0.24 | 微米 |
斯托克斯定律对这一关系进行了数学描述，但了解作为决定因素的空气动力学特性也很有帮助。让我们仔细看看。
多级撞击器的机械尺寸 (关键是喷嘴面积和数量) 是固定的。这表示空气体积流量决定了空气流速，乃至颗粒通过撞击器的速度。喷嘴总面积随着级数的增加而减小，导致颗粒速度相应地逐步提升。
如需在指定层级收集颗粒，颗粒必须具备足够大的惯性才能脱离气流束缚。颗粒惯性大小与质量和速度相关，这就解释了气体流量变化为何会转化为层级截留直径变化。低速行进的粒子需要相对较大的质量，才能达到与撞击相关的惯性大小。较小的颗粒只有在获得足够大的惯性后才能脱离气流束缚，并以较高的速度撞击收集表面。
这种特性对多级撞击器测量的流量控制有着重要意义：
- 想要知道层级截留值，必须获取精确的测试流量。
- 测试流量的分析间可变性会削弱层级截留值的“精细度”。
- 测试流量的分析间可变性会降低测量重复性和再现性。
重点是什么？想要实现可靠的APSD测量，就必须将空气流量精确控制在已知值。
选择测试流量
然而，测试流量的重要性不仅仅体现在多级撞击器性能方面。正如早期博客中讨论的那样，空气流量还会影响OIP性能。这就解释了多级撞击器测量的测试流量为何会因OIP类型而异。这种差异归因于每一类OIP的作用方式，药典中对此有明确规定：
- 针对定量吸入剂 (MDI) 的测量流量为28.3或30 L/min，取决于撞击器选择。
- 针对雾化吸入剂的测量流量为15 L/min。
- 针对干粉吸入剂 (DPI) 的测量流量与其装置上产生的4 kPa压降相关，最高可达100 L/min。
大多数DPI的被动性质使其极易受到测试流量可变性的影响，因此对流量稳定性的要求更高。这就需要装置在测试过程中达到“临界流量”条件。
如果阀门下游压力低于上游压力的50%左右，就会出现临界流量。此时，通过阀门的气流达到声速，产生阻塞效应；超过此值后，进一步降低下游压力就没有影响了。因此，在临界流量条件下，流量开始与上游压力相关 (而非阀门上的压降)。这是保证流量稳定性的绝佳条件，因为它消除了下游压力这一可变性来源。
控制流量
《美国药典》和《欧洲药典》规定，测试流量与OIP测试目标流量的偏差范围不应超过+/-5%。这是一个“综合”精度，包括设置、确定和控制流量时产生的所有误差，而非仅仅是流量计精度。
一系列不同的流量控制辅助设备可帮助分析人员通过不同的测试装置满足这一要求。例如，对于DPI，使用临界流量控制器可满足维持临界流量条件的需要。这一重要辅助设备可确保维持所需压降，进而保持良好的流量稳定性。
流量计是各类OIP的必要设备，包括层流/差压元件、质量流量计和转子流量计，均可在市场上买到。由于这些设备的工作原理各不相同，大多数实验室倾向于使用单一品种的设备，但每种设备都能很好地工作。
尽管如此，成功使用流量计进行APSD测量需要注意某些特定问题，例如：
- 根据药典规定，校准流量计出口以及撞击器入口处的空气流量。通常做法是更倾向于校准入口流量，但USP <601>提供了一个校正方程，供您需要时使用。
- 温度和大气压力变化（相对于校准条件）会导致流量计读数不准。对此进行数学校正也至关重要。
- 如果使用质量流量计，需要将测量值转换为体积流量。技术更先进的流量计可以自动完成转换，这很有帮助。
- 连接管道尺寸应在系统的允许范围内，孔径越大越好，以便减少压降。
- 泄漏问题会导致流量测量值与通过撞击器的实际流量之间产生误差。以NGI为例，建议在2.5 kPa真空条件下，压力上升率小于100 Pa/s。这相当于在最低校准流量下，泄漏率小于撞击器总流量的0.5%。
总结
在APSD测量中，空气流量可能会影响多级撞击器性能或OIP性能，或者同时影响两者。因此，它是一个重要可变性来源，必须加以精确控制。
理想的辅助设备、例行校准和良好的操作规范是稳定保持目标流量的关键。而且药典方法中明确了目标流量。能够输入实际测试流量的软件可将任何允许偏差考虑到APSD计算中，进一步提高数据准确性。
除了药典方法外，“拟真APSD测试系统”要求使用与患者更相关的流量曲线，这一做法正变得日益普遍。这给流量控制带来了新挑战，但对于有此类需求的群体而言，已经有了解决方案。如果您对这一领域感兴趣，敬请阅读日后的博客。另一方面，您可在此处找到更多有关流量控制的基础知识。
