采用極譜法（FATT法）測量隱形眼鏡的透氧係數（DK值）

前言：Irving Fatt博士簡介

歐文-法特 Irving Fatt (1920-1996)，生理光學教授，伯克利視光學名人堂創始人。

1946年，歐文-法特Irving Fatt博士就讀於(yu) 加州大學洛杉磯分校，1947年獲得化學學士學位，1948年獲得碩士學位。在接下來的九年裏，他在加州標準石油公司（Standard Oil）擔任高級研究化學家，同時還在南加州大學（University of Southern California）兼職學習(xi) ，1955年獲得了化學博士學位。

法特博士於(yu) 1957年加入加州大學伯克利分校工程學院，教授石油工程。七年後，他為(wei) 本科生和研究生設立了生物工程項目，並開始研究和教學血液流動問題。1964年，他與(yu) 伯克利視光學院的理查德·希爾博士開始了角膜生理學的突破性研究。他們(men) 是第一批將人類角膜透氧量進行量化的研究人員。法特博士在理解多孔介質中的流動和血液中的氧氣輸送方麵做出了重要貢獻，他隨後將其原理應用到涉及角膜供氧的研究中。

希爾和法特的工作是伯克利大學幾十年來開創性的角膜和隱形眼鏡研究的起源。法特的專(zhuan) 業(ye) 知識對於(yu) 人類ShouCi角膜脫落研究至關(guan) 重要。在生理光學方麵，可能最著名的是他設計的氧傳(chuan) 感器(1976)，ShouCi被用於(yu) 測量隱形眼鏡的氧滲透性。在研製軟性隱形眼鏡時，法特博士設計了一種可以測量隱形眼鏡材料透氧性能的設備。這種設備現在是行業(ye) 的標準。

法特博士曾任工程科學教授、生理光學教授，教授視光學專(zhuan) 業(ye) 學生眼睛營養(yang) 生理學。所有認識他的人都認為(wei) 他充滿了求知欲和對學生的奉獻精神。法特博士在1978年2月被任命為(wei) 加州大學伯克利分校視光學學院代理院長之前，曾在加州大學伯克利分校工程學院（UC Berkeley College of Engineering）擔任助理院長5年，在伯克利大學視光學學院（Berkeley Optometry）擔任副院長4年。

歐文-法特共發表技術論文200餘(yu) 篇，擁有多項ZhuanLi，獲得無數獎項和獎章。其中包括Max Schapero的首屆紀念演講(1973年)；Pi Tau SigmaZhuoYue教學獎(1973年)；美國驗光學會(hui) 角膜和隱形眼鏡組創始人獎(1984年)和來自該學會(hui) 的終身榮譽獎學金(1993年)；因其在材料透氧係數（Dk）和鏡片透氧量（Dk/t）概念上的開創性研究而入選美國國家視光名人堂(2003年)。他是生物工程學會(hui) 、美國驗光學會(hui) 和美國公民自由聯盟的成員。

歐文-法特博士的使用極譜法測定隱形眼鏡材料透氧性能的方法催生了最初的ISO 9913.1和ISO 9339.2標準，在這兩(liang) 個(ge) 標準的基礎上，後來誕生了一些新的標準，包括ISO18369，Z80.20及我國的GB11417等。

國際上常常把極譜法測量隱形眼鏡的方法也叫做FATT法。

極譜法透氧測試技術

為(wei) 了將法特博士的測試方法產(chan) 品化，CREATECH公司與(yu) Fatt博士密切合作共同設計了201T透氧測試儀(yi) 及配套的極譜電極，同時，REHDER公司則負責設計和研發了配套的電子測厚儀(yi) 和透氧儀(yi) 通訊軟件。該套設備目前已被世界各地的主要隱形眼鏡生產(chan) 和研究機構廣泛使用。2013年，兩(liang) 家運營了三十多年的公司正式合並為(wei) 一家公司CREATECH REHDER DEVELOPMENT COMPANY （簡稱RDC），繼續提供整套極譜法透氧測試裝置。

鏡片透氧性能（Dk/t）的數據取自透氧測試儀(yi) 和極譜電極。鏡片中心厚度（t）的測量必須足夠精確，以確定材料的透氧係數（Dk）。厚度則采用低測力電子測厚儀(yi) 測量。

法特博士和其他人在隱形眼鏡行業(ye) 的技術期刊上發表了許多文章，描述了所使用的技術。（見參考文獻）

極譜法測量樣品的透氧量（Dk/t）)是通過檢測產(chan) 生於(yu) 極譜電極的兩(liang) 種不同金屬（金和銀）之間並流經電解液（鹽溶液）的少量電流。所產(chan) 生的電流量與(yu) 樣品表麵和電極之間可用的氧含量成正比。

溫度、濕度、含鹽量等因素在整個(ge) 測量係統中都是至關(guan) 重要的。在記錄數據之前，所有這些因素必須是穩定的。溫度變化或其他變量都將導致數據變化。極譜電極、被測樣品和電極裝配夾具必須安放在一個(ge) 相對密閉的環境模擬艙中，以使溫度和濕度在測量前保持穩定。

被測樣品的安裝放置也很重要。為(wei) 了采集到可靠的數據，通常需要一些練習(xi) 來掌握正確的安裝技術。放置樣品必須以極譜電極為(wei) 中心。在裝配架上操作時，樣品下方不能有任何褶皺、縫隙或氣泡。操作人員每次必須以WanQuan相同的方式安裝鏡片以獲得更好的重複性。

安裝好被測樣品並開始測試後，需要一段時間來消耗剩餘(yu) 的氧。這個(ge) 過程可能需要45分鍾或更長時間。要求操作人員通過觀察顯示屏上的電流讀數來確定測試何時完成是不現實的，因為(wei) 重要的是數據的變化率。如果透氧測試儀(yi) 配備有RS-232計算機接口，產(chan) 生的數據可以直接被繪製在軟件界麵上。如果透氧測試儀(yi) 沒有配備RS-232計算機接口，則需要一個(ge) 圖表記錄器來監控數據。當剩餘(yu) 的氧被消耗完後，電流讀數將達到一個(ge) 穩定的狀態，此時的數據即對應於(yu) 流經樣品的氧氣量。最後的電流讀數被記錄下來，並進行計算，然後將電子數據換算為(wei) 被測樣品的透氧量（Dk/t）。被測試樣的厚度（t）可使用ET-3電子測厚儀(yi) 測量，以便計算材料的透氧係數（Dk）。

上述描述隻是對整個(ge) 測量係統及其預期功能的一個(ge) 非常基本的解釋。有關(guan) 具體(ti) 的測量方法、計算公式、技術及相關(guan) 事項的詳細信息，請參閱相關(guan) 標準如ISO18369-4:2017，GB/T 11417等，以及Irving Fatt博士等人撰寫(xie) 的文章。

水凝膠鏡片的測量

水凝膠材料內(nei) 包含有以鹽溶液形式存在的水，因此不需要在樣品和陰極之間添加任何材料。

水凝膠樣品可以直接放在金陰極上。雖然大多數水凝膠樣品都已經被做成了隱形眼鏡的樣子，但是如果條件允許，最好還是將隱形眼鏡壓在平電極上。此時，可將鏡片凹麵朝上置於(yu) 陰極上，然後將電極裝配套筒較小的那一端壓住鏡片。電極裝配套筒的端麵緊緊包裹了一塊尼龍網布，以使鏡片固定在適當的位置而不會(hui) 限製氧的滲透。尼龍網布可以是從(cong) 常見的女士尼龍襪上裁下來的。

水凝膠鏡片也可以放置在球麵電極上，凹麵朝下，然後用尼龍網布壓住。因為(wei) 尼龍網布的張力，這個(ge) 過程需要特別當心，不能使用太大的力。對於(yu) 平電極上的鏡片，受力隻在邊緣上。而對於(yu) 球形電極，尼龍網會(hui) 在鏡片頂端施加額外的力導致測量誤差。

RGP鏡片和平麵樣品的測量

如果將RGP材料車削成平麵的小圓片，就可以在平電極上直接測量透氧量。但如果RGP材料的樣品是以弧形鏡片的形式存在，則必須用曲率半徑與(yu) 鏡片基弧大致相同的球形電極進行測量。當兩(liang) 者的曲率半徑互差大於(yu) 0.1 mm時，RGP透鏡可能會(hui) 發生裂紋，尤其是當鏡片較薄時。

所有的RGP樣品，無論是平板片還是弧形鏡片，在樣品和電極之間都需要放置一張濕濾紙。可將一張約1.5cm見方的濾紙放在極譜電極上，將幾滴新鮮的生理鹽水滴在紙的中心，然後把被測樣品放在濕紙上。之後需要用放大鏡檢查被測樣品與(yu) 極譜電極的匹配程度，以確保樣品下麵沒有任何氣泡。

使用參考鏡片來修正最終的測量結果

由於(yu) 透氧測試結果很難溯源，使用必要的“標準器"來使世界各地實驗室的結果保持一致是非常有必要的。美國的Dr. William J. Benjamin主導了這項工作並提供了相應的參考鏡片（參見ISO18369-4:2017 4.4.4）。

每個(ge) 參考鏡片的初始Dk/t至少測量四次，由此計算得到每個(ge) 鏡片的算術平均值結果。

必要時應對邊緣和邊界層效應進行修正。

t/Dk對t曲線應近似為(wei) 線性關(guan) 係。至少需要兩(liang) 種不同的參考鏡片，其測量修正後的Dk值與(yu) 參考材料的名義(yi) 值之間的關(guan) 係可構建最終的標準回歸曲線。應使用所選的每一種參考材料的至少四個(ge) 鏡片（通常是六個(ge) 不同厚度的鏡片）進行歸一化。參考鏡片的設計應符合ISO18369-4:2017 4.4.2.2中的詳細說明。選用的不同參考鏡片的標稱值之間應有一定間隔，以確保在適當的測量範圍內(nei) 的測量精度。

材料的參考Dk為(wei) ±5%。用極譜法、庫侖(lun) 法或其他方法對歸一化、校正的Dk值和Dk/t值的重現性應在10%以內(nei) 。

朗善光學可以提供這些由Dr. William J. Benjamin采集並論證的鏡片作為(wei) 極譜法和庫侖(lun) 法的參考樣品。

使用極譜法測量透氧係數Dk需要下列設備

201T透氧測試儀(yi)

透氧測試儀(yi) 可為(wei) 極譜電極提供激勵電壓並讀取極化電流。透氧測試儀(yi) 還能顯示內(nei) 置了固態溫度傳(chuan) 感器的極譜電極的溫度。訂購透氧測試儀(yi) 的時候也可以選配RS-232計算機接口和基於(yu) Windows操作係統的數據采集軟件。有了這個(ge) 軟件，就沒有必要時刻關(guan) 注透氧儀(yi) 液晶屏上的讀數或使用圖表記錄器來檢測氧氣的消耗過程了。該軟件內(nei) 置的圖表功能可以取代圖表記錄器。當耗氧量達到一個(ge) 穩定狀態後，就能自動讀取電流和溫度數據。

透氧儀(yi) 測試套件

測試套件可用於(yu) 驗證透氧測試儀(yi) 的校準和工作狀態，三個(ge) 一組。

RDC極譜電極

有兩(liang) 種不同的極譜電極可供選擇：平麵電極或球麵電極。

平電極通常用於(yu) 測試硬性材料或軟性透鏡的平麵樣品。球電極通常用於(yu) 測試硬性隱形眼鏡或軟性隱形眼鏡。客戶必須在訂購的時候確定球電極的曲率半徑。如果將球電極應用於(yu) 硬性材料，則球電極的曲率半徑應與(yu) 試樣的內(nei) 表麵曲率半徑相適應，並內(nei) 襯鹽水飽和濾紙。

電極裝配夾具

電極裝配夾具用於(yu) 將被測樣品壓在電極表麵，操作者需要將尼龍網布固定在電極裝配套筒相應的頂端。電極裝配套筒的一端用於(yu) 平電極，另一端用於(yu) 球電極。

電極裝配夾具適用於(yu) 所有原配的電極。

201T透氧測試儀(yi) 可以同時連接和測量兩(liang) 個(ge) 電極。每個(ge) 電極都需要使用各自的裝配夾具。

桌麵式恒溫恒濕櫃（Dk-150/200）

恒溫恒濕櫃可為(wei) 極譜透氧測試提供恒定的溫度和濕度。通常，穩定的35℃溫度和100%的相對濕度是最合適的。

桌麵式恒溫恒濕櫃結構小巧，內(nei) 置多路溫度控製節點和循環風道。可以直接放置在桌麵上使用，內(nei) 部最多可同時放置兩(liang) 套電極裝配夾具。

ET-3低測力測厚儀(yi)

ET-3測厚儀(yi) 的讀數分辨率為(wei) 1微米（0.001mm），覆蓋了超過1000微米的測量範圍，內(nei) 置探針平衡機構可以確保接觸鏡片的時候具有恒定的測力。極低而又穩定的測力能夠減少鏡片表麵殘留水份對厚度的影響。

ET-3可以選配RS-232計算機接口和軟件。該軟件可以直接通過計算機收集厚度數據。數據可以導出到數據庫或電子表格中進行進一步的處理。

ET-3分為(wei) 電動版本和手動版本，建議使用電動版本，有助於(yu) 消除不同操作者帶來的誤差。

ET-3標配為(wei) 弧形測座，但也可以選配球形支座，這個(ge) 特製的支座可以旋轉一定角度以測量鏡片某一個(ge) 剖麵上的不同區域以獲得調和厚度（對於(yu) 中心和邊緣厚度不一致的樣品來說特別有用）。

標準弧形測座和球形支座

ET-3也可以選配一整套的校準裝置。這套校準裝置由四個(ge) 不同尺寸的高精密量塊組成，可以校驗和校準ET-3的零位至1000微米的測量範圍。該校準裝置還包括一個(ge) 精密測力計，用於(yu) 驗證和調整傳(chuan) 感器施加到鏡片上的力。

使用極譜法測量隱形眼鏡透氧率Dk所需的最少設備配置：

l  201T透氧測試儀(yi) 一台

l  極譜電極一個(ge)

l  電極裝配夾具一個(ge)

l  ET-3電動測厚儀(yi) 一台

完成測試所需的附加設備：

l  如果采購的透氧測試儀(yi) 或電動測厚儀(yi) 增配了電腦通訊接口，一台安裝有Windows操作係統並且帶有串口設備的電腦是必須的。如果同時使用多台儀(yi) 器，每台儀(yi) 器都需要單獨的電腦。

l  如果采購的透氧儀(yi) 沒有配備腦通訊接口，您需要自備圖表記錄器。

l  需要一台能夠容納電極裝配夾具（安裝有極譜電極和測試樣品）的溫濕度控製裝置，如DK-150/200桌麵式恒溫恒濕櫃。

l  如果需要使用多個(ge) 電極一起測試，每個(ge) 電極都應該配備有一個(ge) 裝配夾具。

l  透氧儀(yi) 得到的是微弱的電流值，不是最終的透氧測試結果，如果您不會(hui) 計算，可以使用一個(ge) 內(nei) 置操作係統和計算軟件的盒子，幫助完成計算。

l  必要的輔料，如鹽溶液，濾紙，尼龍網布，鋁箔，拋光劑等

推薦的設備和選配件：