新型低溫等離子體消毒機空氣消毒效果的試驗研究

馬彩琴，許桂敏，王香妮，崔怡馨，劉 娜，石興民，張冠軍

（1.西安交通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，陜西西安 710061；2.長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西西安 710061；3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安 710049）

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）已成為世界范圍內(nèi)的重大疫情。研究表明，新型冠狀病毒的主要傳播途徑包括呼吸道飛沫傳播，并且也存在氣溶膠傳播的風(fēng)險[1]，這使得空氣成為該疾病的重要傳播媒介，從而造成公共聚集場所通過空氣傳播的潛在危險。為此，采取適當(dāng)?shù)南炯夹g(shù)，阻止新型冠狀病毒等病原體通過空氣傳播，這對于控制疫情發(fā)展、保護人民生命健康、恢復(fù)國家經(jīng)濟正常運行具有重要意義。

據(jù)報道，在新型冠狀病毒肺炎疫情期間，人們對空氣消毒機的需求急劇攀升，市場上各種空氣消毒機不斷涌現(xiàn)，品種繁多。目前常見的空氣消毒機主要有循環(huán)風(fēng)紫外線空氣消毒器[2]、靜電吸附式空氣消毒器[3]、高電壓空氣消毒器、臭氧空氣消毒機等多種類型[4]。它們均具有殺菌效果可靠的特點，但由于存在消毒時間長、研制成本高、有毒性殘留，并且對人體健康有潛在不良影響等多種不足及應(yīng)用環(huán)境限制，因此，均不是當(dāng)前最為理想的空氣消毒方法。本研究裝置是由本課題組在前期針對等離子體滅菌研究的基礎(chǔ)上，以電暈為放電方式的低溫等離子體空氣消毒機，為研究其對空氣中微生物的滅活效果，對該裝置進行了小空間內(nèi)自然環(huán)境和人工染菌環(huán)境中微生物的滅活試驗研究。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器與器材Tisch安德森六級篩孔空氣碰撞式采樣器（TE-10-800，北京賽克瑪環(huán)保儀器有限公司）、微生物氣溶膠發(fā)生器（TK-3，常州康華儀器制造廠）、隔水式恒溫培養(yǎng)箱（GH-420ASB，北京科偉永興儀器有限公司）、超凈工作臺（SW-CJ-2F，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司）、紫外線殺菌燈（GD-820，冠迪電器實業(yè)有限公司）、90 mm培養(yǎng)皿(蘇祿醫(yī)療器械有限公司)、1.05 m3密閉有機玻璃腔體(自行設(shè)計加工)、臭氧分析儀(Model 202.2B Technologies,Inc)。

1.2 試驗菌種金黃色葡萄球菌ATCC6538與大腸桿菌8099均為本實驗室保存菌種。

1.3 主要試劑普通營養(yǎng)肉湯：蛋白胨10 g，牛肉膏3 g，氯化鈉5 g，蒸餾水1 000 mL，PH7.4。普通營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基：蛋白胨10 g，牛肉膏3 g，氯化鈉5 g，瓊脂粉17 g，蒸餾水1 000 mL，PH 7.4。按照配方將配制好的培養(yǎng)基121℃高壓滅菌20 min，然后將固體培養(yǎng)基在超凈工作臺中均勻倒入直徑為90 mm的培養(yǎng)皿中，冷卻固定，將液體及固體培養(yǎng)基倒置放于4℃冰箱中待用。

1.4 空氣消毒機該實驗采用的空氣消毒機設(shè)備，整機尺寸：長×寬×高為25 cm×25 cm×10 cm，質(zhì)量為3.5 kg，其結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖分別見圖1、圖2。該設(shè)備主要由調(diào)壓模塊、高壓脈沖電源模塊、空氣進出風(fēng)口及低溫等離子體放電電極等部分組成。工作原理：調(diào)節(jié)調(diào)壓模塊的輸出電壓（220 V交流電壓輸入，輸出0~24 V直流電壓可調(diào)），進而改變高壓脈沖電源模塊的輸出電壓（即施加在等離子體放電電極上的激勵電壓），驅(qū)動電暈放電，產(chǎn)生低溫等離子體，對空氣中的細(xì)菌進行消殺滅活。

圖1低溫等離子體空氣消毒機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the low-temperature plasma air disinfector

圖2低溫等離子體空氣消毒機實物圖Fig.2 Physical pictures of the low-temperature plasma air disinfector

1.5 自然環(huán)境中微生物的殺滅試驗根據(jù)《消毒技術(shù)規(guī)范》的要求[5]，分別選擇超凈工作臺（0.5 m3）和密閉有機玻璃腔體（1.05 m3）進行消毒效果的觀察。檢測了等離子體空氣消毒裝置在不同工作參數(shù)下（循環(huán)風(fēng)量約40 m3/h，電壓為11、12、13 kV，消毒時間為5、10、20 min）對自然菌的消毒效果。消毒前和消毒后，均用Tisch安德森六級撞擊式空氣采樣器進行采樣，氣體流量為28.3 L/min，。采樣時間為消毒前5 min，消毒后10 min。待作用時間結(jié)束將采樣平板直接放入37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，觀察結(jié)果，計數(shù)生長菌落數(shù)。同一條件試驗重復(fù)3次，每次均分別計算其殺滅率，3次結(jié)果的殺滅率均≥90%時，可判為消毒合格。殺滅率與消毒前后空氣中含菌量的計算方法如下：

1.6 人工染菌環(huán)境中微生物的殺滅試驗取試驗菌種純培養(yǎng)物，接種于普通營養(yǎng)肉湯中，37℃條件下,以220 r/min震蕩培養(yǎng)15 h備用。記錄密閉有機腔體（1.05 m3）的濕溫度值，然后將使用的器材一次放入腔體內(nèi)，關(guān)閉門。此后，操作和儀器設(shè)備的操縱均在腔體外通過帶有密封袖套的窗口或搖控器進行，直至試驗結(jié)束。每次試驗結(jié)束后需對柜內(nèi)微環(huán)境和柜外環(huán)境進行紫外消毒處理。根據(jù)《消毒技術(shù)規(guī)范》的要求，在體積為1.05 m3的密閉腔體內(nèi)，用微生物氣溶膠噴霧器噴灑金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，在噴菌時需按規(guī)定的氣體流量及噴霧時間噴霧染菌，邊噴霧染菌，邊用風(fēng)扇攪拌。噴霧染菌完畢，繼續(xù)攪拌5 min，而后靜置5 min。試驗組：在靜置5 min后，檢測等離子體空氣消毒裝置在不同工作參數(shù)下（循環(huán)風(fēng)量約40 m3/h，電壓為13 kV，消毒時間為0、10、20、30 min）對2種細(xì)菌的消毒效果。消毒前和消毒后，用安德森六級撞擊式空氣采樣器進行采樣，氣體流量為28.3L/min。對照組：在靜置5 min后，分別在0、10、20、30 min用安德森六級撞擊式空氣采樣器進行采樣，氣體流量為28.3 L/min。待作用時間結(jié)束將采樣平板直接放入37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，觀察結(jié)果，計數(shù)生長菌落數(shù)。同一條件試驗重復(fù)3次，每次分別計算其殺滅率，3次結(jié)果的殺滅率均≥99.90%時，可判為消毒合格。殺滅率的計算方法見公式（1）和（2），消毒前后空氣中含菌量的計算方法見公式（3）。

Nt：空氣中細(xì)菌的自然 消 亡 率；V0與Vt：分 別 為對照組試驗開始前和試驗過程中不同時間的空氣含菌量；Kt：消毒處理對空氣中細(xì)菌的殺滅率；V0'與Vt'：分別為試驗組消毒處理前和消毒過程中不同時間的空氣含菌量。

1.7 統(tǒng)計學(xué)處理采用SPSS 23.0統(tǒng)計軟件對實驗結(jié)果進行分析，結(jié)果用“均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，自然菌滅活實驗組間統(tǒng)計學(xué)差異采用兩因素析因設(shè)計的方差分析進行比較，人工菌組間統(tǒng)計學(xué)差異采用單因素方差分析進行比較，若組間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，再分別選擇LSD和Dunnett法分析組間兩兩之間的差異性。P＜0.05為有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 等離子體空氣消毒機對0.5 m3空間自然菌的滅活效果在室內(nèi)溫度為24.2~26.4℃，相對濕度為55.8%~65.3% RH的條件下，用低溫等離子體空氣消毒機對0.5 m3空間內(nèi)自然菌進行滅活研究，結(jié)果顯示，不同處理電壓和不同處理時間等離子體對自然菌的殺滅率差異有統(tǒng)計學(xué)意義，并且2個處理因素間存在交互效應(yīng)，簡單效應(yīng)分析結(jié)果見圖3。結(jié)合消毒水平，可認(rèn)為有效抗菌水平的最低處理參數(shù)為13 kV電壓下處理5 min或12 kV電壓下處理10 min，在此條件下等離子體對自然菌的殺滅率分別為（91.23±0.79）%、（91.66±1.43）%。

圖3 等離子體空氣消毒機對0.5 m3空間自然菌的滅活效果Fig.3 Inactivation effect of the plasma air disinfector on natural bacteria in 0.5 m3 space

2.2 等離子體空氣消毒機對1.05 m3空間自然菌的滅活效果在室內(nèi)溫度為23.5~26.3℃，相對濕度為52.2%~64.6%RH的條件下，用低溫等離子體空氣消毒機對1.05 m3空間內(nèi)自然菌進行滅活研究，結(jié)果表明，不同處理時間和不同處理電壓下等離子體對自然菌的殺滅率差異有統(tǒng)計學(xué)意義，且2個處理因素間存在交互效應(yīng)，簡單效應(yīng)分析結(jié)果見圖4。結(jié)合消毒水平，可認(rèn)為有效抗菌水平的最低處理參數(shù)為13 kV電壓下處理5 min或12 kV電壓下處理10 min，在此條件下等離子體對自然菌的殺滅率分別為（94.58±0.62）%、（93.48±0.78）%。

圖4 等離子體空氣消毒機對1.05 m3空間自然菌的滅活效果Fig.4 Inactivation effect of the plasma air disinfector on nat?ural bacteria in 1.05 m3 space

2.3 等離子體空氣消毒機滅活自然菌的代表性菌落與對照組培養(yǎng)皿中含有較多菌落相比，隨著等離子體處理時間的延長，菌落數(shù)逐漸減少，20 min時已看不到菌落，滿足消毒規(guī)范要求（≥90%）。該實驗過程中的代表性培養(yǎng)菌落分別見圖5、圖6。

圖5 0.5 m3空間內(nèi)，13 kV電壓下不同處理時間的典型菌落Fig.5 In 0.5 m3 space,typical colony of different treatment time under 13 kV voltage

圖6 1.05 m3空間內(nèi)，13 kV電壓下不同處理時間的典型菌落Fig.6 In 1.05 m3 space,typical colony of different treatment time under 13 kV voltage

2.4 等離子體空氣消毒機對1.05 m3空間人工菌的滅活效果在溫度為22.5~26.3℃，相對濕度為52.4%~65.2% RH的條件下，用低溫等離子體空氣消毒機對1.05 m3空間內(nèi)人工菌進行滅活研究，結(jié)果表明，在13 kV放電電壓下，當(dāng)處理時間為0、10、20、30 min時，等離子體空氣消毒機對大腸桿菌的殺滅率分別為0、（95.32±2.18）%、100%、100%；自然消亡率分別為0、（42.49%±8.35）%、（56.29±1.68）%、（66.16±4.36）%；對金黃色葡萄球菌的殺滅率分別為0、(92.95±1.69)%、(99.98±0.01)%、100%；自然消亡率分別為0、（11.60%±1.70）%、（24.58%±4.04）%、（56.27%±4.11）%。與處理前的殺滅率相比，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.000 1）。結(jié)合平板計數(shù)結(jié)果，認(rèn)為兩種細(xì)菌13 kV電壓下處理20 min均可達到消毒規(guī)范要求（≥99.9%），見圖7。

2.5 等離子體空氣消毒機滅活1.05 m3空間人工菌代表性菌落圖與對照組培養(yǎng)皿中含有較多菌落相比，隨著等離子體處理時間的延長，兩種噴霧染菌的菌落數(shù)均逐漸減少，當(dāng)處理30 min時顯示無菌落，滿足消毒規(guī)范要求（≥99.9%）。該實驗過程中的代表性菌落見圖8、圖9。

圖7低溫等離子體空氣消毒機對人工染菌的滅活效果Fig.7 Inactivation effect of the low-temperature plasma air sterilizer on artificially infected bacteria

3 討 論

低溫等離子體是一種結(jié)合物理、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的新型技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于污水處理、材料改性、消毒滅菌、傷口愈合和腫瘤治療等多個領(lǐng)域。在物理學(xué)上，等離子體被定義為物質(zhì)存在的第四態(tài)，它是一種部分或完全電離的氣體。通常等離子體在強電場作用下產(chǎn)生，等離子體中含有大量的高能帶電粒子和活性粒子，產(chǎn)生等離子體的同時會產(chǎn)生熱輻射和發(fā)射出紫外線[6]。在其復(fù)雜的成分中，紫外線輻射與活性氧和氮物種(RONS)的作用被認(rèn)為是在誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的過程中起主要作用。紫外線可以破壞核酸，而RONS可以氧化核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。這些物理和化學(xué)因子都能對微生物產(chǎn)生有效的破壞作用，因此，等離子體用于消毒時可認(rèn)為是多種物理化學(xué)因子共同作用，是一種“雞尾酒”式的綜合消毒技術(shù)。

低溫等離子體用于殺滅微生物的研究開始于20世紀(jì)60年代，美國人首先發(fā)現(xiàn)，用高頻電場激發(fā)的鹵素氣體產(chǎn)生的等離子體可以殺滅多種細(xì)菌[7]。近年來，國內(nèi)外有關(guān)等離子體對微生物的殺滅作用的研究取得了很大的進展，然而不同方法（等離子體發(fā)生器、電壓、工作氣體、溫度、濕度等因素）產(chǎn)生的低溫等離子體成分不一，同種成分的濃度也可能不一，殺菌效果存在差別。因此，對不同方法產(chǎn)生的低溫等離子體進行滅菌參數(shù)和滅菌動力學(xué)的深入研究很有必要。本研究應(yīng)用的等離子體空氣消毒機，以空氣作為放電氣體，其作用原理是室內(nèi)空氣從進風(fēng)口進入風(fēng)道，通過風(fēng)道后經(jīng)過等離子體消毒模塊陣列，將空氣中的病原體殺滅，最后通過排風(fēng)口排出即為純凈的空氣。試驗表明，該空氣消毒機對自然菌以及人工菌均有明顯的殺滅效果，在13 kV工作電壓下，對2種人工噴灑菌種，處理20 min，殺滅率均可達到99.9%；對于自然菌，處理5 min，即可達到消毒規(guī)范要求的合格標(biāo)準(zhǔn)（≥90%）。相比于目前常用的物理消毒方法(層流凈化、紫外線消毒、光催化、高壓靜電吸附消毒等)、化學(xué)消毒方法(臭氧、二氧化氯、過氧乙酸、過氧化氫、酸性氧化電位水等)及中藥消毒方法(艾葉和蒼術(shù))[8]的消毒效果和應(yīng)用限制，本研究所用裝置的優(yōu)點是制造成本低廉、使用便捷、操作簡單、殺菌效果可靠、快速、低溫、無毒性殘留，可在有人環(huán)境中實現(xiàn)持續(xù)動態(tài)消毒滅菌。

圖8不同處理時間下金黃色葡萄球菌典型菌落Fig.8 Typical colony of Staphylococcus aureus under different treatment time

迄今為止，有關(guān)低溫等離子體殺菌的報道已有很多，但由于等離子體成分和生物響應(yīng)的復(fù)雜性，其對微生物的殺菌機制至今尚未有統(tǒng)一定論，根據(jù)大多數(shù)學(xué)者的研究報道，其殺菌機制主要包括細(xì)胞產(chǎn)生的生物學(xué)響應(yīng)和低溫等離子體產(chǎn)生的物理作用[9]，低溫等離子體作用于細(xì)菌時，細(xì)胞的不同組分如細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞器、核酸等會作出不同的生物學(xué)響應(yīng)，其中細(xì)胞膜受損學(xué)說、生物大分子損傷學(xué)說和細(xì)胞亞致死學(xué)說是目前普遍解釋的生物學(xué)方面的機制。物理學(xué)機制主要是由等離子體產(chǎn)生的活性基團、帶電粒子與電場、紫外線對微生物細(xì)胞膜和生物大分子的損傷作用，最終達到滅活微生物的效果。也有很多學(xué)者經(jīng)臨床實踐研究表明，等離子體殺滅細(xì)菌的作用機制可能是由于以上多種原因共同作用。總之，等離子體殺菌的效果與放電參數(shù)、氣體種類和微生物種類等因素相關(guān)。一般認(rèn)為放電參數(shù)越高，產(chǎn)生的等離子體中活性物質(zhì)的劑量越大，殺滅微生物的效果也越好。本研究團隊早期一直致力于研究等離子體對細(xì)菌的殺滅作用及機制研究，大量的試驗數(shù)據(jù)表明，帶電粒子和ROS在滅活細(xì)菌的過程中起主要作用[10-11]。

本研究所用等離子體消毒機以空氣作為微生物傳播媒介進行滅活效果的研究，以便更清晰地了解空氣放電等離子體的滅菌過程，從而實現(xiàn)利用最廉價的空氣作為等離子體放電氣體奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

低溫等離子體空氣消毒機對小空間內(nèi)自然環(huán)境中和人工染菌環(huán)境中的微生物均有明顯的滅活效果，達到了《消毒技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的消毒標(biāo)準(zhǔn),并且該消毒機工作/小時散發(fā)的臭氧平均濃度較低(74.2 μg/m3)，符合國標(biāo)GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于臭氧1 h平均濃度的限值(160 μg/m3)，可滿足人類健康安全的需求。