非熱等離子體滅菌領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)分析

馮 穎

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160）

近年來，隨著生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，采用光學(xué)、高分子聚合物及生物降解等先進(jìn)材料的醫(yī)療檢測(cè)及診斷設(shè)備不斷出現(xiàn)。這些材料對(duì)于消毒條件具有嚴(yán)格的要求，高溫條件可能導(dǎo)致材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，甚至發(fā)生化學(xué)分解或變性，而常見的化學(xué)消毒劑本身具有毒性，且容易在材料表面殘留而造成二次污染。因此，采用這些材料的醫(yī)學(xué)設(shè)備，既不能使用傳統(tǒng)的輻照或高溫高壓等物理消毒方法，也不能簡單地使用化學(xué)消毒劑進(jìn)行化學(xué)消毒。非熱等離子體滅菌技術(shù)由于其低溫、高效、無毒性殘留等特點(diǎn)，特別適用于熱敏感的材料和醫(yī)療器械，在環(huán)境治理、食品包裝和空氣凈化等領(lǐng)域也顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。

等離子體是指高度電離的氣體云。氣體分子在受到外界高溫、強(qiáng)電磁場、輻射等作用時(shí)不斷電離，形成包含有電子、正負(fù)離子、基態(tài)和激發(fā)態(tài)的分子和原子、活性自由基以及紫外線、γ射線、β粒子的氣體云，是物質(zhì)存在第四態(tài)。依據(jù)等離子體中帶電粒子溫度的相對(duì)高低可將其分為熱（平衡）等離子體（Thermal plasma）和非熱（平衡）等離子體（Non-thermal plasma）兩大類[1]。非熱等離子體的電子溫度極高，可達(dá)幾千至上萬攝氏度，但離子和中性粒子的溫度接近室溫，所以整個(gè)體系在宏觀上表現(xiàn)為常溫，因此又稱為低溫等離子體（Low temperature plasma）。等離子體中的活性粒子在常溫下即具有極高的化學(xué)活性，通常認(rèn)為等離子體的滅菌作用是多因素綜合作用的結(jié)果：等離子體中的活性自由基極易與微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)使其變性，氣體放電過程中伴隨產(chǎn)生的紫外射線有80%以上在殺菌作用較強(qiáng)的波長范圍內(nèi)，其中的高能紫外光子能夠破壞微生物的核酸結(jié)構(gòu)致其死亡，同時(shí)高速粒子的擊穿效應(yīng)破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，加速內(nèi)容物流出[2]。非熱等離子體能夠在常壓下通過氣體放電的方式產(chǎn)生，在技術(shù)上容易控制和實(shí)現(xiàn)，適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，同時(shí)可以采用惰性氣體產(chǎn)生等離子體，使用后無毒性物質(zhì)殘留，不會(huì)對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生危害。因此，非熱等離子體滅菌技術(shù)克服了現(xiàn)行消毒方法中的不足，是新一代綠色滅菌技術(shù)的發(fā)展方向。

本文基于IncoPat數(shù)據(jù)庫對(duì)非熱等離子體滅菌技術(shù)的相關(guān)專利申請(qǐng)進(jìn)行檢索，檢索日期截止至2021年04月15日。通過對(duì)分類號(hào)和關(guān)鍵詞的組合檢索與篩選去重，得到了涉及非熱等離子體滅菌的全球?qū)＠暾?qǐng)545件，其中國內(nèi)申請(qǐng)324件，國外申請(qǐng)221件。通過對(duì)獲得的專利數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度的歸納分析，概述了非熱等離子體滅菌領(lǐng)域的專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，分析對(duì)比了國內(nèi)外申請(qǐng)人在專利技術(shù)布局上存在的差異，梳理了非熱等離子體滅菌技術(shù)的應(yīng)用方向與關(guān)鍵技術(shù)，并基于此為我國相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)與專利保護(hù)提出幾點(diǎn)建議。

1.全球范圍內(nèi)非熱等離子體滅菌技術(shù)專利申請(qǐng)情況

1.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

1978年，美國的研究人員首次針對(duì)低溫等離子體用于物體表面的消毒方法提出專利申請(qǐng)，此后針對(duì)低溫等離子滅菌技術(shù)在醫(yī)療器械、氣體除臭、食品和餐具的高效快速消毒等領(lǐng)域的研究廣泛興起。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2000年之前屬于非熱等離子體滅菌技術(shù)的萌芽期，相關(guān)專利技術(shù)僅集中于個(gè)別申請(qǐng)人手中，申請(qǐng)總量增長緩慢。2001-2008年進(jìn)入技術(shù)發(fā)展期，這一階段的專利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)跳躍式增長，針對(duì)非熱等離子體滅菌過程的機(jī)理研究更加深入，同時(shí)越來越多的研究人員將催化劑、吸附劑等組分結(jié)合到非熱等離子體發(fā)生器中，提高滅菌效果。自2009以來，非熱等離子體滅菌專利技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期，隨著非熱等離子體滅菌設(shè)備研制及相關(guān)研究成果轉(zhuǎn)化，專利申請(qǐng)量大幅提升，特別是在2009年、2013年、2015年和2019年的年申請(qǐng)量不斷出現(xiàn)突破性增長，這與全球范圍內(nèi)先后爆發(fā)的SARS病毒、甲型H1N1流感病毒、MERS病毒和新型冠狀病毒疫情的現(xiàn)實(shí)需要密切相關(guān)，期間雖出現(xiàn)短暫回落，但整體申請(qǐng)趨勢(shì)向好，說明非熱等離子滅菌技術(shù)已經(jīng)逐漸具備了成熟的工業(yè)化應(yīng)用條件。

1.2 專利申請(qǐng)的全球布局

通過對(duì)非熱等離子體滅菌技術(shù)專利技術(shù)來源/目標(biāo)國分布進(jìn)行分析可知，中國已經(jīng)成為非熱等離子體滅菌技術(shù)首要的技術(shù)來源主體和輸出主體，創(chuàng)新實(shí)力和專利保護(hù)意識(shí)顯著增強(qiáng)。同時(shí)，美國、日本、韓國也是該領(lǐng)域的主要技術(shù)來源國和技術(shù)目標(biāo)國，中美日韓四國的專利貢獻(xiàn)量已占據(jù)全球?qū)＠暾?qǐng)量的80%以上，掌握并引領(lǐng)著該領(lǐng)域內(nèi)重點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展方向。針對(duì)主要技術(shù)來源國在不同國家或地區(qū)的專利公開趨勢(shì)進(jìn)行分析，可以得到不同國家的專利布局情況。中國、韓國和日本作為亞洲最具代表的技術(shù)來源地區(qū)，其技術(shù)布局主要局限于本國范圍內(nèi)，而對(duì)于全球范圍內(nèi)的市場延伸和拓展則略顯不足。相比之下，以美國、德國、英國為代表的歐美國家，由于其成熟的專利保護(hù)制度、優(yōu)秀的技術(shù)轉(zhuǎn)化與輸出能力以及地理位置的便利性，在專利整體布局上顯示出更強(qiáng)的戰(zhàn)略性，這也從側(cè)面反映出市場對(duì)其技術(shù)成熟度的認(rèn)可。

1.3 全球重要申請(qǐng)人

從全球主要專利申請(qǐng)人的申請(qǐng)數(shù)量排名來看，非熱等離子體滅菌技術(shù)領(lǐng)域的申請(qǐng)人主要以技術(shù)研發(fā)企業(yè)為主，前十名申請(qǐng)人的申請(qǐng)量差距較小，領(lǐng)域內(nèi)存在著激烈競爭，因此尚未出現(xiàn)個(gè)別申請(qǐng)人擁有絕對(duì)技術(shù)壟斷的局面，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。國外的專利申請(qǐng)人主要以日本和美國的工業(yè)企業(yè)為主。這些企業(yè)大多擁有雄厚的科研實(shí)力和長期的技術(shù)積累，同時(shí)注重技術(shù)的工業(yè)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。日本大金株式會(huì)社是全球知名的空調(diào)制造及研發(fā)企業(yè)，主要圍繞非熱等離子體技術(shù)在氣體凈化領(lǐng)域的應(yīng)用展開基礎(chǔ)研究，2002-2005年先后提出錳基催化劑和貴金屬基催化劑用于提高低溫等離子體與空氣污染物的化學(xué)反應(yīng)活性，并針對(duì)等離子體反應(yīng)器中的電極分布方式對(duì)氣體凈化效率的優(yōu)化展開研究，為非熱等離子體的高效滅菌提供了新的思路。

國內(nèi)早期的申請(qǐng)人主要以個(gè)人和科研機(jī)構(gòu)為主，隨著技術(shù)發(fā)展的成熟化，醫(yī)療環(huán)保等領(lǐng)域的科技企業(yè)作為申請(qǐng)人的占比逐漸擴(kuò)大，這與國內(nèi)研發(fā)實(shí)力的提升以及消費(fèi)者對(duì)于消毒方式的多樣化需求密切相關(guān)。作為國內(nèi)異軍突起的科技創(chuàng)新型民營企業(yè)，牡丹江等離子體物理應(yīng)用科技有限公司以滅菌器為主要經(jīng)營對(duì)象，先后針對(duì)過氧化氫低溫等離子體滅菌裝置提出了13件專利申請(qǐng)，不斷優(yōu)化滅菌器內(nèi)部的組織構(gòu)件和附加結(jié)構(gòu)，有效提高了設(shè)備的滅菌效率和安全性能，專利授權(quán)率達(dá)到84.6%，是國內(nèi)主要的非熱等離子體滅菌器生產(chǎn)經(jīng)營主體之一。老肯醫(yī)療科技股份有限公司圍繞過氧化氫滅菌器產(chǎn)品性能的多樣化展開研究，其中實(shí)用新型專利申請(qǐng)的比重較大，適用于不同滅菌對(duì)象使用的過氧化氫低溫等離子體滅菌器已推廣至市場銷售和使用。

2006年，由西安交通大學(xué)申請(qǐng)并獲得授權(quán)的發(fā)明專利CN1931377A提出，利用低溫等離子體對(duì)吸附劑的解吸和再生作用能夠?qū)崿F(xiàn)空氣污染物的循環(huán)凈化，隨后針對(duì)不同放電條件下的低溫等離子體滅菌效果的研究不斷深入，同時(shí)西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將低溫等離子體滅菌技術(shù)應(yīng)用于微生物滅活和特種醫(yī)療器械的表面消毒，并在消毒裝置制造領(lǐng)域取得了突出成果。常州工學(xué)院則更加側(cè)重滅菌技術(shù)在日常生活領(lǐng)域的應(yīng)用，在其申請(qǐng)的11項(xiàng)相關(guān)專利中涵蓋了點(diǎn)鈔機(jī)、汽車出風(fēng)系統(tǒng)、洗漱用品消毒裝置等技術(shù)主題，通過將非熱等離子體的產(chǎn)生裝置與現(xiàn)有技術(shù)中的已有裝置相結(jié)合，利用非熱等離子體低溫、無毒等特點(diǎn)達(dá)到消毒滅菌的目的。

2.非熱等離子體滅菌技術(shù)專利申請(qǐng)的主要技術(shù)分布

2.1 空氣凈化領(lǐng)域

非熱等離子體滅菌技術(shù)在空氣凈化領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量占比最大。早期研發(fā)的空氣凈化器由于真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴，限制了使用范圍，使得科研人員轉(zhuǎn)向常壓等離子體滅菌器的研究[3]。2000年以后申請(qǐng)的空氣凈化消毒裝置逐漸擺脫單一的低溫等離子體凈化模式，逐漸與納米光催化、高效吸附過濾技術(shù)以及流體動(dòng)力學(xué)等研究成果相結(jié)合，擴(kuò)大了非熱等離子體滅菌技術(shù)的應(yīng)用范圍和效能。美國密歇根大學(xué)的研究人員在發(fā)明專利申請(qǐng)CN2016800338072中提供了一種線板式空氣處理系統(tǒng)，依據(jù)電流體動(dòng)力學(xué)（EHD）理論將空氣流和夾帶在其中的傳染性氣溶膠引向具有高濃度反應(yīng)性物質(zhì)的包含非熱等離子體的區(qū)域，提高了通過化學(xué)、物理和放射過程完全滅活病原體的可能性。美國的堂美環(huán)境治理有限公司在發(fā)明專利申請(qǐng)CN2017800744668中公開了一種使用超聲空化的凈化設(shè)備和方法，通過將清潔流體產(chǎn)生的霧經(jīng)受非熱等離子體活化器以形成等離子體活化的離子顆粒，使其與空氣中傳播的病原體接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)室、病房和檢查室等醫(yī)療環(huán)境的凈化。

2.2 醫(yī)療領(lǐng)域

非熱等離子體滅菌技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用是占比第二位的技術(shù)分支，特別針對(duì)不耐高溫的各類熱敏儀器以及內(nèi)窺鏡等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的醫(yī)療器械的清洗消毒具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1989年，美國研發(fā)人員Adir Jacob首次提出將醫(yī)療或牙科裝置和材料暴露于活性低溫等離子體氣氛中以實(shí)現(xiàn)滅菌或表面處理（US07331438），等離子體中的含氧活性物質(zhì)與存在于待消毒的醫(yī)療或牙科裝置表面上的微生物蛋白質(zhì)組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使蛋白質(zhì)分子變性，顯著提高了微生物的殺滅效率。西安交通大學(xué)（CN200910023531）研發(fā)的射流等離子體消毒裝置能夠產(chǎn)生具有可控性的等離子體射流，可用于復(fù)雜形狀醫(yī)療器械的消毒處理，對(duì)于耐濕熱和不耐濕熱的醫(yī)療器械均很適用。2019年12月以來，為保證有效地抗擊新型冠狀病毒，人們對(duì)于醫(yī)用口罩、測(cè)溫槍等醫(yī)用設(shè)備的需求量不斷擴(kuò)大，快速、便捷、安全的消毒方法成為研發(fā)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。蘇州華圣恩智能科技有限公司研發(fā)了一種帶有低溫等離子體消殺裝置的醫(yī)用口罩（CN202021774784），與傳統(tǒng)醫(yī)用口罩單純及有限的阻隔作用相比，安全性大幅提升。廢棄的口罩經(jīng)過低溫等離子體消殺后，幾乎不會(huì)有病毒殘留，對(duì)環(huán)境的病毒污染風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

2.3 食品領(lǐng)域

非熱等離子體滅菌技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用主要針對(duì)食品表面的微生物滅活、液體食品中的微生物滅活以及食品加工與包裝過程中的系統(tǒng)滅菌。目前食品加工領(lǐng)域普遍使用的加熱巴氏殺菌法容易破壞食品的新鮮度和營養(yǎng)成分，且使用能耗較高[4]。紫外線輻照能夠有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品及其包裝材料的表面殺菌，但在紫外線能量低、有障礙物或者菌層厚的情況下紫外線也不能透過，無法達(dá)到全面的殺菌效果。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在申請(qǐng)CN98115880.3中公開了高頻低溫等離子體消毒滅菌設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)黃曲霉菌和大腸桿菌的高效滅活，可用于食品表面的無害化滅菌處理。韓國光云大學(xué)和食品研究協(xié)會(huì)在KR1020180052800A中提出利用大氣壓下低溫等離子體實(shí)現(xiàn)烹飪過程中的液態(tài)水滅菌。南京蘇曼等離子科技有限公司在CN201811627955中提出了一種大氣壓差分低溫等離子體冷殺菌保鮮設(shè)備及操作方法，先包裝、后殺菌的操作工序有效地避免了食品包裝后的二次污染。

3.結(jié)論與建議

本文以非熱等離子體滅菌技術(shù)領(lǐng)域的申請(qǐng)專利作為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了非熱等離子體滅菌專利技術(shù)的申請(qǐng)趨勢(shì)、國內(nèi)外主要申請(qǐng)人及其專利布局情況，并梳理了非熱等離子體在不同領(lǐng)域的應(yīng)用概況。從中可以看出，我國相關(guān)研究雖然起步較晚，但已經(jīng)在消毒裝置制造領(lǐng)域取得了突出成果，由科研成果轉(zhuǎn)化而來的滅菌設(shè)備已經(jīng)投入至市場中，成為人們健康生活的必需品。然而與國外申請(qǐng)人相比，國內(nèi)專利技術(shù)的成熟度還有待提高，針對(duì)非熱等離子體滅菌技術(shù)的機(jī)理及性能優(yōu)化工藝條件的研究不足，在海外布局、市場競爭力和核心技術(shù)創(chuàng)新等方面與國外同行還存在明顯差距。

國內(nèi)相關(guān)科技企業(yè)應(yīng)抓緊技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，加大研發(fā)投入，在保持現(xiàn)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，著眼于新型滅菌方式的聯(lián)合使用，大力提升滅菌效率，拓展非熱等離子體滅菌技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度。與此同時(shí)，積極參與國際競爭，提高知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)，擴(kuò)大企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢(shì)和專利布局力度，將專利保護(hù)轉(zhuǎn)化為市場競爭的有力武器。高校及研發(fā)機(jī)構(gòu)應(yīng)更加側(cè)重非熱等離子體的滅菌機(jī)理研究，為后續(xù)滅菌設(shè)備的研發(fā)和制造提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，從而進(jìn)一步提升我國非熱等離子體滅菌技術(shù)的核心競爭軟實(shí)力。