朱宗成，陳 紅，張 偉，于旭東*

(1.海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433; 2.海軍航空大學(xué)航空醫(yī)療保障中心,煙臺(tái) 264000; 3.上海置中環(huán)保節(jié)能科技有限公司,上海 201306)

醫(yī)院作為人員密集場(chǎng)所，往往是疫情傳播的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，一方面，醫(yī)院人員來源復(fù)雜、流動(dòng)性大，患者呈向心性聚集，疫情防控難度大；另一方面，也說明傳統(tǒng)噴灑消毒和紫外燈等消毒方式不能完全滿足人流量密集的醫(yī)院內(nèi)環(huán)境持續(xù)消毒的需要，急需完善消毒技術(shù)手段。 本課題組研制一款新型智能低溫等離子體消毒裝置，通過主動(dòng)釋放包括臭氧(O3)、單原子氧(·O)、中性亞穩(wěn)態(tài)氧分子、氫氧自由基(·OH)等在內(nèi)的消毒因子的方式，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣和物體表面的消毒，能有效降低環(huán)境中的病毒濃度，避免交叉感染。相較于傳統(tǒng)的電化學(xué)消毒設(shè)備，其體積小、耗能低、消毒因子純度高且不產(chǎn)生有毒的氮氧化物，更適宜在醫(yī)院、電梯等人流量大的密閉公共環(huán)境使用。本文對(duì)所研制的新型低溫等離子體消毒裝置的消毒技術(shù)原理、裝置基本結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 新型低溫等離子體消毒裝置的研制

1.1 新型低溫等離子體裝置消毒原理本裝置主要工作原理是通過石英介質(zhì)阻擋放電的方式電離空氣產(chǎn)生低溫等離子體，低溫等離子體中含有多種帶電粒子以及大量的活性氧組分，其中能量較高的帶電粒子可擊穿細(xì)菌等微生物外部結(jié)構(gòu)[1](細(xì)胞壁和細(xì)胞膜)，而活性氧組分可與細(xì)菌等微生物外部結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等大分子反應(yīng)，產(chǎn)生刻蝕作用破壞微生物膜的結(jié)構(gòu)，改變細(xì)胞的通透性致使細(xì)胞死亡[2-4]。對(duì)于病毒而言，具有強(qiáng)氧化作用的粒子會(huì)破壞病毒的外層蛋白衣殼，與中心核酸作用，導(dǎo)致病毒滅活(圖1)。

圖1 低溫等離子體消毒裝置原理

1.2 具體設(shè)計(jì)本裝置為盒式結(jié)構(gòu)，整體尺寸：190 mm×190 mm×60 mm，重量：0.7 kg(圖2)。

圖2 新型低溫等離子體消毒裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)架構(gòu)基本組成包括：低溫等離子體發(fā)生器、空氣環(huán)境傳感器、智能處理器、風(fēng)扇、鋰電池和信號(hào)傳輸模塊(Wi-Fi模塊)(圖3)。

圖3 低溫等離子體消毒裝置硬件構(gòu)架

其中，低溫等離子體發(fā)生器的作用是釋放出以臭氧、羥基離子等為主要成分的低溫等離子體,其采用石英介質(zhì)阻擋放電技術(shù)，即將高阻抗石英介質(zhì)插入到兩個(gè)金屬電極之間形成封閉電極，以阻擋放電通道貫穿氣隙。電極選用同軸圓筒結(jié)構(gòu)，采用特定的低電壓和交流電頻率，形成均勻的大面積絲狀放電[5-6]。本發(fā)生器采用獨(dú)特工藝和放電技術(shù)，放電電壓僅為2 000伏特。其電極結(jié)構(gòu)示意圖如圖4，低溫等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖5。

圖4 石英封閉電極示意圖

圖5 低溫等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)(60 mm×50 mm×27 mm)

電源電壓范圍為AC 100V-240V，配備1865型2600mAh大容量鋰電池，在沒有電源的情況下，可連續(xù)進(jìn)行8小時(shí)以上的消毒。經(jīng)直流變頻升壓形成特定的電壓、頻率后，由電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的電離放電，并通過風(fēng)扇將電離產(chǎn)生的低溫等離子體主動(dòng)釋放至空氣中。其中，電風(fēng)扇模塊采用不會(huì)產(chǎn)生回流的國(guó)產(chǎn)渦輪微型風(fēng)扇，轉(zhuǎn)速為3 500 RPM；噪聲為20 db；連續(xù)使用壽命50 000小時(shí)。

2 裝置性能測(cè)試

2.1 消毒能耗本裝置采用微制造和模塊集成技術(shù)，并通過改進(jìn)工藝提高能量利用率，將更多的能耗用于激發(fā)空氣形成消毒因子，裝置整體耗能相對(duì)更低，經(jīng)測(cè)試日常工作功率僅為5～8 W。相較于傳統(tǒng)空間消毒設(shè)備，本低溫等離子體消毒裝置更加節(jié)能高效。將新型低溫等離子體裝置與紫外消毒燈的能耗進(jìn)行對(duì)比，以每平方米空間紫外燈功率≥1.5 W，時(shí)間不少于30 min計(jì)算[7]，采用本裝置實(shí)現(xiàn)20 m3室內(nèi)空間消毒的能耗僅是紫外線燈的1/18(表1)。

表1 與紫外線消毒燈的耗能對(duì)比

2.2 臭氧和氮氧化物生成量由于低溫等離子體中活性物質(zhì)的數(shù)量和輸入電壓功率和脈沖波形密切相關(guān)[7]，本裝置根據(jù)氧氣與氮?dú)夥肿淤|(zhì)量不同和電離能不同的特性，通過調(diào)整工藝參數(shù)，由嵌入式底層軟件調(diào)整控制放電，避免電離時(shí)激發(fā)空氣中的氮?dú)?，?shí)現(xiàn)零氮氧化物產(chǎn)生。與同類激發(fā)空氣實(shí)現(xiàn)等離子消毒的設(shè)備相比，本裝置基本不產(chǎn)生高致癌毒性的氮氧化物，無有害的副產(chǎn)物聚集現(xiàn)象，具有更高的生物安全性(表2)。

表2 氮氧化物濃度檢測(cè)分析

3 消毒效果測(cè)試

3.1 空氣病毒消毒測(cè)試由廣東省微生物檢測(cè)中心依據(jù)原國(guó)家衛(wèi)生部《消毒技術(shù)規(guī)范》2002年版中的空氣消毒試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)采用甲型流感病毒H1N1作為空氣病毒滅活測(cè)試菌種，宿主為MDCK細(xì)胞，方法是使用本裝置對(duì)3 m3氣霧柜中的空氣染菌噴霧作用2小時(shí)后，使用液體撞擊式采樣器采集計(jì)數(shù)消毒前后病毒存活數(shù)量，數(shù)據(jù)結(jié)果已消除微生物在空氣中自然消亡因素的影響，消毒測(cè)試報(bào)告數(shù)據(jù)見表3。

表3 H1N1病毒空氣消毒測(cè)試結(jié)果

3.2 表面細(xì)菌消毒測(cè)試在隔水式恒濕培養(yǎng)箱內(nèi)，濕度保持在60%±10%，運(yùn)用本裝置對(duì)涂有菌落的固體培養(yǎng)基消毒，依據(jù)《中華人民共和國(guó)藥典》(2015版)，采用金黃色葡萄球菌和大腸桿菌進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)消毒功效的測(cè)試?；静僮鞣椒ㄊ牵簩⒔臃N有試驗(yàn)菌的培養(yǎng)皿在開啟消毒裝置的培養(yǎng)箱內(nèi)暴露一定時(shí)間后，繼續(xù)培養(yǎng)并觀察細(xì)菌菌落生長(zhǎng)情況(表4)。

表4 培養(yǎng)皿表面消毒數(shù)據(jù)

3.3 室內(nèi)空間物品消毒測(cè)試對(duì)D級(jí)環(huán)境下洗衣間內(nèi)的3件潔凈服進(jìn)行消毒，房間濕度56%RH，房間空間24 m3，在房間內(nèi)開啟裝置消毒相應(yīng)時(shí)間，用棉簽在處理前和消毒后分別涂擦潔凈服的領(lǐng)口、袖口和褲口部位，取樣面積25 cm2，觀察微生物的生長(zhǎng)情況(表5)。

表5 新型低溫等離子體消毒裝置對(duì)洗衣間內(nèi)潔凈服的消毒效果

4 結(jié) 論

通過主動(dòng)持續(xù)釋放低溫等離子體的方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境消毒，可以切斷空氣傳播和接觸傳播途徑，減少病菌傳播感染的概率，這對(duì)于控制院內(nèi)感染和密閉公共環(huán)境內(nèi)疾病傳播等具有重要意義。本裝置采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)消毒的方式，即通過密集、連續(xù)地釋放消毒因子的方式，實(shí)現(xiàn)在有人存在的環(huán)境中持續(xù)減少空間環(huán)境中的病毒數(shù)量，相較于傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)消毒設(shè)備，如循環(huán)風(fēng)紫外線空氣消毒機(jī)、光觸媒動(dòng)態(tài)消毒機(jī)等，本裝置具有體積小、耗能低、操作簡(jiǎn)單、安裝方便、不產(chǎn)生有毒的氮氧化物等特點(diǎn)。本裝置在醫(yī)院手術(shù)室、病房、門診以及電梯等醫(yī)院內(nèi)環(huán)境消毒具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠在不影響醫(yī)院日常運(yùn)行的基礎(chǔ)上提高消毒效率，有效提升院內(nèi)感染的防控水平。