阻断新冠病毒在空气中的传播 — 生物气溶胶消杀机技术浅析

背景：

大量证据表明，新冠肺炎患者在咳嗽、喷嚏等呼吸活动过程中会产生大量携带新型冠状病毒(SARS-CoV-2)的生物气溶胶，吸入SARS-CoV-2是新冠肺炎（COVID-19）的主要传播途径。新冠病毒在气溶胶中可以保持活性，在通风不良的室内空气中积聚，有可能导致超级传播事件。气溶胶是指固体或液体颗粒物均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。生物气溶胶是含有生物性粒子的气溶胶，包括细菌、病毒以及致敏花粉等，具有传染性和致敏性。生物气溶胶可在空气中悬浮较长时间（图1），并可扩散至50米及以上的范围造成远距离传播。因此，为了阻断新冠病毒的传播，针对生物气溶胶的预警、采样、消杀工作具有重要意义，采用这些手段可以在做到早发现、早定性、早消杀，尽量减少人员受新冠病毒暴露的可能性。

图1 飞沫与飞沫核的传播产生与传播（图片来源：中国疾病控制预防中心）

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气溶胶与呼吸道感染病

不仅是SARS-CoV-2，气溶胶还可以传染多种呼吸道感染病。研究表明，非典病毒、中东呼吸系统综合征冠状病毒、流感病毒、麻疹病毒、鼻病毒等都可以通过气溶胶传播。而目前城市中的人类大部分活动都是在室内进行的，室内的体积有限并且与外部空气对流交换少，因此在室内由生物气溶胶引发的疾病越来越多。阻断空气中的潜在有害生物气溶胶的传播，对于疾病传播防控具有重要意义。

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生物气溶胶如何消杀

目前各地为了尽快复工复产及消除疫情传播，都把公共空间的消毒视为常态化防控工作中重要的一环。除了物品表面的消毒工作，封闭、半封闭空间的生物气溶胶也需要科学消毒。消毒方法可以分为高、中、低水平消毒。高水平消毒指可以杀灭各种微生物，对细菌芽胞杀灭达到消毒效果的方法：这类消毒方法应能杀灭一切细菌繁殖体(包括结核分枝杆菌)、病毒、真菌及其抱子和绝大多数细菌芽胞。中水平消毒：是可以杀灭和去除细菌芽胞以外的各种病原微生物的消毒方法。低水平消毒法：只能杀灭细菌繁殖体(分枝杆菌除外)和亲脂病毒的化学消毒剂及通风换气、冲洗等机械除菌法。

传统消杀手段与存在的问题

空气中细菌和病毒的消杀技术，大体上可分为物理和化学方法两大类，包括药物杀灭、过滤截留、紫外线、臭氧及光催化技术等。

1、 药物杀灭

针对气溶胶消杀，目前使用得最多的是传统的喷洒方法，常用的化学试剂有84消毒液，二氧化氯，次氯酸钠，过氧乙酸，双氧水等。喷洒化学消杀药剂，剂量大时消杀见效快，但是往往具有异味大、刺激性强等缺点；而将剂量下降时所需的消毒时间则会延长，并且低浓度持续缓释技术也将额外带来仪器成本。另外，化学消毒剂消耗量大、人力物力成本高，不适宜人群密集场所，在舒适、经济、安全、效率等方面使用化学药物喷洒空气和物表的消杀方法很难全面满足。

图2 化学消毒剂喷洒（图片来源：襄阳消防助力古隆中景区开展防疫消杀）

2、过滤消毒

空气过滤消毒指用物理阻留的方法去除空气中的病原体，包括细菌、病毒和孢子等。针对不同病原体的尺寸，通常用不同孔径滤材对生物气溶胶进行过滤，其过滤效率与滤材的孔径密切相关。通常孔径越小，过滤效率越高。空气净化器大多采用此技术，在处理PM2.5、PM10等空气污染物的同时即可处理生物气溶胶。该技术的优点是在室温下就可以去除空气中的病原体，操作简易；缺点是只能起到过滤的作用，并不能杀灭微生物，而过滤膜上可能还存在湿度和其他营养物质，在温度合适时，反而可能成为微生物繁殖的温床，造成二次污染。

3、紫外线消毒

紫外线消毒指利用波长 220～300 nm 的紫外线破坏微生物机体细胞中的 DNA 或 RNA 的分子结构，将各种细菌、病毒、寄生虫以及其他病原体直接杀死。这是最常用的密闭空间内生物气溶胶消杀技术。紫外线消毒速度快、效率高，并且几乎对所有的细菌、病毒都能有效灭活。紫外杀灭病原体的作用取决于照射剂量、空气的水分含量、空气运动模式以及密闭空间的大小。常规应用紫外线消毒需要无死角照射并且达到照射剂量才能达到杀菌消毒的效果，但是紫外线对人体的皮肤、眼睛均有害，可能造成红肿、发炎、疼痛，增加癌变风险，无死角直接照射不能应用于有人员活动的场所。目前使用该技术的消杀机使用紫外线向无人区域（房间顶部、底部等区域）进行照射，虽然显著降低了对人的危害，但是难以覆盖全部区域，需要等待生物气溶胶随机扩散到照射区域才能实现消杀，因而降低了效率。

4、臭氧消毒

臭氧是一种强氧化剂，可直接氧化胞内有机物，遇到水蒸气可以产生强氧化性的羟基等自由基间接氧化病原体，从而达到杀菌消毒目的。臭氧消毒为溶菌级方法，杀菌彻底，具有杀菌广谱、高效的特点，对所有细菌和病毒都有明显的杀灭效果。但是臭氧对人体也有伤害，国标规定室内臭氧1小时的平均浓度不超过0.16 mg/m³,低于通常臭氧消杀的浓度。因此虽然臭氧在应用于室内消毒取得很好效果，但是杀菌时无法人机共存，杀菌后还需采取有效措施消除臭氧残留。

5、光催化消杀技术

光催化杀菌技术是利用光催化剂在光的作用下产生活性氧物种(ROS)和自由基氧化微生物达到杀灭效果。如光触媒还原技术：光照下二氧化钛的表面形成电穴和游离电子，结合空气中的水和氧气，生成强氧剂分解空气中的有害气体和部分无机物。其缺点为需要光照射和经常喷涂，作用时间短，消毒效能有限。

可见，不同的消杀方法均存在一定的局限性，在消毒的连续性、人机共存性、实时性上需要具体结合应用场景加以应用。而对于办公、公共交通、医院等大人流密集且不便无人消杀的场景，还需要采用其他方法或者复合方法联用进行连续实时消杀，确保在这些场所的人们的健康安全。

等离子体消杀技术：杀灭空气中病毒的新技术

与常见的生物气溶胶消杀技术相比（表1），等离子体技术消毒杀菌效果显著，消杀过程对人体无伤害，适用范围广泛，被认为是一种相对理想的空气杀菌消毒技术。其原理包括几个方面（图3）：（1）持续不断产生的高浓度正负离子，在微生物表面产生的剪切力大于细胞膜表面张力，壁膜受到破坏，导致死亡。（2）当电场强度过高时，被加速的高速粒子会将微生物表面击穿从而起到破坏微生物的作用。（3）等离子体中，含有大量原子氧、自由基等活性物质，与细菌体内蛋白质、核酸、脂质层发生反应，致细菌/病毒死亡。此外，当细胞结合了正负离子而带电后，更容易被滤膜、口罩等吸附材料通过静电作用而被吸附，从而进一步降低空气中的生物气溶胶浓度。但是高压放电产生等离子时，有可能会产生臭氧等副产物，如何优化离子发生量并降低臭氧产量是研发高水平等离子消杀设备需要攻克的问题。

图3 等离子体除菌技术原理图（图片来源：陕西科技传媒网）

多种消毒技术的对比

表1 等离子体技术与其他消杀技术实用性对比

综合各种消毒技术的原理与特征，等离子消杀手段在对生物气溶胶的消杀具有较为全面的技术优势。

实时空气消杀机

结合以上的技术分析，适用于空气中生物气溶胶消杀的空气消毒机应采用大功率等离子体释放技术，可以实现99%以上的生物气溶胶灭火率，实现“高效杀灭”的特性。同时配备初中高效复合过滤系统，有效吸附净化甲醛、乙醛、苯、二甲苯、异味、PM2.5、PM10、过敏原等有害物质，实现“1+1>2”的效果，使一台空气消杀机具备“广谱适用”的功能特点。使用等离子消杀和过滤膜吸附的设备可人机共存，克服了传统消杀方法有刺激性、臭氧超标、紫外辐照的问题，有害物质在反应后主要生成氧气、二氧化碳、水，对人体无害，设备消杀时“安全环保”。同时考虑到气溶胶长期悬浮在空气中，采用这两种技术的消杀机可持续对室内生物气溶胶消杀，因此可以实现“持续保障”。此外，由于空气消毒机使用环境往往人流量大，空气消杀机应与生物气溶胶探测设备联动，动态调整功率与启停状态，做到全天候的动态防护。

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生物气溶胶消杀效果

为验证等离子体消杀技术在日常环境中对生物气溶胶消杀的优越性，我们进行了空气消毒模拟现场试验，实验采用安德森采样的菌落单位计数法评价某款实用了等离子消杀技术和高效过滤技术的空气消毒机的综合消杀效果。结果显示（表1）等离子体空气消毒机30min就可将病原体全部杀死，远超国标要求的消毒作用时间（2h），证明了等离子空气消毒机具有高效杀菌性，可在短时间内将实验舱内的细菌全部消除杀灭。

表2 等离子体空气消毒机对白色葡萄球菌的杀灭效果

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生物气溶胶消杀系统应用

在新冠病毒肆虐的三年时间里，对人的安全防护（口罩、面罩、医用防护服）已经被广为接受，成为保障人员健康的有利手段。而针对环境中生物气溶胶的传播，也需要建立起生物气溶胶的预警、采集检测与消杀的防控系统，特别是在人员密集场所及高级别保障区域。只有对新冠病毒传播链条中的人与环境同时控制管理，才能保护每个人的身体健康，保障社会的稳定运行。