朱宗成，陈 红，张 伟，于旭东*

(1.海军军医大学海军特色医学中心，上海 200433; 2.海军航空大学航空医疗保障中心,烟台 264000; 3.上海置中环保节能科技有限公司,上海 201306)

医院作为人员密集场所，往往是疫情传播的高风险区域，一方面，医院人员来源复杂、流动性大，患者呈向心性聚集，疫情防控难度大；另一方面，也说明传统喷洒消毒和紫外灯等消毒方式不能完全满足人流量密集的医院内环境持续消毒的需要，急需完善消毒技术手段。 本课题组研制一款新型智能低温等离子体消毒装置，通过主动释放包括臭氧(O3)、单原子氧(·O)、中性亚稳态氧分子、氢氧自由基(·OH)等在内的消毒因子的方式，实现室内空气和物体表面的消毒，能有效降低环境中的病毒浓度，避免交叉感染。相较于传统的电化学消毒设备，其体积小、耗能低、消毒因子纯度高且不产生有毒的氮氧化物，更适宜在医院、电梯等人流量大的密闭公共环境使用。本文对所研制的新型低温等离子体消毒装置的消毒技术原理、装置基本结构、性能进行简要介绍。

1 新型低温等离子体消毒装置的研制

1.1 新型低温等离子体装置消毒原理本装置主要工作原理是通过石英介质阻挡放电的方式电离空气产生低温等离子体，低温等离子体中含有多种带电粒子以及大量的活性氧组分，其中能量较高的带电粒子可击穿细菌等微生物外部结构[1](细胞壁和细胞膜)，而活性氧组分可与细菌等微生物外部结构中蛋白质、核酸、脂质等大分子反应，产生刻蚀作用破坏微生物膜的结构，改变细胞的通透性致使细胞死亡[2-4]。对于病毒而言，具有强氧化作用的粒子会破坏病毒的外层蛋白衣壳，与中心核酸作用，导致病毒灭活(图1)。

图1 低温等离子体消毒装置原理

1.2 具体设计本装置为盒式结构，整体尺寸：190 mm×190 mm×60 mm，重量：0.7 kg(图2)。

图2 新型低温等离子体消毒装置结构设计

硬件系统架构基本组成包括：低温等离子体发生器、空气环境传感器、智能处理器、风扇、锂电池和信号传输模块(Wi-Fi模块)(图3)。

图3 低温等离子体消毒装置硬件构架

其中，低温等离子体发生器的作用是释放出以臭氧、羟基离子等为主要成分的低温等离子体,其采用石英介质阻挡放电技术，即将高阻抗石英介质插入到两个金属电极之间形成封闭电极，以阻挡放电通道贯穿气隙。电极选用同轴圆筒结构，采用特定的低电压和交流电频率，形成均匀的大面积丝状放电[5-6]。本发生器采用独特工艺和放电技术，放电电压仅为2 000伏特。其电极结构示意图如图4，低温等离子体发生器结构如图5。

图4 石英封闭电极示意图

图5 低温等离子体发生器结构(60 mm×50 mm×27 mm)

电源电压范围为AC 100V-240V，配备1865型2600mAh大容量锂电池，在没有电源的情况下，可连续进行8小时以上的消毒。经直流变频升压形成特定的电压、频率后，由电极结构实现稳定可控的电离放电，并通过风扇将电离产生的低温等离子体主动释放至空气中。其中，电风扇模块采用不会产生回流的国产涡轮微型风扇，转速为3 500 RPM；噪声为20 db；连续使用寿命50 000小时。

2 装置性能测试

2.1 消毒能耗本装置采用微制造和模块集成技术，并通过改进工艺提高能量利用率，将更多的能耗用于激发空气形成消毒因子，装置整体耗能相对更低，经测试日常工作功率仅为5～8 W。相较于传统空间消毒设备，本低温等离子体消毒装置更加节能高效。将新型低温等离子体装置与紫外消毒灯的能耗进行对比，以每平方米空间紫外灯功率≥1.5 W，时间不少于30 min计算[7]，采用本装置实现20 m3室内空间消毒的能耗仅是紫外线灯的1/18(表1)。

表1 与紫外线消毒灯的耗能对比

2.2 臭氧和氮氧化物生成量由于低温等离子体中活性物质的数量和输入电压功率和脉冲波形密切相关[7]，本装置根据氧气与氮气分子质量不同和电离能不同的特性，通过调整工艺参数，由嵌入式底层软件调整控制放电，避免电离时激发空气中的氮气，实现零氮氧化物产生。与同类激发空气实现等离子消毒的设备相比，本装置基本不产生高致癌毒性的氮氧化物，无有害的副产物聚集现象，具有更高的生物安全性(表2)。

表2 氮氧化物浓度检测分析

3 消毒效果测试

3.1 空气病毒消毒测试由广东省微生物检测中心依据原国家卫生部《消毒技术规范》2002年版中的空气消毒试验方法进行测试。该实验采用甲型流感病毒H1N1作为空气病毒灭活测试菌种，宿主为MDCK细胞，方法是使用本装置对3 m3气雾柜中的空气染菌喷雾作用2小时后，使用液体撞击式采样器采集计数消毒前后病毒存活数量，数据结果已消除微生物在空气中自然消亡因素的影响，消毒测试报告数据见表3。

表3 H1N1病毒空气消毒测试结果

3.2 表面细菌消毒测试在隔水式恒湿培养箱内，湿度保持在60%±10%，运用本装置对涂有菌落的固体培养基消毒，依据《中华人民共和国药典》(2015版)，采用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行现场消毒功效的测试。基本操作方法是：将接种有试验菌的培养皿在开启消毒装置的培养箱内暴露一定时间后，继续培养并观察细菌菌落生长情况(表4)。

表4 培养皿表面消毒数据

3.3 室内空间物品消毒测试对D级环境下洗衣间内的3件洁净服进行消毒，房间湿度56%RH，房间空间24 m3，在房间内开启装置消毒相应时间，用棉签在处理前和消毒后分别涂擦洁净服的领口、袖口和裤口部位，取样面积25 cm2，观察微生物的生长情况(表5)。

表5 新型低温等离子体消毒装置对洗衣间内洁净服的消毒效果

4 结 论

通过主动持续释放低温等离子体的方式实现室内环境消毒，可以切断空气传播和接触传播途径，减少病菌传播感染的概率，这对于控制院内感染和密闭公共环境内疾病传播等具有重要意义。本装置采用实时动态消毒的方式，即通过密集、连续地释放消毒因子的方式，实现在有人存在的环境中持续减少空间环境中的病毒数量，相较于传统的实时动态消毒设备，如循环风紫外线空气消毒机、光触媒动态消毒机等，本装置具有体积小、耗能低、操作简单、安装方便、不产生有毒的氮氧化物等特点。本装置在医院手术室、病房、门诊以及电梯等医院内环境消毒具有重要的应用价值，能够在不影响医院日常运行的基础上提高消毒效率，有效提升院内感染的防控水平。