新型冠状病毒等病原体空气消毒技术综述

自2019年底以来，新型冠状病毒引发的肺炎疾病(corona virus disease 2019，COVID-19)在全世界范围内蔓延，截止2020年11月初，已有近5 000万人确诊感染，造成100多万人死亡[1]。冠状病毒(coronavirus，CoV)是一种具囊膜、基因组为线性单股正链的RNA病毒，在电子显微镜下呈现冠状外观，在自然界中广泛存在，仅对脊椎动物有感染性。此前发现的可以感染人的冠状病毒有6种，分别是：HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-NL63、HCoV-HKU1、SARS-CoV和MERS-CoV，此次发现的新型冠状病毒为第7种，世界卫生组织将其命名为SARS-CoV-2[2]。SARS-CoV-2为圆形或椭圆形结构，直径约60~140 nm，基因组结构长度约为30 kb[3]。SARS-CoV-2具有很强的传染性，主要通过飞沫、密切接触和气溶胶等途径传播[4]。有研究表明，在有新冠患者活动且相对密闭的环境中(如新冠患者使用的卫生间和重症监护病房)，检测到气溶胶中SARS-CoV-2的RNA浓度较高，而大多数公共场所(如居民区检查点、社区等)的空气中SARS-CoV-2的RNA浓度较低，证明病毒是通过气溶胶传播。研究者指出，SARS-CoV-2气溶胶的传播途径可能是由病毒在医务人员的防护服和地板表面沉积和再悬浮而形成的[5]。因此，采取适当的消毒技术阻止新冠病毒等病原体通过空气中气溶胶的传播，对于控制疫情发展，保护人民生命健康，恢复国家经济正常运行有重要意义。

本文综述了最近报道的用于新型冠状病毒的消毒技术，同时也包括了已有研究用于杀菌消毒的其他技术；其次，根据消毒因子的不同将消毒技术分为物理、化学、综合3类，详细阐述了各种消毒技术的消毒机理、适用场景、研究现状和特点；然后讨论了等离子体空气消毒应用的关键技术，最后以清华大学工字厅为例，介绍了清华大学气体放电团队研发的面放电等离子体消毒技术在中央空调中的应用示范。

根据《消毒技术规范》(2002版)中定义，消毒(disinfection)是指杀灭或清除传播媒介上病原微生物，使其达到无害化的处理，而灭菌(sterilization)是指杀灭或清除传播媒介上一切微生物的处理。不同种类的微生物对于消毒因子的抗力不同，不同的场景和消毒对象对消毒和灭菌的需求也不相同。新型冠状病毒是一种相对较新的病毒，与之前已知的病毒和细菌相比，具有自己的特点。研究表明，新冠病毒能以气溶胶的形式存在至少3 h以上，在纸、衣服、玻璃、不锈钢等表面可存在数小时至数天[6-7]。因此对于新冠病毒在不同场景下的杀菌和消毒，需选用适当的消毒技术。根据消毒技术中起主要作用的关键因素种类(称为“消毒因子”)，可将消毒技术分为物理消毒技术、化学消毒技术和综合消毒技术，其中物理消毒技术主要包括过滤、静电吸附、加热、紫外线、电离辐射等技术，化学消毒技术主要包括化学消毒剂、臭氧、光催化等技术，而综合消毒技术主要是指等离子体、离子体活化水以及其他物理化学多因素复合消毒技术。本节将介绍每种消毒技术的消毒机理、适用场景、研究现状和特点，以及最新应用于新冠病毒消毒的研究进展。

过滤除菌是将待消毒的介质，通过规定孔径的过滤材料，以物理阻留等原理，去除气体或液体中的微生物[8]。根据过滤效率的不同，空气过滤器可分为初效过滤器、中效过滤器、高中效过滤器、亚高效过滤器、高效过滤器和超高效过滤器[9-10]。由多组分玻璃纤维制成的高效微粒空气过滤材料(high efficiency particulate air，HEPA)已成为国际上公认的高效过滤材料，其对直径0.3 μm以上微粒的去除率可达到99.99%[11]。由于绝大多数细菌直径在0.5~7 μm之间，因此使用HEPA可以有效去除细菌，病毒直径从几十到几百纳米，使用传统的HEPA对病毒有一定的过滤作用，有研究者提出，使用驻极体作为过滤器的材料可以实现对病毒的高效滤除[12-13]。

过滤方法主要用于空气净化[8]，它并非有效的物理消毒技术，仅能将病原体拦截，但不能杀灭，并且对粉尘同样起到拦截作用，因此需要定时清洗过滤器或更换过滤网，尤其是应用于微生物滤除环境下的滤网危害更大，一般需要利用化学试剂进行消毒处理[14]，增加通风设备的经济投入和维持费用。另外，孔径较小的滤网两侧气压下降较大会给空调系统带来较大的空气流通阻力[15]。

静电吸附通常也用于空气消毒，其原理是空气中的颗粒物和微生物在强静电场中带正电，然后被负极性的捕集网吸附，从而达到除尘除菌的目的。静电吸附装置可吸附的颗粒物直径低至0. 01 μm，吸附能力较强[16]。基于静电吸附原理的灭菌型静电空气消毒净化器已应用于医院等微生物浓度高的场所。钟秀玲等[17]选用永健KJD1200A空气消毒净化器对医院环境进行现场及实验现场的杀菌、净化研究，结果表明，在额定电压下可100%杀灭现场空气中的细菌，同时对有害气体、烟尘、异味等有较好的净化效果。

静电吸附通常是在电晕丝上加高电压产生极不均匀电场，电晕范围较小，对于大面积空气消毒的处理效率不高，增加电晕丝密度时极不均匀电场会减弱，长期运行时电晕丝上附着的灰尘也会使电场减弱，从而使被处理的微生物荷电的效率下降。此外静电吸附在产生高压静电场的同时通常会产生较大量的臭氧[18]，而浓度较高的臭氧会对人体造成一定危害，因此该技术使用时常常配合臭氧吸附或分解装置。另外，静电吸附能有效降低空气中微生物数量主要依靠在负极板上的吸附作用，很难直接将微生物灭活。

用于消毒的加热方法主要分为干热和湿热两种，热能通过破坏细胞代谢系统(包括酶)，导致微生物的最终死亡[19]。湿热法被广泛应用于灭菌工作中，在使用高压蒸汽进行灭菌时，处理温度至少达到120 ℃并需要持续15 min或更长时间，才能达到灭菌效果[20]。而干热灭菌需要的温度更高，约为170 ℃，需要的处理时间约为1 h[21]。

已有研究证明56 ℃对SARS-CoV灭活的有效性。Duan等[22]研究了SRAS-CoV-P9(106 TCID50/mL) 在不同温度下的生存能力，在56 ℃处理90 min后，细胞致病效应(即由病毒感染引起的宿主细胞结构改变，cytopathic effect, CPE)明显变弱且无法检测，而更高的温度下大约15 min病毒活性即显著降低；Darnell等[23]在2004年的研究表明，56 ℃处理20 min后，SARS-CoV数量可减少5个数量级，而在65 ℃条件下，达到相同的灭活效果只需要5 min；Rabenau等[24]在2005年的实验结果表明56 ℃时，30 min内SARS-CoV数量减少5个数量级。最新研究表明SARS-CoV-2同样对热敏感[7]，浓度为106.8 TCID50/mL的SARS-CoV-2在4 ℃时高度稳定，到第14天仅降低至106.1 TCID50/mL，而在70 ℃时，病毒在5 min内被灭活。

上述研究证明了高温灭菌法杀灭SARS-CoV-2的有效性，且由于其具有简单、经济的特性，现已广泛应用在对个人防护用品的灭菌处理中。荷兰代尔夫特大学[25]、休斯敦卫理公会研究所[26]等机构的研究都证明了高温蒸汽处理不会破坏口罩的结构完整性、功能有效性，可以用于口罩的消毒，实现循环利用。尽管高温灭菌被证明对热敏性病毒具有良好的杀灭作用，且具有易于控制和监测、无毒无害等优点，但单独使用加热方法应用于空气消毒，功耗太大，且温度太高无法与人共存，可配合其他方法(如静电吸附)通过局部加热杀灭病原体，提高其适用性[27]。

紫外线的杀菌性能早已为人们所熟知，并得到了广泛的应用。其作用原理是当紫外线照射细菌或病毒时，其中的DNA或RNA吸收入射的光子能量，导致胸腺嘧啶二聚体的形成，从而抑制了微生物的复制能力[28]，导致遗传物质丢失[29]，造成生长性细胞死亡或再生性细胞死亡[30]。由于DNA和RNA对波长为260 nm的光子吸收量最大，因此微生物暴露在波长约为260 nm的紫外光下的灭活效果最佳。

Duan等[22]用波长为260 nm的紫外光照射100 μL数量约106 TCID50SARS-CoV-P9样品，通过评估细胞病变效应来表示杀灭病毒的效果，15 min后病变细胞数量小于25%，60 min后检测不到病变细胞，表面病毒已被完全杀灭。Darnell等[23]的研究结果表明，200~280 nm的紫外线照射10 min后，浓度为106.33 TCID50/mL的SARS-CoV病毒完全失活。Tseng和Li[31]的一项研究中，他们使用波长为253.7 nm的紫外光源灭活培养基表面的多种病毒，结果表明病毒的存活部分与紫外线剂量成反比，使用1.32~3.20 mJ/cm2的低紫外剂量，可使ssRNA病毒数量减少90%。Heilingloh等[32]研究了SARS-CoV-2对紫外线照射的敏感性。使用UVC照射9 min，高感染滴度的病毒株(5×106 TCID50/mL) 被完全灭活，剂量为1 048 mJ/cm2，相同条件下UVA对病毒的灭活效果很微弱。Inagaki等[33]研究了波长280 nm的深紫外LED对SARS-CoV-2的灭活效果，结果表明照射10 s后，病毒感染滴度降低了99.9%。Sabino等[34]使用254 nm的紫外光照射SARS-CoV-2，通过实验结果建立的模型曲线反推出0.01 s(0.016 mJ/cm2)就可灭活90%的SARS-CoV-2，49.42 s(108.714 mJ/cm2)可灭活99.999%的SARS-CoV-2。上述研究结果都证明了UVC照射灭活SARS-CoV-2是一种可靠的方法。

紫外线具有价格低廉、使用方便、杀菌作用强、无化学残留等优点，但会对人体的皮肤、眼睛等有一定伤害。目前一般将紫外线照射方法用于诊疗环境的终末消毒[35]，从而减少人员接触时间。另外紫外线穿透力较弱，作用范围较小，大面积的空气消毒时需要大量的紫外灯管，功耗很大。

电离辐射通常使用具有高能量的X射线或γ辐射，可以通过直接的能量沉积或与周围原子分子的二次相互作用而破坏DNA。特别是与周围的水分子发生二次相互作用生成羟基自由基，可造成90%的DNA损伤[2]。直接或间接的相互作用都可以导致明显的双链断裂，从而起到对微生物的灭活作用。

γ射线用于灭菌需遵循ISO标准《ISO 11137》，其中对灭菌剂量等做出了具体规定。目前已有大量研究证明了电离辐射在灭活病毒方面的作用。Feldmann等[36]利用60Co作为源产生γ射线对几种病毒进行不同强度的辐照，结果表明在最低辐照剂量(10 kGy)下，SARS-CoV就可以被完全灭活。Jebri等[37]在研究中讨论了γ射线敏感度与受感染介质的关系，结果表明达到同等灭菌效果时，湿度与辐射剂量呈负相关，因此可能需要根据实际应用场合对辐射剂量进行修正。针对新冠疫情期间一次性口罩使用需求的增长，Pirker等[38]利用γ射线和高能电子对过滤面罩呼吸器灭菌效果进行研究，使用剂量为20 kGy条件下可进行有效灭菌，且对呼吸器的结构和过滤效果无明显影响。

电离辐射具有穿透能力强、不需要打开包装即可完成灭菌、辐照后没有残留或诱导放射性等优点，目前国际原子能机构建议使用电离辐射对医用口罩和手套进行消毒。但在灭菌的同时，γ/X射线可能同时会破坏被处理的高分子材料，从而导致脆化、强度损失，影响使用功能。该技术应用于空气消毒时同样需要无人的条件，且需严格控制辐射剂量。

常用的化学类消毒剂包括含氯消毒剂、含碘消毒剂、过氧化物类、氧乙烷类、醇类以及其他消毒剂等。消毒剂中的有效成分与微生物外层蛋白、糖蛋白、膜脂质等大分子物质相互作用，并抑制RNA、DNA和蛋白质的合成，从而杀死微生物[19]。研究表明，消毒剂种类、剂量、作用时间、pH值、温度、溶液成分等都是影响病毒灭活效率的关键因素[39]。

在COVID-19流行期间，化学类消毒剂在对空气、防护用品等物品表面的消毒工作中起到了重要作用。有研究表明，新冠病毒对多数消毒剂敏感，75%酒精、乙醚、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可有效灭活病毒[27]。针对本次新型冠状病毒，国内外常用的消毒剂包括含氯消毒剂、醇类消毒剂、二氧化氯消毒剂和过氧化物类消毒剂，其中含氯消毒剂用量最多[40]。湖北省天门市第一人民医院采用基因检测技术，对复方过氧乙酸消毒剂消毒新冠病毒检测实验室的效果进行评价，结果证明该方法可有效杀灭实验室内环境中的新冠病毒，有效保护工作人员的安全[41]。张大奕等[42]发现800 g/m3的次氯酸钠并不能完全杀灭武汉方舱医院的粪便废水中的SARS-CoV-2，浓度增加至6 700 g/m3才能完全杀灭，但同时有高水平的消毒副产物残留，具有显著的生态风险。针对COVID-19流行时期对公用设备以及大面积空间消毒的迫切需求，Cadnum等[43]尝试采用静电喷雾装置喷涂次氯酸钠消毒剂，有效解决了不规则、难于人工清理表面的快速消毒难题。

由于简单经济、杀菌效果好的优点，化学类消毒剂在对医疗机构等场所的彻底消毒工作中已经获得了广泛的应用，主要通过喷雾或蒸汽的方式进行消毒，但在采用化学消毒剂进行消毒后，难免会在室内空间或物品表面产生化学试剂残留，因此在选择消毒剂种类和浓度时需要充分考虑消毒剂对物品材料本身损坏、腐蚀作用，例如过氧化氢不适用于对纤维素(纸制品)和亚麻布等表面进行消毒[19]。另外，某些消毒剂在使用时会对环境造成污染，有研究表明在COVID-19流行期间，含氯消毒剂的过度使用通过影响水质对生态和人类健康构成威胁[4]。为减少该影响，王妍彦等[44]研究了低浓度二氧化氯气体对现场环境自然菌的杀菌效果，结果表明将空气中二氧化氯浓度保持在(0.28±0.02) mg/m3，也可以保持一定的杀菌效果，同时可以减少对工作人员的危害。

臭氧被广泛应用于空气、水、医疗器械表面、环境物表上的细菌、病毒等病原体的灭活[45-49]。臭氧具有强氧化性，利用氧原子的氧化作用破坏微生物膜的结构，使病毒包膜蛋白变性，能够破坏细菌的细胞壁、分解细胞膜、破坏遗传物质核酸及其组织结构，达到杀菌的效果[30]。研究表明，臭氧对细菌、病毒、真菌等多种病原体都有很好的灭活效果[50]。臭氧对细菌和病毒的杀灭效果与多种因素有关，如臭氧浓度、环境温度、湿度、暴露时间、微生物种类等(见图 1)。

最新研究表明，臭氧可以有效地灭活个人防护设备上的包膜呼吸病毒，在防护物资短缺时，该方法可以为卫生保健工作者和患者提供安全可重复使用的防护设备[52]。Cristiano[51]、Alimohammadi和Tizaoui等[53-54]从理论上研究了臭氧杀灭SARS-CoV等病毒的机理，认为SARS-CoV-2与其他冠状病毒从结构和基因序列上都高度相似，因此臭氧可能对新型冠状病毒同样有效。Yano等[55]首次通过实验评估了臭氧灭活SARS-CoV-2的效果，实验结果表明不锈钢表面的SARS-CoV-2病毒滴度在臭氧浓度2.14 mg/m3处理60 min和12.86 mg/m3处理55 min的条件下分别下降了3个和4个数量级，验证了臭氧可以有效杀灭物表的SARS-CoV-2。

臭氧具有广谱的杀菌效果，杀菌彻底，生产臭氧的方法简单经济迅速，重要的是它可以有效地扩散到房间的任何部分，包括那些用传统液体和人工清洁方法可能难以进入的地方[56]。但缺点在于对某些材料等表面具有腐蚀性，且人体长时间暴露会产生一定毒性，只能在无人环境下使用臭氧进行消毒。因此臭氧很少作为单一消毒剂进行消毒，通常与其他消毒方法联合使用，形成协同效应以达到更好的消毒效果[57-58]。

催化消毒技术主要包括光催化消毒技术和非光的室温催化消毒技术。光催化消毒技术是指具有光活性的氧化物在紫外线的照射下产生具有强氧化性的羟基自由基等活性成分，破坏生物细胞结构，从而达到杀灭微生物的目的[59-60]。光催化可用于杀灭细菌、病毒、霉菌等多种微生物，并且杀灭效果不同[61-62]。TiO2由于使用寿命长、对多种微生物有效且环境友好，是被研究最多的光催化材料[60, 63]，此外一些新型光催化剂消毒效果也备受关注[64]。非光室温催化消毒技术主要是金属离子杀菌技术，其中银由于具有安全、高效、广谱等特点，一直是抗菌领域的一个研究热点[65]。

韩伟等[66]研究了光催化钛羟基磷灰石网膜对SARS-CoV的抑制作用，实验结果表明在紫外照射催化下，该膜可以使SARS-CoV有效失活。目前尚未发现有关使用光催化材料直接灭活SARS-CoV-2的报道，但是Weiss等[67]在关于使用纳米技术对抗新冠疫情的综述中指出，使用光催化纳米材料来灭活SARS-CoV-2值得探索，有望用于疫情期间的空气和表面消毒。Casta n ~ o等[68]在关于SARS-CoV-2和相关病毒的传播和消毒策略中也将光催化手段列为一种重要的表面自清洁技术，有望应用于医院、学校等公共场所的各种表面。

不同浓度的银离子杀菌剂可有效杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌等细菌[69]，可单独或与其他消毒剂一起用于水体消毒，也可以制成喷雾用于空气和物表消毒[65]。纳米TiO2具有高催化活性、强氧化性、化学性质稳定等优点，且成本低廉、抗腐蚀作用强，因此成为了目前应用最广泛的光催化材料，可用于空气和物表消毒[70]。实际应用中需关注灰尘等对催化剂性能的影响，长期使用时催化剂性能的下降造成消毒效果降低，因此需及时监控催化剂的性能。

等离子体(plasma)是由原子或分子被电离后形成的电中性气态物质，被认为是物质除固体、气体、液体外的“第四态”。大气压低温等离子体(atmospheric cold plasma, ACP)通常是指在大气压下通过各种形式的放电产生的气体温度接近室温的等离子体，产生等离子体的方式有电晕放电、介质阻挡放电、等离子体射流、微波放电等(见图 2)。等离子体中包含有带电粒子(OH-、H2O+、电子)、活化和非活化粒子、紫外线、活性氧ROS(羟基自由基OH、过氧化氢H2O2、单线态氧、臭氧O3)、活性氮RNS(一氧化氮NO、激发态氮、过氧亚硝酸根)等，已被广泛用于生物医学、材料处理、能源转化、环境治理、航空航天、农业食品等领域[71-72]。通常等离子体在强电场作用下产生，等离子体中含有大量的高能带电粒子和活性粒子，产生等离子体的同时会产生热辐射和发射出紫外线。由前文可知，这些物理和化学因子都能对微生物产生有效的破坏作用，因此等离子体用于消毒时可认为是多种物理化学因子共同作用，是一种“鸡尾酒”式的综合消毒技术[73]。

低温等离子体用于杀灭微生物的研究开始于20世纪六七十年代[75-76]，但早期的等离子体灭菌器多采用低气压条件，用于医疗器械或包装材料的消毒灭菌，因为低气压下气体更容易电离，并且可以产生大体积等离子体[77]。相比而言，大气压低温等离子体更具有实用价值[78]。Laroussi等[79]使用平板式介质阻挡放电和等离子体射流放电形式，研究大气压等离子体灭菌技术。要茂盛等[80-81]使用介质阻挡放电(DBD)产生的非热等离子体对雾化的枯草芽孢杆菌、荧光假单胞菌、致敏原以及室内外的生物气溶胶进行灭活效果研究，结果表明，大气压低温等离子体能有效地降低环境中的致敏原和细菌，是一种高效的空气净化技术。Bisag等[82]最新报道了使用介质阻挡放电等离子体源直接灭活含有表皮葡萄球菌或纯化的SARS-CoV-2 RNA的生物气溶胶，结果表明，在停留时间小于0.2 s的情况下，生物气溶胶中含有的细菌和病毒浓度可降低3.7个数量级，说明大气压冷等离子体对新冠病毒等病原体是一种有效的消毒手段。Wirz等[83]的最新研究结果首次直接证明了冷等离子体灭活多种物体表面的SARS-CoV-2的可行性。

关于等离子体的杀菌机理至今尚未有统一定论，传统方法灭菌曲线为一条直线，而等离子灭菌曲线图通常有2~3个不同的阶段[19, 84]。Moisan等[19]认为不同阶段中紫外线和刻蚀作用分别起主要作用，而Eto等[85]则认为在干燥空气中产生的臭氧和紫外线辐射以及DBD在潮湿空气中产生的协同OH自由基是主要的杀菌因素。等离子体杀菌的效果与放电参数、气体种类和病原体种类等因素相关[86]。一般认为放电参数越高，产生的等离子体中活性物质的剂量越大，杀灭病原体的效果也越好。Laroussi等[87]研究发现气体中氧气含量对杀菌效果有显著影响，表明活性氧在杀菌中起重要作用。等离子体杀菌是一个复杂的过程，De Geyter等[86]在其综述中详细分析了热、紫外、活性物质和带电粒子等因素在等离子体杀菌中的作用。

大气压低温等离子体是一种绿色快速高效的消毒技术，可适用于空气和物表消毒[88]。放电产生等离子体的同时也会产生臭氧、氮氧化物等副产物，需要使用其他技术消除副产物，此外产生等离子体一般都需要加高电压，有一定的危险性。若控制好臭氧、氮氧化物等副产物，该技术可以实现人机共存。

等离子体活化水(plasma activated water, PAW)或等离子体活化液(plasma activated liquids, PAL)是近年来新兴的一种消毒技术，通常在大气中放电产生等离子体，等离子体中的电子、活性氧、活性氮、自由基等组分与水作用生成等离子体活化水(见图 3)。这些气体中的活性组分与水作用可以形成过氧化氢(H2O2)、亚硝酸根(NO2-)、硝酸根(NO3-)、过氧亚硝酸根(ONOO-)等活性物质，研究认为这些物质与细胞膜、细胞壁、核酸和内部蛋白等细胞成分的相互作用是导致微生物细胞失活的主要原因[89]。

等离子体活化水中的活性物质取决于许多因素，如放电类型、工作气体、处理时间、储存时间等。产生等离子体活化水的放电类型有多种，如电晕、射频、微波、介质阻挡放电、射流等[90]。Kamgang-Youbi等[91-92]首次研究了等离子体活化水的杀菌效果，使用滑动弧放电产生的等离子体活化水对多种类型的细菌进行了杀菌实验，结果表明在所有实验中微生物数量显著减少，证明了该方法的有效性。一般认为等离子体活化水的杀菌因子源于其高的正氧化还原电位和低pH值的协同作用[90]，高的氧化还原电位与H2O2、OH、O、O3等活性氧组分和NO2-、NO3-、ONOO-等活性氮组分有关。刘定新等[93]通过研究不同放电模式(臭氧模式和氮氧化物模式)下等离子体活化水的杀菌效果，认为活化水中过氧亚硝酸根是杀菌的关键因子。郭莉等[94]以携带SARS-CoV-2刺突蛋白的假病毒为模型，研究了等离子体活化水使刺突蛋白失活从而有效抑制假病毒感染，结果表明短寿命的过氧亚硝酸根在灭活过程中起重要作用，并且储存30 d后仍具有一定的杀菌能力。根据SARS-CoV-2的感染机制以及新冠病毒与其他病毒的相似性，可以推测该方法也可用于新冠病毒的消毒[68]。

等离子体活化水化学残留低、无二次污染，可现制现用，避免化学消毒剂长期储存和运输的安全隐患，有望作为传统化学消毒剂的替代品，应用于食品包装、器械等表面消毒，也可通过喷洒的方式用于空气消毒。但由于该方法毕竟是一种新的消毒手段，与微生物的作用机制仍需进一步研究，且应用于空气消毒的有效性有待进一步评估。

单一的物理或化学消毒技术由于各自的特点存在消毒效果不佳的问题，而多种技术组合使用的复合消毒技术则有可能弥补单一技术的不足，达到更好的消毒效果。

针对静电吸附无法将微生物有效杀灭的问题，四川大学兰贵天等[27]提出热耦合电晕放电的空气消毒装置，采用阵列线-板电极结构进行电晕放电吸附微生物，负极板内嵌发热丝集中加热进行灭活，结果表明热耦合电晕放电能有效提高病菌杀灭效果，极板残留病毒去除率提升99.97%。Yu等[95]使用泡沫镍制作的高效过滤器，可实现对炭疽芽孢杆菌和SARS-CoV-2的捕捉，并同时加热杀死病原体，从而降低二次感染风险。王志达、房小健等[96-97]均使用臭氧联合紫外线复合消毒技术，分别研究了该技术用于杀灭水中的脊髓灰质炎病毒和空气中细菌的效果，结果表明复合消毒技术比单一消毒技术具有更好的消毒效果。

对于人流量大、相对封闭的公共场所来说，疫情期间的空气消毒十分必要，人员密集接触的门把手、门帘、电梯按钮等物表，交叉传染风险高，有必要进行实时在线消毒。上述各种消毒技术都各具特点，表 1对上述各种消毒技术的特点进行对比。针对空气消毒需求，对于无人时，可采用紫外线、电离辐射、喷洒化学消毒剂的方式进行消毒。有人时可采用光催化、等离子体或喷洒等离子体活化水的方式进行消毒，但光催化需注意催化剂的失效问题，等离子体需要控制好臭氧等副产物。

节1.3.1中已经介绍产生等离子体的放电方式有多种，从放电等离子体产生和作用的区域来讲，可以分为“点” “线” “面”3种(如图 4)。电晕放电通常是针板结构，针电极上加高压在针尖处形成极不均匀电场，从而发生电晕放电，放电区域的等离子体仅存在于针尖附近，因此可以看作是“点”等离子体。线状电晕放电结构或同轴线筒结构的介质阻挡放电，放电产生的等离子体集中在轴心的线状电极附近，可以看作是“线”等离子体。而由网状电极结构组成的介质阻挡放电，放电产生的等离子体可以覆盖整个电极表面，可以看作是“面”等离子体。

虽然等离子体作为一种绿色高效的空气消毒技术被广泛研究，但实际应用中仍有一些关键问题亟待解决：

1) 放电结构设计。商场、超市、地铁等公共场所人流量大，通常采用集中中央空调进行空气循环，公共场所面积越大，中央空调的风量和风道的截面积也越大，一般风机风量可达几千至上万m3/h，风道的截面积达到几至十几m2。如何设计合理的放电结构，实现覆盖整个风道的大面积放电，是等离子体消毒应用于大风量集中中央空调的关键技术之一。设计放电结构时还需考虑尽量减小阻力，以降低风机的功耗。

2) 电源技术。放电单元的等效电容随尺寸增加而增大，对电源的带载能力要求也提高。选用交流电源或是脉冲电源，以及确定电源的相关参数，需根据放电单元的参数而定，还需要兼顾放电和消毒效果。

3) 副产物消除技术。通常放电产生等离子体的同时会产生臭氧等副产物，需要采用适当的手段(如催化剂或活性炭吸附等)处理这些副产物，如不处理可能会对人体造成伤害。

若能够设计合理的放电单元，选用合适的电源驱动，消除反应副产物，实现能够覆盖整个风道的大面积放电，等离子体技术会成为大尺寸中央空调空气消毒的最佳选择，能够降低人际交叉感染，解决公共场所的空气消毒难题，具有十分广阔的应用前景。

清华大学气体放电等离子体团队基于多年在气体放电等离子体物理和杀菌消毒应用的研究工作[84, 98-101]，研制出用于中央空调空气消毒的等离子体消毒模块，包括放电结构、催化剂和电源等部分。放电结构由多个放电微单元组成，每个放电微单元是一组介质阻挡放电结构，然后由微单元拓展成面放电结构。放电结构的尺寸与所安装风道的尺寸相匹配，截面大小为15 cm×60 cm。使用二氧化锰(MnO2)或氧化钛(TiO2)催化剂，置于放电单元下游，用于分解放电时产生的臭氧。电源使用谐振电源，能够产生频率1~20 kHz，幅值4 kV的交流电压。等离子体消毒模块已实际应用于清华大学工字厅会议室的中央空调中，安装于风机下游风道中(如图 5所示)，室内空气从进风口进入风道，通过风机后经过等离子体消毒模块，将空气内的病原体杀灭，经排风口排出的即为纯净的空气。

安装等离子体消毒模块后，在256 m3的会议室中测试了标准工况下室内空气中自然菌的循环消杀率和臭氧浓度，在模拟风道中测试了消毒模块的阻力和杀菌一次通过率。

循环消杀率实验测试方法：采样器为ZR-2000B型智能空气微生物采样器，在开启空调风机和等离子体消毒模块前，将5组采样器分别置于室内四角和中间1 m高处，进行室内空气中自然菌采样(采样流量28.3 L/min) 5 min，作为对照组。然后在开启风机和等离子体消毒模块后30、60和90 min分别按照上述同样的方法采样，作为实验组。每组实验重复3次。将采样后的培养基平板置于保温箱中恒温37 ℃培养48 h后，计数菌数，计算空气中总菌数及消亡率。实验结果如表 2所示，从该结果可以看出等离子体消毒模块运行30 min能够消灭空气环境中80%的自然菌，运行1 h以上杀菌率可达90%以上。

使用臭氧分析仪(Thermo Scientific, Model 49i) 检测等离子体消毒模块运行180 min的臭氧浓度，结果如表 3和图 6所示，可以看出消毒模块运行时的臭氧浓度维持在约53~69 μg/m3，仅略高于空气中自然存在的臭氧浓度，远低于国标GB 3095—2012《环境空气质量标准》中关于臭氧浓度的限值(160 μg/m3)，表明该等离子体消毒模块工作时产生的臭氧量低，符合标准，可满足人类健康安全要求。

在实验室建立的模拟风道中对消毒模块在不同风速下的阻力进行测试，使用微压差计(TSI5825)测量消毒模块上下游的压力差即为阻力，结果如表 4所示，从结果中可以看出，阻力随风速的增加而增大，在风速1~6 m/s的范围内，其阻力为19~159 Pa。在空调标准工况运行的风量(600 m3/h)时，通过消毒模块截面的风速约为3.7 m/s，对应的阻力约为60 Pa，满足国家标准GB/T 14295—2019中关于空气过滤器阻力的要求(小于160 Pa)，因此可认为加装等离子体消毒单元阻力很小，不影响空调风机的正常运行。

在同样的模拟风道中对消毒模块进行了一次通过率测试，使用白色葡萄球菌作为消杀菌株，配制一定浓度的菌液通过雾化器将菌液雾化喷入风道中，使用ZR-2000B型智能空气微生物采样器，分别在消毒模块上下游采集细菌，实验重复3次，将采样后的培养基平板置于保温箱中恒温37 ℃培养48 h后，计数菌数，计算消毒模块的一次通过率。在风速为2 m/s的条件下，一次通过率达95.32%。

综上，本文研制的面放电等离子体消毒模块加装于中央空调可实现对室内空气的快速、高效、绿色消毒，能够满足公共场所的空气消毒实际需求。

面对COVID-19的持续传播，切断其关键传播途径十分重要，空气消毒可以阻止病毒以气溶胶的形式传播。本文综述了传统的物理和化学消毒技术，以及新型等离子体相关消毒技术应用于新冠病毒等病原体消毒研究的最新进展，总结了各种消毒技术的消毒机理、适用场景、研究现状和特点。

研究表明加热和多数化学消毒剂能够有效地杀灭SRAS-CoV-2，但是加热方法并不能直接用于空气消毒，而化学消毒剂的残留可能会对环境和人类健康造成威胁。等离子体作为一种绿色快速高效的消毒技术近年来备受关注，等离子体中含有高能带电粒子、活性粒子、紫外线和强电场等多种消毒因子，是一种“鸡尾酒”式的综合消毒技术。最新研究表明，等离子体可有效杀灭包括SARS-CoV-2在内的多种病原体，适用于空气和物表消毒。此外等离子体活化水也是一种极具潜力的新型消毒技术。

等离子体空气消毒应用关键技术包括放电结构设计、电源技术和副产物消除技术。本团队研制的面放电等离子体消毒模块已经在清华大学工字厅中央空调中实际应用，标准工况下运行1 h空气中自然菌的杀菌率可达90%以上，臭氧浓度(53~69 μg/m3)符合国标，阻力约60 Pa，风速为2 m/s的条件下对白色葡萄球菌的一次通过消杀率达95.32%。上述结果证明了本团队研制的面放电等离子体消毒模块可实现对室内空气的快速、高效、绿色消毒，能够满足公共场所的空气消毒实际需求，对于当前疫情防控及今后构建国家生物安全体系有重要意义。