《Journal of Hazardous Materials》：Synergistic Air Disinfection by Far-UVC and Negative Air Ions in a Portable Device
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本实验通过便携式消毒设备研究Far-UVC与负离子发生器的协同效应，发现光照反射优化可提升消毒效率20%-110%，病毒对负离子更敏感，细菌对Far-UVC更敏感，水平排列双Far-UVC灯效率优于垂直排列，验证了两者协同作用对细菌灭活效果超过单一效应之和。
H.H. 张 | A.C.K. 赖
香港城市大学建筑与土木工程系，香港九龙达赤大道
摘要
局部空气消毒是减少空气传播病原体的有效策略，尽管结合多种方法可能只会产生叠加效果，在某些情况下则可能产生协同效应。本研究通过实验测试了定制便携式消毒装置中单独使用远紫外线（Far-UVC）和负离子发生器的单次消毒效率。研究全面考察了多个影响因素：光线重新分布、离子发生器数量、远紫外线灯的排列方式、流速以及微生物类型。测试了四种微生物，包括两种常见细菌（大肠杆菌和表皮葡萄球菌）以及两种代表病毒的噬菌体（MS2和P22），流速范围为81至144立方米/小时。结果表明，通过增强墙面反射来重新分布光线，消毒效率比无光线重新分布的情况提高了20%至110%。同时评估了微生物对远紫外线的敏感性，并确定了其对负离子的敏感性。结果显示，空气中的大肠杆菌对远紫外线最为敏感；与细菌不同，空气中的病毒MS2和P22对负离子更为敏感。实验还发现，远紫外线与负离子结合使用对所测试的细菌具有协同效应，其消毒效率超过了两者单独使用时的总和。此外，两个远紫外线灯水平排列比垂直排列具有更好的消毒效果。本研究的结果为提高空气消毒性能提供了宝贵的见解，有助于开发新型便携式消毒设备。
引言
在过去二十年里，出现了几种与室内气溶胶或空气传播相关的传染病威胁，包括SARS、MERS、禽流感和导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒。虽然飞沫和污染物传播是重要的感染途径，但空气传播同样至关重要。有效的消毒可以消除病原体的传染性。在所有实用的空气消毒方法中，UVC（200-280纳米）辐射被认为是一个有吸引力的选择，因为它初始成本低、维护方便，最重要的是消毒效果显著。在这一波段中，通常由低压汞灯产生的254纳米UVC被认为具有最强的杀菌能力，因为其波长与核酸的最大吸收波长相似，从而破坏病原体的复制并有效使其失活[1]。已有大量研究使用254纳米UVC来消毒或灭菌水、食品和医疗设备。然而，对于某些病毒而言，UVC的消毒效果较低。此外，传统的UVGI（紫外线杀菌照射）方法（通常使用254纳米汞灯）存在几个关键缺点，包括因过度暴露而带来的安全问题、汞含量高、抗冲击能力低以及预热时间长[2][3]。迫切需要新的替代措施来提高消毒效果和安全性。
最近，222纳米远紫外线因其高杀菌效果而受到关注。它通常由激射氪氯（KrCl）产生的光源（如准分子灯）生成。虽然254纳米UVC被DNA/RNA吸收，但222纳米远紫外线可以被多种细胞分子（如肽键、氨基酸和酪氨酸）有效吸收，导致细胞受到难以修复的广泛损伤[4][5][6][7]。远紫外线的消毒效果明显优于传统的254纳米UVC和其他紫外线波长。例如，222纳米远紫外线对枯草芽孢杆菌孢子的一级灭活速率常数分别是174纳米和254纳米光的53倍和1.8倍[7]；对于大肠杆菌，222纳米远紫外线的效力几乎是254纳米紫外线的两倍[6]。研究显示，低剂量（2毫焦耳/平方厘米）的222纳米远紫外线已足以使H1N1流感病毒失活95%，人类冠状病毒失活99.9%[8][9]。然而，有研究表明，222纳米远紫外线对真菌菌丝和孢子的消毒效果不如254纳米UVC[10]。我们的研究团队证明，在相似剂量下，222纳米远紫外线在生物气溶胶消毒中的效果与254纳米UVC相当[11]。实验表明，远紫外线光能有效灭活细菌[12][13]、噬菌体[14]和人类冠状病毒[15][16]。此外，还有研究显示它可以在表面（包括硬质材料和织物）上灭活微生物[17][18]。
除了UVC辐射外，使用针状电极进行空气电离也是室内空气消毒的有效方法[19][20][21][22]。空气离子的抗菌机制可能是当细胞膜获得足够电荷时，会导致细胞膜结构破坏[23]。已经研究了负离子[20][22]和正离子[24]的抗菌效果。例如，Hyun等人[25]使用安装在过滤器上游的碳刷离子发生器，根据过滤器上沉积的病毒颗粒浓度（无论是否暴露于正负离子），测试了其抗病毒效果。他们的结果表明，MS2病毒的灭活效率随离子暴露时间和浓度的增加而提高。MS2病毒的敏感性常数为5.4 × 10^-3颗粒/离子。值得注意的是，文献中很少报道空气离子对生物气溶胶的定量敏感性常数。缺乏此类信息阻碍了实际应用中离子浓度的准确测定。
尽管关于空气消毒技术的研究很多，但目前尚无研究探讨远紫外线和负离子发生器结合使用在灭活空气中的细菌和病毒方面的效果。空气离子主要针对细胞壁和膜结构[23]，而UVC（或远紫外线）辐射则攻击核酸（RNA/DNA）和多种细胞分子[1]。由于这些不同的抗菌机制，当“正确”结合这些方法时，可能会产生协同效应。
使用便携式局部空气消毒装置是一种有前景的工程方法，可以减轻室内环境中的气溶胶和空气传播。因此，本研究评估了在不同条件下远紫外线光、负离子以及它们联合使用的单次消毒效率。这是首次全面研究便携式空气消毒装置中远紫外线和负离子联合使用的性能。通过综合实验，评估了微生物类型、流速、辐照分布、离子发生器数量和远紫外线灯排列方式对消毒效果的影响。分别确定了不同微生物对远紫外线和负离子的敏感性和抵抗力。还分析了远紫外线和负离子联合使用在灭活生物气溶胶方面的协同效应。本研究的结果不仅提供了关于远紫外线和负离子在不同流速下消毒效果的见解，还有助于开发下一代消毒设备。
实验测试系统
为了评估远紫外线光和负离子的效果，我们设计并构建了一个测试系统，包括生物气溶胶的产生、消毒单元中的远紫外线/离子暴露以及生物气溶胶采样。实验装置的示意图如图1所示。生物气溶胶是通过空气压缩机、过滤后的空气供应（美国TSI公司Model 3074B）和24喷头碰撞雾化器（美国CH Technologies公司）生成的。
一个垂直的、独立的、便携式的消毒原型机
远紫外线消毒
图2显示了在没有光线重新分布（基线情况）和有光线重新分布的情况下，四种微生物在四种不同流速下的单次消毒效率。观察到随着流速从81立方米/小时增加到144立方米/小时，所有情况下的单次消毒效率都有明显下降趋势。以基线情况为例，大肠杆菌的单次消毒效率下降了52%，表皮葡萄球菌下降了59%，
结论
在这项工作中，我们进行了全面实验，评估和比较了远紫外线和负离子在不同因素（包括光线重新分布、微生物类型、流速、离子发生器数量和灯的排列方式）下的联合和单独消毒效果，重点关注便携式消毒单元的单次消毒效率。
结果表明，与基线相比，光线重新分布使远紫外线的消毒效率提高了20%至110%
环境影响
局部空气消毒是减少室内空气传播疾病的关键策略。本研究评估了远紫外线和负离子对细菌和病毒的消毒效果。结果表明，远紫外线和离子发生器之间存在协同效应，这具有重要意义。一些空气中的微生物对某些消毒方法具有抗性，但对其他方法则不那么敏感。这意味着，如果能在同一设备中结合使用合适的方法，将
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国香港特别行政区研究资助委员会的研究影响基金[R1016-20F]和中国香港特别行政区食物及卫生局的健康与医学研究基金[21201002]的支持。
