1 生态消毒技术的提出与意义

物理消毒法和化学消毒法是常用的消毒方法。物理消毒法包括:高温、紫外线、电离辐射、干燥、超声波、渗透压和过滤等, 其中200~ 300 nm的紫外线具有较强的消毒作用, 是常用的消毒方法。化学消毒法利用化学消毒剂消毒, 包括结合型消毒剂(重金属盐类、醇类、醛类、双氧乙烷等)和氧化型消毒剂(H₂O₂、KMnO₄、过氧乙酸、卤素类等), 其中氧化型消毒剂是常用的消毒剂。物理消毒法和化学消毒法属于人工消毒法。各有其特点:物理消毒法方便经济, 但常受设备条件限制; 化学消毒法消毒效果较好, 但有毒性且不经济。两种消毒方法都存在使用不当造成二次污染的问题, 这是现代消毒学中难以解决的一个难题, 也是现代消毒学的重要发展方向。将物理消毒法和化学消毒法结合起来, 建立一种能持久、自动、经济消毒的方法, 是卫生消毒学和军用化学毒物(战剂)、生物战剂消毒学领域所追求的理想技术———生态消毒技术。半导体多相光催化技术是近20年来发展起来的新兴研究领域, 反应体系在光催化材料作用下吸收光能直接转变为化学能, 使许多通常难以实现的反应在比较柔和的条件下顺利进行, 光催化以其强劲的氧化能力可无选择性的分解破坏有机物, 引起化学和材料科研工作者的关注。如何把光催化技术应用于卫生保健材料领域, 尚未引起重视。

本研究将物理消毒法和化学消毒法结合起来, 利用改进的半导体多相光催化技术, 建立了一种持久、自动、经济消毒的新方法──复合掺杂半导体光催化材料消毒技术, 为卫生消毒学, 特别是军用化学毒物(战剂)、生物战剂消毒学领域提供所要求的生态消毒技术手段。生态消毒技术是将物理、化学消毒技术相结合的物理化学毒新技术。包括三个方面的内容:一是利用半导体光催化、低温等离子体等有关物理化学技术, 加工自然物质(如水(H₂O)、空气中氧气(O₂))和过氧化氢(H₂O₂)等无害原料, 原位合成高活性氧自由基类消毒剂; 二是利用原位合成自由基消毒剂的强氧化性对细菌、病毒和毒剂毒物等有机物进行无选择性深度氧化, 达到消毒目的; 三是剩余消毒剂可因本身的高活性自行分解为无害物质。因此, 该类消毒剂可称为生态消毒剂, 该类消毒技术可称为生态消毒技术。

具有自动消毒功能的复合掺杂半导体光催化材料具有生态材料的特征, 可以被认定为生态材料, 具有自动消毒功能的复合掺杂半导体光催化材料消毒技术是一类新型生态消毒技术, 生态消毒技术是21世纪实现人类可持续发展要求的消毒技术。

2 复合掺杂半导体光催化材料消毒技术的建立

复合掺杂半导体光催化材料消毒技术是一种以掺杂的复合半导体光催化剂催化氧化技术为主的消毒技术, 辅以含Cu⁺⁺、Zn⁺⁺、Ag ⁺离子的无机复合盐抗菌技术和稀土离子激活技术的复合消毒新技术。它充分利用了光催化和复合盐技术的消毒效果, 是一种以光催化氧化技术为主, 具有见光自动、持久消毒显著特点的新消毒技术。

复合掺杂半导体光催化材料消毒原理为:在微量水(H₂O)、空气(主要是O₂)和光的作用下, 复合掺杂半导体光催化材料表面催化产生高活性电子e^-、空穴h⁺和自由基(·H、OH、HO₂ ·、·O₂ ^-等), 无选择性的氧化材料表面的各种有机物, 起到净化有机、无机污染物, 彻底杀灭细菌、病毒和分解毒剂毒物的作用。无光的条件下, 材料中的复合无机抗菌剂亦有自动杀灭细菌的作用。

复合掺杂半导体光催化材料的抗菌消毒活性是材料设计的关键技术, 利用量子化学理论研究结果, 设计发明的复合掺杂半导体光催化材料除采用复合抗菌消毒技术外, 主要对光催化材料技术作了两方面的改进:一是原料采用纳米级的半导体光催化材料, 提高光能吸收率和光催化活性; 二是采用缺电子元素掺杂(如, 硼元素)的复合半导体光催化剂使半导体的电子和空穴轨道能级相互重叠, 使光激发范围由紫外线激发扩展到可见光线激发, 显著提高复合半导体光催化剂的催化活性。从辐射消毒技术的角度看, 复合掺杂半导体光催化消毒技术本质上可称为可控光激发拟电离辐射消毒技术(The controlled photoexcited quasi-radiation disinfection technology, 简称CPRDT), 其消毒机理与电离辐射消毒的间接自由基作用机理是类似的, 但无电离辐射的直接作用的缺点, 不对生物系统产生直接损伤, 有比电离辐射消毒更优越的特点。

复合掺杂半导体光催化材料产生消毒活性的自由基机理, 材料中的复合半导体光催化剂以TiO₂代表, 其杀灭细菌和病毒的机理很复杂, 反应过程中产生多种高活性自由基, 如:

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具有自消毒功能的复合掺杂半导体光催化材料是将设计优化的抗菌无机盐、复合半导体光催化剂及稀土制成活性原料加入掺杂硼的硅酸盐材料中, 在特定的工艺条件下加工成的消毒材料及制品。

本研究研制发明的具有自消毒功能的复合掺杂半导体光催化材料, 已于1997年1月申报国家发明专利, 2002年2月国家知识产权局授以国家发明专利权(专利权号ZL97105602.1), 成为具有自主知识产权的新型卫生保健材料和生态环境材料, 其中实现可见光波段的半导体光催化氧化技术早于国内外有关报道。

3 复合掺杂半导体光催化材料的自消毒效果评价

为检验具有自消毒功能的复合掺杂半导体光催化材料的消毒效果, 分别用大肠埃希氏菌ATCC-25922和自备HBV大三阳血清作为细菌和病毒的代表, 并用普通搪瓷材料产品作对照, 按消毒技术规范要求对研制发明的复合掺杂半导体光催化材料进行消毒效果评价, 其结果如下。

3.1 材料与方法 3.1.1 材料

研制发明的复合掺杂半导体光催化搪瓷材料; 普通搪瓷材料。菌种:大肠埃希氏菌ATCC-25922, 自备HBV大三阳血清光电比浊计: VITEK-DR1000营养琼浆:购自浙江省军区后勤部卫生防疫检验所乙肝表面抗原ELISA检测试剂盒(亚利公司提供, 批号9612233-1)乙肝病毒PCR基因检测试剂盒(复生公司产品, 批号9705)

3.1.2 方法 3.1.2.1 杀菌效果

试验①麦氏单位菌液中的活菌数:将大肠埃希氏菌ATCC-25922培养18 ~ 24 h后的菌落用0.45 %NaCL配制0.5 #麦氏单位菌悬液, 并按1: 10, 1: 10², 1: 10³, 1 : 10⁴, 1 : 10⁵ ……1 : 10⁸稀释, 各取1mL高压灭菌的15 ml营养琼浆(冷却至40 ℃左右)混匀倾注平皿。培养18~ 24 h后选取菌落数在30~ 300的平皿进行菌落计数。②杀菌率试验:取各稀释度的菌液1 mL在直径为10 cm试验材料表面中涂匀, 放置在室内2 h, 均用2mL生理盐水洗脱, 重复5次, 收集洗脱液, 各取洗脱液1mL与经高压灭菌的15mL营养琼脂(冷却至40 ℃左右)混匀倾注平皿。培养18~ 24 h后选取菌落数在30 ~ 300的平皿进行菌落计数。每种材料实验3次, 取菌落数的平均值。

3.1.2.2 杀灭病毒效果试验

用PCR技术评价消毒剂和消毒方法对乙肝病毒(HBV)的效果比其他方法要求更苛刻, 结果更可靠。其要求杀灭效果必须: ①在分子量级上杀灭率100 %, ②要求消毒剂和消毒方法使病毒失活而且要打碎乙肝病毒DNA的特定基因片段。稀释血清:将自备HBV大三阳血清用生理盐水倍比稀释至1: 2²~ 1 : 2¹⁰。血清滴度ELISA测定:将上述稀释好的各滴度血清ELISA进行测定, 严格按操作说明书进行。稀释血清的材料处理:取上述稀释好的滴度血清10 μL均匀涂布于复合掺杂半导体光催化材料和普通搪瓷材料表面, (直径1 cm左右), 室温放置, 中间加10 μL生理盐水混匀, 3 h后用20 μL生理盐水洗干迹出留样进行PCR检测。PCR检测:根据ELISA滴度测定结果并取相应滴度血清的干迹洗样进行PCR检测, 按94 ℃ 30 s、55 ℃ 30 s、72 ℃ 60 s扩增35个循环, 2%琼脂糖凝胶电泳(5 V cm, 30 min), 紫外灯下380bp处出现橙黄色条带为HBV阳性。设双阳对照:试剂盒所带阳性对照及普通搪瓷材料处理的自备稀释血清的阳性对照。

3.2 结果 3.2.1 杀菌效果

杀菌效果用GE系数和杀菌率表示其绝对和相对效果。杀菌效果(Germicidal Effect): GE =LogN_C-LogN_D, 式中N_C为光照前加入的菌落数, ND为光照一段时间后消毒液的生长菌落数。

杀菌率亦可以说明杀菌作用的水平, 杀菌率用于不同的消毒剂和消毒方法的评价时, 应用相同的稀释度的菌液。表面消毒效果的评价最好能将GE系数和杀菌率结合起来: GE系数表示杀菌效果的绝对水平, 杀菌率表示杀菌效果的相对水平。

3.2.2 杀灭病毒效果

血清滴度ELISA测定:自备血清ELISA滴度为1 : 2¹⁵。PCR检测:根据ELISA滴度测定结果选择1 : 2¹⁵ ~ 1 : 2¹⁹滴度的稀释血清进行PCR扩增, 结果显示:普通搪瓷材料1 : 2¹⁵的自备血清出现阳性对照的380 bp带, 复合掺杂半导体光催化搪瓷材料处理的1: 2¹⁵ ~ 1: 2¹⁹稀释血清未出现380 bp带。

4 讨论

国家卫生部1991年《消毒技术规范》要求在10⁶的活菌数下的杀菌率需大于99.9%, 按此标准研制开发的复合掺杂半导体光催化材料的自动杀菌效果达到上述要求, 其GE = 3.814, 杀菌率>99.99%。从GE系数看复合掺杂半导体光催化材料(GE =3.814)的自动消毒效果远远大于普通搪瓷材料(GE =0.715), 复合掺杂半导体光催化材料的自动杀菌效果是普通搪瓷材料效果的1 256倍。综合两个杀菌效果指标及杀灭病毒效果试验结果, 本研究研制发明的复合掺杂半导体光催化材料确有可靠的杀灭细菌和病毒作用。普通搪瓷材料没有对HBV的杀灭作用。

根据复合掺杂半导体光催化材料的设计原理, 在微量水和光线作用下, 复合掺杂半导体光催化材料能自动催化产生具有强氧化性的自由基, 无选择性的氧化甚至矿化各种有机物(包括毒剂、毒物、DNA、RNA等)从而起到杀灭细菌、病毒和毒剂、毒物的作用。效果评价结果表明自消毒复合掺杂半导体光催化材料具有完全彻底杀灭细菌和病毒的作用。PCR检测结果, 也提示了该材料杀灭HBV的机理是通过无选择性氧化乙肝病毒DNA片段的机理(即强氧化性自由基杀灭病毒的机理)进行的, 可以推论其对艾滋病(AIDS)等病毒同样具有杀灭作用。

复合掺杂半导体光催化材料将物理消毒和化学消毒结合起来, 成功模仿电离辐射的间接作用的消毒原理, 克服了电离辐射消毒的缺点, 实现可见光波段的半导体光催化氧化技术, 是一种新型生态消毒技术, 理论上具有重要的学术意义。按照该技术无选择性的氧化甚至矿化的消毒原理, 复合掺杂半导体光催化材料消毒技术同样是理想的生物战剂和化学战剂的生态消毒技术, 具有广阔的推广应用前景, 有关模拟生物战剂和化学战剂的消毒效果评价将另文报道。