TUhjnbcbe - 2021/8/18 0:38:00
☆吕京，医学博士，研究员收稿日期：-03-概述年英国科学家用氯酸钾水溶液和盐酸反应发现的二氧化氯(ChlorineDioxide，CD)气体刚开始并没有用于消*，但由于CD的强氧化性，其在消*方面的研究和应用越来越多，结果显示CD对各种微生物都有杀灭作用，此外，还有漂白和除异味的作用，在安全性方面未发现“三致”（致癌变、致畸变、致突变）等作用。作为消*剂，CD表现出了广谱、快速、高效、安全等特点，已经被世界各国所接受，成为第四代消*剂，广泛应用于各种消*、保鲜场景。联合国粮食农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)的文件，包括我国的食品添加剂标准，允许CD用于食品领域。鉴于目前的CD应用领域和产品越来越多，尚存在众多的疑问和应用选择困惑等问题，本文拟对CD消*相关的研究与应用进行综述。2分子结构和性质二氧化氯，分子式ClO2，分子量67.45，结构为:，CAS号：-04-4，沸点11°C，常温下为橘绿色气体，扩散和穿透特性良好，可溶于水且不水解，在室温和mm/Hg压力(常压)下的溶解度为3.1g/L。CD有特殊的氯的气味，受热和光照可分解为氯和氧。CD不稳定，可在冲击、摩擦或震荡时爆炸分解，或在迅速加热时分解。CD是强氧化剂，能与可燃物、还原性物质、汞、氨、硫和许多有机化合物发生剧烈反应。在空气中的浓度10%，或在水中浓度30%时可发生爆炸等强烈反应，但在一般的应用场景下不会有如此高浓度。3制备由于CD的良好消*作用，科研人员一直在开发其更广泛、更安全、更便捷、更便宜的使用模式，除气态、稳定液态的形式外，固体、胶体、颗粒、微囊包裹体、泡腾片、缓释型颗粒等各种形态的CD消*剂已经供应市场，并用于居家消*，展现了良好的应用前景。 制备CD的方法可分为电解法和化学法两大类，但化学法是主流方法。化学法包括:用亚氯酸钠(NaClO2)，通过氧化/酸化法(用CL2、HCL等)制备，用氯酸钠(NaClO3)，通过还原/酸化法(用SO2、HCL、H2SO4、CH3OH、H2C2O4等)来制备。CD本身是活性很强的氧化剂，不稳定，对高浓度CD的管理十分严格，其国际运输编号为UN/NA二氧化氯，危害等级5.1，只能在冷冻状态下专业运输。在消*领域，基本是通过一元、二元制剂，现场产生CD气体，或使用稳定液态、稳定固态剂型进行消*。研究表明，固体CD对撞击、摩擦、静电、0~°C范围内的安全性良好。 稳定的液态剂型是将CD气体溶于碱性水溶液中形成稳定液体，固态剂型是用硅酸钙、分子筛、硅胶等多孔性物质作为载体吸附CD稳定液或反应试剂。由于环境中存在CO2、H2O、H+等，固态载体中的CD可缓慢释放，释放时间与产品有关，可达20天以上，在酸性高、湿度大的环境下，释放速率会显著增加。有机稳定性CD产品也有报道。原理是利用有机化合物中的电子作为络合剂，与CD生成络合物或螯合物而制得有机稳定性CD产品。GB/T《稳定二氧化氯溶液》规定了稳定性CD溶液的要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输和贮存。GB/T规定稳定性CD溶液应满足表1的要求，其中I类指标要求适用于生活饮用水及医疗卫生、公共环境、食品加工、畜牧与水产养殖、种植业等领域；II类指标要求适用于工业用水、废水和污水处理。GB/T《二氧化氯固体释放剂》规定了CD固体释放剂的要求、试验方法、检验规则、标志、标签、包装、运输和贮存。该标准不适用于缓释型CD固体释放剂及含液体包装的多元组分的CD释放剂。GB/T规定CD固体释放剂的指标要求见表2。GB《二氧化氯消*剂发生器安全与卫生标准》规定了化学法CD消*剂发生器的技术要求、应用范围、使用方法、检验方法、标志与包装、运输和贮存、使用说明书和铭牌与注意事项，适用于以化学反应产生CD的发生器或消*机。图1是产品的名称规定，分为纯CD消*器和CD与氯气混合型。需注意的是，GB规定的CD发生器是以液体中CD计算的。在消*产品中，也有一类直接发生气体CD进行消*的，目前尚无国家标准。表3为发生器的技术指标要求。4消*机制作为广谱消*剂，CD在分子水平上的作用机制主要是非特异性的。目前的研究显示，CD的作用机制包括：和还原性氨基酸发生反应，如半胱氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、组氨酸和蛋氨酸；破坏嘧啶碱和嘌呤碱的共轭双键。因此，推测CD灭活微生物的机制是干扰微生物蛋白/核酸的合成、功能，抑制酶活性和损伤核酸，使其破解、失去活性、不能进入宿主细胞、不能合成/复制等。CD的氧化性能见表4。5检测方法GB《二氧化氯消*剂卫生标准》规定了以下两种检测方法。5.1紫外可见分光光度法本方法适合于含量在10mg/L~mg/L消*剂中CD的测定，高浓度消*剂可稀释后测定，本方法最低检出浓度为10mg/L。 方法的原理：使用石英比色皿，采用紫外可见分光光度计在~nm波长范围内扫描，观察CD溶液的特征吸收峰，CD的最大吸收峰在nm处，可作为定性依据。氯气在此也有弱吸收，产生干扰。计算时，应采用在nm处的吸收值，吸光度与CD氯含量成正比，且Cl2，ClO-2，ClO-3，CLO-在此无吸收，可作为定量依据。5.2五步碘量法本方法适用于测定消*剂中的CD，同时，还可以测定消*剂中的氯气、亚氯酸根离子、氯酸根离子的含量。本方法适用于由亚氯酸盐、氯酸盐为原料制成的CD消*剂。本方法最低检出浓度为0.1mg/L。方法的原理：该法是利用不同pH值条件下ClO2，Cl2，ClO-2，ClO-3分别与I-反应来测定各响应物质的含量；用硫代硫酸钠作滴定剂，分步滴定反应产生的I2。二氧化氯的分析测定主要是利用它的颜色和氧化性。碘量法、硫酸亚铁铵法等容量分析法适用于较高浓度CD的定量，低浓度CD的测定主要依赖仪器分析，如：光度分析法、电势滴定法、极谱法、离子色谱法等。此外，也有利用传感器的测量方法。6*理学和安全性CD对人体的*性中等至高*，对眼、鼻和喉咙有很强的刺激性，吸入可引起咳嗽、喘息、呼吸困难和肺部充血。CD的气味阈限值0.1ppm(0.3mg/m3)。空气浓度为5ppm的CD对机体有强刺激性，更高的浓度可能导致死亡。国内外都有CD职业中*的案例报道。动物研究表明，CD的大鼠急性经口*性LD50为mg/kg，大鼠急性最小吸入致死量LCL0为ppm/15min。美国的职业卫生标准:TLV-TWA0.1ppm(0.3mg/m3)-ACGIHandNIOSHTLV-STEL0.3ppm(0.9mg/m3)-ACGIHIDLH10ppm(30mg/m3)-NIOSH(注:1ppm=2.mg/m3≈3mg/m3) CD安全数据单的安全警示信息主要包括：―与空气接触或不接触均可爆炸―与可燃材料接触可能引起火灾―引起燃烧―灭火剂：二氧化碳、泡沫、干粉―吸入有极高*性―对水生生物有极高*性―不慎入眼，请立即用大量清水冲洗并就医―接触皮肤后，立即用大量XX(制造商应指定)冲洗―如发生意外或感到不适，应立即求医―穿戴合适的防护服、手套和护眼/护面―不要吸入气体/烟雾/蒸汽/喷剂(制造商应指定适当的措辞)―若通风不足，应穿戴适当的呼吸设备―避免释放到环境中。7应用场景 7.1概述美国在上世纪40年代，就开始使用CD消*尼亚加拉大瀑布的水，CD对水藻类有很强的杀灭作用。CD在除臭、漂白、消杀各种微生物、保鲜、消除某些化学物质(如甲醛)等各方面均有效果，而且在低浓度时，几乎没有*性作用，因而应用领域越来越广泛，日本已经将其引入家居消*，成为日用品。GB《二氧化氯消*剂卫生标准》规定了该产品的应用范围为物体表面的消*；食品加工器具、餐饮具、蔬菜和水果等的消*；生活饮用水(包括二次供水)、游泳池水、医院污水、城市中水的消*处理；非金属医疗器械等的消*(表5)。表6为GB/T规定的CD微生物消*效果指标。GB规定的应用范围和使用方式见表7。GB/T《二氧化氯固体释放剂》描述的一元包装和二元包装的CD固体释放剂主要用作水体、土壤、空气和物体表面的杀菌剂、灭藻剂、除臭剂和氧化解*剂，棉制品、竹制品和木材等的漂白剂。我国年开始将CD正式用于自来水消*。GB—《生活饮用水卫生标准》规定自来水中CD的限值为0.8mg/L，出产水中余量为≥0.1mg/L，管网末梢水中余量≥0.05mg/L。在饮用水中，CD不但可以杀灭微生物，还可以除臭、除色，只要在一定浓度之下，可以认为对人体是没有*性作用的。7.2空气消*空气消*剂的可选择范围更少。空气消*需要不留死角，对暖通空调、隔离器等系统中应用的HEPA过滤器要有穿透作用，消*作用要强，对空间内的设施设备等无损伤作用；消*剂本身要安全，消*过程可控，符合公共卫生、职业健康和环保要求，消*成本经济。甲醛、过氧化氢、二氧化氯是国际主要的用于生物、医学设施相关的空气消*剂。三者的主要性能参数的比较见表8。在生物、医药领域，上述三种常用的空气消*剂仍在广泛使用。特别是在需要达到灭菌(高水平消*)要求的场所，在需要消*路径长/复杂的管道/腔体或需要穿透过滤器的消*场景，甲醛仍是选择较多的气体消*剂，包括欧洲的高等级生物安全实验室。近10年，过氧化氢和二氧化氯的使用在生物安全设施的应用有越来越多的案例。Czarneski(AppliedBiosafety,)用商业的CD气体消*装置对一个新建的生命科学研究设施内的m3的65间房进行了启用前的彻底消*，房间包括各种类型的实验室和动物房，里面家具和设备齐全。消*的CD气体用氯气和液体亚氯酸钠反应溶液制备，消*的条件是密封设施、安全柜等，关闭系统通风，安排好消*装置的设置(方案根据现场情况而定，包括气体发生、散布循环、传感器、加湿器等)。当湿度稳定在RH65%以上30分钟后可以停止加湿并开始消*，推荐的CD气体消*浓度是1g/L(或ppm)下维持2h，也即最终要达到2mg/L*1h,浓度低的情况下需要延长消*时间。生物指示剂用的是枯草芽孢杆菌(ATCC)。国内外文献上报道的CD用于空气消*的案例很多，人们在寻找甲醛的替代品。国内衣颖等进行了比较全面的综述，本文不再赘述，其中关于空间及物体表面消*的案例见表9(引自衣颖等，中国消*学杂志,)。8存在问题CD近几年的应用十分广泛，难免存在各种各样的一些问题，结合作者的经验，本文总结为以下几个方面。8.1关于CD剂型在CD消*剂领域，有一个经常被混淆的概念即CD气体消*的概念。CD确实是气体，但作为消*剂和使用方式而言，很多是利用稳定液态剂型用喷雾的形式进行空间消*。只有用ClO2气体直接消*空间才是真正的气态ClO2消*，技术包括缓释/释放技术、ClO2气体发生器技术等。喷雾消*的剂量和气体消*的剂量是不同的，适用范围和效果也不同，是不同的消*方式。因此，在阅读参考文献时一定要注意区分。8.2关于消*浓度检测现场制备CD存在制备过程中的副产物问题，这决定于制备的技术路线和对反应控制的精确性如何。副产物可能对消*的要求有影响，比如产生其他化学反应、有额外的*性作用、腐蚀被消*的物品、干扰CD的消*效果、干扰CD检测结果、化学残留等。CD是强氧化剂，在有还原性物质、有光等存在的情况下反应加快或本身分解。缓释CD的浓度控制问题更为突出。有文献表明，对各种CD消*产品抽样获得的92个样本中，实测的CD有效含量达不到产品标签含量值的产品数高达85个。在现场消*场景下，准确控制浓度和浓度检测仍是个难题。制备CD的过程中基本会有副产物，消*现场CD浓度的均匀性、稳定性很难控制和监测，一般用平均值表示。应注意高风险部位浓度的重点监测，避免发生误导。在使用CD消*时，浓度的动态变化较大，应评估进行消*效果评价的需求。8.3关于消*效果消*效果评价的难点主要涉及空间消*的效果评价，各类消*剂均存在此问题。假设我们对一间BSL-3实验室进行了终末气体消*，所用的BI指示剂也显示了消*效果符合要求，那么我们认为房间是真的达到消*效果了吗?即使假定消*过程完全正确、浓度检测和微生物指示结果完全无误，答案也是不一定。因为消*剂对不同物体的穿透性和扩散性是不同的，BI的表面和微生物的存在状态与实验室内各种物体的表面和微生物的存在状态(比如在培养液中、血液体液中、组织中等)非常不同，消*效果会截然不同，国内外已经有多位研究者观察到了此现象。消*剂厂商所列的消*性能通常是在理想状态下的结果，就如汽车的标称油耗和消费者实际的油耗不同一样。因此，更重要的是建立符合自己机构活动的基于风险评估的消*和效果评价方案，而不能照搬文献；对消*水平和目标菌的选择也应符合应用场景，避免过度或不足。用户最关心的是消*效果，消*效果必须稳定和可靠，特别是对高致病性病原体的消*，因为在实际中只能用指示菌代表消*效果，而消*效果受诸多的因素影响。英国有BSL-3(CL3)实验室系统评价了该实验室一直用的甲醛和3种过氧化氢商品消*机、一种CD商品消*机和一种商业臭氧消*机的气体/熏蒸消*效果比较，消*的目标菌包括2种芽孢杆菌、一种分支杆菌和一种病*培养液。结论是，除了致癌性问题，甲醛仍是广谱、效果、可靠性、经济性等综合指标最好的气体消*剂；CD的消*效果与甲醛相当，商业气体消*机成本相对较高，消*系统性的复杂有可能带来可靠性方面的担心；3种H2O2设备实际应用的消*效果的差异性较大，干雾的效果最好，但仍明显不如甲醛和CD的效果，消*大空间的效果不好；O3对芽孢和分支杆菌、对溅洒液体的消*效果明显差，实验所用痘苗病*(Vacciniavirus)对O3敏感。甲醛虽然是明确的致癌物，但作为专业设施的消*剂使用仍未被明令禁止，原因是目前尚未有完全可以替代甲醛的消*剂，在专业设施中应用的风险是可控的。有研究认为，环境pH值对CD的消*效果有影响。8.4关于腐蚀性CD和H2O2都是强氧化剂，在消*浓度范围内，如果发生的CD气体纯度高、H2O2消*的温湿度控制恰当，对化学性质稳定的材料一般不会发生腐蚀现象。对铜等金属有一定的腐蚀性。 8.5关于安全性用于饮水、清洗水果蔬菜等液体消*，CD是一种安全的消*剂，在加热或清洗后残留应该极少。关于空气中的卫生标准，美国的职业卫生标准是：8小时时间加权容许浓度(TWA)0.1ppm(0.3mg/m3)；短时间接触容许浓度(STEL，15分钟内)0.3ppm(0.9mg/m3)；立即威胁生命和健康的浓度(IDLH)10ppm(30mg/m3)。对照表9可以看出，用于专业设施空间的消*浓度特别是要达到高水平消*的浓度(推荐的CD气体消*浓度是ppm下维持2h)远高于IDHL(指有害环境中空气污染物浓度达到的危险水平，如可致命、可永久损害健康或可使人立即丧失逃生能力)。因此，在使用高于0.3ppm的气体浓度时，无呼吸防护的人员不应在现场。此外，我们还要澄清一个概念，即职业卫生标准不能引用为公共卫生标准或居家室内卫生标准。职业卫生标准仅适用于工作场所，保护的对象是职业人群。虽然国内外有各种居家使用的CD产品，在国家没有相应的卫生标准时，不可进行误导性宣传。CD是一种明确的有*性作用的强氧化性物质，为了消除某种不利的因素(如除异味、防霉防菌等)可以短期使用，同时应注意通风换气，不建议作为居家空气消*剂连续和长期使用，虽然很难观察到*性反应。此外，还有副产物的*性问题。9未来发展CD是通过氧化反应而不是氯化反应起作用的，所以氯化有机化合物的形成是有限的；CD分子的大小约为0.nm，雾的大小约为5μm；在*性方面，未观察到“三致”作用；在消*效果方面，广谱、高效；CD是潜力巨大的新一代消*剂，事实也证明如此。未来的重点工作首先是研究建立不同CD消*产品的质量和卫生标准。目前，出现了超出现有标准范围使用的各种各样的CD剂型和应用方式，缺乏对应的质量标准和权威评价。在安全方面，缺乏作为公共卫生产品的标准和作为日用品的卫生标准，也缺乏CD制备和消*过程中产生的副产物的处置标准。否则，良莠不分、无序的竞争将阻碍CD产品的可持续性发展。考虑到成本，有些制造商并不注重产品的系统评价。在检测方面，应研究开发便携的低浓度CD快速检测、在线检测仪器。国家标准规定的五步碘量法的最低检出浓度为0.1mg/L，约为36ppm，已经远远超过IDLH(10ppm)，很难应用于低浓度应用场景。幸运的是人类对CD的嗅阈约为0.1ppm，闻到时表明已经超过TWA了，但绝不可依赖嗅阈作为安全保障，因为嗅阈有极大的个体差异和阈值提高。在专业设施(如高等级生物安全实验室、动物房、药厂等)的应用中，应开发更加易于使用、简单可靠的高浓度高纯度CD气体发生装置或反应剂，以方便使用和降低成本。同时，应进一步研究专业设施内不同应用场景的消*程序、指示菌效果和可行性，气体并不能做到无孔不入。免费领取杂志1）长按下方