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核技术在新冠疫情防疫中的应用评述

新冠疫情 核孔模 辐照灭菌 医疗废水
发布:2021-01-07 09:34:11     来源:核技术期刊

本文从核孔膜技术、辐照灭菌技术两个方面总结了核技术在口罩和医疗物资生产、医疗垃圾和废水处理等领域助力疫情防控的具体应用。对不同技术的原理、特点、应用以及在新冠肺炎中的具体应用进行了重点调研,以期对核技术的发展及疫情防控应用提供思路和参考。

在2019年接近年末之时,新型冠状病毒(Novel Coronary Pneumonia,COVID-19)悄然而至,严重影响了人民的生活和经济的发展。2020年1月20日,钟南山院士确认COVID-19可以“人传人”后,全国人民众志成城,抗击疫情,医务人员奔赴前线,人民群众居家隔离。

绝大部分新型病毒,其特点是致病能力强、传播能力弱,而新冠病毒却对人类机体表现出很强的适应性,传播能力极强,感染的人临床表现为肺部炎症进而引发肺炎,如果身体免疫力差且有其他病症的患者,很快就会恶化为危重病人,甚至导致死亡。突如其来的疫情让整个社会措手不及,很多问题开始出现。第一是防护口罩的问题,病毒很容易通过口鼻传播,专家建议佩戴合适的口罩方可有效隔绝病毒。然而时值春节,很多工人放假回家或由于疫情不能快速返回岗位,口罩的生产供不应求,且一次性口罩使用寿命短,无法通过快速消毒而循环使用。第二是医疗物资紧缺,医护人员得不到有效的防护,暴露于危险的病毒面前,究其原因除了工人欠缺以及原料物资匮乏外,另一个因素就是生产好的防护物资需要经过消毒杀菌,这一程序一般需要7 d左右,如此长的消毒周期大大延长了医疗物资送达医护人员手中的时间。第三是医疗垃圾和医疗废水的问题,疫情期间,医院是主战场,产生了很多医疗垃圾和医疗废水,这些废物废水中含有大量的新冠病毒,如果处置不当,可能引发二次传染。在诸多问题面前,各行各业助力,核技术也为抗击疫情做出了贡献。

辐照技术在大气、废水和污泥的净化处理中的应用,使传统处理技术渐渐离开历史的舞台,更高效、低耗能、更彻底是辐照技术相对于传统技术的厉害之处。本文通过介绍几种核技术在疫情中的具体应用,来进一步加深对核技术的认识以及拓宽核技术的应用领域。

1 核孔膜技术助力口罩生产

1.1  核孔膜的制备和特点

利用核反应堆或重离子加速器产生的高能射线,如4~5 MeV的α粒子,照射薄膜材料,使聚合物中的化学键断裂,继而进行蚀刻,即可得到与高能离子路径一致的圆柱形孔道,这种多孔膜称为核孔膜(Nuclear Pore Membrane,NPM)。沿着高能离子路径进行蚀刻的现象称为径迹蚀刻,该现象由Young等[2]于1958年首次发现,随后得到了较为充分的发展。其中常用的核孔膜制备材料有高分子聚合物膜、云母、玻璃和二氧化硅等,而高分子聚合物膜由于具有优异的机械强度和良好的稳定性以及易于蚀刻等特点而备受推崇,其中以聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)为代表而被广泛地研究和应用。

孔径控制在0.1~1 μm的核孔膜称为毛细孔膜,这种膜的制备原理如下:235U在核反应堆中的热中子轰击下发生裂变,产生的碎片能够穿透有机高分子的薄膜,在碎片穿透过程中,高分子链中的电子吸收部分能量,引发化学键断裂、分子结构改变、不饱和键的生成等过程,继而使局部地区的反应活性升高,称为“径迹核”,直径为5~10 nm。这部分结构氧气、紫外线、有机溶剂等较为敏感,经过进一步的氧化,以适当的化学试剂进行蚀刻,就可以把薄膜表面的通道蚀刻成圆柱状的微孔(图1[3])。此外,通过控制热中子的反应堆条件以及辐照时间、剂量等因素,以及改变蚀刻的化学试剂和时间等,即可获得具有不同孔密度或孔径的核孔膜材料[4]。重离子加速器的应用使得改变轨迹形成粒子、孔道角度分布和孔道的长度成为可能。它们的孔隙大小、形状和密度调节范围大,孔道形状可根据需求蚀刻成圆柱形、弹头形、漏斗形、雪茄形、单锥形或双锥形,适用于各种应用领域[5-7]。此外,高分子薄膜具有润湿性好、稳定性好、耐腐蚀等优点,且相较于传统膜材料,核孔膜的结构和性质精确可定位,展现出很强的应用潜力。


 图1 核孔膜的高分辨SEM照片,内置图为核孔膜截面的SEM放大照片

1.2  核孔膜的应用

1.2.1 作为模板制备功能化材料

核孔膜具有规则的孔道,因此也可作为模板,制备以为纳米材料。其原理是将材料(如金属、半导体或聚合物等)采用不同的方法沉积在核孔膜孔道的内部,使得沉积材料的尺寸与其孔道形状保持一致,去除模板后即可得到纳米线等一维纳米材料。相较于传统的多孔氧化铝薄膜等模板材料,核孔膜具有明显的优势,如孔道密度调节范围大、润湿性能好、孔道形状和尺寸易于调节、耐腐蚀性能好,应用范围广等。清华大学核研院陈靖教授课题组多年来致力于开发核孔膜的不同应用,Yuan等[3]通过电化学沉积的方法在核孔膜内成功制备了金纳米线(图2[7]),其几何外形和形态结构可以进行精确控制,且改变不同的电解液可获得合金纳米线等材料。Yu等[8]以核孔膜为模板,在其孔道内部生长ZIF-8,制备纳米线,去除核孔膜模板后,ZIF-8的纳米线能够自支撑,以膜的形态用于过滤溶液中的铀酰离子。这些以核孔膜为模板的材料制备方法简单、应用范围广,进一步拓宽了核孔膜的应用领域。


 图2 以核孔膜为模板制备多空金纳米线的SEM图

1.2.2 作为微孔滤膜净化水质

核孔膜独特的孔道结构,使其在精密过滤、水质净化等方面获得高度重视。相较于其他滤膜材料,核孔膜具有以下特性:

1)核孔膜属于筛孔型过滤介质。相较于传统的网状滤膜,核孔膜的最大特点是具有真实的几何意义上的孔径;2)孔径大小尺寸严格可控,圆柱形直孔可根据需求进行调节。在低压力下即可过滤大量液体,具有很高的分离选择性,截留特性好;3)结构薄且密实,孔隙率低。比表面积比其他滤膜小几十倍,对溶液中其他有效成分(如天然矿物质和微量元素等)不吸附,避免成分流失;4)材料是聚合物。没有任何物质会迁移到溶液中,不会造成干净溶液的二次污染,相比传统滤膜,更加干净环保;5)表面光滑平整而且透明,几乎不吸水。截留的固体颗粒堆积在光滑的膜表面上,利于固体与膜进行完全分离,方便进行后续的分析实验,如微量元素分析、光学分析和电子显微镜分析、质量分析等,且其光滑的表面无吸附,无纤维脱落,易于清洗;6)机械强度高,柔韧性好,可折叠,可反复热压处理,反复清洗、多次使用,降低成本。

基于以上特点,核孔膜作为微孔滤膜已经用于超纯水的制备、开水净化过滤器(图3(a))、输液终端的过滤、石油化工行业的分析测试、环境取样检测等领域[9-11]。

 
图3 核孔膜用作开水过滤器(a),核孔膜窗纱(b),核孔膜防雾霾口罩滤片(c),疫情中生产的核孔膜口罩(d)

1.2.3 生产防雾霾窗纱/口罩

通过改变制备方法可获得锥形杯状的孔道结构,再对其表面进行简单的功能化以后,核孔膜可有效过滤空气中的有害污染物。其原理是筛滤和吸附的双重作用,具体而言,核孔膜上的微米级孔道可有效阻挡大颗粒污染物,而孔道表面的密集电荷和官能团可吸附小颗粒等污染物,进而对雾霾等污染物进行高效阻隔。基于此原理,核孔膜已被用于窗纱的制造,用于阻隔雾霾,净化室内空气。可以通过提升孔道密度实现对气体的高效、大体积交换,商业化的核孔膜的孔道密度为40~50万个微孔/cm2,透气性能优异,可以满足室内外气体的快速交换,研究发现,其对雾霾的防护效率高达98%,满足日常室内空气净化的需求(图3(b))。

此外,采用核孔膜制成的口罩,可有效阻隔PM2.5等污染物。目前商业化的核孔膜口罩采用三层设计理念,最外层是无纺布抗菌面料,透气性好,最内层是全棉蜂窝面料,柔软舒适,中间夹片层是核孔膜材料(图3(c)),可有效隔离污染物,且夹片层可随时更换,进一步降低成本,拒绝二次污染[12]。

1.3  核孔膜在疫情中的应用

核孔膜在疫情中的应用莫过于生产口罩。疫情爆发后,因其主要传播途径为呼吸道飞沫传播,因此口罩成为了日常防护设备的最佳选择,口罩一度供不应求。甚至出现了一次性口罩进行错误消毒等现象。在加速生产口罩的同时,也积极展开了对核孔膜口罩的应用研究。利用重离子微孔膜的特性,广东省先进能源科学与技术实验室联合惠州离子科学研究中心、惠州市科近离子膜材料研究院等单位,研究探讨重离子微孔膜在防疫物资方面的应用,最后决定先从民用口罩入手进行技术攻关,经过半个多月的努力,研发出一种适用于民用可反复清洗和高温消毒的核孔膜防护口罩(图3(d)),其特点如下:1)生产成本较低。该口罩是采用核孔膜为材料,没有采用市面紧缺的熔喷棉,其原理是通过膜上细微的小孔达到通过空气阻拦气溶胶和细菌的目的,无需喷涂任何化学试剂,环保无污染。2)过滤效率高。口罩的颗粒过滤效率可达76.6%,远高于医用外科口罩颗粒过滤效率30%的标准。对细菌过滤效率为91.2%,接近医用外科口罩95%的细菌过滤效率标准。3)佩戴舒适。其呼吸阻力为13.5 Pa,远小于外科口罩49 Pa的标准,佩带相对舒适,尤其适于患有呼吸道疾病的患者。4)可重复使用。口罩耐120 ℃高温,单次使用后,用沸水浸泡10 min消毒杀菌,晾干后即可继续使用,直到口罩零部件损坏为止。经检测,重复使用20次以后,整体性能不下降,不仅提升了口罩使用效率,还提高了资源利用效率,大幅减少了废弃口罩垃圾的产生[13]。

为提升核孔膜口罩对细菌的过滤效率,研究学者通过改变滤片材质、降低核孔膜孔径、结合静电防尘等技术,可以实现对细菌的100%截留过滤[14-15]。值得提出的是,降低核孔膜的孔径也会增大呼吸阻力,影响佩戴的舒适性,因此,需要选择优化合适的核孔膜孔径,在达到细菌过滤效率要求的同时兼顾佩戴的舒适性,拓宽核孔膜口罩的应用市场。此外,核孔膜不仅可用于生产口罩助力抗击疫情,还可用于制作防护服,增加防护服的透气性,用以缓解防护服的密闭性带来的不适感,为抗击疫情乃至后续的公共医疗卫生事业的发展做出贡献。

2 辐照技术助力防护设备生产及废水废物处理

2.1  辐照技术的原理及应用

辐照灭菌技术在食品、医疗、水处理等领域的需求日益增多(图4(a))。常用的辐照灭菌的技术有电子束、X射线和γ射线等。其中,X射线是由X光机产生的,在高压电场的X光管内,自由电子由阴极向阳极高速运动,在阳极骤停后,能量即转变为X射线释放出来。而电子束主要由电子加速器产生,在加速管内,电子枪发射的电子束在微波的作用下加速运动,产生高能电子束。此外,将X射线转换靶加装在加速器上,即可在产生电子束的同时生成X射线,满足多种需求。产生γ射线的辐射源是60Co或137Cs,多以60Co源为主,这些辐射源在原子核衰变时,从高能态跃迁到低能态或基态所产生的射线即为γ射线,以60Co为例,其衰变时会产生1.17 MeV和1.33 MeV两种能量γ射线[16]。


 图4 (a) 辐照灭菌技术的应用,(b) X射线、γ射线和电子束对微生物的破坏作用

在消毒灭菌时,X射线和γ射线将自身的能量以电磁波的形式穿透物体,进行灭菌。其中的直接作用是可以破坏微生物的脱氧核糖核酸、蛋白质等的分子结构,使其丧失功能。间接作用是可以引发水分子产生强氧化性的自由基,损伤微生物细胞的活性,从而使其死亡,如图4(b)所示。相较于X射线和γ射线,电子束的穿透能力比较弱,适用于对物体表面或较薄物体的消毒灭菌。而电子束的辐照时间短、加工速度快、能量利用率高的特点使其在废水处理方面备受关注。工业加速器处理污水的原理:利用工业加速器产生的电子束流对污水进行辐照,产生的强氧化性的自由基使污水中的污染物发生分解或者降解、有害微生物死亡、病毒发生变性,从而达到消毒杀菌的目的。电离辐射可以处理工业废水(如造纸、印染、化工、制药、农药、医疗等行业的废水)、生活污水、微污染饮用水、燃煤烟气、污泥以及固体废物等[17]。电离辐射处理污水的优点在于:适应面广、反应速度快、降解效率高、无二次污染、无辐射及化学残留、后期污泥处理成本低等。同时电离辐射可被应用在传统生化污水处理过程中的预处理和后处理两个子过程中,使得污水处理更有针对性,效果也更好[18-20]。

2.2  辐照技术在防护设备生产灭菌中的应用

新冠病毒传染性强,在疫情初期,感染的患者骤增,时至春节,生产防疫物资的工厂大部分停工,产量下降,导致全国医疗物资紧缺的现象愈演愈烈。此外,医疗物资的卫生要求较高,传统的灭菌方法是环氧乙烷熏蒸法,散置的医疗物资在灭菌房里熏蒸1 d,然后置于通风处再静置一周以上,其灭菌周期通常在7~14 d,如此长的灭菌周期进一步加剧了物资的短缺,而且该方法存在化学物残留,散置灭菌后再次包装会带来二次污染的风险。

在此背景下,辐照灭菌技术再次进入人们的视野。中国同位素与辐射行业协会组织专家研究利用钴源加速器辐照装置进行灭菌,临时编制了《医用一次性防护服辐照灭菌应急规范(临时)》(中英文版),指导具体操作规程,为送往疫区的医疗物资提供辐照灭菌服务。辐照灭菌工艺的灭菌周期控制在1 d以内,通过钴源加速器产生的高能γ射线穿透能力强,能够快速杀死病菌。相比于传统的环氧乙烷灭菌技术,辐照灭菌的优点在于:灭菌彻底、无污染、无残留、速度快、操作简便、节约能源、对产品的直接包装材料没有特定要求,可以装箱后再辐照,所以无二次污染,方便易操作,耗费人力少,可连续加工生产以增加生产效率(图5)。辐照灭菌技术在防护设备等医疗用品灭菌中的应用得到了广泛的认可。

  
图5 高能电子加速器(a)及钴源辐照对一次性防护服灭菌现场(b),一次性医用防护服辐照灭菌原理示意图(c)

2.3  辐照技术在医疗垃圾和废水处理中的应用

疫情期间,医院在对感染的患者进行医治的同时也会产生大量的医疗垃圾和医疗废水。研究人员在这些废水和垃圾内检测到存活的新冠病毒,如果不及时处理可能会引发病毒的传播,因此对医疗废水和医疗垃圾的安全处置是我国疫情防控的关键一环。对于医疗垃圾的处理,可以直接用钴源产生的γ射线进行辐照,在消灭新冠病毒的同时也能使其他病毒灭活,便于后续填埋等处理。医疗废水消毒杀菌的传统处理方式是采用化学试剂进行消毒,包括液氯法、次氯酸钠法和二氧化氮法,其原理基本是化学分子进入细菌内部发生反应,进而杀死细菌。然而这些化学法的用量需要精确控制,用量不够不能完全杀死细菌,可能会引发二次感染,用量太大会对工作人员产生巨大危害[23]。而采用辐照的方式对医疗垃圾或医疗废水进行初步的灭菌杀毒,则会大大降低感染的风险。利用电子加速器产生的高能电子束进行污水处理,高能电子束可以和细胞内以及细胞外的水等产生强氧化性物质,进而氧化病毒、细菌等,使其氧化分解,从而实现消毒灭菌作用。电子束的穿透能力较弱,但处理速度快,适于处理大体积的污水,可作为传统污水处理的预处理步骤。图6是正在湖北十堰吊装的电子加速器设备,是核技术助力抗击疫情的又一成功案例[24]。

 
图6 在湖北十堰吊装的电子加速器设备

3 结语

新冠疫情以来,各行各业为疫情的防控做出贡献,核技术等高新技术的应用,使得我们能够快速把控疫情的发展进程,原本险峻的疫情形势逐渐明朗,很多环节如物资、消毒灭菌等也在核技术等科技的推动下回归正常。随着疫情防控的常态化,核技术在口罩生产和辐照灭菌等领域的应用有诸多可取之处,其应用领域会越来越广。此外,我国相关部门还需进一步加强安全、监管等方面的工作,尽早完善相关规章制度,加强管理,使核技术能够切实为我们的日常生活所用。核技术能够让人类的生活更美好,相信在未来,核技术还将迎来更为广阔的发展前景。

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