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对商业等离子空气净化器中非挥发性有机化合物命运的研究
Stefan Schmid a , Cornelia Seiler b , Andreas C. Gerecke b , Herbert Hauml;chler c , Hubert Hilbi d , Joachim Frey e , Simon Weidmann a , Lukas Meier a , Christian Berchtold a , Renato Zenobi a,lowast;
瑞士苏黎世CH-8093化学和应用生物科学系，苏黎世ETH
b瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA），CH-8600瑞士杜本多夫
c苏黎世大学食品安全与卫生研究所，国家肠道病原菌中心和李斯特菌（NENT），CH-8057苏黎世，瑞士
d Ludwig-Maximilians-Universitauml;tMuuml;nchenMax von Pettenkofer-Institut，D-80336德国慕尼黑伯尔尼大学兽医细菌学研究所，CH-3001瑞士伯尔尼
亮点：bull;对环境毒素，蛋白质和生物颗粒的降解进行了研究。
bull;使用基于冷等离子体的商用空气净化器。
bull;穿过设备的通道减少了化合物/颗粒的浓度。
bull;等离子体空气净化器内的沉积是主要的去除过程。
图形概要：
摘要：在基于冷等离子体的市售等离子体空气净化器中降解非挥发性有机化合物 - 环境毒素（甲基三氯甲烷和phenan-threne），牛血清白蛋白以及生物颗粒（嗜肺军团菌，枯草芽孢杆菌和炭疽芽孢杆菌）进行了详细的研究，重点介绍了它的效率和产生的降解产物。该系统能够处理高达3.0 ms-1（3200 L min-1）的空气流速，远高于文献中描述的其他等离子体基反应器，其通常限制在低于10 L min-1的空气流速下，质量平衡研究一致表明，通过等离子体空气净化器后，化合物/颗粒浓度降低，菲为31％，甲基三氯甲烷为17％，牛血清白蛋白为80％。嗜肺军团菌不能通过血浆空气净化器存活，枯草芽孢杆菌和炭疽芽孢杆菌的气雾化孢子的细胞计数减少了26倍和15倍，这取决于它是以10Hz还是50Hz运行的。然而不是化学降解，而是发生等离子体空气净化器内表面上的沉积。我们的解释是推定的“降解”效率主要是由于静电沉淀而不是分解成较小的分子。
通讯作者。 电话： 41 44 632 43 76; 传真： 41 44 632 12 92.电子邮件地址：zenobi@org.chem.ethz.ch（R. Zenobi）。
0304-3894/$-查看前端事宜copy;2013 Elsevier B.V.保留所有权利。http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2013.04.021
- 介绍
基于等离子体的空气净化器 - 其中大部分都包含催化剂阶段 - 旨在将所有空气污染物减少为小的无毒分子[1-7]。但是，降解机理和降解效率都不是很好理解。在这项工作中，我们详细研究了由交流电（AC）驱动的商用原型等离子空气净化器（PAP）的性能和效率，并放弃了催化裂化阶段，并且研究了如何以及是否降解一个系统就完成了。常规（催化）系统只能处理相当小的空气流量lt;10 L min-1 [8]，而在此研究的PAP设计用于处理高达3 ms-1的空气速度（相当于空气流量为3200YL min-1）。即使在不存在催化剂的情况下，该特定的PAP也应该达到相同的降解效率。由于催化材料需要随时更换，所以这里进行的PAP提供了完全免维护的优点。
在这项工作中，我们决定调查PAP降解非挥发性有机化合物的能力，包括环境毒素，蛋白质和各种细菌的例子。对于小质量分子，我们选择了垃圾焚烧厂的毒素，即菲和甲基三氯甲烷。由于PAP的制造商希望将其系统纳入垃圾焚烧厂，因此对这两种化合物进行了研究。作为高质量模型蛋白，我们选择牛血清白蛋白（BSA），因为它可以以足够的纯度大量获得。大多数传染病都是由空气传播的病原体引起的，并且很容易在室内传播。因此，我们选择革兰氏阴性菌和孢子形成革兰氏阳性细菌，这些细菌是已知的挥发性环境或空气传播因子，将在PAP中进行研究。具体来说，选择嗜肺军团菌，枯草芽孢杆菌和炭疽芽孢杆菌，其原因如下：嗜肺军团菌是军团菌病的致病因子，是通过气溶胶传播的革兰氏阴性人病原体。包括淋浴，热水浴缸或温水供应系统在内的许多家用电器是含有嗜肺军团菌气溶胶的可能来源。尤其是在老年人和免疫受损人群中，军团菌病尤其受到关注[9,10]。芽孢杆菌属是形成孢子的革兰氏阳性细菌。细菌孢子对物理和化学压力具有极强的抵抗力[11]。此外，炭疽芽孢杆菌的孢子已成功制成武器并被滥用，例如，在2001年10月的美国炭疽信件危机期间。
这项工作的主要目标是仔细研究市售PAP中非挥发性有机化合物的降解机理，重点关注其空气净化效率以及由此产生的降解产物。
- 材料和方法
2.1、实验装置
本研究中使用的PAP是无催化剂的纯AC电晕等离子体装置。它是一种结合了专有技术的商业原型，即其结构的某些细节不能被公开。但是，我们在此提供所有必要的品质因数和技术数据以进行表征。设计模拟共同采暖，通风和空调（HVAC）系统的设计方式使PAP可以在真实条件下进行研究。图1显示了该系统的示意图，该系统在我们用垃圾焚烧厂毒素研究的部分中使用。从左至右，实验装置由高效颗粒空气过滤器组成，可防止系统被实验室空气污染。之后是一个风扇，通过整个系统的空气流动，其速度达到0.3至3.0 m s-1（320-3200 L min-1）。雾化界面位于雾化室的中间，并使用25至375L min-1的流速用注射泵（Fusion 400，KR Analytical Ltd，Cheshire，UK）进料。使用压力为3times;105Pa的空气作为雾化气体。对于军团菌和芽孢杆菌的实验。超声波发生器（NU52S，EuropeMeacute;dical）用于雾化。
我们系统的核心是PAP本身，它直接放置在雾化室之后。 PAP的直径为160毫米，长度为180毫米，总重量为10.5公斤。 PAP内部的等离子体电极由镍，铅和铜制成，并且由聚氯乙烯和聚（甲基丙烯酸甲酯）支架支撑。 化合物在等离子体区的驻留时间强烈依赖于通过系统的空气流速，并且从0.06到0.6 s（0.3-3.0 m s-1）变化。 通过我们的测试台系统的空气流动速度在PAP排气口用风速计（PCE组，德国）测量。 在我们之前关于通过相同PAP的挥发性有机化合物的命运的研究中发现，空气流速越高，降解效率越弱[8]。
PAP中的等离子体使用普通空气产生，而不需要辅助气体。因此，它可以安装到大多数现有的HVAC系统中而无需昂贵的修改。通过该系统使用8.5kV的操作电压和0.3m s-1（320L min-1）的空气流速，测量PAP的排气中的大约300ppb的臭氧浓度。在我们的实验中，湿度被确定在10-14gm-3范围内。样品的引入增加了湿度不到1％。因此，样品引入期间由于湿度变化而导致的持续反应的变化是不太可能的。在PAP中产生的等离子体的光发射谱由于激发的O自由基发射而在779nm处显示特征线，并且在300nm和450nm之间的信号清楚地显示了第二阳性系统的N2转变（C3u→B3g ）[12]。下一个阶段包括PAP采样接口，该接口采用针对不同化合物类进行测试的优化采样方法。使用质量流量控制器（F201-CV，Bronkhorst High-Tech B.V.，B.V.，Ruurlo，荷兰）精确地控制体积流量，确保在每个实验中分析相同的总体积。实验设置的设计适用于所有三种物质类别的合适分析。为了在我们的研究的第三部分中测试PAP的杀微生物能力，该系统以闭环方式使用，与我们的研究的其他两个部分相反，其中使用了开放管。
2.2、样品制备，收集和检测
对于我们研究的第一部分，分析级甲基三氯硅烷和菲购自Sigma-Aldrich（Buchs，Switzerland）。将54.3mg甲基三氯甲烷溶于1200L苯（gt; 99.7％，Sigma-Aldrich）中，得到45.3g L-1的浓度。菲的处理方法相同，最终浓度为30.2 g L-1。进样雾化界面的样品流速为25 L mL-1（总计500 L），辅助加压空气（3 x 105 Pa）用于完全雾化。贯穿实验系统的气流量均为320 L min-1，贯穿所有实验。采样通过在三个吸附管（Supelco ORBO 60，Sigma-Aldrich）上精确吸取1L min-1的排气量来实现。使用三根吸收管确保在测量过程中保持一切。使用二硫化碳（分析级，Merck，Darmstadt，Germany）实现吸附管的解吸。使用配有火焰离子化检测器（FID）或质谱检测器（MSD）的气相色谱（GC，Thermo Fisher，TRACE GC Ultra，Waltham，USA）测定甲基三氯和菲的两个外部校准。每个样本至少注入两次，信号区域平均。使用FID检测器进行定量，而MSD用于鉴定观察到的信号。
图1.用于研究菲，甲基三氯甲烷和BSA命运的实验装置。 组件从左到右：HEPA过滤器，一种高效空气过滤器，可在进入系统前清洁空气; 风扇，连续可调0.1至3.0 m s-1; 雾化室; PAP，连接到高压电源的等离子空气净化器; 采样接口，连接吸附管; 流量计，用于确定1.0 L min-1的流速; 真空泵。
牛血清白蛋白（BSA，冻干，gt; 95％，Fluka，Buchs，瑞士）作为PAP中高质量蛋白质的例子用于我们工作中的第二部分。在每个实验中，10 mL的10 mg mL-1 BSA水溶液以375 L min-1的恒定样品流量进入雾化界面。PAP排气中的取样是通过将10％的整个气流鼓泡通过水来完成的。为此目的，使用了一个冲击器，它装满了80毫升水。样品收集步骤后，将恰好50mL的所得溶液转移到falcon管中。 BSA在高性能液相色谱（HPLC）系统（安捷伦，1100系列，圣克拉拉，加利福尼亚州，美国）上配有照相阵列检测器，使用七点外部校准进行定量。制备以下BSA稀释液：7.53mol L-1,3.76mol L-1,1.88mol L-1,0.94mol L-1,0.47mol L-1,0.24mol L-1和0.12mol L-1。该校准的测定系数为0.9983。 HPLC方法使用以下条件：溶剂A，含有0.1％TFA的水;溶剂B，含有0.1％TFA的乙腈;柱，对称C43.5mu;m（Waters，Milford USA）;检测，210纳米;循环，10mu;L;梯度，70:30 A：B 3分钟，然后在8分钟内向30:70梯度。然后将该比率保持1.5分钟，导致BSA的保留时间为7.1分钟。一个测量包括拆解整个PAP和提取被捕获在铜电极上的BSA。烧杯中装入1L水，将4个铜电极中的每一个仔细浸入水中5分钟以溶解任何沉积的BSA。之后将水在圆底烧瓶中减压至50mL的体积。每个样本至少注入两次，信号区域平均。使用配备有高质量检测器（HM2tuvo，CovalX，Zuuml;rich，Schlieren，Switzerland）的商业质谱仪（ToF / ToF4800 plus，ABSciex，Darmstadt Germany）使用基质辅助激光解吸电离（MALDI）。
以下细菌菌株用于本研究的第三部分：嗜肺军团菌JR32（野生型）[13]，嗜肺军团菌GS3011（JR32的无毒性衍生物，在icmT中缺失，编码Icm /点转运蛋白的组分）[14]，枯草芽孢杆菌（商业上可用的干孢子制剂，用于解淀粉欧文氏菌引起的植物感染的生物反作用）（Andermatt Biocontrol，Grossdietwil，Switzerland）和炭疽芽孢杆菌A58缺乏毒力质粒pXO-1和pXO-2的CDC 1014;由R.Behm提供）。嗜肺军团菌在CYE琼脂平板上生长3-4天[15]，炭疽杆菌在LB琼脂平板上生长过夜[16]。将F特异性RNA噬菌体MS2（ATCC菌株：15597-B1）在TYG肉汤中的大肠杆菌（大肠杆菌K12-Hfr-ATCC 23631）的培养物中增殖[17]。以下列方式制备孢子悬浮液：将枯草芽孢杆菌干孢子制剂悬浮于无菌水中并稀释以产生每ml109个菌落形成单位（cfu mL-1）。来自炭疽芽孢杆菌A58的孢子根据来自Bouml;hm的修改后的原型制备[18]。之后放置在喷雾器中的悬浮液的最终孢子计数为10 9 cfu mL-1。根据程序以约1分钟的时间间隔取样。在形成稳定的气溶胶后，从PAP的排气中取出20L空气样品。在每个时间点，将琼脂条从抽吸取样装置中取出，包裹在无菌容器中并在计数菌落之前温育3天（嗜肺军团菌）或过夜（枯草芽孢杆菌）。为了量化cfu，PAP被关闭，并且以相同的方式重复采样。
- 结果与讨论
3.1、 PAP对菲和甲基三氯硅烷的影响
在第一组实验中，测量了PAP中菲和甲基三氯甲
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