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      李后強:氣溶膠真能傳播新型冠狀病毒嗎?

      2020-02-06 18:55:39  信息來源:本站原創  編輯:鄭紅梅 審核:鄭紅梅

      氣溶膠真能傳播新型冠狀病毒嗎?

      □ 李后強


      最近有文章說,在武漢發生的新型冠狀病毒可以通過氣溶膠傳播,從而引起了很大社會恐慌和民眾不安。從專業角度看,這是一個既可能又不可能的問題,因為取決于氣溶膠的狀態和病毒存活的條件。但我們應該高度重視病毒氣溶膠,因為氣溶膠在一定條件下的確可以吸附某些細菌和病毒。不過,只要了解了氣溶膠的知識,掌握了它的特點和規律,我們就不會恐慌,并能有效防控。


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      化學家對氣溶膠的定義是,氣溶膠(aerosol)是由固體或液體小質點分散并懸浮在氣體介質中形成的分散體系。這里的氣體介質實際就是空氣,正常的空氣成分按體積分數計算是:氮(N2)約占78%,氧(O2)約占21%,稀有氣體約占0.939%(氦He、氖Ne、氬Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn),二氧化碳(CO2)約占0.031%,還有其他氣體和雜質約占0.03%,如臭氧(O3)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、水蒸氣(H2O)等,主要是氮氣和氧氣。一般情況下,氮氣和氧氣比較穩定,但也可以轉化成離子。這些固態或液態顆粒的密度與氣體的密度可以相差微小,也可以懸殊很大。顆粒的形狀多種多樣,可以是近乎球形(如液態霧珠),也可以是片狀、針狀及其它不規則形狀。顆粒的直徑大小一般在0.001—100微米(μm)之間(1—100000納米,1微米(μm)=1000納米(nm))。氣溶膠中的粒子具有很多特有的動力學性質、光學性質、電學性質。比如,氣溶膠質點有布朗運動(不規則運動),能發生光的散射,這是使天空成為藍色,太陽落山時成為紅色的原因。氣溶膠粒子沒有擴散雙電層存在,但可以帶電,其電荷來源于與大氣中氣體離子的碰撞或與介質的摩擦,所帶電荷量不等,且隨時間變化,并且質點既可帶正電也可帶負電,其電性決定于外界條件。在穩定性方面,氣溶膠粒子沒有溶膠粒子那樣的溶劑化層和擴散雙電層,相碰時即發生聚結,生成大液滴(霧)或聚集體(煙),此過程進展極其迅速,所以氣溶膠是極不穩定的分散體系。簡單說,氣溶膠就是若干微小固體粒子或液體小質點均勻分散在氣體里形成的一種混合物。液體氣溶膠通常稱為霧,固體氣溶膠通常稱為霧煙。直徑小于10微米的氣溶膠稱為煙,大于10微米氣溶膠叫做灰塵。天空中的云、霧、塵埃,各種鍋爐和發動機里未燃盡的燃料所形成的煙,采石場磨材和糧食加工時所形成的固體粉塵,人造的掩蔽煙幕和毒煙等都是氣溶膠的具體實例。氣溶膠的消除,主要靠大氣的降水、小粒子間的碰并、凝聚、聚合和沉降。由于氣溶膠質點很小,有相當大的比表面和表面能,可以使一些在普通情況下相當緩慢的化學反應進行得非常迅速,甚至可以引起爆炸。氣溶膠吸附力很強,加上有電荷,能吸附懸浮固體或毒素,但很容易使病毒基因遭到破壞。

      一般說來,氣溶膠中半徑小于1微米的粒子,大都是由氣體到微粒的成核、凝結、凝聚等過程所生成;而較大的粒子,則是由固體和液體的破裂等機械過程所形成。它們在結構上可以是均相的,也可以是多相的。液體氣溶膠微粒一般呈球形,固體微粒則形狀不規則,其半徑一般為0.001—0.1微米。小粒徑氣溶膠的濃度受凝聚作用所限制,而大粒子的濃度則受沉降作用所限制。微粒在大氣中沉降的過程,受的阻力(向上)和重力(向下)的作用達到平衡時,各種粒子的沉降速度不同。氣溶膠在醫學、環境科學、軍事學等方面都有很大的用途。在醫學上可以用于呼吸道疾病的粉塵型藥的制備,因為粉塵型藥粉更能夠被呼吸道吸附而有利于疾病的治療。在環境上比如用于衛星檢測火災,在軍事方面比如煙霧彈之類,還可以制造氣溶膠煙霧來防御激光武器。氣溶膠在消費品上有廣泛應用,如涂漆、清潔劑、擦光劑、除臭劑、香水、剃須乳劑,甚至奶油,都以氣溶膠方式銷售。


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      從健康角度看,我們要高度重視生物氣溶膠。科學家就把直徑在100微米以內的含有微生物或來源于生物性物質的氣溶膠叫做生物氣溶膠(bioaerosol),其中含有微生物的稱為微生物氣溶膠。比如,空氣中懸浮著的PM2.5、PM10等顆粒物(PM是英文Particulate Matter顆粒物的簡寫,PM后邊的2.5和10,是用來表示顆粒物直徑大小的數值,一般用微米表示,數值越大表示顆粒物越大,PM2.5表示的是直徑在2.5微米及以下的顆粒物,PM10表示直徑在10微米及以下的顆粒物),能攜帶大量的細菌、病毒、真菌及致敏花粉、霉菌孢子、蕨類孢子和寄生蟲卵等, 它們有一部分是活的,有些可以自我繁殖。這種氣溶膠的最大特點是能吸附細菌和病毒等。根據有關文獻報道,生物氣溶膠不僅能導致下呼吸道感染、哮喘、過敏等各種呼吸系統疾病,而且還能引起健康人的血壓顯著升高,導致不可逆的慢性肺功能減退。此外,因為生物氣溶膠含有部分存活的微生物,一旦被吸入人體,不但進入得更深,在一定條件下還可以自我繁殖,所以,特定生物氣溶膠的危害是沒有閾值的。生物氣溶膠主要來源于土壤、植被、水體等排放,也包括人類在內的動物、醫院、養殖場、垃圾填埋場、污水處理廠等排放。


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      根據一些學者的臨床研究,武漢新型冠狀病毒傳播途徑有三種,一是飛沫傳播,就是帶有指帶有病原微生物的飛沫核(>5微米),在空氣中短距離(一般為2到5米內)移動到易感人群的口、鼻粘膜或者眼結膜等導致的傳播,如患者打噴嚏、咳嗽、說話的飛沫;二是接觸傳播,就是病原體通過手、媒介物直接或者間接接觸導致的傳播,如飛沫沉積在物品表面,污染人的手,手再接觸口腔、鼻腔、眼睛等粘膜,如挖鼻孔、揉眼睛等,也可導致感染;三是空氣傳播,就是帶有病原微生物的微粒子(≤5微米)通過空氣流動導致疾病的傳播,主要是氣溶膠傳播,如患者的飛沫混合在空氣中形成氣溶膠,被他人吸入后也可導致感染。現在看來,武漢新冠狀病毒通過空氣傳播也是可能的,不然就不好解釋那么多路過的人都感染了(沒有戴口罩)。最新研究提示,有人從大便中分離出冠狀病毒,因而可能還存在消化道等其他傳播途徑,但還沒有定論。


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      我們知道,唾液飛沫的主要成分是水占99%以上,固體成分不足0.7%,其中有機物為0.5%,無機物為0.2%。無機物實際上是一些電解質,主要是鈉、鉀、氯、磷酸鈣和重碳酸鹽。有機物主要是各種蛋白質,此外還有一些低分子量的有機物。唾液是以血漿為原料生成的,含有多種生物酶,如溶菌酶、淀粉酶等,呈弱堿性,其中一些成分既是皮膚細胞的最好營養物質,又不會引起皮膚過敏。冠狀病毒樂于在唾液中生存,并且時間較長。

      武漢新型冠狀病毒直徑有多大?現在知道是125納米(nm)。這不是用光學顯微鏡看到的,而是用電子顯微鏡。顯微鏡的分辨率受其使用的波長的限制。因為可見光的波長介于300納米到760納米之間,而冠狀病毒的的大小約125納米,遠小于可見光的波長,因此,根本無法在光學顯微鏡下看到它們。我們知道,物質都具有波粒二象性,電子也有波動性,因此可以利用波長更短的電子束代替光波來觀察微觀世界,這就是“電子顯微鏡”的基本原理(此發明榮獲過諾貝爾獎)。電子顯微鏡的分辨率(0.2納米)遠高于光學顯微鏡的分辨率(200納米),放大了1000倍。


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      當加速電壓為50—100千伏時,電子束波長約為0.0053—0.0037納米。由于電子束的波長遠遠小于可見光的波長,所以電子顯微鏡的分辨本領仍遠遠大于光學顯微鏡。光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍,而現代電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍,所以通過電子顯微鏡就能直接觀察到某些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子點陣。我們能夠借助電子顯微鏡看到這些納米級大小(125納米)的病毒的真面目。世界衛生組織(WHO)命名武漢新型冠狀病毒為2019—nCoV,全稱是novel coronavirus,n是單詞novel(新型的)的首字母,“CoV”是單詞“Coronavirus”(冠狀病毒)的縮寫。

      要認識氣溶膠,還要知道顆粒越小、表面積越大、表面能也越大的道理。隨著物質粒徑的減小,比表面積(單位質量的面積)大大增加。比如,粒徑5納米的顆粒,表面的體積百分數為50%,粒徑2納米時,表面的體積百分數增加到80%。表面能越大,張力也越大,直至浮力凸顯出來。我們喝酒倒滿杯時,就發現中間高,四周低,有的叫“鼓眼”,代表心誠、情深,實際就是表面張力。比如水蒸氣能上天形成云彩,就因為同單位質量水蒸氣的表面積比水的表面積大了無數倍。對于一定的物質來說,被粉碎的程度越大,即顆粒越小,則表面積越大。面粉廠嚴禁煙火的原因就是面粉粉塵表面積大,與空氣接觸,面粉會燃燒,遇明火極易爆炸。一般來說,顆粒半徑越小表面能越大,整體的比表面積越大,催化能力越高。另外,當粒子的大小在1—10納米級時,就會出現量子效應,成為量子化粒子,導致明顯禁帶變寬,從而使電子—空穴對具有更強的氧化—還原能力,催化活性將隨尺寸量子化程度的提高而增加。尺寸的量子化也使半導體獲得更大的電荷遷移。納米材料主要有以下五大效應:小尺寸效應﹑表面效應﹑量子尺寸效應﹑宏觀量子隧道效應和介電限域效應等,這些都是納米微粒和納米固體的基本特征,這一系列效應導致了納米材料在熔點﹑蒸氣壓﹑光學性質﹑化學反應﹑磁性﹑超導及塑性形變等許多方面都顯示出特殊的奇異的性能。比如表面效應,是指納米粒子表面原子與總原子數之比隨著粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。隨粒徑減小,表面原子數迅速增加。同時,隨著粒徑的減小,納米粒子的表面積、表面能的都迅速增加。這主要是粒徑越小,處于表面的原子數越多。表面原子周圍缺少相鄰的原子,有許多懸空鍵,具有不飽和性,很想與其他原子結合而穩定下來,因而表現出很大的化學和催化活性。打個形象的比喻,就像粒子表面有很多的手一樣,表面積越大,這些手越多,抓的東西也越多。這里的手可以理解為一種懸掛鍵。納米材料龐大的比表面,鍵態嚴重失配,出現許多活性中心,使納米材料具有極強的吸附能力。對于促使物質腐敗的氧原子、氧自由基,還有其他異味的烷烴類分子等,均具有極強的抓俘能力,使其具有防腐抗菌功能。對于氣溶膠也是如此,粒子越小,表面能越大,吸附能力越強,可以吸附大量微粒包括細菌和病毒,但由于有強大催化作用,細菌和病毒很快死亡。液態氣溶膠(比如水與空氣混合)攜帶病毒的可能性較大,但很容易被大氣流動帶走,并且很容易被空氣中其他微粒凝聚沉降。比如,膠體凈化水,液態膠體粒子的直徑一般在1—100納米之間,吸附力很強,能在水中吸附懸浮固體或毒素形成沉淀,從而達到凈化水的目的。

      液態氣溶膠的粒子大小約在100—10000納米之間,屬于粗分散物系。能穩定存在的主要原因,一是布朗運動和擴散作用阻止了膠粒的下沉,所以重力、沉降、對流都足以使得粒子之間具有許多相遇的機會,說明溶膠就有動力學穩定性。二是同種電荷的排斥作用,同一種溶膠的膠核粒子和擴散層帶有同種電荷,當兩個膠粒間的距離縮短到它們的擴散層部分重疊時,包圍著膠核粒子的雙電層的靜電作用會阻礙粒子的充分接近,阻止了溶膠粒子的凝結合并,使之穩定。三是溶劑化作用,吸附層中離子的水化作用使得膠體被水包圍,溶膠粒子周圍形成了一層溶劑化保護膜,因而既可以降低膠粒的表面能,也會阻止膠粒之間的相互接近,因此膠體具有一定的穩定性。這是在水中的情況。如果在大氣中,液態氣溶膠就沒有這些條件了,因此很不穩定,攜帶病毒傳播給人的可能性大大減小。


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      我國古代早有“納米”應用,如徽墨,其主體成分的炭黑就是納米顆粒。納米(nm)和米、厘米一樣,是長度計量單位。一納米為一毫米的百萬分之一(10-9米)。納米材料通常指兩種材料:一是納米尺寸(粒徑在1—100納米顆粒或直徑在1—100納米的纖維)的基礎材料,如納米碳黑、納米磁粉、納米炭管等;一是采用納米量級(1—100納米)的基礎材料加工的制品,在其微觀尺寸上保持一定的納米分散性,如納米陶瓷,活性鈣等。在化纖制品和紡織品中添加納米微粒,能除味殺菌,把銀納米微粒加入到襪子中去,可以清除腳臭味;醫用紗布中放入納米Ag粒子有消毒殺菌作用。

      我們從有關實驗知道,很小的氣溶膠固態微粒,能捕獲病毒并使病毒死亡,無法傳播病毒。較大的氣溶膠微粒,能吸附病毒并下沉到較低空間,如果吸入人體,肯定有害。但可以通過戴口罩防控。只要是合格的醫用口罩,都可以有效阻擊這種大顆粒的氣溶膠。按照中國有關標準:合格的醫用外科口罩能阻隔空氣中直徑<5微米的懸浮粒子90%以上,直徑<2微米的70%以上。但日本標準都用0.3微米以下(0.06—0.1微米)的粒徑做測試。我們還有差距。

      按照直徑來區分,細粒子和粗粒子的分界線通常為2微米左右。從對人體呼吸道的危害看來,10微米以上的粒子,常阻留在鼻腔和鼻咽喉部;2—10微米的粒子大部分留在上呼吸道,而2微米以下的粒子隨著粒徑的減小在肺內滯留的比率增加,0.1微米以下的粒子隨著粒徑的減小在支氣管內附著的比率增加。半徑小于0.1微米的粒子,其數密度隨離地面高度的增加而減小,這表明它們來源于地表;但半徑0.1—1微米的粒子,其數密度在對流層頂上部隨高度逐漸增加,并且在15—20公里附近出現極大值,形成平流層內的氣溶膠層,這層氣溶膠可能是火山噴出的氣體在平流層中經氧化成固體而形成的。它雖然只占大氣中氣溶膠總量的百分之幾,但對于大氣的氣溫有重要的影響。通過大氣遙感,可探測氣溶膠粒子的平均譜分布。衛星遙感手段有時效性強、覆蓋面廣、分辨率高等優勢,使我們能夠快速大面積監測氣溶膠分布情況。


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      大家知道,病毒在細胞外是不能生存的。病毒只有在細胞內才有生命活性,在細胞外不表現出生命特征,體現為病毒的休眠體,所以說病毒只有依靠細胞才能生存。傳染病是因為病毒進入體內后重新恢復了生命活性。病毒由一個核酸長鏈和蛋白質外殼構成,病毒沒有自己的代謝機構,沒有酶系統。因此病毒離開了宿主細胞,就成了沒有任何生命活動、也不能獨立自我繁殖的化學物質。一旦進入宿主細胞后,它就可以利用細胞中的物質和能量以及復制、轉錄和轉譯的能力,按照它自己的核酸所包含的遺傳信息產生和它一樣的新一代病毒。 


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      冠狀病毒形狀像王冠,病毒上有包膜,其邊緣有大的球狀表面投影,產生的圖像讓人聯想到皇家王冠。冠狀病毒具有單鏈核糖核酸基因組和螺旋對稱的核衣殼,基因組大小約為26000—32000個堿基,是核糖核酸病毒中最大的。目前為止,僅傳染脊椎動物,可引起人和動物呼吸道、消化道和神經系統疾病。冠狀病毒的單鏈核糖核酸(RNA)不同于遺傳物質雙鏈DNA(結構比較穩定),單鏈的RNA極易變異。冠狀病毒進入細胞后開始復制繁殖,許多麻煩就產生了。冠狀病毒主要存在于禽類體內,蝙蝠和鳥類是它的理想宿主,已經有幾千年的歷史,最近100年各類冠狀病毒被陸續分離出來。冠狀病毒的單鏈核糖核酸(RNA)本身很不穩定,雖然沒有細胞壁(細菌有細胞壁),但有包膜,特性不同于一般病毒,容易附著在載體宿主上。


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      由于患者打噴嚏、咳嗽、說話的飛沫中有病毒RNA,并且是液體混合物,很容易在空氣中形成氣溶膠。病毒在氣溶膠里存活時間可以更長一些,所以防控難度更大一些。但是好在氣溶膠顆粒比較大,一般大于10微米,50微米以上的最多,因此一般醫用口罩(或者防范霧霾的口罩)可以阻攔這種粒子。特別小的氣溶膠粒子(半徑小于0.1微米),重量輕,主要分布在高空(來自土壤的靠近地面),隨風飄走了,人呼吸到的可能性不大。另外,氣溶膠質點比表面能很大,又有電荷,病毒很容易被破壞,存活度不高。據說武漢新型冠狀病毒能在干燥空氣中存活48小時,這可能主要是它有包膜,可以起到保護作用,在沒有宿主細胞時可以成為“晶體”等待時機。“晶體”也有一定感染性,所以有接觸傳染。假如新型冠狀病毒2019—nCoV能被吸附在氣溶膠里,我們戴口罩也能防范。所以出門一定要佩戴口罩,同時注意口罩更換時間和保存方法,并做到勤洗手、正確洗手,避免用手接觸口、眼、鼻等。


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      世界上最先使用口罩的是中國。據資料,13世紀初,口罩只出現于中國宮廷。侍者為防止氣息傳到皇帝的食物上使用了一種蠶絲與黃金線織成的巾做成口罩。馬可·波羅在他的《馬可·波羅游記》一書中記載:“在元朝宮殿里,獻食的人,皆用絹布蒙口鼻,俾其氣息,不觸飲食之物。”這樣蒙口鼻的絹布,就是原始的口罩。19世紀末,口罩開始應用于醫護領域。德國病理學專家萊德奇開始建議醫護人員使用紗布罩具以防止細菌感染。20世紀初,口罩首次成為大眾生活必備品。席卷全球的西班牙流感奪走了約5000萬人的生命,普通人群被要求用口罩抵御病毒。20世紀中后期,口罩的大規模使用次數明顯增加。載入史冊的歷次大流感中口罩在預防和阻斷病菌傳播方面數度扮演重要角色。1910年,哈爾濱爆發鼠疫,時任北洋陸軍醫學院副監督伍連德醫生發明了“伍式口罩”。2003年,一場“非典”,中國口罩的使用和普及達到新高潮,一度幾乎脫銷。2009年,在繼2004年的“禽流感”之后,“甲型H1N1流感”讓口罩大軍再次出現涌現。2013年PM2.5概念的出現,引發公眾對空氣污染問題的重視,使得口罩在霧霾天氣時再次暢銷。


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      至于武漢發生的新型冠狀病毒能否被吸附在氣溶膠里,還需要研究。從現有資料看,2019—nCoV傳播的主要渠道可能是唾液飛沫和氣溶膠。我們戴口罩的目的,是預防“噴出來的病毒”和大顆粒的病毒氣溶膠。洗手的目的,是預防沉淀或吸附在手上的飛沫和病毒氣溶膠。極為細小的氣溶膠質點能催化或摧毀病毒,因此害處不大。大直徑的氣溶膠質點,能吸附病毒,但只要配戴合格口罩就能防控。因此,對于氣溶膠傳播病毒,我們要重視,但不要恐慌。

      (本文作者系四川省社會科學院教授 李后強)

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