ionair负氧离子对人体健康和空气质量改善的影响—君捷科技(瑞士ionair)

负氧离子(NAIs)已被发现超过100年[1].现在,NAI 发电机广泛用于家庭或工业用途。与此同时,开发了各种新技术并用于进一步改善NAI的产生并减少其副产物臭氧的释放。然而,已经报道了一些有争议的结果或评论对人/动物的有益作用或对细菌密度的降低。在这里,我们对NAI进行了全面的审查。另一方面,有力的证据表明NAI在高效降低颗粒物(PM)浓度方面的作用。因此,应该做更多的工作来通过新方法或装置进一步改善NAI释放,以便NAI 可以更广泛地用于空气净化。


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1. 负空气离子及其产生


空气离子是大气中带电的分子或原子[2].当气态分子或原子接收足够高的能量以喷射电子时,形成空气离子[3].NAI 是获得电子的那些,而正空气离子会失去电子。天然和人造能源包括(1)大气中的辐射或宇宙射线;(2)包括紫外线的阳光; (3) 自然和人工电晕放电,包括雷电;(4)水的剪切力(勒纳德效应);


1.1. 大气中的辐射或宇宙射线


铀,镭,act 和钍等放射性元素广泛存在于我们的星球上。它们在大气中衰变并发射α,β和/ 或γ射线,使空气电离。因此,辐射和宇宙射线电离在地球大气层中无处不在。宇宙射线电离约占陆地表面总电离的 20%[4].它们也是在海洋上产生 NAI 的主要能源[5].这些射线产生的 NAI 浓度可能达到陆地表面每厘米 500 个离子 3[6]离地面 15 公里处每厘米超过 1000 个离子 3[7].


1.2. 阳光包括紫外线


光电效应是当特定波长的光照射到金属表面上时电子的发射。通过接受这些发射的电子产生 NAI。


光电效应对 NAI 的产生贡献较小,因为只有一些波长的光显示出通过照明发射电子的能力。其中一个例子是使用紫外光源照射导电材料的负离子发生器,早在 1964 年就已获得专利(专利号 US 3128378 A)。在该专利中,使用紫外灯照射金属材料,其光电喷射电子。然后电子与空气分子碰撞并产生 NAI。 另一方面,通过直接电离空气分子,可以通过特定波长的光产生 NAI。例如,紫外线(UV)可用于直接电离空气分子以产生 NAI [5,8].实际上,紫外线介导的电离是在 60 公里以上的大气层中占主导地位的 NAI 源[5].来自大气上层的 UV 的这些高度浓缩的 NAI 以低速扩散到地面。由于该层中可用的低紫外线剂量,紫外线辐射不是低层大气中 NAI 的主要贡献因素[5].尽管有报道显示紫外线显著地介导了空气电离,但人工紫外线对 NAI 生成的影响却很少进行系统研究。我们进行了一项实验来研究紫外线对 NAI 产生的影响(图 2)1;表 S1)。该实验在 80cm 长×80cm 宽×80cm 高的生长室中进行, 并且在补充实验中提供了详细描述。在正常光照条件下作为对照,在UV光条件下测量 NAI。来自三个的数据实验的重复表明紫外线确实促进了 NAI 的产生。在室中,平均 NAI 浓度在 1 小时内为 344 离子/ cm3。在紫外光照条件下,NAI 浓度增加到 825 离子/ cm3,显着高于对照(图 2)1A).进一步观察表明紫外线照射后 8 分钟内存在 NAI 生成峰(图 2)1B–D;表 S1)。在峰值之后,NAI 浓度保持在相对稳定的值但仍然高于对照。对于所有三次重复或每次重复,如补充实验中所述进行非参数双尾 Mann-Whitney U检验,并且统计分析显示在所有三次重复中 UV 照射条件下的 NAI 浓度显着高于正常情况下的 NAI 浓度。照明条件(CK),p<0.00001。该分析进一步证实了紫外线照射对 NAI 产生的促进作用。因此,我们的实验表明紫外线照明可用于产生 NAI。然而,在我们的紫外光条件下仅产生低浓度的 NAI。


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图 1.通过 UV 照明生成 NAI。该实验在尺寸为 80cm 长,80cm 宽和 80cm 高的生长室中进行。新加坡 Safer Electric Ltd.提供 30 瓦的 UV 光(UV-C,100-280nm)。通过 DLY-4G-232 空气离子计数器 (Kilter Electronic Institute Co.,Ltd.,Zhangzhou,Fujian Province,China)测量 NAI 浓度。


(A)对照(CK,无紫外线)和紫外线照射的平均 NAI 浓度。UV 光下的 NAI 浓度显着高于对照,如Mann-Whitney U 检验所示,p<0.00001。(B-D)图表显示三种不同重复中 NAI 浓度的曲线。星号“*” 表明,在 p <0.00001 时,通过 Mann-Whitney U 检验,UV 照射下的 NAI 浓度在统计学上高于 CK 中的 NAI 浓度。NAI:负空气离子。


1.3. 自然和人工电晕放电,包括雷暴和闪电


地球周围的大气受到自然电场的影响,其强度在局部和全球影响下不断波动[9].当地的影响包括地理位置和雷暴,雨,雾,雾等天气状况;全球事实是指经典的日常电场变化[4].当树叶或树枝在其电场中与周围环境具有高电位差时,会发生电晕放电(也称为点放电)并且可能释放 NAI [5,10].一般来说,电晕放电发生在高平均电场下的大气条件下[5].例如,在山区,高电场和低气压促进电晕放电的开始[11].雷 暴和闪电会产生很高的电场条件,随后会发生电晕放电。因此,在雷雨和闪电之后,NAI将会大量释放。然而,释放的NAI将随着不连续的雷暴逐渐衰减。除了雷暴和闪电,雾也可能有助于 NAI 的产生。在森林中,在雾的形成和消散过程中观察到电场变化,这可能引发电晕放电和 NAI 产生[9]. 人工电晕放电是产生 NAI 的有效方法。当高负电压施加到导体/电极并且产生的电场足够高时,发生电晕放电[12,13].如果带电导体/电极具有尖点的针型,则尖端周围的电场将显着高于其他部分,并且电极附近的空气可能被电离并且产生 NAI [14].电晕放电的强度取决于导体的形状和尺寸以及施加的电压。不规则导体,特别是尖锐的导体,比光滑导体产生更多的电晕,而大直径导体产生的电晕比小直径导体更低;施加的电压越高,产生的 NAI 越多[14,15].距电晕点的距离越近,检测到的 NAI 浓度越高,因为电晕放电连续产生的 NAI 与电子雪崩的链式反应过程有关[16].人工电场和电晕放电在植物上的应用早在 20 世纪 60 年代就开始了[17,18].Bachman 和 Hademenos(1971)表明,在高压下, 尖锐的大麦叶尖附近的人工施加的电场被强化[19]. 结果发生电晕放电,产生空气离子和臭氧。研究主要集中在生物反应,蒸发和植物损害等生物效应以及产生的臭氧和 NAI 对植物生长的影响[11,18–22].


1.4. 水的剪切力(勒纳德效应)


在瀑布或海岸下发现了相当数量的 NAI。这些 NAI 由 Lenard 效应产生。勒纳德效应也被称为喷雾电化或瀑布效应,并且由Philipp Lenard 首先系统地研究[23 他于1905年因阴极射线研究和许多物 业的发现而获得诺贝尔物理学奖。该研究表明,当水滴相互碰撞或与湿润的固体碰撞形成精细的液滴喷雾时,NAI是由周围的空气分子产生的。该研究还表明,有几个因素可能影响喷雾过程中的电荷分离程度,因此可能影响 NAI 的产生和浓度。这些因素包括水滴温度,溶解的杂质,撞击空气爆炸的速度和液滴的外来撞击表面。基于“Lenard 效应”,水剪切设备已被设计为产生 NAI [24].水剪切仅产生超氧离子(O2−),其与水分子簇结合形成结构 O2−(H2O)n [25],基本上被认为是 NAI的天然来源 [24].由“勒纳效应”产生的 NAI 可能会改善红细胞的变形能力,从而有氧代谢[24].


2.负空气离子的组成


通常,NAI 由多个带负电的分子组成,这些负离子与几个或多达20或30个水分子结合,形成负离子簇,如 CO3−(H2O)n,O− (H2O)n 和 O3−(H2O)n。[24,52,53].质谱技术被广泛用于确定各种来源 的 NAI 的组成[54–56].早期测量表明,大部分低对流层负离子将由 O2−,CO3−或 NO3−及其(H2O)n 簇 以及 HSO4−核心离子组成。 [5,57].研究表明,大气 NAI 还包括其他离子,如 OH−,NO2−,HCO3−及其水簇[31,57].数字 2总结了各种 NAI 来源的组成和氧基 NAIs 的演变[31,37,52,53,56–66].


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图 2.通过不同方法生成的 NAI 物种和基于氧的 NAI 的演变。不同研究的 NAI 组成存在一些差异,因为它们的实验条件可能不同。(A)NAI 组合物。(B)氧基 NAI 的演变。蓝色箭头表示 NAI 转换过程。有关详细信息,请参阅引用的论文[31,37,52,53,56–66].


通过几次实验通过质谱法鉴定了电晕放电产生的负离子种类[55,66,67].大多数负离子是CO3−,其他负离子包括O−,O3−,NO3−等,其含量低于 10%[52,67–74].来自 Nagato 等人的报道。(2006)表明, 通过质谱法观察到,在电晕电离的不同反应时间,负离子组成是不同的[74].根据他们的结果,NO3−是 主要的离子,其次是 HCO3−和其他。这两个结果都来自 Shahin(1969)和 Nagato 等人。(2006)表明 O2−不是电晕放电产生的负离子的主要产物[67,74].电晕放电的大部分 NAI 如图所示 2A. 瀑布诱导的负离子从 O2−和 O−[56].瀑布附近的 OH−浓度显着增加。这三种离子 O2−,O−和 OH−进一步演变成其他类型的离子。结果,以下 5 种类型的离子被认为是主要的负空气瀑布产生的离子。它们列在图中 2A.对于 PEF 刺激释放的基于植物的 NAI,没有关于其离子组成的报告。


基于上述研究,NAI 可能从一个 NAI 演变为另一个 NAI。例如,当氧分子 O2 获得电子时形成 NAI O−(图 2)2B).当其他分子存在于同一空间时,NAI O−可能通过碰撞辅助电子附着过程促成二次 NAI 的形成[58].结果,产生其他 NAI,例如O2−,CO4−,CO3−,OH−,HCO3−,O3−,NO3−和 NO2−。(数字 2B).零件等。(2007)描述了一个更复杂的 NAI 进化过程[56].事实上,NAI 的演变与之相关 周围空气成分。NAI 在与空气中的分子碰撞时不断变化。因此,NAI 的成分是动态的,这取决于电离势和电子亲和力,质子亲和力,偶极矩和极化率以及分子的反应性[75].


3. 负空气离子对人/动物健康和微生物生长以及植物发育的生物学效应


Krueger 和 Reed(1976)回顾了那个时期发表的关于 NAI 生物效应的重要报告[1].他们提出了NAI 生物学行为的血清素假说。5-羟色胺是一种非常强大和多功能的神经激素。它在人或动物中诱导深刻的神经血管,内分泌和代谢作用。它在生活的基本模式中起着重要作用,包括睡眠和情绪调节。


有证据表明,NAIs 可以显着降低血液或大脑中血清素的水平等[1,76,77].随后的证据表明超氧化物离子参与了 NAIs 的生物学效应[37 和体外实验证明血清素可被超氧离子氧化成色胺-4,5-二酮[78].因此,NAI 的一些生物学作用与血清素的减少有关。然而,其他人报告 NAI 对暴露条件下大鼠血清素浓度或转换没有显着影响[35,79].Bailey 等人。(2018)对空气离子对血清素和其他神经递质的影响进行了全面综述,他们的分析表明,一些适度或强有力的证据支持无效假设[35].


有许多参考报告可能的生物效应[24,32,33,35,38,76–124].其中一些列于表 S2 中。负氧离子浓度超过 1000 离子/厘米 3 被认为是新鲜空气的脱粒值,浓度应该更高,以提高人体免疫系统[80]及其中的参考文献)。暴露于 NAI 对动物/人类健康,抗微生物和植物生长表现出广泛的影响(表 S2)。NAI对人/动物健康的影响主要集中在心血管和呼吸系统以及心理健康上(表 S2)。NAIs 对心血管系统的影响包括改善红细胞变形性和有氧代谢[24]以及降低血压[32,77,81,82].但是,血压没有影响[83]或心率[84,85 心血管功能研究的相关数据未经定量评估[35].在心理健康方面,接触 NAI 显示所有测试任务的性能显着提高(镜像,旋转追踪,视觉反应时间和听觉)[86],缓解季节性情感障碍(SAD)的症状[87].观察到 NAIs 对缓解抗抑郁药物非药物治疗试验的情绪障碍症状的类似作用[38].NAIs 也显示出有效治疗慢性抑郁症[88].相反,在其他研究中没有报道NAI 对心理健康的影响[89,90].对文献的综合分析显示 NAIs 对抑郁症的潜在治疗效果没有确凿的结果[35].至于 NAIs 对呼吸功能的影响,暴露于阴性或阳性空气离子似乎不会在呼吸功能中发挥显着作用[91].此外,一些报道还显示了 NAIs 对抑制癌细胞的影响。例如,水生成的 NAI 激活了自然杀伤(NK)细胞并抑制了小鼠的癌变[33].NAI 的存在被认为可以增加心理健康,提高生产力和整体健康[38,92,93].报告还显示,NAI 将自己附着在粒子上,如灰尘,霉菌孢子和其他过敏原[37].结果,NAI 气氛中的人们减轻了对这些颗粒过敏的症状。一般来说,尽管一些报道显示富含 NAI 的空气在正常化动脉压和血液流变学方面具有多种有益的治疗效果,支持组织氧合作用,缓解压力条件,并增强对不利因素的抵抗力[94],系统评价表明 NAI 对心血管和呼吸系统以及心理健康没有一致或可靠的影响[35].


类似地,有许多研究文章介绍了 NAI 对微生物生长的影响(表 S2)。大多数研究都集中在细菌上,高浓度 NAI 的存在抑制了细菌的生长。早期研究表明,NAIs 引起细菌粘质沙雷氏菌的大量生物腐烂 [95]。暴露于 NAIs 显示细菌大肠杆菌,白色念珠菌,金黄色葡萄球菌的灭活或生长抑制,荧光假单胞菌[96–100]并且对饥饿的细胞有致死作用[101]。NAIs 预防 60%的结核病(TB)感染和 51%的结核病[102]。除了 NAI 对细菌的抑制作用外,报道还显示 NAIs 抑制真菌和病毒的生长。例如,NAIs 可以抑制青霉菌的生长[103];NAI 发生器的使用减少了新城疫病毒的空气传播[104]。然而,关于 NAI 对微生物的生长抑制已经报道了一些有争议的结果。例如,Fan 等人(2007)报道,NAIs 对接种于绿豆种子和苹果的大肠杆菌的影响非常有限[105]。在另一份报告中,7 种细菌物种(金黄色葡萄球菌,副粘病分枝杆菌,铜绿假单胞菌,鲍曼不动杆菌,伯氏霍乱杆菌,枯草芽孢杆菌和粘质沙雷氏菌)暴露于 NAIs,只有生长的分枝杆菌分枝杆菌受到抑制[106]。


除动物/人类和微生物外,植物也可能受到 NAI 暴露的影响。NAI 处理燕麦后,鲜重和干重增加 [107]。并且平均茎长和积分伸长率也增加了[108]。接触 NAIs 后,大麦幼苗的耗氧量增加[109]。在高浓度 NAI 的生长环境下,株高增加了 13-15%,干重增加了18%[110]。暴露于 NAIs 的莴苣植物表现出旺盛的生长,叶面积增加,鲜重增加[111]。NAI 处理改善了植物发育过程中的萌芽生长和细菌控制 [112]。NAI 通过改善鲜重,大量元素和微量元素对羽衣甘蓝生长产生积极影响[113]。然而,对照和NAI 处理的烟草植物在尼古丁和总生物碱中没有观察到显着差异;与对照植物相比,NAI 处理植物的总氮含量略有增加[114]。


4. 超氧化物参与负空气离子的生物效应


氧分子 O2 是一个双自由基,在不同的轨道上有两个不成对的电子,能够接受多达4个电子[125]。


通过接受一个电子形成超氧化物 O2•−。已经鉴定出至少4种氧的氧化态,包括 O2(双氧),O2+(双氧阳离子),O2• −(超氧化物)和 O22−(过氧化物二价阴离子)[126].O2 的单价还原产生 O2•−,其既作为胚根又作为负离子;因此,添加了胚根标志“•”[116]。因此,超氧化物 O2•−是一种负氧离子,有几篇报道[28,36–38,127]报告显示,超氧离子是自然大气和莱纳德效应(瀑布)产生的主要负离子[37,38,128]并且比其他 NAI 更稳定[25,127].在使用 PEF 刺激植物根生成的那些 NAI 中也检测到超氧化物 O2•−[28].


早期研究表明超氧化物参与细菌杀灭白色葡萄球菌[117].正如Rosenthal 和 Ben-Hur(1980)所评论的[36 结果得到了结果的支持,即 NAIs 对白色葡萄球菌的细菌杀灭是通过添加超氧化物歧化酶来保护的。然而,报告显示许多其他因素也可能导致观察到 NAI 对细菌的致死作用[36].吸入气态超氧化物可以改善镇痛药的镇痛作用,缓解帕金森病的病理征象[2,129].Goldstein 等人。(1992)也报道了 NAI 的生物活性可能依赖于超氧化物[128],但必须强调的是,NAI 的生物学效应不仅归因于超氧化物,还归因于其他活性氧物种[127,130,131].另一方面,还需要提到气相超氧化物离子不同于液相超氧化物[37];因此,前者的生物效应也可能与后者的生物效应不同。


5. 释放负空气离子是一种有效去除细颗粒物的方法


PM 是雾霾事件中的主要污染物。有证据表明 PM,特别是 PM2.5 严重影响人类健康。基于 Lim 等人的数据。(2012 年),由于暴露于 PM,2010 年约有 320 万人死亡[132].由于 PM 水平的增加,全世界每年有 210 万人死亡 2.5[133,134].PM 主要导致与呼吸系统和心血管系统有关的疾病。精细 PM 如 PM1.0 和PM2.5 深入肺部,刺激和腐蚀肺泡壁,从而影响肺功能[135]也可能导致肺癌[136].然而,仅在具有许多电荷的颗粒中增强了颗粒在呼吸道中的沉积,这只能通过封闭空间中的离子发生器来实现。PM也与血糖升高,内皮功能恶化和心血管疾病事件有关[137].


NAI 是单极离子,它们将为 PM 充电,PM 将比未充电的 PM 更快地沉积/沉淀,因为带电的 PM 可以附着到附近的表面,彼此连接并更快地沉降,或者在重力下更快下沉[138–142]Tanaka 等人。(1996)报道,NAIs 减少了可吸入和可吸入粉尘数量 46%[143].在未占用的办公室(50 米 3)中,NAI 发生器处理 2 小时后,PM 浓度降低了两个数量级[144].许多其他类似报告显示NAI 在去除PM方面的高效率(表 3; [138,140,145–152]).有证据表明,许多因素可能会影响通过 NAI 降低 PM 的效率(表 3;[34,139,150,153]).例如,PM 去除率与颗粒浓度,颗粒大小和通风条件有关,并且提出了一个模型来计算它们之间的关系[139].研究还表明,墙面显着影响 PM 还原效率[34].在具有木材和聚氯乙烯(PVC)壁表面的腔室中,与壁纸,不锈钢和水泥涂料等其他壁材料相比,NAI 可以更有效地去除 PM 颗粒。电离器的一个明显缺点是发射臭氧[154],它是一种强氧化剂,可能通过长期和/或高剂量暴露严重危害我们的健康。研究表明,许多 NAI 发生器,包括品牌良好的电离器释放臭氧(表 3; [141,145,155–157]).另一个副作用是 NAI 连续发射到封闭环境中可能导致电荷积聚在绝缘表面上,然后可能引起静电问题,尤其是当湿度较低时[138].


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6.结论


一些研究表明,NAI 对人类/动物有多重健康益处,可能抑制生长和/或杀死一些微生物并促进植物发育(图 3),但有些结果需要进一步验证,一些参考文献可能会高估其益处,并且没有达到治疗效果的一致或可靠证据。然而,据我们所知,没有数据显示 NAI 对人类/动物的有害影响。超氧离子是 NAI 的关键成员,并通过调节血清素水平和其他生物作用参与 NAI 的生物学效应,但一些报道显示 NAIs 对 5-羟色胺的浓度或周转没有显着影响。另一方面,有证据表明 NAIs 可以高效去除 PM,包括超细 PM(图 2)3),提供一种清洁室内空气的替代方法,特别是在雾霾发作期间。我们还通过 PEF 刺激审查了基于植物的 NAI 生成系统。应该在该系统中加入更多的努力以进一步改进它并将其用作高效的 NAI 发生器和 PM 去除系统。


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参考文献


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