一种基于二氧化氯传感器可应用于现钞的杀菌装置的开发

唐 成，唐铭泽，王淑军，陈 勇，毛宇鹏，张 焱，刘兴辰

(1.中国物品编码中心，北京 100011；2.北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144；3.国家食品质量检验检测中心，北京 100015；4.南京龙渊微电子科技有限公司，江苏 南京 210000；5.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083)

1 前言

中国是现钞流通大国，现钞是存放方式多样且经手人数最多的物品之一。据有关部门数据显示，目前中国每年的现钞通流量约为九万亿元人民币。而现钞在流通过程中存在被不同的病毒及细菌所污染的风险。同时，存在于现钞上的病毒细菌会随着现钞的流通进行传播，甚至流行，危害人体的健康，因此现钞也成为了传染疾病的媒介之一，而减少现钞上的病毒细菌以降低流行病的传播与流行是保护广大人民群众的身体健康的重要手段。同时，现金是国家金融体系的不可分割的重要媒介，款项调拨、处理等环节会不可避免地接触到纸币和硬币。新冠病毒或其他病毒细菌污染的纸币在流通过程中对运输、银行从业人员及人民群众的健康都是巨大的隐患，各国现有的现钞杀菌系统存在许多问题，如现钞存放杀菌周期长、杀菌效果不显著、解决策略影响现钞使用寿命、影响流通使用、存储场所环境安全等等。因此，在疫情的严峻挑战下，各国急需建立一个可以保障人民身体健康不受新冠等其他病毒细菌侵害的更高效现钞杀菌系统。

1.1 现钞流通主要环节

现钞主要从各商业银行网点及ATM 自动取款机被居民取出流入市场，在居民日常交易及消费过程中从不同人员手中流通，流通场所主要涉及市场、商场、医院、学校等人口密集场所，其中一部分现钞会通过客户存款及特定场所的集中回笼回到银行。各银行根据实际情况，会对支行回笼现金进行消毒和清点，消毒方式主要采用紫外线、臭氧、高温等，视情况再次将其投放回市场，破损或有安全隐患的现钞则缴存人民银行发行库处理。

在现钞流通的主要环节中，由于涉及人员及交易场所的复杂性，现钞可能会在流通的过程中被污染，成为传播疾病的潜在途径。在流通主要环节中，由于条件的限制，居民通常不会对手中的现钞进行有效的消毒杀菌；尽管有些居民有意识地采用酒精喷洒等方式对现钞进行消毒，但由于酒精喷洒对现钞表面的微生物杀灭效果有限，其效果往往不是很理想，而其他消毒方式如高温消毒等更是会对现钞造成损伤。因此，对现钞进行消毒杀菌的责任主要由银行完成。银行相比于个人，通常配有更专业的消毒设备及物资，如紫外线灯，更强力的消毒剂等等。在银行营业网点收入现金后，通常在点钞的过程中会对现钞用紫外线照射，在一些情况下也会采用消毒剂及高温消毒的方法对收入现金进行消毒封存，再视情况重新将其投入市场。

1.2 现钞流通主要污染源及存在风险

现钞在市场流通过程中所处环境及经由人员复杂，通常携带有大量的污染物及致病菌，对于居民的健康和安全是一种潜在的威胁[1]。有研究表明，通过采用宏蛋白质组的手段对现钞表面残留的蛋白质物质进行分析，在现钞表面分析检出了包括家畜、野生动物、宠物、植物、水产品、微生物在内的82 个物种的蛋白质；对其表面的微生物进行近一步分析，发现其微生物包括细菌、真菌和病毒，其中更是含有多种对人类致病的细菌及病毒，这是一种潜在的公共卫生安全隐患[2]。这种安全隐患更是对居民健康造成了极大的威胁。研究表明新冠病毒可在现钞等粗糙物品表面存活数小时[3]，杜绝病毒通过现钞流通传播对疫情整体防控而言显得极为重要。

1.3 我国对现钞消杀的现行措施及主要存在问题

为了有效抑制疫情的传播，疫情防控重点地区迅速调整了其现钞的流通和调拨政策。首先银行暂停了全国范围内现钞的跨省调拨和部分疫情严重地区的省内跨市调拨，避免由于现金大面积流动造成的病毒传播。其次，在疫情发生前，银行收入的现钞经过清点及消毒后，是被允许重新投入市场的，而疫情期间，疫情防控重点地区的回笼现钞，在进行更严格的紫外线或者高温等消毒程序后，需至少在库中存入14 d 以上才被允许重新投入市场，甚至直接销毁，而在疫情防控非重点地区现钞再重新投入市场前需存放7 d 以上。而对于车站、医院等场所回笼的现金，银行则以更严格的办法进行处理，进行单独消毒封存后，集中交存中国人民银行，不得再次流回市场。

现钞消杀及流通的现行政策最大程度避免了病毒通过现钞传播，保障了居民的健康安全。但由于现钞调拨受到严格限制，部分现钞需要进行一段时间的封存甚至不再投入市场，各银行网点的新钞储备有时不能及时地保障市场需求，对市场现钞的流通造成了一定的不便。我们亟需一种更高效便捷，既能杜绝病毒通过现钞传播，又能有效降低银行成本及保障现钞安全的现钞消杀流通系统。

目前常用的消毒措施有以下几种:紫外线，高温消毒，臭氧，光触媒消毒液，含氯消毒剂，苯酚类消毒剂，酒精喷剂。这些消毒措施在一定的使用条件下均对微生物有一定的杀灭效果，也具有相应的局限性。紫外消毒是目前最常用的现钞消毒方法，其杀菌率一般可以达到99%，然而紫外消毒也存在一定的缺陷，紫外线仅能杀灭被直接照射的表面微生物，因此难以在短时间内高效地对每一张现钞进行有效消杀。臭氧是目前已知的消毒杀菌效果最强的氧化剂之一，臭氧在空气中可以迅速扩散且分布均匀，实现全方位“零”死角的消毒。然而由于其杀菌时间较长，达到良好的杀菌效果一般需要连续消毒50 min～60 min，因此限制了其应用。低毒或者无毒性的次氯酸钠消毒剂目前在市场上应用最为广泛，然而次氯酸钠消毒剂对人体皮肤和物体表面均有腐蚀性，也会对纸币产生损伤。酒精喷剂已广泛地用于人们的日常生活中，然而酒精喷剂的缺点是具有易燃性和脂溶性，具有一定的安全隐患，且对纸币会造成一定的损伤。综上所述，常用的消毒手段和试剂虽然可以起到一定的杀菌效果，然而在现钞消杀的应用上仍然存在一定的局限性，结合现钞在市场中的流通和消毒剂的应用条件，总的来说，高效短时地实现单张现钞的消杀并制定相应的管理准则是目前现钞消杀的痛点。

2 现钞消杀的食品级二氧化氯生成器的开发与设计方案

为了解决上述现钞消杀中存在的问题，在充分研究和对比了不同种类的消杀技术后，笔者认为食品级二氧化氯气体可以运用到现钞消杀体系。食品级二氧化氯是被世界卫生组织(WHO)列为A1 类别的消毒剂，也是国际公认的安全、无“三致”效应、对人体无影响且作用后无残留的高活性杀菌剂[4－5]。目前我国市面上成熟且可控的以二氧化氯为消毒剂的产品有二氧化氯消毒缓释器、二氧化氯消毒喷剂、二氧化氯空间消毒机和二氧化氯消毒液等[6－7]。结合我国现有的现钞处理设备和二氧化氯消毒剂的特性，可将如“高效气态二氧化氯集成发生器”和“二氧化氯空间消毒可控缓释技术”等目前已实现的技术与现钞处理设备如点钞机进行改造配合，以实现现钞清点过程中单张纸币的无遗漏表面消杀，从根源上解决现钞作为病毒及有害细菌的传播途径。同时结合国家对现钞的管控和冠字号的追踪，可以实现纸币、硬币流通过程中消杀的信息化管理，避免重复消杀，重复购置消杀设备，以降低消杀的成本。

2.1 二氧化氯杀菌装置设计

根据银行网点和自助存储设备中纸币流通较多的特性，笔者设计以下基于食品级二氧化氯的纸币消杀装置(图1)，本文着重于电子系统设计及装置杀菌效果的验证。此装置含有三个主要部分:第一部分为缓释型食品级二氧化氯发生器，第二部分为含有二氧化氯浓度检测器的储存罐，第三部分为连接有二氧化氯喷气阀的点钞机。在第一部分的缓释体系中，含有以A 和B 两部分组成的二氧化氯发生器及二氧化氯气体收集器。其中A 中为前驱物，常用亚氯酸盐等粉末，放置于上方的小盒中，B 中为酸化剂，常以液体形式存在，如柠檬酸等，放置于下方的小盒中。上下叠放A、B 两个安装盒，前驱物便可通过粉末通道与酸化剂反应，实现食品级二氧化氯的产生。该粉末通道可以根据储气瓶内的二氧化氯浓度调节粉末进入酸化剂中的速率，产生适量的二氧化氯，并缓慢释放至点钞机等清点类设备的适当位置，实现现钞的表面消杀，以节约成本和实现对二氧化氯的更有效利用。二氧化氯储存罐内的的二氧化氯浓度检测器可以对食品级二氧化氯的生产装置进行反馈调节，确保点钞机等清点类设备中二氧化氯的浓度在有效消杀范围内。连接点钞机的智能密闭喷气阀可以确保点钞机内有充足的二氧化氯，以实现高效消杀。每一个与食品级二氧化氯发生器连接的现钞消杀装置会拥有一个独特的二维码，以跟踪监测A、B 反应盒内有效物质的浓度并定期更换。本装置中的可更换的缓释型食品级二氧化氯发生器，是在现钞消杀系统中设备改造的关键。

图1 现钞消毒的食品级二氧化氯生成装置

2.2 基于二氧化氯传感器的智能喷气阀的电子系统设计

本文所使用的二氧化氯传感器是一种基于固态聚合物电化学的传感器[8]。技术依据是电化学气体检测原理，测量可以化学分解的各种气体。传感器是由三个与电解液接触的电极构成，典型电极由大表面积贵金属及其他材料组成。电极、电解液和周围空气接触，气体通过多孔膜背面扩散入传感器的工作电极，在该电极上气体被氧化或还原，这种电化学反应引起流经外部线路的电流。本文所采用的传感器具备灵敏度高及检测范围广的特点，最低检测限可达到0.01×10－6，检测范围为0～500×10－6。经过标定后，传感器预期寿命在常温常湿下可工作三年以上。

如图2 所示，本文所设计的智能密闭喷气阀主要包括阀门开关、反相施密特触发器、二氧化氯传感器、测量检测表及可变电阻等主要部件构成。在点钞机环境中二氧化氯浓度的控制主要通过反相施密特触发器和阀门开关来实现。当二氧化氯浓度过低，超过低阈值设定时，阀门打开，持续释放二氧化氯气体。当二氧化氯浓度过高，超过高阈值设定时，阀门关闭，避免过高浓度二氧化氯对现钞及环境造成伤害。测量检测表会实时检测输出二氧化氯浓度，有助于研究最佳二氧化氯浓度及系统不断优化。

图2 一种基于二氧化氯传感器的智能密闭喷气阀的结构图

3 缓释型食品级二氧化氯生成器的搭建及杀菌效果测试

3.1 缓释型二氧化氯发生器的初步搭建

本设计采用将次氯酸钠粉末与食品级柠檬酸溶液存放于二元包装中，在使用时将两种物质在发生器中混合的方法，通过化学反应在发生器顶空环境释放出有效浓度的二氧化氯气体，并通过空气泵将气态二氧化氯输送至装有一定数量现钞的点钞机中，对气态二氧化氯对现钞表面微生物的杀灭效果进行评价。

3.2 实验材料

次氯酸钠(食品级)，柠檬酸(食品级)，二氧化氯发生器(装有搅拌装置的20 L 塑料容器)，空气泵，自动点钞机，现钞，气态二氧化氯浓度检测管(德尔格)，胰蛋白胨大豆肉汤培养基，胰蛋白胨大豆琼脂培养基，平板计数琼脂，孟加拉红琼脂，无菌棉拭子。微生物包括大肠杆菌(CMCC(B)44102)、金黄色葡萄球菌(CGMCC1.0089)、枯草芽孢杆菌(CGMCC1.1849)、沙门氏菌、粪肠球菌、白色念珠菌。

3.3 实验步骤

3.3.1 实验菌悬液的制备

将大肠埃希氏菌(CMCC(B)44102)、金黄色葡萄球菌(CGMCC1.0089)、枯草芽孢杆菌(CGMCC1.1849)、沙门氏菌、粪肠球菌、白色念珠菌分别于胰蛋白胨大豆肉汤培养基中活化，在37 ℃培养箱中过夜培养后，在胰蛋白胨大豆琼脂培养皿上划板，在37 ℃培养箱中过夜培养后挑取单菌落于胰蛋白胨大豆肉汤培养基中，在37 ℃下悬摇直至获得浓度为1×108CFU/mL的菌悬液[9]。

3.3.2 含菌人民币的制备

将100 元人民币放入菌悬液中进行浸泡，使其全部均匀沾满菌液，将人民币在无菌工作台中进行通风晾干后，准备放入事先消毒好的点钞机中。

3.3.3 食品级二氧化氯发生器的使用

将酸化剂(食品级柠檬酸)溶解于去离子水中，后将前驱物(次氯酸钠)以一定比例缓慢加入到柠檬酸水溶液中，打开发生器中的搅拌装置对混合溶液进行均匀缓慢搅拌，数分钟后，将空气泵打开使发生器中含有二氧化氯的顶空雾状气体通过喷气阀均匀喷洒至自动点钞机中的人民币表面。

3.3.4 人民币点钞消毒模拟实验

打开点钞机电源开关预热五分钟，打开喷雾喷气阀后，启动点钞机对人民币重复进行两次点钞过程，点钞机在点钞过程中通过喷气阀对人民币正反两面进行雾化消毒处理。点钞完成后，用无菌棉拭子对人民币表面进行涂抹法采样后，在37 ℃恒温培养48 h后(白色念珠菌在25 ℃恒温培养72 h)，进行活菌培养计数[10－11]。部分未被放入点钞机中的含菌人民币被以同样方法计数作为对照。整个模拟实验重复三次，最终结果用平均值±标准差的形式表示。

4 实验结果

4.1 点钞机及周围环境二氧化氯气体浓度

在三次人民币点钞消毒模拟实验中，对不同位置二氧化氯气体的浓度进行测量，结果表明，在我们设计的气态二氧化氯发生装置中，通过将酸化剂和前驱物混合搅拌，一定浓度的二氧化氯确实产生，通过空气泵的输送，有效浓度为224×10－6的二氧化氯气体能够通过喷气阀喷洒到人民币表面，在点钞口附近的二氧化氯浓度有所降低，约为200×10－6，但其浓度理论上可以达到对多种细菌和真菌的有效杀灭。实验中不同位置二氧化氯浓度如表1 所示。智能密闭喷气阀在每次实验中，当浓度达到200×10－6时都能及时关闭，具有很好的稳定性。有研究表明[12]，采用柠檬酸和二氧化氯储存液混合的方式可以制成一种液态二氧化氯缓释剂。此缓释剂生成的二氧化氯含量较高且具有很好的杀菌效果。采用该方法制成的最终浓度为50×10－6的二氧化氯溶液对含有金黄色葡萄球菌、白色念珠菌和大肠杆菌的溶液进行10 min 的消杀处理，结果表明可以达到100%的杀菌率。然而虽然二氧化氯储存液较为稳定，柠檬酸活化后的液态消毒剂不稳定，二氧化氯的含量会随放置时间的延长而迅速下降，因此此液态消毒剂需在临用前活化配制。另一种液体二氧化氯缓释消毒剂可以通过载体进行定量杀菌。研究结果表明，使用二氧化氯浓度为100×10－6的二氧化氯缓释消毒剂，其作用6 min 对大肠杆菌的杀灭率达100%。

表1 人民币点钞消毒模拟实验中不同位置二氧化氯气体浓度

在本实验中，我们同样对点钞机使用环境中的二氧化氯浓度进行检测，空气中二氧化氯浓度始终低于5×10－6，这对点钞机使用者及环境都是一个安全值，符合«工作场所有害职业接触限值第一部分:化学有害因素»GBZ 2.1—2019 的要求。空气中残留的二氧化氯会不断降解，更可通过加强使用场所的空气流通来避免环境中残留二氧化氯的累积和其可能带来的危害[13]。

4.2 人民币点钞消毒实验结果

通过三次重复实验，由表2 结果证明，通过使用所设计的食品级二氧化氯生成装置在点钞机两次点钞过程中对人民币表面进行消毒杀菌，对不同细菌及真菌均具有非常显著的效果，杀灭对数值均达到五个对数以上，有效灭菌率均达到99.999%。这与我们预期的结果一致[14－15]，200×10－6有效浓度的二氧化氯气体能够对多数微生物包括致病菌有强效的消杀作用。

表2 人民币表面微生物杀灭结果

4.3 点钞消毒实验对人民币的影响

通过三次重复实验，经过点钞机两次点钞的人民币表面未出现任何破损或其他损伤，在实验结束后的长时间储存中，人民币的颜色和质地与对照组相比无显著性差别，这表示我们的二氧化氯消毒杀菌装置不会对人民币的质量及使用寿命造成影响。

综上所述，我们开发的二氧化氯消毒杀菌装置已经较为成熟且充分可控。使用食品级的二氧化氯不仅可以解决常用消毒剂在现钞杀菌中的诸多局限性，例如仅限表面消毒、加热不均导致仪器损伤或消毒剂本身对现钞有损伤等，且对人体无任何副作用。因此，笔者认为以二氧化氯为消毒剂的现钞杀菌仪器将会广泛应用于日常生活中。

5 结论与展望

现钞不仅是百姓日常生活中的交易媒介，也是各国金融体系中不可或缺的重要媒介，许多金融体系环节都不可以避免地会有现钞的使用。然而现钞作为细菌病毒的潜在传播载体，对人类的身体健康是一个较大威胁。因此一个高效的现钞消杀体系急需建立。

目前，市面上常用的消杀剂在现钞的消杀应用中效果不佳，存在不少的缺陷。二氧化氯作为一种较为新型的消杀剂，已在国内外的果蔬防腐和公共区域消杀中广泛应用[16－17]。因此，二氧化氯气体在现钞消杀领域是十分具有应用前景的。因此将二氧化氯与现钞流通过程中的环节连接起来实现高效的每张现钞的消杀成为提高现钞安全性的关键。

笔者将液态食品级二氧化氯缓释剂与现钞流通体系中的点钞机结合，提出了一个可调控二氧化氯浓度的现钞消杀体系，以实现在点钞过程中对每张现钞的高效消杀。仅需定期对液态食品级二氧化氯缓释剂体系进行物料的补充，便可以持续地实现现钞的高效消杀。同样，在现钞的储存过程中，可基于研发的食品级二氧化氯消毒可控缓释模块，对现钞流通和静态存储设施(现钞库房、存储柜、周转箱、运输车辆及工作空间)的消杀去味设备进行设计，视不同空间及环境，设计基于环保二氧化氯消毒剂的不同类型、不同容量/大小、不同控制模式的消杀去味设备，实现现钞周转箱(袋、盒、柜)、现钞运输设施(押运车)、现钞存储设施(库房)及工作空间等现金流通环节的杀菌和除异味功能。同时基于现钞流通全生命周期、全链条上的多网点、多中心的营业场所、库房设备及设施布局，直至现钞使用者，采用基于全球统一编码标识体系与自动识别技术，特别是大数据、区块链、人工智能等技术，和中国人民银行推行的«区域现金处理中心»六省市试点文件精神结合，搭建创新的中国现钞公共卫生管理服务平台，实现中国每一张纸币在流通中可查询、可追溯的同时，保证中国现钞流通全程的安全、高效、卫生和绿色，让百姓能放心使用现钞[18]。客观地说，这一研究填补了国内外空白，为全球提供了“中国方案”。