一種基于二氧化氯傳感器可應用于現鈔的殺菌裝置的開發

唐 成，唐銘澤，王淑軍，陳 勇，毛宇鵬，張 焱，劉興辰

(1.中國物品編碼中心，北京 100011；2.北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100144；3.國家食品質量檢驗檢測中心，北京 100015；4.南京龍淵微電子科技有限公司，江蘇 南京 210000；5.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

1 前言

中國是現鈔流通大國，現鈔是存放方式多樣且經手人數最多的物品之一。據有關部門數據顯示，目前中國每年的現鈔通流量約為九萬億元人民幣。而現鈔在流通過程中存在被不同的病毒及細菌所污染的風險。同時，存在于現鈔上的病毒細菌會隨著現鈔的流通進行傳播，甚至流行，危害人體的健康，因此現鈔也成為了傳染疾病的媒介之一，而減少現鈔上的病毒細菌以降低流行病的傳播與流行是保護廣大人民群眾的身體健康的重要手段。同時，現金是國家金融體系的不可分割的重要媒介，款項調撥、處理等環節會不可避免地接觸到紙幣和硬幣。新冠病毒或其他病毒細菌污染的紙幣在流通過程中對運輸、銀行從業人員及人民群眾的健康都是巨大的隱患，各國現有的現鈔殺菌系統存在許多問題，如現鈔存放殺菌周期長、殺菌效果不顯著、解決策略影響現鈔使用壽命、影響流通使用、存儲場所環境安全等等。因此，在疫情的嚴峻挑戰下，各國急需建立一個可以保障人民身體健康不受新冠等其他病毒細菌侵害的更高效現鈔殺菌系統。

1.1 現鈔流通主要環節

現鈔主要從各商業銀行網點及ATM 自動取款機被居民取出流入市場，在居民日常交易及消費過程中從不同人員手中流通，流通場所主要涉及市場、商場、醫院、學校等人口密集場所，其中一部分現鈔會通過客戶存款及特定場所的集中回籠回到銀行。各銀行根據實際情況，會對支行回籠現金進行消毒和清點，消毒方式主要采用紫外線、臭氧、高溫等，視情況再次將其投放回市場，破損或有安全隱患的現鈔則繳存人民銀行發行庫處理。

在現鈔流通的主要環節中，由于涉及人員及交易場所的復雜性，現鈔可能會在流通的過程中被污染，成為傳播疾病的潛在途徑。在流通主要環節中，由于條件的限制，居民通常不會對手中的現鈔進行有效的消毒殺菌；盡管有些居民有意識地采用酒精噴灑等方式對現鈔進行消毒，但由于酒精噴灑對現鈔表面的微生物殺滅效果有限，其效果往往不是很理想，而其他消毒方式如高溫消毒等更是會對現鈔造成損傷。因此，對現鈔進行消毒殺菌的責任主要由銀行完成。銀行相比于個人，通常配有更專業的消毒設備及物資，如紫外線燈，更強力的消毒劑等等。在銀行營業網點收入現金后，通常在點鈔的過程中會對現鈔用紫外線照射，在一些情況下也會采用消毒劑及高溫消毒的方法對收入現金進行消毒封存，再視情況重新將其投入市場。

1.2 現鈔流通主要污染源及存在風險

現鈔在市場流通過程中所處環境及經由人員復雜，通常攜帶有大量的污染物及致病菌，對于居民的健康和安全是一種潛在的威脅[1]。有研究表明，通過采用宏蛋白質組的手段對現鈔表面殘留的蛋白質物質進行分析，在現鈔表面分析檢出了包括家畜、野生動物、寵物、植物、水產品、微生物在內的82 個物種的蛋白質；對其表面的微生物進行近一步分析，發現其微生物包括細菌、真菌和病毒，其中更是含有多種對人類致病的細菌及病毒，這是一種潛在的公共衛生安全隱患[2]。這種安全隱患更是對居民健康造成了極大的威脅。研究表明新冠病毒可在現鈔等粗糙物品表面存活數小時[3]，杜絕病毒通過現鈔流通傳播對疫情整體防控而言顯得極為重要。

1.3 我國對現鈔消殺的現行措施及主要存在問題

為了有效抑制疫情的傳播，疫情防控重點地區迅速調整了其現鈔的流通和調撥政策。首先銀行暫停了全國范圍內現鈔的跨省調撥和部分疫情嚴重地區的省內跨市調撥，避免由于現金大面積流動造成的病毒傳播。其次，在疫情發生前，銀行收入的現鈔經過清點及消毒后，是被允許重新投入市場的，而疫情期間，疫情防控重點地區的回籠現鈔，在進行更嚴格的紫外線或者高溫等消毒程序后，需至少在庫中存入14 d 以上才被允許重新投入市場，甚至直接銷毀，而在疫情防控非重點地區現鈔再重新投入市場前需存放7 d 以上。而對于車站、醫院等場所回籠的現金，銀行則以更嚴格的辦法進行處理，進行單獨消毒封存后，集中交存中國人民銀行，不得再次流回市場。

現鈔消殺及流通的現行政策最大程度避免了病毒通過現鈔傳播，保障了居民的健康安全。但由于現鈔調撥受到嚴格限制，部分現鈔需要進行一段時間的封存甚至不再投入市場，各銀行網點的新鈔儲備有時不能及時地保障市場需求，對市場現鈔的流通造成了一定的不便。我們亟需一種更高效便捷，既能杜絕病毒通過現鈔傳播，又能有效降低銀行成本及保障現鈔安全的現鈔消殺流通系統。

目前常用的消毒措施有以下幾種:紫外線，高溫消毒，臭氧，光觸媒消毒液，含氯消毒劑，苯酚類消毒劑，酒精噴劑。這些消毒措施在一定的使用條件下均對微生物有一定的殺滅效果，也具有相應的局限性。紫外消毒是目前最常用的現鈔消毒方法，其殺菌率一般可以達到99%，然而紫外消毒也存在一定的缺陷，紫外線僅能殺滅被直接照射的表面微生物，因此難以在短時間內高效地對每一張現鈔進行有效消殺。臭氧是目前已知的消毒殺菌效果最強的氧化劑之一，臭氧在空氣中可以迅速擴散且分布均勻，實現全方位“零”死角的消毒。然而由于其殺菌時間較長，達到良好的殺菌效果一般需要連續消毒50 min～60 min，因此限制了其應用。低毒或者無毒性的次氯酸鈉消毒劑目前在市場上應用最為廣泛，然而次氯酸鈉消毒劑對人體皮膚和物體表面均有腐蝕性，也會對紙幣產生損傷。酒精噴劑已廣泛地用于人們的日常生活中，然而酒精噴劑的缺點是具有易燃性和脂溶性，具有一定的安全隱患，且對紙幣會造成一定的損傷。綜上所述，常用的消毒手段和試劑雖然可以起到一定的殺菌效果，然而在現鈔消殺的應用上仍然存在一定的局限性，結合現鈔在市場中的流通和消毒劑的應用條件，總的來說，高效短時地實現單張現鈔的消殺并制定相應的管理準則是目前現鈔消殺的痛點。

2 現鈔消殺的食品級二氧化氯生成器的開發與設計方案

為了解決上述現鈔消殺中存在的問題，在充分研究和對比了不同種類的消殺技術后，筆者認為食品級二氧化氯氣體可以運用到現鈔消殺體系。食品級二氧化氯是被世界衛生組織(WHO)列為A1 類別的消毒劑，也是國際公認的安全、無“三致”效應、對人體無影響且作用后無殘留的高活性殺菌劑[4－5]。目前我國市面上成熟且可控的以二氧化氯為消毒劑的產品有二氧化氯消毒緩釋器、二氧化氯消毒噴劑、二氧化氯空間消毒機和二氧化氯消毒液等[6－7]。結合我國現有的現鈔處理設備和二氧化氯消毒劑的特性，可將如“高效氣態二氧化氯集成發生器”和“二氧化氯空間消毒可控緩釋技術”等目前已實現的技術與現鈔處理設備如點鈔機進行改造配合，以實現現鈔清點過程中單張紙幣的無遺漏表面消殺，從根源上解決現鈔作為病毒及有害細菌的傳播途徑。同時結合國家對現鈔的管控和冠字號的追蹤，可以實現紙幣、硬幣流通過程中消殺的信息化管理，避免重復消殺，重復購置消殺設備，以降低消殺的成本。

2.1 二氧化氯殺菌裝置設計

根據銀行網點和自助存儲設備中紙幣流通較多的特性，筆者設計以下基于食品級二氧化氯的紙幣消殺裝置(圖1)，本文著重于電子系統設計及裝置殺菌效果的驗證。此裝置含有三個主要部分:第一部分為緩釋型食品級二氧化氯發生器，第二部分為含有二氧化氯濃度檢測器的儲存罐，第三部分為連接有二氧化氯噴氣閥的點鈔機。在第一部分的緩釋體系中，含有以A 和B 兩部分組成的二氧化氯發生器及二氧化氯氣體收集器。其中A 中為前驅物，常用亞氯酸鹽等粉末，放置于上方的小盒中，B 中為酸化劑，常以液體形式存在，如檸檬酸等，放置于下方的小盒中。上下疊放A、B 兩個安裝盒，前驅物便可通過粉末通道與酸化劑反應，實現食品級二氧化氯的產生。該粉末通道可以根據儲氣瓶內的二氧化氯濃度調節粉末進入酸化劑中的速率，產生適量的二氧化氯，并緩慢釋放至點鈔機等清點類設備的適當位置，實現現鈔的表面消殺，以節約成本和實現對二氧化氯的更有效利用。二氧化氯儲存罐內的的二氧化氯濃度檢測器可以對食品級二氧化氯的生產裝置進行反饋調節，確保點鈔機等清點類設備中二氧化氯的濃度在有效消殺范圍內。連接點鈔機的智能密閉噴氣閥可以確保點鈔機內有充足的二氧化氯，以實現高效消殺。每一個與食品級二氧化氯發生器連接的現鈔消殺裝置會擁有一個獨特的二維碼，以跟蹤監測A、B 反應盒內有效物質的濃度并定期更換。本裝置中的可更換的緩釋型食品級二氧化氯發生器，是在現鈔消殺系統中設備改造的關鍵。

圖1 現鈔消毒的食品級二氧化氯生成裝置

2.2 基于二氧化氯傳感器的智能噴氣閥的電子系統設計

本文所使用的二氧化氯傳感器是一種基于固態聚合物電化學的傳感器[8]。技術依據是電化學氣體檢測原理，測量可以化學分解的各種氣體。傳感器是由三個與電解液接觸的電極構成，典型電極由大表面積貴金屬及其他材料組成。電極、電解液和周圍空氣接觸，氣體通過多孔膜背面擴散入傳感器的工作電極，在該電極上氣體被氧化或還原，這種電化學反應引起流經外部線路的電流。本文所采用的傳感器具備靈敏度高及檢測范圍廣的特點，最低檢測限可達到0.01×10－6，檢測范圍為0～500×10－6。經過標定后，傳感器預期壽命在常溫常濕下可工作三年以上。

如圖2 所示，本文所設計的智能密閉噴氣閥主要包括閥門開關、反相施密特觸發器、二氧化氯傳感器、測量檢測表及可變電阻等主要部件構成。在點鈔機環境中二氧化氯濃度的控制主要通過反相施密特觸發器和閥門開關來實現。當二氧化氯濃度過低，超過低閾值設定時，閥門打開，持續釋放二氧化氯氣體。當二氧化氯濃度過高，超過高閾值設定時，閥門關閉，避免過高濃度二氧化氯對現鈔及環境造成傷害。測量檢測表會實時檢測輸出二氧化氯濃度，有助于研究最佳二氧化氯濃度及系統不斷優化。

圖2 一種基于二氧化氯傳感器的智能密閉噴氣閥的結構圖

3 緩釋型食品級二氧化氯生成器的搭建及殺菌效果測試

3.1 緩釋型二氧化氯發生器的初步搭建

本設計采用將次氯酸鈉粉末與食品級檸檬酸溶液存放于二元包裝中，在使用時將兩種物質在發生器中混合的方法，通過化學反應在發生器頂空環境釋放出有效濃度的二氧化氯氣體，并通過空氣泵將氣態二氧化氯輸送至裝有一定數量現鈔的點鈔機中，對氣態二氧化氯對現鈔表面微生物的殺滅效果進行評價。

3.2 實驗材料

次氯酸鈉(食品級)，檸檬酸(食品級)，二氧化氯發生器(裝有攪拌裝置的20 L 塑料容器)，空氣泵，自動點鈔機，現鈔，氣態二氧化氯濃度檢測管(德爾格)，胰蛋白胨大豆肉湯培養基，胰蛋白胨大豆瓊脂培養基，平板計數瓊脂，孟加拉紅瓊脂，無菌棉拭子。微生物包括大腸桿菌(CMCC(B)44102)、金黃色葡萄球菌(CGMCC1.0089)、枯草芽孢桿菌(CGMCC1.1849)、沙門氏菌、糞腸球菌、白色念珠菌。

3.3 實驗步驟

3.3.1 實驗菌懸液的制備

將大腸埃希氏菌(CMCC(B)44102)、金黃色葡萄球菌(CGMCC1.0089)、枯草芽孢桿菌(CGMCC1.1849)、沙門氏菌、糞腸球菌、白色念珠菌分別于胰蛋白胨大豆肉湯培養基中活化，在37 ℃培養箱中過夜培養后，在胰蛋白胨大豆瓊脂培養皿上劃板，在37 ℃培養箱中過夜培養后挑取單菌落于胰蛋白胨大豆肉湯培養基中，在37 ℃下懸搖直至獲得濃度為1×108CFU/mL的菌懸液[9]。

3.3.2 含菌人民幣的制備

將100 元人民幣放入菌懸液中進行浸泡，使其全部均勻沾滿菌液，將人民幣在無菌工作臺中進行通風晾干后，準備放入事先消毒好的點鈔機中。

3.3.3 食品級二氧化氯發生器的使用

將酸化劑(食品級檸檬酸)溶解于去離子水中，后將前驅物(次氯酸鈉)以一定比例緩慢加入到檸檬酸水溶液中，打開發生器中的攪拌裝置對混合溶液進行均勻緩慢攪拌，數分鐘后，將空氣泵打開使發生器中含有二氧化氯的頂空霧狀氣體通過噴氣閥均勻噴灑至自動點鈔機中的人民幣表面。

3.3.4 人民幣點鈔消毒模擬實驗

打開點鈔機電源開關預熱五分鐘，打開噴霧噴氣閥后，啟動點鈔機對人民幣重復進行兩次點鈔過程，點鈔機在點鈔過程中通過噴氣閥對人民幣正反兩面進行霧化消毒處理。點鈔完成后，用無菌棉拭子對人民幣表面進行涂抹法采樣后，在37 ℃恒溫培養48 h后(白色念珠菌在25 ℃恒溫培養72 h)，進行活菌培養計數[10－11]。部分未被放入點鈔機中的含菌人民幣被以同樣方法計數作為對照。整個模擬實驗重復三次，最終結果用平均值±標準差的形式表示。

4 實驗結果

4.1 點鈔機及周圍環境二氧化氯氣體濃度

在三次人民幣點鈔消毒模擬實驗中，對不同位置二氧化氯氣體的濃度進行測量，結果表明，在我們設計的氣態二氧化氯發生裝置中，通過將酸化劑和前驅物混合攪拌，一定濃度的二氧化氯確實產生，通過空氣泵的輸送，有效濃度為224×10－6的二氧化氯氣體能夠通過噴氣閥噴灑到人民幣表面，在點鈔口附近的二氧化氯濃度有所降低，約為200×10－6，但其濃度理論上可以達到對多種細菌和真菌的有效殺滅。實驗中不同位置二氧化氯濃度如表1 所示。智能密閉噴氣閥在每次實驗中，當濃度達到200×10－6時都能及時關閉，具有很好的穩定性。有研究表明[12]，采用檸檬酸和二氧化氯儲存液混合的方式可以制成一種液態二氧化氯緩釋劑。此緩釋劑生成的二氧化氯含量較高且具有很好的殺菌效果。采用該方法制成的最終濃度為50×10－6的二氧化氯溶液對含有金黃色葡萄球菌、白色念珠菌和大腸桿菌的溶液進行10 min 的消殺處理，結果表明可以達到100%的殺菌率。然而雖然二氧化氯儲存液較為穩定，檸檬酸活化后的液態消毒劑不穩定，二氧化氯的含量會隨放置時間的延長而迅速下降，因此此液態消毒劑需在臨用前活化配制。另一種液體二氧化氯緩釋消毒劑可以通過載體進行定量殺菌。研究結果表明，使用二氧化氯濃度為100×10－6的二氧化氯緩釋消毒劑，其作用6 min 對大腸桿菌的殺滅率達100%。

表1 人民幣點鈔消毒模擬實驗中不同位置二氧化氯氣體濃度

在本實驗中，我們同樣對點鈔機使用環境中的二氧化氯濃度進行檢測，空氣中二氧化氯濃度始終低于5×10－6，這對點鈔機使用者及環境都是一個安全值，符合?工作場所有害職業接觸限值第一部分:化學有害因素?GBZ 2.1—2019 的要求?？諝庵袣埩舻亩趸葧粩嘟到?，更可通過加強使用場所的空氣流通來避免環境中殘留二氧化氯的累積和其可能帶來的危害[13]。

4.2 人民幣點鈔消毒實驗結果

通過三次重復實驗，由表2 結果證明，通過使用所設計的食品級二氧化氯生成裝置在點鈔機兩次點鈔過程中對人民幣表面進行消毒殺菌，對不同細菌及真菌均具有非常顯著的效果，殺滅對數值均達到五個對數以上，有效滅菌率均達到99.999%。這與我們預期的結果一致[14－15]，200×10－6有效濃度的二氧化氯氣體能夠對多數微生物包括致病菌有強效的消殺作用。

表2 人民幣表面微生物殺滅結果

4.3 點鈔消毒實驗對人民幣的影響

通過三次重復實驗，經過點鈔機兩次點鈔的人民幣表面未出現任何破損或其他損傷，在實驗結束后的長時間儲存中，人民幣的顏色和質地與對照組相比無顯著性差別，這表示我們的二氧化氯消毒殺菌裝置不會對人民幣的質量及使用壽命造成影響。

綜上所述，我們開發的二氧化氯消毒殺菌裝置已經較為成熟且充分可控。使用食品級的二氧化氯不僅可以解決常用消毒劑在現鈔殺菌中的諸多局限性，例如僅限表面消毒、加熱不均導致儀器損傷或消毒劑本身對現鈔有損傷等，且對人體無任何副作用。因此，筆者認為以二氧化氯為消毒劑的現鈔殺菌儀器將會廣泛應用于日常生活中。

5 結論與展望

現鈔不僅是百姓日常生活中的交易媒介，也是各國金融體系中不可或缺的重要媒介，許多金融體系環節都不可以避免地會有現鈔的使用。然而現鈔作為細菌病毒的潛在傳播載體，對人類的身體健康是一個較大威脅。因此一個高效的現鈔消殺體系急需建立。

目前，市面上常用的消殺劑在現鈔的消殺應用中效果不佳，存在不少的缺陷。二氧化氯作為一種較為新型的消殺劑，已在國內外的果蔬防腐和公共區域消殺中廣泛應用[16－17]。因此，二氧化氯氣體在現鈔消殺領域是十分具有應用前景的。因此將二氧化氯與現鈔流通過程中的環節連接起來實現高效的每張現鈔的消殺成為提高現鈔安全性的關鍵。

筆者將液態食品級二氧化氯緩釋劑與現鈔流通體系中的點鈔機結合，提出了一個可調控二氧化氯濃度的現鈔消殺體系，以實現在點鈔過程中對每張現鈔的高效消殺。僅需定期對液態食品級二氧化氯緩釋劑體系進行物料的補充，便可以持續地實現現鈔的高效消殺。同樣，在現鈔的儲存過程中，可基于研發的食品級二氧化氯消毒可控緩釋模塊，對現鈔流通和靜態存儲設施(現鈔庫房、存儲柜、周轉箱、運輸車輛及工作空間)的消殺去味設備進行設計，視不同空間及環境，設計基于環保二氧化氯消毒劑的不同類型、不同容量/大小、不同控制模式的消殺去味設備，實現現鈔周轉箱(袋、盒、柜)、現鈔運輸設施(押運車)、現鈔存儲設施(庫房)及工作空間等現金流通環節的殺菌和除異味功能。同時基于現鈔流通全生命周期、全鏈條上的多網點、多中心的營業場所、庫房設備及設施布局，直至現鈔使用者，采用基于全球統一編碼標識體系與自動識別技術，特別是大數據、區塊鏈、人工智能等技術，和中國人民銀行推行的?區域現金處理中心?六省市試點文件精神結合，搭建創新的中國現鈔公共衛生管理服務平臺，實現中國每一張紙幣在流通中可查詢、可追溯的同時，保證中國現鈔流通全程的安全、高效、衛生和綠色，讓百姓能放心使用現鈔[18]?？陀^地說，這一研究填補了國內外空白，為全球提供了“中國方案”。