非热等离子体灭菌领域专利技术分析

冯 颖

（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100160）

近年来，随着生物医学技术的快速发展，采用光学、高分子聚合物及生物降解等先进材料的医疗检测及诊断设备不断出现。这些材料对于消毒条件具有严格的要求，高温条件可能导致材料的形态结构变化，甚至发生化学分解或变性，而常见的化学消毒剂本身具有毒性，且容易在材料表面残留而造成二次污染。因此，采用这些材料的医学设备，既不能使用传统的辐照或高温高压等物理消毒方法，也不能简单地使用化学消毒剂进行化学消毒。非热等离子体灭菌技术由于其低温、高效、无毒性残留等特点，特别适用于热敏感的材料和医疗器械，在环境治理、食品包装和空气净化等领域也显示出巨大的优势。

等离子体是指高度电离的气体云。气体分子在受到外界高温、强电磁场、辐射等作用时不断电离，形成包含有电子、正负离子、基态和激发态的分子和原子、活性自由基以及紫外线、γ射线、β粒子的气体云，是物质存在第四态。依据等离子体中带电粒子温度的相对高低可将其分为热（平衡）等离子体（Thermal plasma）和非热（平衡）等离子体（Non-thermal plasma）两大类[1]。非热等离子体的电子温度极高，可达几千至上万摄氏度，但离子和中性粒子的温度接近室温，所以整个体系在宏观上表现为常温，因此又称为低温等离子体（Low temperature plasma）。等离子体中的活性粒子在常温下即具有极高的化学活性，通常认为等离子体的灭菌作用是多因素综合作用的结果：等离子体中的活性自由基极易与微生物体内的蛋白质和核酸物质发生反应使其变性，气体放电过程中伴随产生的紫外射线有80%以上在杀菌作用较强的波长范围内，其中的高能紫外光子能够破坏微生物的核酸结构致其死亡，同时高速粒子的击穿效应破坏细胞壁结构，加速内容物流出[2]。非热等离子体能够在常压下通过气体放电的方式产生，在技术上容易控制和实现，适合大规模工业应用，同时可以采用惰性气体产生等离子体，使用后无毒性物质残留，不会对人体和环境产生危害。因此，非热等离子体灭菌技术克服了现行消毒方法中的不足，是新一代绿色灭菌技术的发展方向。

本文基于IncoPat数据库对非热等离子体灭菌技术的相关专利申请进行检索，检索日期截止至2021年04月15日。通过对分类号和关键词的组合检索与筛选去重，得到了涉及非热等离子体灭菌的全球专利申请545件，其中国内申请324件，国外申请221件。通过对获得的专利数据进行多角度的归纳分析，概述了非热等离子体灭菌领域的专利技术发展趋势，分析对比了国内外申请人在专利技术布局上存在的差异，梳理了非热等离子体灭菌技术的应用方向与关键技术，并基于此为我国相关领域的技术研发与专利保护提出几点建议。

1.全球范围内非热等离子体灭菌技术专利申请情况

1.1 专利申请趋势

1978年，美国的研究人员首次针对低温等离子体用于物体表面的消毒方法提出专利申请，此后针对低温等离子灭菌技术在医疗器械、气体除臭、食品和餐具的高效快速消毒等领域的研究广泛兴起。根据统计数据显示，2000年之前属于非热等离子体灭菌技术的萌芽期，相关专利技术仅集中于个别申请人手中，申请总量增长缓慢。2001-2008年进入技术发展期，这一阶段的专利申请数量呈现跳跃式增长，针对非热等离子体灭菌过程的机理研究更加深入，同时越来越多的研究人员将催化剂、吸附剂等组分结合到非热等离子体发生器中，提高灭菌效果。自2009以来，非热等离子体灭菌专利技术进入快速发展期，随着非热等离子体灭菌设备研制及相关研究成果转化，专利申请量大幅提升，特别是在2009年、2013年、2015年和2019年的年申请量不断出现突破性增长，这与全球范围内先后爆发的SARS病毒、甲型H1N1流感病毒、MERS病毒和新型冠状病毒疫情的现实需要密切相关，期间虽出现短暂回落，但整体申请趋势向好，说明非热等离子灭菌技术已经逐渐具备了成熟的工业化应用条件。

1.2 专利申请的全球布局

通过对非热等离子体灭菌技术专利技术来源/目标国分布进行分析可知，中国已经成为非热等离子体灭菌技术首要的技术来源主体和输出主体，创新实力和专利保护意识显著增强。同时，美国、日本、韩国也是该领域的主要技术来源国和技术目标国，中美日韩四国的专利贡献量已占据全球专利申请量的80%以上，掌握并引领着该领域内重点技术的发展方向。针对主要技术来源国在不同国家或地区的专利公开趋势进行分析，可以得到不同国家的专利布局情况。中国、韩国和日本作为亚洲最具代表的技术来源地区，其技术布局主要局限于本国范围内，而对于全球范围内的市场延伸和拓展则略显不足。相比之下，以美国、德国、英国为代表的欧美国家，由于其成熟的专利保护制度、优秀的技术转化与输出能力以及地理位置的便利性，在专利整体布局上显示出更强的战略性，这也从侧面反映出市场对其技术成熟度的认可。

1.3 全球重要申请人

从全球主要专利申请人的申请数量排名来看，非热等离子体灭菌技术领域的申请人主要以技术研发企业为主，前十名申请人的申请量差距较小，领域内存在着激烈竞争，因此尚未出现个别申请人拥有绝对技术垄断的局面，机遇与挑战并存。国外的专利申请人主要以日本和美国的工业企业为主。这些企业大多拥有雄厚的科研实力和长期的技术积累，同时注重技术的工业转化与应用。日本大金株式会社是全球知名的空调制造及研发企业，主要围绕非热等离子体技术在气体净化领域的应用展开基础研究，2002-2005年先后提出锰基催化剂和贵金属基催化剂用于提高低温等离子体与空气污染物的化学反应活性，并针对等离子体反应器中的电极分布方式对气体净化效率的优化展开研究，为非热等离子体的高效灭菌提供了新的思路。

国内早期的申请人主要以个人和科研机构为主，随着技术发展的成熟化，医疗环保等领域的科技企业作为申请人的占比逐渐扩大，这与国内研发实力的提升以及消费者对于消毒方式的多样化需求密切相关。作为国内异军突起的科技创新型民营企业，牡丹江等离子体物理应用科技有限公司以灭菌器为主要经营对象，先后针对过氧化氢低温等离子体灭菌装置提出了13件专利申请，不断优化灭菌器内部的组织构件和附加结构，有效提高了设备的灭菌效率和安全性能，专利授权率达到84.6%，是国内主要的非热等离子体灭菌器生产经营主体之一。老肯医疗科技股份有限公司围绕过氧化氢灭菌器产品性能的多样化展开研究，其中实用新型专利申请的比重较大，适用于不同灭菌对象使用的过氧化氢低温等离子体灭菌器已推广至市场销售和使用。

2006年，由西安交通大学申请并获得授权的发明专利CN1931377A提出，利用低温等离子体对吸附剂的解吸和再生作用能够实现空气污染物的循环净化，随后针对不同放电条件下的低温等离子体灭菌效果的研究不断深入，同时西安交通大学的研究团队将低温等离子体灭菌技术应用于微生物灭活和特种医疗器械的表面消毒，并在消毒装置制造领域取得了突出成果。常州工学院则更加侧重灭菌技术在日常生活领域的应用，在其申请的11项相关专利中涵盖了点钞机、汽车出风系统、洗漱用品消毒装置等技术主题，通过将非热等离子体的产生装置与现有技术中的已有装置相结合，利用非热等离子体低温、无毒等特点达到消毒灭菌的目的。

2.非热等离子体灭菌技术专利申请的主要技术分布

2.1 空气净化领域

非热等离子体灭菌技术在空气净化领域的专利申请量占比最大。早期研发的空气净化器由于真空系统的结构复杂且价格昂贵，限制了使用范围，使得科研人员转向常压等离子体灭菌器的研究[3]。2000年以后申请的空气净化消毒装置逐渐摆脱单一的低温等离子体净化模式，逐渐与纳米光催化、高效吸附过滤技术以及流体动力学等研究成果相结合，扩大了非热等离子体灭菌技术的应用范围和效能。美国密歇根大学的研究人员在发明专利申请CN2016800338072中提供了一种线板式空气处理系统，依据电流体动力学（EHD）理论将空气流和夹带在其中的传染性气溶胶引向具有高浓度反应性物质的包含非热等离子体的区域，提高了通过化学、物理和放射过程完全灭活病原体的可能性。美国的堂美环境治理有限公司在发明专利申请CN2017800744668中公开了一种使用超声空化的净化设备和方法，通过将清洁流体产生的雾经受非热等离子体活化器以形成等离子体活化的离子颗粒，使其与空气中传播的病原体接触，实现对手术室、病房和检查室等医疗环境的净化。

2.2 医疗领域

非热等离子体灭菌技术在医疗领域的应用是占比第二位的技术分支，特别针对不耐高温的各类热敏仪器以及内窥镜等具有复杂结构的医疗器械的清洗消毒具有突出的技术优势。1989年，美国研发人员Adir Jacob首次提出将医疗或牙科装置和材料暴露于活性低温等离子体气氛中以实现灭菌或表面处理（US07331438），等离子体中的含氧活性物质与存在于待消毒的医疗或牙科装置表面上的微生物蛋白质组分发生化学反应，从而使蛋白质分子变性，显著提高了微生物的杀灭效率。西安交通大学（CN200910023531）研发的射流等离子体消毒装置能够产生具有可控性的等离子体射流，可用于复杂形状医疗器械的消毒处理，对于耐湿热和不耐湿热的医疗器械均很适用。2019年12月以来，为保证有效地抗击新型冠状病毒，人们对于医用口罩、测温枪等医用设备的需求量不断扩大，快速、便捷、安全的消毒方法成为研发人员关注的焦点。苏州华圣恩智能科技有限公司研发了一种带有低温等离子体消杀装置的医用口罩（CN202021774784），与传统医用口罩单纯及有限的阻隔作用相比，安全性大幅提升。废弃的口罩经过低温等离子体消杀后，几乎不会有病毒残留，对环境的病毒污染风险大大降低。

2.3 食品领域

非热等离子体灭菌技术在食品领域的应用主要针对食品表面的微生物灭活、液体食品中的微生物灭活以及食品加工与包装过程中的系统灭菌。目前食品加工领域普遍使用的加热巴氏杀菌法容易破坏食品的新鲜度和营养成分，且使用能耗较高[4]。紫外线辐照能够有效实现产品及其包装材料的表面杀菌，但在紫外线能量低、有障碍物或者菌层厚的情况下紫外线也不能透过，无法达到全面的杀菌效果。中国科学技术大学在申请CN98115880.3中公开了高频低温等离子体消毒灭菌设备能够实现黄曲霉菌和大肠杆菌的高效灭活，可用于食品表面的无害化灭菌处理。韩国光云大学和食品研究协会在KR1020180052800A中提出利用大气压下低温等离子体实现烹饪过程中的液态水灭菌。南京苏曼等离子科技有限公司在CN201811627955中提出了一种大气压差分低温等离子体冷杀菌保鲜设备及操作方法，先包装、后杀菌的操作工序有效地避免了食品包装后的二次污染。

3.结论与建议

本文以非热等离子体灭菌技术领域的申请专利作为研究对象，重点分析了非热等离子体灭菌专利技术的申请趋势、国内外主要申请人及其专利布局情况，并梳理了非热等离子体在不同领域的应用概况。从中可以看出，我国相关研究虽然起步较晚，但已经在消毒装置制造领域取得了突出成果，由科研成果转化而来的灭菌设备已经投入至市场中，成为人们健康生活的必需品。然而与国外申请人相比，国内专利技术的成熟度还有待提高，针对非热等离子体灭菌技术的机理及性能优化工艺条件的研究不足，在海外布局、市场竞争力和核心技术创新等方面与国外同行还存在明显差距。

国内相关科技企业应抓紧技术快速发展的关键时期，加大研发投入，在保持现有的技术优势的同时，着眼于新型灭菌方式的联合使用，大力提升灭菌效率，拓展非热等离子体灭菌技术应用的广度和深度。与此同时，积极参与国际竞争，提高知识产权保护意识，扩大企业的市场竞争优势和专利布局力度，将专利保护转化为市场竞争的有力武器。高校及研发机构应更加侧重非热等离子体的灭菌机理研究，为后续灭菌设备的研发和制造提供坚实的理论基础，从而进一步提升我国非热等离子体灭菌技术的核心竞争软实力。