研究背景

2019 年爆发的新型冠状病毒肺炎 (COVID-19) 疫情是本世纪以来对全球生命安全危害最严重的突发公共卫生事件之一。2020 年 3 月，世界卫生组织 (World Health Organization) 宣布 COVID-19 为全球性流行病。COVID-19 是由严重急性呼吸综合征冠状 2 型病毒 (SARS-CoV-2) (图1) 感染引发的，SARS-CoV-2 传染性强，可通过载体迅速且广泛地在全球传播，感染者会表现出不同程度的体征，最轻微的感染者无任何明显外在症状 (被称为无症状感染者)，常见的感染症状有发烧、咳嗽、呼吸道症状等，重症病例会发展为肺炎，甚至死亡。COVID-19 给全球人类生命安全带来了前所未有的严重威胁。

图1. 扫描显微镜图像：橙色部分为引发新冠肺炎的冠状病毒 (图片来源：美国国家过敏与传染病研究所 2 月 13 日公布的新冠病毒电子显微镜图像)。

文章导读

疫情爆发以来，全球相关领域科学家迅速开展了灭活、消杀新冠病毒的相关理论与技术研究。新冠病毒可以通过冷链食品、快递包装、医疗用品等载体进行快速传播，传统的巴氏消毒、酒精和紫外线照射等已不能满足切断传播途径、高效消杀的需求。由于中子、伽马射线具有强穿透能力、高权重因子等优势，已被应用于新冠病毒辐照消杀研究并受到越来越多的关注。

近日，华北电力大学核科学与工程学院刘芳副教授、刘滨教授、牛风雷教授研究团队联合深圳大学闫培光教授研究团队，在期刊 Life 上发表了研究论文“SARS-CoV-2 Inactivation Simulation Using 14 MeV Neutron Irradiation”。在这项研究中，他们利用蒙特卡洛模拟软件构建了中子消杀新冠病毒的实验模型 (图2)，模拟计算了单个中子在新冠病毒层内的平均能量沉积，并对不同能量中子、实验模型内不同反射层材料等因素对消杀效果的影响进行了研究。

 图2. 中子消杀新冠病毒的模型。

研究过程

在这项实验中，为检验中子、伽马射线对新冠病毒的消杀效果，他们利用构建的实验模型模拟计算了常用 14 MeV、2.5 MeV 的中子及 1.33 MeV 的伽马射线辐照下的单粒子平均能量沉积 (图3)。研究结果表明，单个 14 MeV 或 2.5 MeV 中子的平均沉积能量比单个 1.33 MeV 伽马光子所沉积的平均能量多，说明 14 MeV、2.5 MeV 中子比 1.33 MeV 伽马光子对新冠病毒具有更高消杀效率。

图3. 不同能量中子和伽马射线的单粒子平均能量沉积。

新冠病毒消杀实验模型内层需附加反射层材料以吸收屏蔽散射中子，常用的中子俘获材料有水、石墨和石蜡。利用 14 MeV 中子源，对采用 3 种不同反射层材料的消杀实验模型分别进行单粒子能量沉积计算。计算结果 (图4) 说明，对于所使用的三种反射层材料 (水、石蜡或石墨)，当反射镜厚度小于 10 cm 时，单中子能量沉积迅速增加；但当反射层材料厚度达到一定值时，单中子能量沉积几乎没有明显增加，我们定义该反射层厚度为饱和厚度。因此，采用厚度大于饱和厚度的反射层材料来增加单中子能量沉积是无效的。这项计算结果为 14 MeV 中子消杀新冠病毒实验设计提供了重要的理论指导。

图4. 不同反射层材料对单粒子平均能量沉积的影响。

同时，这项工作研究了中子源到病毒层的距离对单中子平均沉积能量的影响 (图5)。在考虑到病毒消杀设备可操作性的情况下，建议被消杀的物品围绕中子源放置。

图5. 不同距离对单粒子平均能量沉积的影响。

研究总结

由于目前还没有相关研究得出新冠病毒的中子辐照的致死剂量，根据国际原子能机构 (IAEA) 建议，当无法确认污染微生物的污染水平和种类时，标准辐照剂量可设为 25 kGy 。该剂量是基于医疗产品灭菌中对约 150 种微生物的最小杀灭剂量提出的，其超过了杀灭抗性微生物所需的最低剂量的 40% ，因此，25 kGy 为灭菌所需的最低辐照剂量是合理的。假设新冠病毒的致死剂量设定为 25 kGy，以 14 MeV 中子发生器为辐射源，石墨为反射层 (饱和厚度)，新冠病毒层面积为 10×10 cm2，中子源与新冠病毒层距离为 5 cm，在此条件下，新冠病毒中单个中子的能量沉积约为 3.0059×10-4 MeV/g 。若中子源 A 的强度为 1012 n/s，可以计算出消杀新冠病毒的时间约为 87 分钟。如果利用已经成功研制出的中子强度为 1014 n/s的 D-D 中子发生器，新冠病毒的消杀时间可以缩短到 52 秒左右。

原文出自 Life 期刊

Liu, F.; Zhong, Z.; Liu, B.; Jiang, T.; Zhou, H.; Li, G.; Yuan, X.; Yan, P.; Niu, F.; Ouyang, X. SARS-CoV-2 Inactivation Simulation Using 14 MeV Neutron Irradiation. Life 2021, 11, 1372.

微信链接：https://mp.weixin.qq.com/s/zM_J1T2CxxZZUaFJxZAtkg

Life 期刊介绍

期刊主要涵盖天体生物学、生命起源、蛋白质和蛋白质组学、细胞生物学和组织工程、遗传学和基因组学、合成生物学和系统生物学、微生物学与工程学、植物学、动物学、生理学和病理学等各生命科学领域。目前，期刊已被 Science Citation Index Expanded (SCIE)、PubMed、Scopus 等数据库收录。

2021 Impact Factor：3.251

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