良性水如何转化为刺激性过氧化氢

早在 2019 年，斯坦福大学的研究人员和同事 就发现了一个令人惊讶的发现 ，即过氧化氢——一种用于消毒表面和漂白头发的腐蚀性物质——会自发形成于普通良性水的微小液滴中。此后，研究人员的目标是充实新发现的反应是如何发生的，并探索潜在的应用，例如更环保的清洁方法。

最新研究表明，当喷洒的微滴水撞击固体表面时，会发生一种称为接触带电的现象。电荷在液体和固体两种材料之间跳跃，产生称为活性氧的不稳定分子片段。这些被称为羟基自由基的物质对，其化学式为 OH，然后可以结合形成过氧化氢，H 2 O 2，​​数量很少但可检测到。

这项新研究进一步表明，当水接触土壤颗粒以及大气中的细颗粒时，这一过程发生在潮湿环境中。这些额外的发现表明，水可以转化为少量的活性氧物质，例如过氧化氢，无论微滴在哪里自然形成，包括雾、薄雾和雨滴，这都支持了 2020 年相关研究的结果。

“我们现在对导致这种过氧化氢形成发生的原因有了一个真正的了解，这是我们以前没有的，”该研究的资深作者 、自然科学 Marguerite Blake Wilbur 教授和 斯坦福学院化学教授Richard Zare说人文科学系。“此外，产生过氧化氢的接触带电似乎是水-固界面的普遍现象。”

Zare 领导了这项工作，与来自中国两所大学、江汉大学和武汉大学以及中国科学院的研究人员合作。该研究于 8 月 1 日 发表在国家科学院院刊 (PNAS) 上。

关于过氧化氢的起源

在这项研究中，研究人员建造了一个玻璃装置，里面有微观通道，可以强制注入水。通道形成了密闭的水固边界。研究人员在水中注入了一种在过氧化氢存在下会发光的荧光染料。一项实验表明，在玻璃微流体通道中存在刺激性化学物质，但在含有染料的大量水样中却没有。额外的实验详细说明了过氧化氢在水和固体之间的边界处在几秒钟内迅速形成。

为了衡量过氧化氢(H 2 O 2)中多余的氧原子是来自与玻璃的反应还是来自水(H 2 O)本身的反应，研究人员处理了一些微流体通道的玻璃衬里。这些处理过的通道含有较重的同位素或氧形式，称为氧 18 或 18 O。比较来自处理过和未处理过的通道的水和过氧化氢流体的反应后混合物显示 前者的18 O 信号，暗示固体作为羟基自由基中的氧源，最终在过氧化氢中。

自三年前斯坦福大学研究人员最初宣布他们在水微滴中检测到过氧化氢的新方法以来，新发现可能有助于解决科学界引发的一些争论。其他研究强调了通过与气体臭氧 O 3的化学相互作用和称为空化的过程产生过氧化氢的主要贡献，当蒸汽泡出现在加速液体的低压区域时。Zare 指出，这两种工艺也明显产生过氧化氢，而且量相对较大。

“所有这些过程都有助于产生过氧化氢，但目前的工作证实，这种产生也是微滴的制造方式以及通过接触带电与固体表面相互作用的方式所固有的，”Zare 说。

扭转季节性呼吸道病毒的局面

Zare 解释说，确定水如何以及在什么情况下可以转化为活性氧，例如过氧化氢，具有许多现实世界的见解和应用。其中最引人注目的是了解羟基自由基和过氧化氢的形成是许多病毒性呼吸道疾病众所周知的季节性的一个被忽视的因素，包括感冒、流感，一旦疾病最终完全流行，可能还会出现 COVID-19。

当生病的人咳嗽、打喷嚏、唱歌甚至只是说话时，病毒性呼吸道感染会以水滴的形式在空气中传播。这些感染往往在冬季激增，在夏季消退，这种趋势的部分原因是人们在寒冷的天气季节花更多的时间在室内和近距离、可传播的距离。然而，在工作、上学和晚上睡觉之间，人们实际上在炎热的几个月里在室内度过的时间也大致相同。Zare 说，这项新研究的发现为冬季与更多流感病例相关的原因提供了一个可能的解释：工作中的关键变量是湿度，即空气中的水量。在夏天，室内相对湿度较高(与室外暖空气中的较高湿度有关)可能有助于液滴中的活性氧有足够的时间杀死病毒。相比之下，在冬天——当建筑物内的空气被加热并且湿度降低时——液滴在活性氧物质可以作为消毒剂之前就蒸发了。

“接触电气化为部分解释为什么病毒性呼吸道疾病存在季节性提供了化学基础，”扎尔说。因此，Zare 补充说，未来的研究应该调查建筑物室内湿度水平与传染病的存在和传播之间的任何联系。如果联系得到进一步证实，只需在供暖、通风和制冷系统中添加加湿器就可以减少疾病传播。

“采用新方法对表面进行消毒只是这项涉及环境中水的基本化学的工作的重大实际后果之一，”扎尔说。“这只是表明我们认为我们对水非常了解，水是最常见的物质之一，但随后我们感到谦卑。”