负氧离子（NAIs）已被发现超过100年[1].现在，NAI 发电机广泛用于家庭或工业用途。与此同时，开发了各种新技术并用于进一步改善NAI的产生并减少其副产物臭氧的释放。然而，已经报道了一些有争议的结果或评论对人/动物的有益作用或对细菌密度的降低。在这里，我们对NAI进行了全面的审查。另一方面，有力的证据表明NAI在高效降低颗粒物（PM）浓度方面的作用。因此，应该做更多的工作来通过新方法或装置进一步改善NAI释放，以便NAI 可以更广泛地用于空气净化。

1. 负空气离子及其产生

空气离子是大气中带电的分子或原子[2].当气态分子或原子接收足够高的能量以喷射电子时，形成空气离子[3].NAI 是获得电子的那些，而正空气离子会失去电子。天然和人造能源包括（1）大气中的辐射或宇宙射线;（2）包括紫外线的阳光; (3) 自然和人工电晕放电，包括雷电;（4）水的剪切力（勒纳德效应）;

1.1. 大气中的辐射或宇宙射线

铀，镭，act 和钍等放射性元素广泛存在于我们的星球上。它们在大气中衰变并发射α，β和/ 或γ射线，使空气电离。因此，辐射和宇宙射线电离在地球大气层中无处不在。宇宙射线电离约占陆地表面总电离的 20％[4].它们也是在海洋上产生 NAI 的主要能源[5].这些射线产生的 NAI 浓度可能达到陆地表面每厘米 500 个离子 3[6]离地面 15 公里处每厘米超过 1000 个离子 3[7].

1.2. 阳光包括紫外线

光电效应是当特定波长的光照射到金属表面上时电子的发射。通过接受这些发射的电子产生 NAI。

光电效应对 NAI 的产生贡献较小，因为只有一些波长的光显示出通过照明发射电子的能力。其中一个例子是使用紫外光源照射导电材料的负离子发生器，早在 1964 年就已获得专利（专利号 US 3128378 A）。在该专利中，使用紫外灯照射金属材料，其光电喷射电子。然后电子与空气分子碰撞并产生 NAI。 另一方面，通过直接电离空气分子，可以通过特定波长的光产生 NAI。例如，紫外线（UV）可用于直接电离空气分子以产生 NAI [5,8].实际上，紫外线介导的电离是在 60 公里以上的大气层中占主导地位的 NAI 源[5].来自大气上层的 UV 的这些高度浓缩的 NAI 以低速扩散到地面。由于该层中可用的低紫外线剂量，紫外线辐射不是低层大气中 NAI 的主要贡献因素[5].尽管有报道显示紫外线显著地介导了空气电离，但人工紫外线对 NAI 生成的影响却很少进行系统研究。我们进行了一项实验来研究紫外线对 NAI 产生的影响（图 2）1;表 S1）。该实验在 80cm 长×80cm 宽×80cm 高的生长室中进行， 并且在补充实验中提供了详细描述。在正常光照条件下作为对照，在UV光条件下测量 NAI。来自三个的数据实验的重复表明紫外线确实促进了 NAI 的产生。在室中，平均 NAI 浓度在 1 小时内为 344 离子/ cm3。在紫外光照条件下，NAI 浓度增加到 825 离子/ cm3，显着高于对照（图 2）1A).进一步观察表明紫外线照射后 8 分钟内存在 NAI 生成峰（图 2）1B–D;表 S1）。在峰值之后，NAI 浓度保持在相对稳定的值但仍然高于对照。对于所有三次重复或每次重复，如补充实验中所述进行非参数双尾 Mann-Whitney U检验，并且统计分析显示在所有三次重复中 UV 照射条件下的 NAI 浓度显着高于正常情况下的 NAI 浓度。照明条件（CK），p<0.00001。该分析进一步证实了紫外线照射对 NAI 产生的促进作用。因此，我们的实验表明紫外线照明可用于产生 NAI。然而，在我们的紫外光条件下仅产生低浓度的 NAI。

图 1.通过 UV 照明生成 NAI。该实验在尺寸为 80cm 长，80cm 宽和 80cm 高的生长室中进行。新加坡 Safer Electric Ltd.提供 30 瓦的 UV 光（UV-C，100-280nm）。通过 DLY-4G-232 空气离子计数器 （Kilter Electronic Institute Co.，Ltd.，Zhangzhou，Fujian Province，China）测量 NAI 浓度。

（A）对照（CK，无紫外线）和紫外线照射的平均 NAI 浓度。UV 光下的 NAI 浓度显着高于对照，如Mann-Whitney U 检验所示，p<0.00001。（B-D）图表显示三种不同重复中 NAI 浓度的曲线。星号“*” 表明，在 p <0.00001 时，通过 Mann-Whitney U 检验，UV 照射下的 NAI 浓度在统计学上高于 CK 中的 NAI 浓度。NAI：负空气离子。

1.3. 自然和人工电晕放电，包括雷暴和闪电

地球周围的大气受到自然电场的影响，其强度在局部和全球影响下不断波动[9].当地的影响包括地理位置和雷暴，雨，雾，雾等天气状况;全球事实是指经典的日常电场变化[4].当树叶或树枝在其电场中与周围环境具有高电位差时，会发生电晕放电（也称为点放电）并且可能释放 NAI [5,10].一般来说，电晕放电发生在高平均电场下的大气条件下[5].例如，在山区，高电场和低气压促进电晕放电的开始[11].雷 暴和闪电会产生很高的电场条件，随后会发生电晕放电。因此，在雷雨和闪电之后，NAI将会大量释放。然而，释放的NAI将随着不连续的雷暴逐渐衰减。除了雷暴和闪电，雾也可能有助于 NAI 的产生。在森林中，在雾的形成和消散过程中观察到电场变化，这可能引发电晕放电和 NAI 产生[9]. 人工电晕放电是产生 NAI 的有效方法。当高负电压施加到导体/电极并且产生的电场足够高时，发生电晕放电[12,13].如果带电导体/电极具有尖点的针型，则尖端周围的电场将显着高于其他部分，并且电极附近的空气可能被电离并且产生 NAI [14].电晕放电的强度取决于导体的形状和尺寸以及施加的电压。不规则导体，特别是尖锐的导体，比光滑导体产生更多的电晕，而大直径导体产生的电晕比小直径导体更低;施加的电压越高，产生的 NAI 越多[14,15].距电晕点的距离越近，检测到的 NAI 浓度越高，因为电晕放电连续产生的 NAI 与电子雪崩的链式反应过程有关[16].人工电场和电晕放电在植物上的应用早在 20 世纪 60 年代就开始了[17,18].Bachman 和 Hademenos（1971）表明，在高压下， 尖锐的大麦叶尖附近的人工施加的电场被强化[19]. 结果发生电晕放电，产生空气离子和臭氧。研究主要集中在生物反应，蒸发和植物损害等生物效应以及产生的臭氧和 NAI 对植物生长的影响[11,18–22].

1.4. 水的剪切力（勒纳德效应）

在瀑布或海岸下发现了相当数量的 NAI。这些 NAI 由 Lenard 效应产生。勒纳德效应也被称为喷雾电化或瀑布效应，并且由Philipp Lenard 首先系统地研究[23 他于1905年因阴极射线研究和许多物 业的发现而获得诺贝尔物理学奖。该研究表明，当水滴相互碰撞或与湿润的固体碰撞形成精细的液滴喷雾时，NAI是由周围的空气分子产生的。该研究还表明，有几个因素可能影响喷雾过程中的电荷分离程度，因此可能影响 NAI 的产生和浓度。这些因素包括水滴温度，溶解的杂质，撞击空气爆炸的速度和液滴的外来撞击表面。基于“Lenard 效应”，水剪切设备已被设计为产生 NAI [24].水剪切仅产生超氧离子（O2−），其与水分子簇结合形成结构 O2−（H2O）n [25]，基本上被认为是 NAI的天然来源 [24].由“勒纳效应”产生的 NAI 可能会改善红细胞的变形能力，从而有氧代谢[24].

2.负空气离子的组成

通常，NAI 由多个带负电的分子组成，这些负离子与几个或多达20或30个水分子结合，形成负离子簇，如 CO3−（H2O）n，O− （H2O）n 和 O3−（H2O）n。[24,52,53].质谱技术被广泛用于确定各种来源 的 NAI 的组成[54–56].早期测量表明，大部分低对流层负离子将由 O2−，CO3−或 NO3−及其（H2O）n 簇 以及 HSO4−核心离子组成。 [5,57].研究表明，大气 NAI 还包括其他离子，如 OH−，NO2−，HCO3−及其水簇[31,57].数字 2总结了各种 NAI 来源的组成和氧基 NAIs 的演变[31,37,52,53,56–66].

图 2.通过不同方法生成的 NAI 物种和基于氧的 NAI 的演变。不同研究的 NAI 组成存在一些差异，因为它们的实验条件可能不同。（A）NAI 组合物。（B）氧基 NAI 的演变。蓝色箭头表示 NAI 转换过程。有关详细信息，请参阅引用的论文[31,37,52,53,56–66].

通过几次实验通过质谱法鉴定了电晕放电产生的负离子种类[55,66,67].大多数负离子是CO3−，其他负离子包括O−，O3−，NO3−等，其含量低于 10％[52,67–74].来自 Nagato 等人的报道。（2006）表明， 通过质谱法观察到，在电晕电离的不同反应时间，负离子组成是不同的[74].根据他们的结果，NO3−是 主要的离子，其次是 HCO3−和其他。这两个结果都来自 Shahin（1969）和 Nagato 等人。（2006）表明 O2−不是电晕放电产生的负离子的主要产物[67,74].电晕放电的大部分 NAI 如图所示 2A. 瀑布诱导的负离子从 O2−和 O−[56].瀑布附近的 OH−浓度显着增加。这三种离子 O2−，O−和 OH−进一步演变成其他类型的离子。结果，以下 5 种类型的离子被认为是主要的负空气瀑布产生的离子。它们列在图中 2A.对于 PEF 刺激释放的基于植物的 NAI，没有关于其离子组成的报告。

基于上述研究，NAI 可能从一个 NAI 演变为另一个 NAI。例如，当氧分子 O2 获得电子时形成 NAI O−（图 2）2B).当其他分子存在于同一空间时，NAI O−可能通过碰撞辅助电子附着过程促成二次 NAI 的形成[58].结果，产生其他 NAI，例如O2−，CO4−，CO3−，OH−，HCO3−，O3−，NO3−和 NO2−。（数字 2B).零件等。（2007）描述了一个更复杂的 NAI 进化过程[56].事实上，NAI 的演变与之相关 周围空气成分。NAI 在与空气中的分子碰撞时不断变化。因此，NAI 的成分是动态的，这取决于电离势和电子亲和力，质子亲和力，偶极矩和极化率以及分子的反应性[75].

3. 负空气离子对人/动物健康和微生物生长以及植物发育的生物学效应

Krueger 和 Reed（1976）回顾了那个时期发表的关于 NAI 生物效应的重要报告[1].他们提出了NAI 生物学行为的血清素假说。5-羟色胺是一种非常强大和多功能的神经激素。它在人或动物中诱导深刻的神经血管，内分泌和代谢作用。它在生活的基本模式中起着重要作用，包括睡眠和情绪调节。

有证据表明，NAIs 可以显着降低血液或大脑中血清素的水平等[1,76,77].随后的证据表明超氧化物离子参与了 NAIs 的生物学效应[37 和体外实验证明血清素可被超氧离子氧化成色胺-4,5-二酮[78].因此，NAI 的一些生物学作用与血清素的减少有关。然而，其他人报告 NAI 对暴露条件下大鼠血清素浓度或转换没有显着影响[35,79].Bailey 等人。（2018）对空气离子对血清素和其他神经递质的影响进行了全面综述，他们的分析表明，一些适度或强有力的证据支持无效假设[35].

有许多参考报告可能的生物效应[24,32,33,35,38,76–124].其中一些列于表 S2 中。负氧离子浓度超过 1000 离子/厘米 3 被认为是新鲜空气的脱粒值，浓度应该更高，以提高人体免疫系统[80]及其中的参考文献）。暴露于 NAI 对动物/人类健康，抗微生物和植物生长表现出广泛的影响（表 S2）。NAI对人/动物健康的影响主要集中在心血管和呼吸系统以及心理健康上（表 S2）。NAIs 对心血管系统的影响包括改善红细胞变形性和有氧代谢[24]以及降低血压[32,77,81,82].但是，血压没有影响[83]或心率[84,85 心血管功能研究的相关数据未经定量评估[35].在心理健康方面，接触 NAI 显示所有测试任务的性能显着提高（镜像，旋转追踪，视觉反应时间和听觉）[86]，缓解季节性情感障碍（SAD）的症状[87].观察到 NAIs 对缓解抗抑郁药物非药物治疗试验的情绪障碍症状的类似作用[38].NAIs 也显示出有效治疗慢性抑郁症[88].相反，在其他研究中没有报道NAI 对心理健康的影响[89,90].对文献的综合分析显示 NAIs 对抑郁症的潜在治疗效果没有确凿的结果[35].至于 NAIs 对呼吸功能的影响，暴露于阴性或阳性空气离子似乎不会在呼吸功能中发挥显着作用[91].此外，一些报道还显示了 NAIs 对抑制癌细胞的影响。例如，水生成的 NAI 激活了自然杀伤（NK）细胞并抑制了小鼠的癌变[33].NAI 的存在被认为可以增加心理健康，提高生产力和整体健康[38,92,93].报告还显示，NAI 将自己附着在粒子上，如灰尘，霉菌孢子和其他过敏原[37].结果，NAI 气氛中的人们减轻了对这些颗粒过敏的症状。一般来说，尽管一些报道显示富含 NAI 的空气在正常化动脉压和血液流变学方面具有多种有益的治疗效果，支持组织氧合作用，缓解压力条件，并增强对不利因素的抵抗力[94]，系统评价表明 NAI 对心血管和呼吸系统以及心理健康没有一致或可靠的影响[35].

类似地，有许多研究文章介绍了 NAI 对微生物生长的影响（表 S2）。大多数研究都集中在细菌上，高浓度 NAI 的存在抑制了细菌的生长。早期研究表明，NAIs 引起细菌粘质沙雷氏菌的大量生物腐烂 [95]。暴露于 NAIs 显示细菌大肠杆菌，白色念珠菌，金黄色葡萄球菌的灭活或生长抑制，荧光假单胞菌[96–100]并且对饥饿的细胞有致死作用[101]。NAIs 预防 60％的结核病（TB）感染和 51％的结核病[102]。除了 NAI 对细菌的抑制作用外，报道还显示 NAIs 抑制真菌和病毒的生长。例如，NAIs 可以抑制青霉菌的生长[103];NAI 发生器的使用减少了新城疫病毒的空气传播[104]。然而，关于 NAI 对微生物的生长抑制已经报道了一些有争议的结果。例如，Fan 等人（2007）报道，NAIs 对接种于绿豆种子和苹果的大肠杆菌的影响非常有限[105]。在另一份报告中，7 种细菌物种（金黄色葡萄球菌，副粘病分枝杆菌，铜绿假单胞菌，鲍曼不动杆菌，伯氏霍乱杆菌，枯草芽孢杆菌和粘质沙雷氏菌）暴露于 NAIs，只有生长的分枝杆菌分枝杆菌受到抑制[106]。

除动物/人类和微生物外，植物也可能受到 NAI 暴露的影响。NAI 处理燕麦后，鲜重和干重增加 [107]。并且平均茎长和积分伸长率也增加了[108]。接触 NAIs 后，大麦幼苗的耗氧量增加[109]。在高浓度 NAI 的生长环境下，株高增加了 13-15％，干重增加了18％[110]。暴露于 NAIs 的莴苣植物表现出旺盛的生长，叶面积增加，鲜重增加[111]。NAI 处理改善了植物发育过程中的萌芽生长和细菌控制 [112]。NAI 通过改善鲜重，大量元素和微量元素对羽衣甘蓝生长产生积极影响[113]。然而，对照和NAI 处理的烟草植物在尼古丁和总生物碱中没有观察到显着差异;与对照植物相比，NAI 处理植物的总氮含量略有增加[114]。

4. 超氧化物参与负空气离子的生物效应

氧分子 O2 是一个双自由基，在不同的轨道上有两个不成对的电子，能够接受多达4个电子[125]。

通过接受一个电子形成超氧化物 O2•−。已经鉴定出至少4种氧的氧化态，包括 O2（双氧），O2+（双氧阳离子），O2• −（超氧化物）和 O22−（过氧化物二价阴离子）[126].O2 的单价还原产生 O2•−，其既作为胚根又作为负离子;因此，添加了胚根标志“•”[116]。因此，超氧化物 O2•−是一种负氧离子，有几篇报道[28,36–38,127]报告显示，超氧离子是自然大气和莱纳德效应（瀑布）产生的主要负离子[37,38,128]并且比其他 NAI 更稳定[25,127].在使用 PEF 刺激植物根生成的那些 NAI 中也检测到超氧化物 O2•−[28].

早期研究表明超氧化物参与细菌杀灭白色葡萄球菌[117].正如Rosenthal 和 Ben-Hur（1980）所评论的[36 结果得到了结果的支持，即 NAIs 对白色葡萄球菌的细菌杀灭是通过添加超氧化物歧化酶来保护的。然而，报告显示许多其他因素也可能导致观察到 NAI 对细菌的致死作用[36].吸入气态超氧化物可以改善镇痛药的镇痛作用，缓解帕金森病的病理征象[2,129].Goldstein 等人。（1992）也报道了 NAI 的生物活性可能依赖于超氧化物[128]，但必须强调的是，NAI 的生物学效应不仅归因于超氧化物，还归因于其他活性氧物种[127,130,131].另一方面，还需要提到气相超氧化物离子不同于液相超氧化物[37];因此，前者的生物效应也可能与后者的生物效应不同。

5. 释放负空气离子是一种有效去除细颗粒物的方法

PM 是雾霾事件中的主要污染物。有证据表明 PM，特别是 PM2.5 严重影响人类健康。基于 Lim 等人的数据。（2012 年），由于暴露于 PM，2010 年约有 320 万人死亡[132].由于 PM 水平的增加，全世界每年有 210 万人死亡 2.5[133,134].PM 主要导致与呼吸系统和心血管系统有关的疾病。精细 PM 如 PM1.0 和PM2.5 深入肺部，刺激和腐蚀肺泡壁，从而影响肺功能[135]也可能导致肺癌[136].然而，仅在具有许多电荷的颗粒中增强了颗粒在呼吸道中的沉积，这只能通过封闭空间中的离子发生器来实现。PM也与血糖升高，内皮功能恶化和心血管疾病事件有关[137].

NAI 是单极离子，它们将为 PM 充电，PM 将比未充电的 PM 更快地沉积/沉淀，因为带电的 PM 可以附着到附近的表面，彼此连接并更快地沉降，或者在重力下更快下沉[138–142]Tanaka 等人。（1996）报道，NAIs 减少了可吸入和可吸入粉尘数量 46％[143].在未占用的办公室（50 米 3）中，NAI 发生器处理 2 小时后，PM 浓度降低了两个数量级[144].许多其他类似报告显示NAI 在去除PM方面的高效率（表 3; [138,140,145–152]).有证据表明，许多因素可能会影响通过 NAI 降低 PM 的效率（表 3;[34,139,150,153]).例如，PM 去除率与颗粒浓度，颗粒大小和通风条件有关，并且提出了一个模型来计算它们之间的关系[139].研究还表明，墙面显着影响 PM 还原效率[34].在具有木材和聚氯乙烯（PVC）壁表面的腔室中，与壁纸，不锈钢和水泥涂料等其他壁材料相比，NAI 可以更有效地去除 PM 颗粒。电离器的一个明显缺点是发射臭氧[154]，它是一种强氧化剂，可能通过长期和/或高剂量暴露严重危害我们的健康。研究表明，许多 NAI 发生器，包括品牌良好的电离器释放臭氧（表 3; [141,145,155–157]).另一个副作用是 NAI 连续发射到封闭环境中可能导致电荷积聚在绝缘表面上，然后可能引起静电问题，尤其是当湿度较低时[138].

6.结论

一些研究表明，NAI 对人类/动物有多重健康益处，可能抑制生长和/或杀死一些微生物并促进植物发育（图 3），但有些结果需要进一步验证，一些参考文献可能会高估其益处，并且没有达到治疗效果的一致或可靠证据。然而，据我们所知，没有数据显示 NAI 对人类/动物的有害影响。超氧离子是 NAI 的关键成员，并通过调节血清素水平和其他生物作用参与 NAI 的生物学效应，但一些报道显示 NAIs 对 5-羟色胺的浓度或周转没有显着影响。另一方面，有证据表明 NAIs 可以高效去除 PM，包括超细 PM（图 2）3），提供一种清洁室内空气的替代方法，特别是在雾霾发作期间。我们还通过 PEF 刺激审查了基于植物的 NAI 生成系统。应该在该系统中加入更多的努力以进一步改进它并将其用作高效的 NAI 发生器和 PM 去除系统。

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参考文献