南佛羅里達大學鐘穎|葉立斌課題組Environmental Science & Technology： 快速消毒+充靜電實現N95口罩的多次重復利用

【研究背景】

在全球COVID-19疫情肆虐期間，口罩成為保護人類健康的重要利器。然而，疫情初期的口罩短缺造成了大量恐慌及不必要的感染；時至今日，全球仍有大量醫務人員不得不重復利用他們的N95口罩。此外，數以十億計的一次性廢棄口罩已經造成了大量的白色污染，嚴重增加了環境負擔。高效且安全的口罩重復利用方案是在為人類提供足夠保護的前提下，緩解口罩短缺及環境污染的最佳方案之一。已有的口罩消毒方案中，紫外線的成本高（需高成本專業設備）、穿透能力差；干熱法和汽化過氧化氫法易造成口罩的結構變形，面部貼合及密封性變差。最具挑戰的是，以上方法均無法恢復口罩在生產過程中注入的靜電。然而，靜電吸附卻是口罩實現高效過濾的四大重要機制之一。因此，亟需研發一種能夠同時對口罩進行消毒和充靜電的技術，以保證在不損傷口罩過濾效率的前提下，實現口罩的多次重復利用。為保證該技術的廣泛利用，該技術還應具備低成本、高效率、可重復、易實現、無接觸等優點。

【成果簡介】

近日，美國南佛羅里達大學機械工程系鐘穎課題組與生物系葉立斌課題組在《Environmental Science & Technology》期刊上發表了題為“Disinfection and Electrostatic Recovery of N95 Respirators by Corona Discharge for Safe Reuse” 的文章。該論文首次提出了一種利用電暈放電技術來同時實現口罩的消毒和充靜電的有效方案。該技術還具備低成本、高效率、可重復、易實現、無接觸等優點。

要點1

如何利用無接觸的輻照方法對厚度達1.5~2 mm N95口罩進行全面消毒是極具挑戰性的。本文證實了電暈放電具備優異的穿透能力。通過對電暈放電電壓、距離、時間等對消毒效果影響的研究，本文確認一次電暈放電處理（7.5 min）可以實現對大腸桿菌的99.9%的殺菌效率，足夠保證口罩的安全重復利用；封閉環境下進行3個周期的電暈處理可以使殺菌效率提高到99.9999%，相當于醫用手術器械要求的消毒水平（圖1）。

圖 1 電暈放電對N95口罩的消毒效果

要點2

本文還研究了電暈放電的消毒機理，發現由電暈放電可以在2.5 min內對微生物的DNA 、蛋白質、細胞壁造成破壞，證實電暈放電是一種快速、有效的消毒方法（圖2）。本文還證實了電暈放電對大腸桿菌、病毒、酵母、以及極具挑戰性的孢子（達99.9%）的廣譜消毒效果。

圖 2電暈放電對大腸桿菌DNA、蛋白質、細胞壁的損傷效果

要點3

電暈放電不僅能對N95口罩進行消毒，還能快速恢復N95口罩的靜電效應。實驗表明，電暈放電僅在30秒的短時間內，就能使口罩的表面電荷密度遠高于全新的N95口罩（約2倍），且新充入的靜電在5天后還能維持在高于新口罩的水平（圖3）。

圖 3 電暈放點對N95口罩靜電的恢復能力

要點4

電暈處理15次之后的N95口罩被送至Nelsons實驗室按照FDA規定進行過濾效果測試。如表1所示，每個N95口罩的過濾效率都維持在95%左右，證明電暈放電的確可以實現在保證不損傷過濾效率的前提下安全地實現10次以上N95口罩的重復利用。

表1 電暈處理15次后N95口罩的過濾效率

要點5

表2對比了電暈放電與其他消毒方法的優缺點。可以發現，電暈放電具備安全性高、無需加熱、效率高、成本低、可為口罩充靜電、不影響口罩過濾效率等優點。且電暈的產生方法簡單、快速、成本低，具備較高的實際應用價值。此外，電暈放電還有望代替致癌的環氧乙烷來實現新口罩的消毒，快速提升新口罩的出廠速度，降低生產成本，緩解發展中地區的口罩短缺問題。除了對于口罩進行消毒外，電暈放電還可以對其他各類表面進行無接觸、無高溫、無化學消毒劑、可重復的消毒處理，有望成為廣泛使用的消毒技術。

表2 電暈放電與其他消毒方法的優缺點對比

【論文地址】

S Narayanan, X Wang, J Paul, V Paley, Z Weng, L Ye, Y Zhong. Disinfection and Electrostatic Recovery of N95 Respirators by Corona Discharge for Safe Reuse. Environmental Science & Technology, 2021. https://doi.org/10.1021/acs.est.1c02649

【通訊作者】

鐘穎，美國南佛羅里達大學機械工程系助理教授。專注于先進材料及先進制造技術在高功率電子、可穿戴電子、能源、環境等方面的研發。相關研究成果在Environmental Science & Engineering, Small, Acta Materialia, Energy Conversion & Management, ACS Applied Materials & Interface, Materials Research Letters, Applied Physics Letters等國際知名期刊上。

實驗室網址：www.usfgreen.com.

葉立斌，美國南佛羅里達大學生物系助理教授。專注于致病菌生物膜特別是膜多糖生物合成機理的研究，開發生物膜合成抑制劑。 課題組的另一個主要方向是跨膜蛋白（特別是G蛋白偶聯受體）的構象轉化，動力學和信號轉導機制的研究。 相關研究成果發表在Nature, Science, Nature Communications, Trends in Pharmacological Sciences, JACS, Angewandte Chemie International Edition等國際知名期刊上。

實驗室網址：www.libinye.com