南佛羅里達大學 Environ. Sci. Technol.：口罩消毒和充靜電實現安全重復利用，有效緩解供應鏈和環境負擔！

【背景介紹】

由于過濾式口罩（FFRs）能有效保護健康人和預防傳播，世界衛生組織（WHO）建議使用FFRs作為一整套預防和控制措施的一部分，以限制COVID-19等呼吸道疾病的傳播。由于供應無法滿足需求，根據Premier的報告，N95口罩的價格較疫情前至少翻了一倍。口罩在制造過程后必須用環氧乙烷（ETO）進行消毒，并放置7天后才可出廠，以保證致癌物得到充分耗散，制約了FFRs的生產效率。據統計，到2020年底，全球已制造了520億個口罩，其中約15.6億個預計將最終作為白色垃圾被投放至海洋中。這些被丟棄的口罩每年將進一步增加800-1300萬噸海洋廢物，可能需要450多年才能完全分解。所以，亟需找到能夠減少口罩使用量，同時有效保護人們免受感染的方法。在保證口罩過濾效率不受損傷的前提下，對其進行安全地消毒再利用是最有效地解決方法之一。截至目前，很少有消毒方法被證實不會降低FFRs的過濾效率。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鐘穎和葉立斌（共同通訊作者）等人報道了使用電暈放電（Corona Discharg, CD）作為一種安全可靠的口罩重復使用方法，同時對FFRs進行消毒和充靜電，以緩解上述情況。CD可以對口罩進行消毒，同時恢復靜電，防止過濾效率下降。CD產生的電場、離子和活性物質會導致微生物DNA損傷和蛋白質變性，從而有效地對N95口罩進行消毒。可在7.5 min內輕松達到對大腸桿菌99.9%的殺菌效率。在進行三個處理周期后，殺菌效率可達99.9999%，相當于醫用手術器械要求的消毒水平。CD消毒具有廣譜性，對酵母菌消毒效率可達99%，對最具挑戰性的孢子的消毒效率可達99.9%。在CD處理30 s內，N95口罩即可重新獲得高于新口罩的靜電水平，并保持5天以上。經過15次的CD反復處后，N95口罩的過濾效率仍維持在約95%。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。研究成果以題為“Disinfection and Electrostatic Recovery of N95 Respirators by Corona Discharge for Safe Reuse”發布在國際著名期刊Environ. Sci. Technol.上，并被選為封面文章。

【圖文解讀】

圖一、電暈放電表征
（a）在樣品上應用電暈放電（CD）的設置示意圖；

（b-c）聚丙烯（PP）無紡布和N95口罩過濾層的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；

（d）消毒效率測試過程，包括接種微生物、CD處理、洗滌、使用磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）進行連續稀釋、平板接種和培養。

圖二、放電電壓的影響
（a）放電電壓對大腸桿菌對數減少的影響。

（b）使用COMSOL模擬的電場；

（c）使用空氣離子計數器測量的離子密度；

（d）測量的OES光譜表明N₂ SPS峰的強度。

圖三、電極-樣品距離的影響
（a）電極-樣品距離對大腸桿菌的對數減少的影響；

（b）測量的OES光譜表明N₂ SPS峰；

（c）使用COMSOL模擬的電場；

（d）使用空氣離子計數器測量的離子密度。

圖四、處理時間的影響
（a）隨著CD處理時間的增加消毒效率的變化；

（b）使用鎢針和鎢絲為電極實現的大腸桿菌的對數減少的對比；

（c）測量的OES光譜對比鎢針和鎢絲為電極的N₂ SPS峰；

（d）使用鎢針和鎢絲為電極在開放和封閉環境中不同處理次數的消毒效率。

圖五、CD消毒的分子機制
（a）凝膠電泳顯示暴露于CD 15 s至10 min后，DNA受到的影響；

（b）暴露于CD 15 s至20 min后sfGFP蛋白受到的影響。

圖六、N95口罩的充電效果
（a）處理時間從30 s增加到10 min，口罩獲得的表面電荷密度；

（b）處理周期從1、5到10個周期，在處理后1天內觀察到表面電荷密度變化；

（c）在處理后6 h、1天和5天后觀察到的表面電荷密度。

【小結】

綜上所述，如果使用CD作為重復使用解決方案，N95口罩可以安全重復使用10次以上。除了提供有效的保護外，它還具有重大的環境影響。假設全世界10%的人口利用CD口罩再利用技術，那么排放到環境中的口罩將減少4-50億個，將至少減少2400萬噸塑料污染。口罩重復使用CD的應用還將減少用于口罩消毒的化學品用量，避免其對環境的影響。對比傳統的消毒方法，它還具有方法簡單、快速、成本低、無接觸等優點。因此，CD可以成為一種有前途的口罩再利用解決方案，以顯著解決全球口罩短缺問題并保護環境。CD還可用于其他表面的快速消毒。

文獻鏈接：Disinfection and Electrostatic Recovery of N95 Respirators by Corona Discharge for Safe Reuse. Environ. Sci. Technol., 2021, DOI: 10.1021/acs.est.1c02649.

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

本文由CQR編譯。

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