南佛罗里达大学 Environ. Sci. Technol.：口罩消毒和充静电实现安全重复利用，有效缓解供应链和环境负担！

【背景介绍】

由于过滤式口罩（FFRs）能有效保护健康人和预防传播，世界卫生组织（WHO）建议使用FFRs作为一整套预防和控制措施的一部分，以限制COVID-19等呼吸道疾病的传播。由于供应无法满足需求，根据Premier的报告，N95口罩的价格较疫情前至少翻了一倍。口罩在制造过程后必须用环氧乙烷（ETO）进行消毒，并放置7天后才可出厂，以保证致癌物得到充分耗散，制约了FFRs的生产效率。据统计，到2020年底，全球已制造了520亿个口罩，其中约15.6亿个预计将最终作为白色垃圾被投放至海洋中。这些被丢弃的口罩每年将进一步增加800-1300万吨海洋废物，可能需要450多年才能完全分解。所以，亟需找到能够减少口罩使用量，同时有效保护人们免受感染的方法。在保证口罩过滤效率不受损伤的前提下，对其进行安全地消毒再利用是最有效地解决方法之一。截至目前，很少有消毒方法被证实不会降低FFRs的过滤效率。然而，静电吸附却是口罩实现高效过滤的四大重要机制之一。因此，亟需研发一种能够同时对口罩进行消毒和充静电的技术，以保证在不损伤口罩过滤效率的前提下，实现口罩的多次重复利用。为保证该技术的广泛利用，该技术还应具备低成本、高效率、可重复、易实现、无接触等优点。 【成果简介】

近日，美国南佛罗里达大学钟颖和叶立斌（共同通讯作者）等人报道了使用电晕放电（Corona Discharg, CD）作为一种安全可靠的口罩重复使用方法，同时对FFRs进行消毒和充静电，以缓解上述情况。CD可以对口罩进行消毒，同时恢复静电，防止过滤效率下降。CD产生的电场、离子和活性物质会导致微生物DNA损伤和蛋白质变性，从而有效地对N95口罩进行消毒。可在7.5 min内轻松达到对大肠杆菌99.9%的杀菌效率。在进行三个处理周期后，杀菌效率可达99.9999%，相当于医用手术器械要求的消毒水平。CD消毒具有广谱性，对酵母菌消毒效率可达99%，对最具挑战性的孢子的消毒效率可达99.9%。在CD处理30 s内，N95口罩即可重新获得高于新口罩的静电水平，并保持5天以上。经过15次的CD反复处后，N95口罩的过滤效率仍维持在约95%。电晕放电具备安全性高、无需加热、效率高、成本低、可为口罩充静电、不影响口罩过滤效率等优点。且电晕的产生方法简单、快速、成本低，具备较高的实际应用价值。此外，电晕放电还有望代替致癌的环氧乙烷来实现新口罩的消毒，快速提升新口罩的出厂速度，降低生产成本，缓解发展中地区的口罩短缺问题。除了对于口罩进行消毒外，电晕放电还可以对其他各类表面进行无接触、无高温、无化学消毒剂、可重复的消毒处理，有望成为广泛使用的消毒技术。研究成果以题为“Disinfection and Electrostatic Recovery of N95 Respirators by Corona Discharge for Safe Reuse”发布在国际著名期刊Environ. Sci. Technol.上，并被选为封面文章。

【图文解读】

图一、电晕放电表征
（a）在样品上应用电晕放电（CD）的设置示意图；

（b-c）聚丙烯（PP）无纺布和N95口罩过滤层的扫描电子显微镜（SEM）图像；

（d）消毒效率测试过程，包括接种微生物、CD处理、洗涤、使用磷酸盐缓冲盐水（PBS）进行连续稀释、平板接种和培养。

图二、放电电压的影响
（a）放电电压对大肠杆菌对数减少的影响。

（b）使用COMSOL模拟的电场；

（c）使用空气离子计数器测量的离子密度；

（d）测量的OES光谱表明N₂ SPS峰的强度。

图三、电极-样品距离的影响
（a）电极-样品距离对大肠杆菌的对数减少的影响；

（b）测量的OES光谱表明N₂ SPS峰；

（c）使用COMSOL模拟的电场；

（d）使用空气离子计数器测量的离子密度。

图四、处理时间的影响
（a）随着CD处理时间的增加消毒效率的变化；

（b）使用钨针和钨丝为电极实现的大肠杆菌的对数减少的对比；

（c）测量的OES光谱对比钨针和钨丝为电极的N₂ SPS峰；

（d）使用钨针和钨丝为电极在开放和封闭环境中不同处理次数的消毒效率。

图五、CD消毒的分子机制
（a）凝胶电泳显示暴露于CD 15 s至10 min后，DNA受到的影响；

（b）暴露于CD 15 s至20 min后sfGFP蛋白受到的影响。

图六、N95口罩的充电效果
（a）处理时间从30 s增加到10 min，口罩获得的表面电荷密度；

（b）处理周期从1、5到10个周期，在处理后1天内观察到表面电荷密度变化；

（c）在处理后6 h、1天和5天后观察到的表面电荷密度。

【小结】

综上所述，如果使用CD作为重复使用解决方案，N95口罩可以安全重复使用10次以上。除了提供有效的保护外，它还具有重大的环境影响。假设全世界10%的人口利用CD口罩再利用技术，那么排放到环境中的口罩将减少4-50亿个，将至少减少2400万吨塑料污染。口罩重复使用CD的应用还将减少用于口罩消毒的化学品用量，避免其对环境的影响。对比传统的消毒方法，它还具有方法简单、快速、成本低、无接触等优点。因此，CD可以成为一种有前途的口罩再利用解决方案，以显著解决全球口罩短缺问题并保护环境。CD还可用于其他表面的快速消毒。

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

钟颖，美国南佛罗里达大学机械工程系助理教授。专注于先进材料及先进制造技术在高功率电子、可穿戴电子、能源、环境等方面的研发。相关研究成果在Environmental Science & Engineering, Small, Acta Materialia, Energy Conversion & Management, ACS Applied Materials & Interface, Materials Research Letters, Applied Physics Letters等国际知名期刊上。实验室网址：www.usfgreen.com.

叶立斌，美国南佛罗里达大学生物系助理教授。专注于致病菌生物膜特别是膜多糖生物合成机理的研究，开发生物膜合成抑制剂。课题组的另一个主要方向是跨膜蛋白（特别是G蛋白偶联受体）的构象转化，动力学和信号转导机制的研究。相关研究成果发表在Nature, Science, Nature Communications, Trends in Pharmacological Sciences, JACS, Angewandte Chemie International Edition等国际知名期刊上。
实验室网址：www.libinye.com

本文由CQR编译。

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