南佛罗里达大学钟颖|叶立斌课题组ES&T：快速消毒+充静电实现N95口罩的多次重复利用

材料人

研究背景

在全球COVID-19疫情肆虐期间，口罩成为保护人类健康的重要利器。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；时至今日，全球仍有大量医务人员不得不重复利用他们的N95口罩。此外，数以十亿计的一次性废弃口罩已经造成了大量的白色污染，严重增加了环境负担。高效且安全的口罩重复利用方案是在为人类提供足够保护的前提下，缓解口罩短缺及环境污染的最佳方案之一。已有的口罩消毒方案中，紫外线的成本高（需高成本专业设备）、穿透能力差；干热法和汽化过氧化氢法易造成口罩的结构变形，面部贴合及密封性变差。最具挑战的是，以上方法均无法恢复口罩在生产过程中注入的静电。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机械工程系钟颖课题组与生物系叶立斌课题组在《Environmental Science & Technology》期刊上发表了题为“Disinfection and Electrostatic Recovery of N95 Respirators by Corona Discharge for Safe Reuse” 的文章。该论文首次提出了一种利用电晕放电技术来同时实现口罩的消毒和充静电的有效方案。该技术还具备低成本、高效率、可重复、易实现、无接触等优点。

要点1

如何利用无接触的辐照方法对厚度达1.5~2 mm N95口罩进行全面消毒是极具挑战性的。本文证实了电晕放电具备优异的穿透能力。通过对电晕放电电压、距离、时间等对消毒效果影响的研究，本文确认一次电晕放电处理（7.5 min）可以实现对大肠杆菌的99.9%的杀菌效率，足够保证口罩的安全重复利用；封闭环境下进行3个周期的电晕处理可以使杀菌效率提高到99.9999%，相当于医用手术器械要求的消毒水平（图1）。

图 1 电晕放电对N95口罩的消毒效果

要点2

本文还研究了电晕放电的消毒机理，发现由电晕放电可以在2.5 min内对微生物的DNA 、蛋白质、细胞壁造成破坏，证实电晕放电是一种快速、有效的消毒方法（图2）。本文还证实了电晕放电对大肠杆菌、病毒、酵母、以及极具挑战性的孢子（达99.9%）的广谱消毒效果。

图 2电晕放电对大肠杆菌DNA、蛋白质、细胞壁的损伤效果

要点3

电晕放电不仅能对N95口罩进行消毒，还能快速恢复N95口罩的静电效应。实验表明，电晕放电仅在30秒的短时间内，就能使口罩的表面电荷密度远高于全新的N95口罩（约2倍），且新充入的静电在5天后还能维持在高于新口罩的水平（图3）。

图 3 电晕放点对N95口罩静电的恢复能力

要点4

电晕处理15次之后的N95口罩被送至Nelsons实验室按照FDA规定进行过滤效果测试。如表1所示，每个N95口罩的过滤效率都维持在95%左右，证明电晕放电的确可以实现在保证不损伤过滤效率的前提下安全地实现10次以上N95口罩的重复利用。

表1 电晕处理15次后N95口罩的过滤效率

要点5

表2对比了电晕放电与其他消毒方法的优缺点。可以发现，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。

表2 电晕放电与其他消毒方法的优缺点对比

Disinfection Method	Safety	Non-Thermal	Process Time	Cost	Log Reduction	Electrostatic Recharge	Reuse Time
Chemical	Low	Yes	7 days	Low	1 to 6	No	0
UV	Low	Yes	1 hour	Nominal	1 to 5	No	3 to 5
HPV	Low	No	4 hours	High	3 to 6	No	3
Heat	Low	No	1 hours	Nominal	2 to 6	No	3
Ozone	Low	Yes	2 hours	High	2 to 6	No	3 to 5
Corona discharge	High	Yes	5 to 10 min	Low	3 to 6	Yes	15

论文地址

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.

通讯作者

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

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