近期，美国疾病控制和预防中心（CDC）的一项数据表明，疾病患者在就医过程中感染至少一种医疗相关感染（HAI）的概率为3.2%，3%的住院患者更是可能患有一种或多种HAI疾病。这种感染的发生是由空气中的污染物导致的，它们是由空气中的细菌、真菌、孢子和由飞沫、气溶胶和颗粒物携带的各种其他病原体沉积而成的。目前防止空气传播病原体的方法包括稀释通风、加压、定向通风、消毒和过滤。稀释通风通过内外空气交换降低了传染源的浓度。加压和定向气流通过控制空气传递的路径来防止感染性物质的传播，而消毒就是对感染性物质的灭活。过滤是通过空气循环去除感染性物质。一般地，加压和定向气流不会去除或破坏空气中的感染性物质，应与过滤和消毒等方法结合使用，并进一步集成至空气循环系统中。其中，在过滤系统运行过程中，污染物在过滤介质中将会不断积聚，导致过滤效率降低、能耗增加、流速降低。因此，空气过滤器需要定期更换，增加了过滤设备和系统的维护成本。此外，最常见的空气消毒方法为紫外线辐射消毒，但对于细菌来说，常规的紫外线辐射无法完全达到所有细菌的致死量，许多细菌仍然可以通过损伤修复而存活下来。除此之外的消毒方法，如使用臭氧、光催化氧化等，往往效率更低且成本较高。
基于此背景，近日，美国莱斯大学的James M. Tour教授团队在纳米科技领域著名刊物《ACS Nano》上发表了名为“Self-Sterilizing Laser-Induced Graphene Bacterial Air Filter”的论文，研究者制备了一种由激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene, LIG）组成的自具杀菌效果的空气过滤器，LIG是由10.6 µm, 75 W的商用CO2脉冲激光直接照射127 µm的“Kapton”聚酰亚胺薄膜两侧，利用六边形图案高温碳化，即可得到具有导电性质的石墨烯区域，同时，由于上下表面图案化时错开，有一定位移，导致该区域形成了自具微孔的结构，并将其进一步组装成为过滤器。通过滤膜的微孔结构可以截留细菌和颗粒污染物，并对薄膜通电，利用石墨烯区域的周期性焦耳加热机制可产生局部超过300℃的高温，从而实现高效灭菌，具有一定的商业应用前景。
图1为滤膜的制备示意图及其结构表征，值得注意的是，该滤膜自具微孔，平均孔径为2.86-8.94 nm，可截留绝大部分的细菌和微粒，同时，材料的比表面积高达340 m2g-1。
图1. LIG/PI滤膜的制备示意图及其结构表征.（LIG区域面积为4.5×4.5 cm2）
将上述滤膜组装形成如图2所示的双层空气过滤器，在其另一端配有0.22 µm的聚醚砜（PES）滤膜。对LIG滤膜区域施加电压，通过石墨烯的焦耳热效应，该区域将逐渐升温并最终可产生380 ℃的高温，足够杀死包括细菌在内的绝大多数病原体。
图2. 过滤器制备及其截留污染物，杀菌示意图.
研究者进一步对该空气过滤器对颗粒污染物的滤过作用展开评估，将香烟烟气透过LIG滤膜，并将过滤后的烟气溶于水中，对不同尺寸的颗粒污染物的浓度进行测试，结果如图3所示，显然，利用LIG滤膜，可基本完全截留200 nm以上的污染物，对于200 nm以下的污染物也展现出了良好的截留效果。
图3. LIG空气过滤器对香烟烟气的过滤效果.
研究者对该过滤器的灭菌性能进行表征，将过滤后的滤膜浸入培养基中，超声处理，使其截留得到的细菌进入培养基中，并测试其光密度，从而间接表征细菌的数目，光密度越高，则表示体系中细菌数目越多。结果如图4所示，显然，LIG滤膜对细菌及其他微生物具有截留效果，通过通电加热后，细菌数目大大降低，展现出无需杀菌剂，可实现自杀菌，自清洁的功能。
图4. LIG过滤器的灭菌效果表征.
该研究工作制备得到的LIG空气过滤器具有优异的细菌及颗粒污染物的截留，同时通过自身的焦耳热效应，可获得超过300 ℃的局部高温，在无杀菌剂的作用下，即可通过高温高效灭菌，展现出来自杀菌，自清洁的功能，有望在未来应用于公共卫生，疾病防治等领域。
来源：高分子科学前沿
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