大部分N95口罩消毒方法都錯瞭!崔屹這篇ACS Nano給你支招

截至北京時間2020年5月6日21:00,全球新冠肺炎患者已經累計達到3751966人,並造成瞭259209人的死亡。近距離飛沫傳播、接觸傳播和氣溶膠傳播是新冠肺炎的三種主要傳播方式,而這三種傳播方式均需要經過呼吸道才能達到新宿主的肺部,然後形成感染。因此,佩戴口罩是降低傳感風險的最佳途徑。目前防護效果較好的口罩為N95型口罩,然而,由於疫情在全球的肆虐導致N95口罩需求量的猛增以及N95口罩生產鏈被破壞導致的供應大幅度降低,目前在疫情嚴重的國傢,N95口罩已成奢侈品,出現瞭大量供不應求的情況。為瞭緩解這一嚴峻的情況,就連美國總統特朗普也認識到瞭:給N95口罩消毒可以增加口罩的使用次數!那麼,哪些消毒方法既可以保證N95口罩的防護效果,又適用於大部分普通傢庭的條件呢?

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針對這一問題,斯坦福大學崔屹教授研究團隊在最新一期的《ACS Nano》中給出瞭答案:

(1) 簡單的加熱處理(溫度介於75~100℃,時間介於5~30min,溫度越低,則處理時間越長)可以很好地保持N95口罩的過濾效率(>95%)。如在溫度為85℃、濕度為30%的條件下處理20次(每次20 min)後,N95口罩的過濾效率仍達96.79 %。

(2) 紫外輻射處理(254 nm,8W)可以在低循環次數條件下保持N95口罩的過濾效率。當循環處理次數超過10次後,過濾效率開始大幅度下降;經過20次處理後,N95口罩的過濾效率僅為93%。

(3) 將N95口罩直接浸泡在消毒溶液中會大幅度降低口罩的過濾效率。如將N95口罩浸泡在75%的酒精中後迅速拿出、烘幹,口罩的過濾效率降低至56.33 %。

這項研究對幾種居傢的殺毒滅菌方法進行瞭測試和評估,給出瞭N95口罩較佳消毒方法的建議。這在感染迅速蔓延的時期,對於緩解N95口罩短缺的壓力具有積極的促進作用。該研究以題為“Can N95 Respirators Be Reused after Disinfection? How Many Times?”的論文發表在《ACS Nano》上。(後附原文鏈接)

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【N95口罩結構與防護原理】

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圖1.(A)N95口罩內部多層結構外觀圖;(B)多層結構SEM圖;(C)PP熔噴佈高倍數SEM圖;(D)不帶電荷(左)和帶電荷(右)PP熔噴佈對粒子的阻隔效果示意圖

N95的測試標準或定義是對0.3 um的NaCl氣溶膠粒子實現>95%的阻隔。N95口罩的阻隔層由上下的支撐(或保護)層微米纖維無紡佈和中間的PP熔噴佈組成,其中,PP熔噴佈是N95口罩防護的核心材料。從SEM圖可以看出來,PP熔噴佈是由之間介於1~10um的纖維組成的,同時中間還有較大的間隙,以保證口罩的透氣性。但是新冠病毒的大小約隻有150nm,那麼含有較大間隙的N95口罩是如何來對病毒進行有效的阻隔呢?其實這主要源自於PP熔噴佈纖維表面的大量電荷!在組裝成口罩前,熔噴佈會通過電暈或摩擦等處理工序來使熔噴佈纖維表面和內部富集較多的靜電電荷,這些靜電電荷可以增強口罩對小粒子的吸附。因此,口罩的消毒處理過程中隻要沒有破壞纖維的本體結構和表面電荷,其防護性能基本都可以得到很好的保持。

【不同消毒方式對N95口罩防護性能的影響】

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圖2.不同消毒方式對PP熔噴佈的防護性能影響

作者首先使用幾種傢庭中常用的消毒方法/試劑對PP熔噴佈進行瞭第一次處理,結果如圖2所示。作者發現將PP熔噴佈與溶液性消毒劑(實驗中使用到酒精和NaClO消毒液)直接接觸會大幅度降低熔噴佈的過濾效率,如75%的酒精溶液處理後過濾效率下降至56.33%。而測試中壓降很小,說明整個消毒處理過程中消毒溶液未破壞熔噴佈纖維的本體結構;因此,這種處理方式導致熔噴佈過濾效率下降的原因在於溶劑分子形成瞭分子吸附層,導致熔噴佈纖維的靜電電荷量下降瞭。所以,這種用消毒液直接來對N95口罩消毒的方法並不可取!作者隨後對消毒效果不錯的加熱處理、蒸汽處理和紫外處理進行瞭循環研究,發現蒸汽處理的熔噴佈在初始幾個循環過程中過濾效率保持地較好和較高,而後面幾個循環中急劇下降。研究後作者發現,水分子與熔噴佈纖維不長時間接觸或不過多接觸不會對纖維表面的靜電電荷產生明顯地減少作用。因此,作者接下來系統地研究瞭處理過程中加熱溫度和濕度對熔噴佈過濾性能的影響。

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圖3.(A)和(B)分別是75℃幹燥、水蒸氣、和紫外循環處理後熔噴佈的過濾效率和壓降
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圖4.不同幹燥溫度和濕度對熔噴佈的過濾效率和壓降的影響

實驗結果表明,加熱處理時濕度對熔噴佈的過濾效率沒有太大的影響,而加熱溫度在75~100℃區間內時,熔噴佈在經過多次循環試驗後,其過濾效率可以得到很好的保持。例如在在溫度為85℃、濕度為30%的條件下處理20次(每次20 min)後,N95口罩的過濾效率仍達96.79 % [圖4(B)和(C)]。但是溫度過高時會使纖維的靜電電荷含量降低,這可能是高溫使極化狀態的纖維恢復到松弛狀態導致的。最後,作者研究瞭紫外循環處理對熔噴佈過濾效率的影響,發現過多的循環也會導致纖維靜電電荷量的下降,進而導致過濾效率的下降。比如,在254 nm,8W的紫外等循環輻射處理20次後,熔噴佈的過濾效率下降至93%,低於N95的標準。

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圖5.紫外循環處理對熔噴佈過濾效率的影響

【總結】

采用簡單的加熱處理(75~100℃,幹燥或濕潤環境)可以有效地保證N95口罩的過濾效率,並且經過多次循環後,其過濾效率仍然可以得到很好地保持。而采用消毒溶液直接對N95口罩進行消毒的方法會大幅度降低熔噴佈的靜電電荷量,進而大大降低口罩的過濾效果。而短暫的蒸汽和紫外處理不會明顯影響熔噴佈的靜電電荷量和N95口罩的過濾效率。

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03597

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