2019年，新型冠状病毒病（COVID-19）爆发并迅速蔓延至全球。目前发现的COVID-19病毒的直径为60～140 nm，传播途径主要为直接传播、气溶胶传播和接触传播。因此，人们对N95级面罩（N95 FFR）需求量急剧增加。N95级口罩以聚丙烯（PP）熔喷非织造布为主。为了提高过滤效率并保持相对较低的阻力，PP纤维通过电晕放电方法，以通过静电荷为N95 FFR提供强大的颗粒附着力。但是，电荷会在使用过程中损失，导致口罩过滤效率随之下降。此外，考虑到卫生、损坏、呼吸阻力增加和过滤效率降低等因素，N95 FFR被限制重复使用。鉴于此，吉林大学于吉红院士团队开发了基于化学改性表面的稳定N97纳米纤维呼吸器，通过极性驱动的相互作用实现显著的过滤特性。其是通过涂覆聚丙烯腈纳米纤维膜(TFPNM)实现的，在0.42 Pa-1（过滤效率：超过 97%；压降：约 10 Pa）的情况下提供整体持久的过滤性能。柯萨奇B4病毒过滤测试表明，TFPNM同时具有强大的病毒捕获能力。与N95 FFR相比，TFPNM对更广泛的消毒方案（病毒种类：柯萨奇B4病毒(CV-B4)和一种微小的RNA病毒）具有更强的抵抗力，并且整体过滤特性保持N97标准。相关工作以“Polarity-dominated stable N97 respirators for airborne virus capture based on nanofibrous membranes”为题发表在国际顶级期刊《Angewandte Chemie》上。

TFPNMs的表面极性和稳定性

薄膜（TF）涂层电纺聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜（TFPNMs）通过静电纺丝技术制造，并通过界面聚合过程功能化，产生具有可变端基的浅黄色织物。与PP相比，TFPNMs具有更强的表面极性，可以通过不同的涂层使其改变。为了进一步评估TFPNM的稳定性，研究团队将纤维膜暴露在高温（＞80 °C）、蒸汽气氛（＞100 °C的高湿度）、75%酒精、氯化物消毒水和紫外线(UV)光等环境中进行测试。研究发现，TFPNM没有明显的损坏和重量损失，表明纤维几何形状没有发生变化。与初始TFPNM相比，后处理的TFPNM的表面极性保持不变。稳定的表面极性可以使膜与PMs/气溶胶之间形成稳定的极性相互作用，使TFPNMs在各种恶劣条件下具有可重复使用的巨大潜力。

图1 TFPNMs 的形态和稳定性

TFPNM的空气过滤效率

研究人员首先检查了TFPNMs对各种尺寸颗粒物（PMs）的捕获能力，以模拟其在危险空气质量条件下的空气过滤性能（图2）。实验室使用燃烧的香（含有多种污染物，如PM、CO、CO2、NO2等）来呈现有害颗粒物的水平。所有TFPNM的最佳基重控制在10 g/m2。具有不同表面极性的五件TFPNMs在过滤效率方面表现出较大的差异。表面极性从最低到最高对应的纤维膜对PM0.3的过滤效率结果从50.00%到97.45%不等。其中，具有氰基和羧基的TFPNMs表现出非常高的过滤效率，超过97%。为了研究TFPNMs的长期有效性，在有害空气下放置10h，测试了具有与PAN分子相同的末端基团TFPNM(CTFPNM)的质量状况。结果显示PAN纳米纤维膜(PNM)在10 小时后，对PM0.3的过滤效率从97.10%下降到94.57%，PM2.5的过滤效率从99.67%下降到99.42%。然而，CTFPNM的过滤特性保持稳定，10小时内对PM0.3和PM2.5的过滤效率分别超过97.00%和99.90%。

图2具有不同表面极性的TFPNMs对PMs的捕获性能

TFPNM与N95 FFR的空气过滤性能比较

研究人员引入了两种具有高表面极性的TFPNM（CTFPNM和cTFPNM）来比较其与N95 FFR对NaCl气溶胶的过滤特性（图3）。CTFPNM和cTFPNM的过滤效率均达到N97级，并在连续24小时过滤过程中保持稳定。相比之下，以带电PP熔喷非织造布为主的N95 FFR在过滤过程中表现出明显的不稳定性。通过静电效应进一步研究了TFPNM的过滤效率。对于带电的cTFPNM和CTFPNM，它们的过滤效率均略微提高到N98级。然而，由于表面静电荷的衰减（从0.15 kV降到0.02±0.03 kV），这些带电呼吸器膜的过滤效率在24小时后最终下降到N97级。作者进一步研究了TFPNM与来自不同国家的各种N95 FFR在空气过滤特性上的差异性。结果发现，在24小时连续过滤后，样品的过滤效率均下降至95%以下。在相同的实验条件下，24小时后N95 FFR的过滤效率均低于cTFPNM的过滤效率。

图3 TFPNMs的过滤特性和多个品牌N95 FFRs的过滤层

TFPNMs对病毒以及各种消毒处理的过滤效率

将cTFPNM放置在柯萨奇B4病毒(CV-B4)和一种微小的RNA病毒(27～30 nm)气溶胶中以评估其过滤效率。并对N95 FFR（MEO品牌）进行了病毒过滤测试。结果显示，cTFPNM在24小时后仍保持N97级过滤效率，而MEO牌N95 FFR的过滤效率在24小时后降到95%以下。为了研究TFPNMs的可重用性，对cTFPNMs进行了五种处理方法：80 ℃热处理；蒸汽（100 ℃热基蛋白质变性）；75%酒精（蛋白质变性）；家用氯基溶液（细胞变性，有化学损伤）；紫外线杀菌照射（DNA/RNA 破坏，UVC 254 nm）。在第一个处理周期后，cTFPNMs所有过滤效率保持在N97水平不变，压降保持在9～10 Pa。相比之下，N95 FFR在第一次循环后经过各种处理显示出不同的过滤性能。加热和紫外线杀菌照射(UVGI)可以保持大多数N95 FFR的过滤特性。然而，基于溶液处理的样品过滤效率急剧下降到50%～80%。

图4 cTFPNM 上病毒的过滤性能

注：（a）（b）为cTFPNM，（c）（d）为meo品牌N95 FFR的效率和压降

图5  五种不同消毒处理后FFR的演变和相应的整体过滤性能

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202108951