大部分N95口罩消毒方法都错了!崔屹这篇ACS Nano给你支招

截至北京时间2020年5月6日21:00,全球新冠肺炎患者已经累计达到3751966人,并造成了259209人的死亡。近距离飞沫传播、接触传播和气溶胶传播是新冠肺炎的三种主要传播方式,而这三种传播方式均需要经过呼吸道才能达到新宿主的肺部,然后形成感染。因此,佩戴口罩是降低传感风险的最佳途径。目前防护效果较好的口罩为N95型口罩,然而,由于疫情在全球的肆虐导致N95口罩需求量的猛增以及N95口罩生产链被破坏导致的供应大幅度降低,目前在疫情严重的国家,N95口罩已成奢侈品,出现了大量供不应求的情况。为了缓解这一严峻的情况,就连美国总统特朗普也认识到了:给N95口罩消毒可以增加口罩的使用次数!那么,哪些消毒方法既可以保证N95口罩的防护效果,又适用于大部分普通家庭的条件呢?

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针对这一问题,斯坦福大学崔屹教授研究团队在最新一期的《ACS Nano》中给出了答案:

(1) 简单的加热处理(温度介于75~100℃,时间介于5~30min,温度越低,则处理时间越长)可以很好地保持N95口罩的过滤效率(>95%)。如在温度为85℃、湿度为30%的条件下处理20次(每次20 min)后,N95口罩的过滤效率仍达96.79 %。

(2) 紫外辐射处理(254 nm,8W)可以在低循环次数条件下保持N95口罩的过滤效率。当循环处理次数超过10次后,过滤效率开始大幅度下降;经过20次处理后,N95口罩的过滤效率仅为93%。

(3) 将N95口罩直接浸泡在消毒溶液中会大幅度降低口罩的过滤效率。如将N95口罩浸泡在75%的酒精中后迅速拿出、烘干,口罩的过滤效率降低至56.33 %。

这项研究对几种居家的杀毒灭菌方法进行了测试和评估,给出了N95口罩较佳消毒方法的建议。这在感染迅速蔓延的时期,对于缓解N95口罩短缺的压力具有积极的促进作用。该研究以题为“Can N95 Respirators Be Reused after Disinfection? How Many Times?”的论文发表在《ACS Nano》上。(后附原文链接)

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【N95口罩结构与防护原理】

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图1.(A)N95口罩内部多层结构外观图;(B)多层结构SEM图;(C)PP熔喷布高倍数SEM图;(D)不带电荷(左)和带电荷(右)PP熔喷布对粒子的阻隔效果示意图

N95的测试标准或定义是对0.3 um的NaCl气溶胶粒子实现>95%的阻隔。N95口罩的阻隔层由上下的支撑(或保护)层微米纤维无纺布和中间的PP熔喷布组成,其中,PP熔喷布是N95口罩防护的核心材料。从SEM图可以看出来,PP熔喷布是由之间介于1~10um的纤维组成的,同时中间还有较大的间隙,以保证口罩的透气性。但是新冠病毒的大小约只有150nm,那么含有较大间隙的N95口罩是如何来对病毒进行有效的阻隔呢?其实这主要源自于PP熔喷布纤维表面的大量电荷!在组装成口罩前,熔喷布会通过电晕或摩擦等处理工序来使熔喷布纤维表面和内部富集较多的静电电荷,这些静电电荷可以增强口罩对小粒子的吸附。因此,口罩的消毒处理过程中只要没有破坏纤维的本体结构和表面电荷,其防护性能基本都可以得到很好的保持。

 

【不同消毒方式对N95口罩防护性能的影响】

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图2.不同消毒方式对PP熔喷布的防护性能影响

作者首先使用几种家庭中常用的消毒方法/试剂对PP熔喷布进行了第一次处理,结果如图2所示。作者发现将PP熔喷布与溶液性消毒剂(实验中使用到酒精和NaClO消毒液)直接接触会大幅度降低熔喷布的过滤效率,如75%的酒精溶液处理后过滤效率下降至56.33%。而测试中压降很小,说明整个消毒处理过程中消毒溶液未破坏熔喷布纤维的本体结构;因此,这种处理方式导致熔喷布过滤效率下降的原因在于溶剂分子形成了分子吸附层,导致熔喷布纤维的静电电荷量下降了。所以,这种用消毒液直接来对N95口罩消毒的方法并不可取!作者随后对消毒效果不错的加热处理、蒸汽处理和紫外处理进行了循环研究,发现蒸汽处理的熔喷布在初始几个循环过程中过滤效率保持地较好和较高,而后面几个循环中急剧下降。研究后作者发现,水分子与熔喷布纤维不长时间接触或不过多接触不会对纤维表面的静电电荷产生明显地减少作用。因此,作者接下来系统地研究了处理过程中加热温度和湿度对熔喷布过滤性能的影响。

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图3.(A)和(B)分别是75℃干燥、水蒸气、和紫外循环处理后熔喷布的过滤效率和压降
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图4.不同干燥温度和湿度对熔喷布的过滤效率和压降的影响

实验结果表明,加热处理时湿度对熔喷布的过滤效率没有太大的影响,而加热温度在75~100℃区间内时,熔喷布在经过多次循环试验后,其过滤效率可以得到很好的保持。例如在在温度为85℃、湿度为30%的条件下处理20次(每次20 min)后,N95口罩的过滤效率仍达96.79 % [图4(B)和(C)]。但是温度过高时会使纤维的静电电荷含量降低,这可能是高温使极化状态的纤维恢复到松弛状态导致的。最后,作者研究了紫外循环处理对熔喷布过滤效率的影响,发现过多的循环也会导致纤维静电电荷量的下降,进而导致过滤效率的下降。比如,在254 nm,8W的紫外等循环辐射处理20次后,熔喷布的过滤效率下降至93%,低于N95的标准。

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图5.紫外循环处理对熔喷布过滤效率的影响

 

【总结】

采用简单的加热处理(75~100℃,干燥或湿润环境)可以有效地保证N95口罩的过滤效率,并且经过多次循环后,其过滤效率仍然可以得到很好地保持。而采用消毒溶液直接对N95口罩进行消毒的方法会大幅度降低熔喷布的静电电荷量,进而大大降低口罩的过滤效果。而短暂的蒸汽和紫外处理不会明显影响熔喷布的静电电荷量和N95口罩的过滤效率。

原文链接:

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

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