石墨烯远红外口罩（可抗菌的石墨烯口罩来了）

石墨烯远红外口罩（可抗菌的石墨烯口罩来了）在LIG、ACF和MBF上孵育1小时的大肠杆菌用作参考，另外的7小时孵育用于评估细菌抑制率。ACF和MBF上的大多数大肠杆菌都保持了细胞结构的完整性。 下图g–l中的荧光显微镜图像（绿色代表活的，红色代表死亡的）用于区分大肠杆菌的健康状况。8小时后由绿色变为红色表明LIG具有显着的杀菌能力，而在ACF和MBF上只观察到轻微的染色变化。即使在8小时后，沉积在ACF和MBF上的大肠杆菌中仍有90％以上仍然存活。相比之下，大肠杆菌在LIG上的活力在8小时后从1.9 × 106降至3.5 × 105 CFU/mL。LIG、ACF和MBF的固有抗菌活性分别为81.57％、2.00％和9.13％，这表明LIG优于目前市场使用的口罩材料具有安全性。用于细菌生存力实验的口罩照片据报道，SARS病毒可以在56°C下在15分钟内失活。利用石墨烯材料的宽带吸收特性，预计它们在阳光下暴露可以实现这一目标，无需温度

江苏激光联盟导读：

据悉，由香港城市大学(CityU)化学系助理教授叶汝全博士领导的研究团队成功地生产了抗菌率为80%的石墨烯口罩，而在辐射10分钟后，抗菌效率可提高到几乎100%。该研究成果8月11日以“Self-Reporting and Photothermally Enhanced Rapid Bacterial Killing on a Laser-Induced Graphene Mask”一文发表在学术期刊《ACS纳米》（ACS Nano）上。

佩戴口罩已被广泛推荐用于控制呼吸道病毒疾病，也成为今年抗击新型冠状病毒（COVID-19）的重要工具，但是口罩的不当使用和处置带来了二次传播的高风险，当顽固的病原体积聚在口罩上时，可能会威胁到保护效果。

除了安全问题之外，环境污染和材料供应短缺也是疾病爆发期间口罩大量消费的两个主要问题。例如，新冠肺炎疫情导致全球口罩供应短缺，口罩和熔喷面料（melt-blown fabrics）价格飙升。大多数口罩是为一次性使用而设计的，过滤层使用聚丙烯，一种在填埋场降解需要10年以上的热塑性塑料。为了缓解这种情况，人们呼吁开发熔喷织物的替代材料和安全重复使用口罩的方法。

据报道，SARS病毒可以在56°C下在15分钟内失活。利用石墨烯材料的宽带吸收特性，预计它们在阳光下暴露可以实现这一目标，无需温度控制的烤箱即可达到最高温度，从而使SARS病毒在设备和基础设施不足的地区更容易消毒。在该研究中，研究人员探索了面罩与激光诱导石墨烯(LIG)材料相比的健康保护能力。考虑到安全问题，研究人员改用大肠杆菌(E. coli)作为模型，其需要超过60℃的温度来实现令人满意的杀菌效率。LIG描述了一种使用普通CO2激光将基底转化为多孔石墨烯的过程。原来的LIG的抑菌率为81.57％，而在0.75 kW/m2的辐射下，可在10分钟内提高到99.998％抑菌率。

使用二氧化碳红外线激光系统可把含碳的材料转化为石墨烯。

研究人员使用大肠杆菌比较了LIG与活性炭纤维(ACF)和熔喷织物(MBF)的抗菌性能，活性炭纤维和熔喷织物分别是商用活性炭和外科口罩的关键过滤层。

用于细菌生存力实验的口罩照片

在LIG、ACF和MBF上孵育1小时的大肠杆菌用作参考，另外的7小时孵育用于评估细菌抑制率。ACF和MBF上的大多数大肠杆菌都保持了细胞结构的完整性。 下图g–l中的荧光显微镜图像（绿色代表活的，红色代表死亡的）用于区分大肠杆菌的健康状况。8小时后由绿色变为红色表明LIG具有显着的杀菌能力，而在ACF和MBF上只观察到轻微的染色变化。即使在8小时后，沉积在ACF和MBF上的大肠杆菌中仍有90％以上仍然存活。相比之下，大肠杆菌在LIG上的活力在8小时后从1.9 × 106降至3.5 × 105 CFU/mL。LIG、ACF和MBF的固有抗菌活性分别为81.57％、2.00％和9.13％，这表明LIG优于目前市场使用的口罩材料具有安全性。

LIG，ACF和MBF之间的抗菌能力比较。

▲图解：孵育1和8小时后，(a b)LIG，(c d)ACF和(e f)MBF的SEM图像。(g h)LIG，(i j)ACF和(k l)MBF用活/死细菌生存力试剂盒染色的激光扫描共聚焦显微镜图像：(g i k)孵育1 h，(h j l)孵育8小时。(m)LIG，ACF和MBF的CFU分析的统计数据。(a–f)的比例尺为10μm，(g–l)的比例尺为50μm。

考虑到有研究指出，高温可令新型冠状病毒失去感染力，研究人员便利用石墨烯吸光后能够产生高温的光热效应进行测试。下图a总结了0.75kW/m2辐照下LIG、ACF和MBF随时间变化的温度。LIG的表面温度在30秒内从25°C升至52°C，并在进一步暴露于阳光下保持在〜62°C。连续辐照30秒后，ACF的表面温度稳定在约52°C，比LIG低10°C。与LIG相比，ACF的温度较低是由于孔相对较大。即使经过60秒或更长时间的照射，MBF仍仅为35°C。然后研究人员使用具有不同日光照射时间（1、5和10分钟）的CFU分析来研究光热对LIG、ACF和MBF杀菌效率的影响。他们发现，当石墨烯材料受太阳光照射十分钟，其抑菌效率可提升至99.998%，而活性碳纤维和熔喷布则分别仅约67.24%和85.3%。

通过光热作用增强抗菌功效。

▲图解：(a)0.75 kW / m2日光下表面温度的时程。(b)在不同曝光时间下的抗菌效率。(c)在不同的曝光时间后，参考组和样品的CFU测定的统计数据。(d)LIG和MBF的生物气溶胶捕获和抗菌性能。

该研究团队领导人叶博士形容激光诱导石墨烯乃突破性的“环保技术”，基本上含碳的材料，例如纤维和纸张等生物质材料，都可采用这技术；而且可在室温操作，除了原材料之外，无需使用其他化学物，既不造成污染，能源消耗也不多。他说︰“用这种石墨烯材料制作的口罩可以重用，而且若用生物质材料来生产石墨烯，不但有助解决口罩原材料供应紧张的问题，更可纾缓口罩不可降解对环境构成的压力。”

他表示，激光诱导石墨烯的制作工序很简单，每1.5分钟可打印到100平方厘米的石墨烯口罩材料，用作口罩的表层或内层；成本视乎所选的原材料，制成品价钱估计介乎外科口罩与N95口罩之间。他又指，技术可通过调节激光的功率来改变石墨烯孔的大小，使透气度与一般外科口罩相若。

检查口罩受污染程度的方法

除了感染剂的生存能力外，由于细菌的积累，无法获得有关口罩过滤效果的信息也是另一个可能危害佩戴者的担忧。此信息非常重要，尤其是对于与患者密切接触的医生和护士。通过简单的重复激光感应过程，我们可以控制LIG的表面特性，并制造用于自报告掩膜条件的湿电LIG器件。感应电压也可能会提高吸附/过滤效率。实验证明，口罩表面积累的细菌和空气颗粒物愈多，量度所得的电压愈低，可藉此判断口罩的污染程度。叶博士说：“至于多久要更换口罩，这准则应交由专业人士决定，但这方法不失为一个参考。”

LIG口罩示意图及湿感电工作机理

研究人员用“湿气发电装置”量度呼吸所衍生的电压的改变。

由于石墨烯具有抗菌功效，于是早在去年9月，即新型冠状病毒尚未爆发时，叶博士便想到用激光诱导石墨烯来做口罩，希望在功能上更胜一般口罩，遂带领香港城大团队，联同来自香港科技大学和南开大学等的研究人员展开研究。叶博士是论文的通讯作者之一，其余两位通讯作者分别是香港科技大学的唐本忠教授与南开大学的朱春雷博士。论文第一作者是叶博士的博士生黄丽蓓。同样来自香港城大化学系的研究成员还有徐丝雨、苏建君和宋云。其他团队成员分别来自香港科技大学和南开大学的团队，以及卡罗琳医学院刘鸣炜复修医学中心的陈斯杰博士。

香港城大研究团队成员：（前排左起）徐丝雨、叶汝全博士、黄丽蓓、（后排左起）曹晓虎、宋云、苏建君。图片来源：CityU

本文来源：DOI: 10.1021/acsnano.0c05330