鑽石舞台

英文原題：

Electrospun Nanofibrous Membranes for Controlling Airborne Viruses: Present Status, Standardization of Aerosol Filtration Tests, and Future Development

作者：Hongchen Shen*, Minghao Han, Yun Shen, and Danmeng Shuai*

通訊作者：Hongchen Shen, 喬治華盛頓大學土木與環境工程系；Danmeng Shuai, 喬治華盛頓大學土木與環境工程系

摘要圖片

美國喬治華盛頓大學土木與環境工程系的 Hongchen Shen 等人總結了迄今為止電紡納米纖維薄膜和其他常見空氣過濾設備在控制病毒空氣傳播領域的應用；指出了現有研究在氣溶膠過濾測試標準化上的不足並建議相應的標準化測試方案；最後提出了電紡纖維薄膜在空氣過濾應用領域的未來發展方向。

出於與電紡納米纖維薄膜比較的目的，此小節總結了醫用外科口罩、N95呼吸器和普通織物口罩的氣溶膠過濾效果。一般來說，醫用外科口罩並非設計用於過濾氣溶膠，因此其去除含病毒氣溶膠的能力理應低於N95呼吸器。N95 呼吸器必須通過美國國家職業安全與健康研究所 (NIOSH) 的認證，其要求經過測試的呼吸器對細微氣溶膠顆粒的過濾效率達到 95% 以上。值得注意的是，在認證測試中使用的是直徑為 300 納米的氯化鈉氣溶膠顆粒，因為 300 納米被認為是最容易穿透過濾介質的粒徑。對於機械過濾（過濾介質與氣溶膠之間無任何靜電相互作用）來說，認定300 納米為最具穿透性粒徑是合理的。但有研究表明，對於醫用外科口罩和N95呼吸器等荷電過濾介質，最具穿透性粒徑會變小。因此，為避免高估醫用外科口罩和N95呼吸器的氣溶膠過濾效率，應生成粒徑分布較廣的氣溶膠顆粒來測試其過濾效率（具體見於3.1.3小節）。在醫用外科口罩和N95呼吸器等物資嚴重短缺時，普通織物口罩便成為其重要替代品。故了解普通織物口罩在阻止病毒氣溶膠傳播的表現亦尤為重要。經作者整理總結髮現，對醫用外科口罩和N95呼吸器來說，來自於不同研究的關於其氣溶膠過濾效果的結論並不一致，有時甚至互相矛盾。但普通織物口罩的氣溶膠過濾效率通常低於醫用外科口罩和N95呼吸器。

絕大多數住宅、商業和工業建築中 HVAC 系統所使用的空氣過濾器【最低效率值（MERV）小於13】無法有效去除含病毒氣溶膠。過濾器的 MERV 值由標準化方法 ANSI/ASHRAE 52.2-2017測定，其代表空氣過濾器去除空氣中 0.3 微米至 10 微米懸浮顆粒的性能。MERV 值越高，空氣過濾器的性能越好。例如，MERV 值為13的空氣過濾器對於0.3-1.0、1.0-3.0和3.0-10.0 微米的懸浮顆粒的過濾效率應至少達到50%、85%和90%。即使不考慮高能耗而使用高效微粒空氣過濾器（HEPA），有些情況下也不能保證完全避免病毒通過氣溶膠傳播。

電紡納米纖維薄膜能夠通過慣性碰撞、截留、擴散、重力沉降和靜電相互作用等物理效應來捕獲空氣中的含病毒氣溶膠（圖一）。因其具有較小孔徑、超細纖維和持久荷電等優點，電紡納米纖維薄膜相較於市面常見口罩、呼吸器和空氣過濾器具有更高的氣溶膠過濾效率。除氣溶膠過濾效率之外，空氣過濾過程中的壓降與被測試樣品的透氣性和過濾能耗直接相關，因此壓降是評價口罩、呼吸器或空氣過濾器的另一個重要參數。電紡納米纖維薄膜的高單位體積比表面積本應使其在空氣過濾過程中展現較高壓降，但電紡納米纖維薄膜的高孔隙率在一定程度上抵消了高單位體積比表面積所帶來的負面影響，有效降低了壓降。此外，納米纖維所特有的滑脫效應（slip effect）使氣流通過電紡纖維薄膜的拖曳力顯著減小，進一步降低了電紡納米纖維薄膜在空氣過濾中的壓降。

圖一：電紡納米纖維薄膜過濾氣溶膠機理。

到目前為止，研究人員研發了許多具有不同特性的電紡納米纖維薄膜，其中絕大多數在氣溶膠過濾應用中展現了良好性能。這些電紡納米纖維薄膜可充當個人防護設備和室內空氣過濾器的過濾介質以有效阻絕病毒通過氣溶膠傳播（圖二）。此外，通過各種方法可使電紡納米纖維薄膜進一步功能化。經處理的電紡納米纖維薄膜在空氣過濾實踐中往往具有更理想的特性，如更強的氣溶膠過濾效率和抗菌能力。如圖三所示，納米銀材料和光感材料賦予電紡納米纖維薄膜強勁的殺菌能力【圖三（a）和（d）】；而通過靜電充電和修飾電紡納米纖維薄膜的微觀纖維結構（增加粗糙度）可進一步提高其氣溶膠過濾效率【圖三（b）和（c）】。

圖二：電紡納米纖維薄膜在過濾病毒氣溶膠中的應用。

圖三：電紡納米纖維薄膜功能化示意圖。

到目前為止，多種標準化測試方法已被相關機構提出並用來評估口罩、呼吸器和空氣過濾器的氣溶膠過濾性能。然而，因其對特殊設備的需求和測試結果的局限性，這些標準化測試方法極少直接應用於實驗室研究。以 ANSI/ASHRAE 52.2–2017 標準為例，該標準要求特別設計長度至少為 5 米的測試管道，而這在一些實驗室研究中是不可能的。此外，該標準利用多粒徑分布的固相氯化鉀顆粒來測試樣品的過濾效率，但這並不能完美模擬含病毒氣溶膠的過濾過程。如第二小節所述，研究人員通常使用自製測試系統來研究口罩、呼吸器和空氣過濾器的氣溶膠過濾性能。但這些來自於不同研究的測試方法在氣溶膠的產生、過濾、收集和檢測方面存在顯著差異，而這些差異最終會對實驗結果產生重大影響。因此，為準確比較不同研究中電紡納米纖維薄膜的氣溶膠過濾性能，有必要使用一套標準化氣溶膠過濾測試體系。本小節討論了氣溶膠過濾測試中重要的操作參數（如氣溶膠的粒徑和相對測試樣品的面速度）和操作步驟（如氣溶膠的收集和檢測）；並在此基礎上嘗試提出一套標準化的氣溶膠過濾測試體系。

由於擔心在過濾測試中直接使用人類致病病毒氣溶膠會引起生物安全問題，大多數研究使用替代氣溶膠來評估樣品性能。替代氣溶膠包括非生物顆粒（如氯化鈉和氯化鉀）和生物顆粒（如噬菌體病毒）；其中生物顆粒因其多為噬菌體或動物病毒，所以不會導致人類感染。由於非生物顆粒與人類致病病毒之間巨大的物理化學性質差異，在解讀由非生物顆粒得出的氣溶膠過濾結果時應十分小心。在過濾測試中，最佳測試氣溶膠顆粒是含有待研究致病性病毒的氣溶膠，例如流感病毒。但當致病性病毒過於危險時，如 SARS-CoV-2，則應使用替代氣溶膠。此外，與非生物顆粒相比，生物顆粒（噬菌體或動物病毒）具有與人類致病性病毒相近的物理化學性質，因此有助於更好地了解口罩、呼吸器和空氣過濾器等的過濾性能。

在過濾測試中，霧化法通常被用來生成測試用氣溶膠。在霧化過程中，含有人類致病病毒或替代顆粒的溶液被分解成液滴或氣溶膠。去離子水或其他生物溶劑（如唾液）是用來準備這些溶液的常用溶劑。已有研究證明使用不同的霧化溶劑會對氣溶膠的粒徑分布、成分組成和其中所包含病毒的活性具有顯著影響。最直觀表現為：由生物溶劑產生的氣溶膠相較於由去離子水產生的氣溶膠普遍粒徑較大。這是因為除人類致病病毒或替代顆粒之外，由生物溶劑產生的氣溶膠中還含有其他不可揮發物質，如無機鹽和蛋白質等。此外，在氣溶膠被乾燥後，病毒被發現會與這些不可揮發物質聚集在一起（圖四）。

圖四、由（a）去離子水和（b）生物溶劑為霧化溶劑所產生的氣溶膠。兩種氣溶膠均經歷低濕度條件下的乾燥過程。

口罩、呼吸器和空氣過濾器的過濾性能在很大程度上取決於氣溶膠顆粒的大小。通常來說，載有病毒顆粒的氣溶膠的尺寸分布涵蓋很大範圍，從亞微米級到數百微米。因此如果在過濾測試中只使用單一尺寸氣溶膠，不同研究往往會因為選用了不同尺寸的氣溶膠而對同一樣品的過濾性能得出差異巨大的結論。得益於電紡納米纖維薄膜的超細纖維和超小孔徑，其對於粒徑較大顆粒（通常為大於 100 微米）的過濾效率極高。因此，為準確衡量電紡納米纖維薄膜的性能，在過濾測試中應使用較小的氣溶膠顆粒（尤其是具有納米級尺寸的氣溶膠）。但應特別注意的是，氣溶膠的尺寸不應小於單獨病毒顆粒的尺寸。例如，如果研究人員試圖了解一電紡納米纖維薄膜控制SARS-CoV-2空氣傳播的效果，那麼測試中所用的氣溶膠尺寸不應小於100納米（即 SARS-CoV-2 病毒的平均尺寸）。

經霧化法產生的氣溶膠顆粒普遍帶有電荷，且病毒氣溶膠帶有的電荷一般遠遠多於非生物替代氣溶膠顆粒。氣溶膠顆粒與過濾介質之間的靜電相互作用力對口罩、呼吸器和空氣過濾器的過濾效果有直接影響，這種影響在氣溶膠粒徑較小時尤為明顯。如果氣溶膠顆粒和過濾介質帶有電性相反的電荷，庫侖力將拉扯氣溶膠顆粒靠近過濾介質，從而提高過濾效率。如果僅氣溶膠顆粒或過濾介質帶電，介電泳力（dielectrophoretic forces）同樣會使氣溶膠顆粒靠近過濾介質。但當氣溶膠顆粒或過濾介質帶有電性相同的電荷時，靜電排斥作用會使氣溶膠過濾效率降低。因此，為消除氣溶膠所帶電荷帶來的不確定性以及更好地比較不同電紡納米纖維薄膜的過濾效果，絕大多數研究會使用電荷中和器處理氣溶膠顆粒。氣溶膠顆粒經此處理後淨電荷為0，殘餘電荷分布可用玻爾茲曼統計描述。

在過濾測試中，氣溶膠顆粒通過過濾介質的速度（面速度）決定了過濾效率和過濾壓降。一般來講，氣溶膠顆粒的面速度越大，由氣溶膠慣性決定的慣性碰撞會提高氣溶膠的過濾效率。但由於在高面速度時，氣溶膠在過濾介質中的停留時間變短，擴散和靜電相互作用截留氣溶膠顆粒的效率會大大降低。由於擴散和靜電相互作用是氣溶膠過濾中的決定性因素，在較大面速度情況下，氣溶膠的過濾效率一般會降低。而過濾過程中的壓降通常與面速度成正相關關係。值得注意的是，測試中氣溶膠面速度的選擇應根據實際情況而定。例如電紡納米纖維薄膜如被用為口罩和呼吸器，在不同呼吸模式下（如低、中、高工作負荷時）氣溶膠通過電紡納米纖維薄膜的速度必然有所不同。

一般而言，過濾測試過程中的空氣溫度波動不會顯著影響待測樣品的氣溶膠過濾效率及壓降。相比之下，空氣濕度對氣溶膠過濾結果的影響則十分明顯，尤其當空氣濕度在過濾測試過程中發生變化時。然而，氣溶膠過濾效率和壓降如何隨空氣濕度變化則取決於氣溶膠顆粒的性質（氣溶膠顆粒的吸濕性和粒徑大小）和過濾介質的性質（過濾介質的親水性），因此需要具體問題具體分析。因空氣濕度對氣溶膠過濾測試結果影響的不確定性，目前大多數研究都利用乾燥器去除測試過程中氣溶膠的水分，而這並不能完美模擬實際情況。例如，用於口罩和呼吸器的電紡納米纖維薄膜相較於用於空氣過濾器的情況會遇到更高的空氣濕度。

為測試氣溶膠過濾性能，電紡納米纖維薄膜通常被安裝於自製或商業化的過濾測試系統中。而在大多數研究中，電紡納米纖維薄膜被緊密地封裝於過濾器框架之中。這種設計完全避免了過濾空氣從縫隙泄露的可能性，適用於評估空氣過濾器的氣溶膠過濾性能。然而，對於用於口罩和呼吸器的電紡納米纖維薄膜，由於無法完全避免過濾空氣的泄露（無法保證口罩或呼吸器與人臉完美貼合），此種設計會高估電紡納米纖維薄膜的過濾效果。此時應考慮使用基於假人模型或真人志願者的氣溶膠過濾測試系統，因其將測試中可能出現的過濾空氣泄露的情景考慮在內。

在大多數使用非生物替代顆粒的研究中，根據氣溶膠的質量和表面積等信息，各種儀器直接監測氣流中氣溶膠顆粒在過濾前後的數量變化，並以此計算所測試樣品的氣溶膠過濾效率。然而對於含病毒氣溶膠，相較於氣溶膠數量，人們則更關注病毒載量（包括總病毒載量和病毒感染載量）。為了研究病毒載量，經過過濾的病毒氣溶膠通常經歷一「收集—檢測」過程。病毒氣溶膠的收集可以通過過濾、慣性碰撞和靜電沉降等手段實現。但值得注意的是，不同的收集方法可能會導致不同的氣溶膠收集效率，有些方法甚至無法成功收集到可檢測的病毒氣溶膠。對於病毒檢測，研究人員通常使用 qPCR 和各種病毒培養法（如噬菌斑法和半數組織培養感染劑量法）來分別測定總病毒載量和病毒感染載量。

如前所述，之前有關氣溶膠過濾的研究通常在氣溶膠產生、過濾、收集和檢測等方面存在差異，這給比較由不同研究所得出的結果帶來了困難。因此，為更好地評估和了解電紡納米纖維薄膜的氣溶膠過濾性能，在之前討論的基礎上，本小節提出了一套用於評估電紡納米纖維薄膜氣溶膠過濾表現的標準測試方法（圖五）。在該標準化方法中，優先選用含有待研究病毒的氣溶膠顆粒。當霧化此種病毒太過危險時（例如 SARS-CoV-2），則儘量選用噬菌體或動物病毒氣溶膠顆粒。與非生物替代顆粒相比，生物替代顆粒（即噬菌體或動物病毒）在結構和尺寸上與人類致病病毒更為相近。因此，生物替代顆粒可以更好地模擬人類致病病毒氣溶膠在過濾過程中的表現。此外，在過濾測試中應生成尺寸涵蓋數十納米（單個病毒尺寸）到數十微米範圍的氣溶膠顆粒，且氣溶膠霧化溶劑應儘量選擇生物溶劑（如唾液）。為消除氣溶膠攜帶電荷所帶來的複雜影響，測試過程中的氣溶膠在通過測試樣品（電紡納米纖維薄膜）前應首先通過電中和器。電中和後，氣溶膠所攜帶電荷遵循玻爾茲曼分布，但淨電荷為零。氣溶膠通過電紡納米纖維薄膜前後的濃度、大小分布和病毒載量（當使用病毒氣溶膠時）可由不同方法監測，並以此計算電紡納米纖維薄膜的過濾效率。在過濾測試進行期間，應根據待測電紡納米纖維薄膜的預期應用而調整面速度、溫度和濕度等操作參數。

圖五、氣溶膠過濾標準化方案示意圖。

儘管電紡納米纖維薄膜已經在氣溶膠過濾方面展現出巨大潛力，一些因素如電紡溶劑造成的污染，電紡膜較差的機械強度，電紡產品造成的塑料污染等仍嚴重限制了電紡納米纖維薄膜的廣泛應用。但隨着電紡技術的發展，以上問題正在逐步得到解決。如近年來綠色電紡概念的提出以及可生物降解材料在電紡中的大量應用解決了電紡技術會造成嚴重環境污染的問題。且通過科研人員的不懈努力，各種具有高強度的新式電紡納米薄膜不斷被研發出來。此外，小型化和便攜式電紡設備的問世使得以低廉成本快速生產電紡纖維薄膜成為可能。

因其相比於傳統空氣過濾介質的更小孔徑、更細纖維、更大孔隙率和更持久電荷，電紡納米纖維薄膜已在控制病毒空氣傳播方面展現了無與倫比的優勢。然而，不同研究中所採用的氣溶膠過濾檢測方法各不相同，導致了想要比較由不同研究得出的關於電紡納米纖維薄膜過濾病毒氣溶膠的結論困難重重。因此，本文首先總結了電紡納米纖維薄膜在氣溶膠過濾領域中的應用，並討論了氣溶膠過濾測試中重要的參數和操作。在此基礎上，我們提出了標準化的氣溶膠過濾檢測流程。此流程全面考慮了氣溶膠的產生、過濾、收集與檢測，有助於正確詮釋來自不同研究的成果。最後，針對目前電紡技術的缺點，我們展望了電紡納米纖維薄膜的未來發展趨勢。

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ACS Environ. Au2022

Publication Date: Mar. 11，2022

https://doi.org/10.1021/acsenvironau.1c00047

Copyright © 2022 American Chemical Society