于吉红院士团队Angew：过滤效率可达N97的呼吸器

通讯作者：于吉红院士

通讯单位：吉林大学

全球COVID-19肆虐引起了对N95级过滤式面罩呼吸器（N95 FFR）使用的广泛关注，N95级过滤式面罩呼吸器以外部带静电聚丙烯熔喷织物为主。然而，它们的使用寿命和可重复使用性受到连续穿戴和消毒处理的限制。开发一种简便的方法来实现高过滤效率和稳定性是很重要的。

吉林大学于吉红院士团队受膜表面化学控制的颗粒粘附的启发，提出了一种基于纳米纤维膜的极性主导过滤方法实现了卓越的过滤特性，达到N97级，具有出色的使用寿命和可重复使用性。相关工作以“Polarity-dominated stable N97 respirators for airborne virus capture based on nanofibrous membranes”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

图1. N95 FFR和TFPNM的整体特性和微粒捕获机制的说明：（a）静电荷占主导地位的N95 FFR。在商用N95FFR中，细颗粒能够通过过滤层（带电熔喷PP织物），而大多数颗粒可以通过在驻极体的情况下捕获；（b）极性主导的TFPNM。TFPNM可以通过极性相互作用有效地捕获最细小的颗粒。

图2. TFPNMs的形态和稳定性：（a）cTFPNM的图像（3.5 cm×3.5 cm）；（b）cTFPN的SEM图像和插入的TEM图像，显示纳米级核壳结构；（c）PNM和cTFPNM在二甲基甲酰胺（DMF）中的稳定性。PNM在5分钟内完全溶解在DMF溶液（左瓶）中，而TFPNM在浸泡90天后在DMF溶液中保持稳定；（d）在各种恶劣条件下处理的cTFPNM。初始形态保持良好，表明TF层使TFPNMs具有高稳定性。cTFPNM：4-羧基-ph封端的TFPNM。

这种N97纳米纤维呼吸器是通过薄膜涂覆的聚丙烯腈纳米纤维膜（TFPNM）实现的。高极性的TF层在每根纳米纤维上均经过均匀的后改性，在各种恶劣条件下均具有显着的防腐性能和强大的颗粒附着力。TFPNM通过膜与PM/气溶胶之间的极性-极性相互作用对空气中的颗粒表现出更强的亲和力。

该过滤器展现出整体持久的过滤性能，品质因数为0.42 Pa-1（过滤效率：超过97%；压降：约10 Pa），高于使用5 L/min流速和0.26 μm NaCl气溶胶测试的商业N95FFR（0.10-0.41 Pa-1）。

柯萨奇B4病毒过滤测试表明：TFPNM也具有97.67%的强大病毒捕获能力。与N95FFR相比，TFPNM对更广泛的消毒方案具有更强的抵抗力，并且整体过滤特性保持N97标准。这种基于极性膜的简易呼吸器将实现高效稳定的空气过滤，并为实现更有效的个人医疗保健提供机会。

图3. PMs在具有不同表面极性的TFPNMs上的捕获性能：（a）对cTFPNM压降的影响。cTFPNM的基重和流速都对压降值有显着影响。基重为10 g/m2的TFPNM用于所有过滤实验；（b）具有不同端基的TFPNMs之间的过滤效率比较：4-三氟-甲氧基-Ph-、4-氟-Ph-、4-氨基-Ph-、4-氰基-Ph-和4-羧基-；（c）10小时过滤周期内PNM和CTFPNM之间的耐久性测试；（d）TFPNM阻止PM从室外（左瓶，PM2.5浓度>1000 μg/m3）到室内（右瓶，PM2.5浓度<1 μg/m3）环境的演示。

图4. TFPNM的过滤特性和多个品牌N95 FFR的过滤层：不带电cTFPNM（a）和（b）和商用N95 FFR（MEO和3Q）（c）和（d）的24小时演变、过滤特性、过滤效率和相应压降。对于（c）中插入的数字，在过滤过程中静电荷有损失。10小时后静电荷含量保持在10~20%，24小时后仍保持在10~15%，这仍然允许N95FFR捕获气溶胶；（e）多个FFR在室温下的过滤特性、过滤效率和压降；（f）品质因数（QF）代表各种呼吸器膜的整体过滤性能。

参考文献：

Qifei Wang, Yingzhen Wei, Wenbo Li, Xizi Luo, Xinyue Zhang, Jiancheng Di, Guoqing Wang, Jihong Yu, Polarity-dominated stable N97 respirators for airborne virus capture based on nanofibrous membranes, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202108951.