文章导读
空气传播的病原体对公共卫生构成重大威胁，尤其是在人口密集的室内环境中。COVID-19大流行凸显了病原体预防和控制系统的重要性。传统消毒方法，如化学消毒剂、高温高压灭菌和紫外线处理，存在诸多局限性，例如二次污染、能耗高和对某些病原体效果不佳等。为了克服这些限制，电基消毒技术逐渐受到关注。这种技术利用电机制消除病原体，具有环保、高效和可持续的特点。它包括电穿孔、电化学过程和静电相互作用三种主要机制。
本文探讨了摩擦纳米发电机 (Triboelectric Nanogenerator, TENG) 在微生物消毒领域的应用。TENG作为一种新兴的能源解决方案，能够将机械能转化为电能，适用于多种环境，如水、空气、表面和医疗应用。TENG的优势在于其高电压输出和无需电池的自供能特性。本文综述了TENG的基本原理、材料进展以及在不同消毒场景中的应用效果，并探讨了该技术面临的挑战和未来发展方向。图1展示了TENG驱动的电基微生物消毒在各种应用中的示意图。
图1. TENG驱动电微生物消毒在不同应用中的示意图
主要内容
TENG的工作原理及材料
TENG的工作原理基于接触起电和静电感应的耦合效应。当两种不同的材料接触后分离时，它们的表面会带上相反的电荷，这种现象取决于材料的电子转移倾向。选择电势差大的材料组合可以提高TENG的效率。文章还介绍了多种提高TENG性能的策略，包括加入高介电常数纳米颗粒、表面功能化、微/纳米图案化表面结构设计和超声驱动振动控制等。图2展示了TENG的全面工作原理。图2a说明了接触分离模式TENG的基本工作原理，即通过接触起电和静电感应的耦合效应产生输出。当两种不同的摩擦电层材料接触后分离，它们的表面会带上相反的电荷，这种现象取决于材料转移电子的倾向。根据摩擦电序列，材料被分类为倾向于失去或获得电子，从而带上正负电荷。图2b展示了驱动TENG的各种机械能来源。
图2. TENG的综合工作机制
TENG用于微生物消毒
(1) 微生物消毒
TENG在微生物消毒领域具有巨大潜力。图3展示了基于电的微生物消毒技术的机制，这些技术通过电穿孔、电化学过程和静电相互作用来实现消毒。电穿孔利用集中的电场对微生物表面造成物理损伤，从而使其失活。电化学过程通过产生活性氧 (ROS) 来灭活微生物。静电相互作用则基于表面的静电荷状态来阻断或灭活微生物。这些机制共同作用，为环境和人类健康提供了一种安全、高效的消毒方法。
图3. 基于电的微生物消毒技术的机理
(2) 水消毒
TENG在水消毒方面表现出色。图4展示了基于TENG的水消毒技术。Huo等人提出了一种由流动驱动的TENG供电的过氧化氢辅助电穿孔水消毒系统，采用Cu-HHTP纳米线电极，展现出超过6.0-log的卓越消毒性能。该系统通过高纵横比结构增强局部电场，实现高效的电穿孔。此外，系统还能在低驱动电压下通过电化学还原产生高浓度过氧化氢，无需化学消耗。Kim等人进一步开发了一种基于步行发电的便携式水消毒技术，利用日常活动产生的摩擦电荷实现微生物灭活，为农村和受灾地区提供清洁水的实用解决方案。
图4. 基于电的水中微生物消毒
(3) 空气消毒
在空气消毒领域，TENG同样展现出巨大的应用潜力。图5展示了一种基于振动驱动TENG (V-TENG) 的高效空气微生物消毒系统。该系统针对快速通风气流环境下的消毒难题，采用两阶段消毒过程：首先，含微生物的空气通过多孔阴极，使微生物带上负电荷；随后，在阳极和接地电极之间产生的强电场作用下，微生物被吸附到阳极表面，并通过纳米线实现电穿孔灭活。V-TENG由三层弹簧结构组成，利用通风机振动产生电力，系统在与典型通风系统频率一致的30 Hz共振频率下达到最大输出。实验结果表明，仅在TENG间歇性激活时，气溶胶中的存活细菌才无法被检测到，证实了其消毒性能。在高气流条件下，带电微生物的灭活效率显著高于未带电微生物。该研究表明，与建筑通风系统频率相似的V-TENG能有效实现快速气流环境下的电穿孔空气消毒。
图5. 基于电的空气微生物消毒
(4) 表面消毒
表面消毒对于防止病原体传播至关重要，尤其是在个人防护设备如口罩等方面。图6展示了一种基于静电排斥的微生物阻挡和感染预防技术。该技术利用摩擦电荷产生的负电位表面，有效阻断空气中的细菌和病毒。研究表明，经过摩擦电处理的纺织品表面能够显著降低微生物的附着数量，且在高气流速度下仍能保持良好的阻断效果。
图6. 基于电的表面微生物消毒
(5) 医疗消毒
在医疗领域，预防手术部位感染 (SSI) 对于减少术后并发症和促进患者康复至关重要。图7展示了一种植入式、可生物降解的TENG (IBV-TENG) 系统，用于手术部位的微生物灭活。该系统通过超声振动产生电荷，诱导负电荷微生物与电极之间的吸引作用，破坏微生物的电子传递和膜表面极性，从而实现结构破坏和微生物灭活。实验表明，只有带电的IBV-TENG系统才能成功灭活微生物。其可生物降解性和生物相容性使其在手术部位感染控制方面具有显著优势，无需额外手术移除，为感染控制提供了创新的、以患者为中心的解决方案。
图7. 伤口电微生物消毒
结论与展望
TENGs (摩擦电纳米发电机) 作为一种新兴技术，在微生物灭活领域展现出巨大潜力，有望克服传统消毒方法的局限性，如化学残留和高能耗。然而，TENGs在实际应用中仍面临一些挑战，包括开发能在各种环境中稳定运行的耐用TENGs、实现高效微生物灭活、拓展其在体内微生物控制中的应用以及整合监测系统。解决这些挑战将有助于TENGs在多个领域发挥重要作用。
(1) 发展耐用TENG：为确保稳定且高效的输出，维持输出稳定性至关重要。在多变的环境条件下稳定运行的TENG，其摩擦电材料的耐久性和物理特性起着关键作用。解决这些问题需要开发高耐久性的摩擦电材料和先进的表面设计技术。例如，Sun等研究人员开发了一种自修复TENG，使用线性硅氧烷改性的聚氨酯涂层作为摩擦电层，通过氢键在室温下30分钟内完成自修复过程。
(2) 高效微生物灭活：实现高效微生物灭活需要最大化TENG的输出、活性氧 (ROS) 的生成以及接触层的电荷效率。这可以通过优化单一技术以及将多种消毒机制整合到混合系统中来实现。例如，将TENG与压电技术相结合的混合系统，可以利用两者的互补电学输出特性，提供高电压和稳定的能源供应。
(3) 拓展体内应用：基于电的微生物灭活技术在空气、水和可穿戴设备等应用中已展现出巨大潜力，但在体内环境中的研究和应用相对较少。使用可生物降解的摩擦电材料可以消除体内使用后额外移除手术的需求，从而减少患者的生理负担和感染风险。
(4) 整合监测系统：整合实时监测和反馈系统可以进一步优化消毒过程，降低成本并提高效率。持续监测ROS生成和电荷状态，能够自动调整以抵消消毒过程中可能出现的任何不平衡。
原文信息：https://www.mdpi.com/3203506
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/micromachines
Micromachines 期刊介绍
主编：Ai-Qun Liu, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China; Nanyang Technological University, Singapore
期刊研究内容涉及微/纳米结构、材料、器件、系统及与微纳技术相关的基础研究和应用。
2023 Impact Factor：3.0
2024 CiteScore：6.0
Time to First Decision：16.2 Days
Acceptance to Publication：1.8 Days
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自MDPI开放科学科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3516770-1489420.html?mobile=1
收藏
