基于芯片級(jí)SAW霧化器的等離子體活化水發(fā)生技術(shù)

傳統(tǒng)的消毒和滅菌技術(shù)，主要包括使用化學(xué)消毒劑和紫外線（UV）消毒，但通常受到無(wú)法有效滅活相當(dāng)大比例的細(xì)菌和病毒等缺點(diǎn)的限制。例如，化學(xué)消毒劑經(jīng)常留下可能使已經(jīng)被污染的表面惡化的殘留物，因而有時(shí)會(huì)給消費(fèi)者帶來(lái)安全隱患。另一方面，紫外線（UV）消毒需要長(zhǎng)時(shí)間地直接照射，因此無(wú)法對(duì)被物體遮擋的區(qū)域進(jìn)行有效凈化。此外，由于病原菌的光活化，紫外線照射有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重感染。

近年來(lái)，研究表明等離子體活化水是一種很有前景的表面消毒替代品。等離子體包括由電子、正離子和負(fù)離子、中性和激發(fā)原子、基態(tài)和激發(fā)態(tài)分子、紫外光子以及自由基組成的電離氣體。當(dāng)?shù)入x子體與水接觸時(shí)，在液-氣界面產(chǎn)生活性物質(zhì)并擴(kuò)散到液體中，產(chǎn)生含有活性物質(zhì)的等離子體活化水。這些活性物質(zhì)的存在導(dǎo)致樣品的pH值降低、電導(dǎo)率升高。當(dāng)前的等離子體發(fā)生器（例如：等離子體射流和彗星等離子體系統(tǒng)）的復(fù)雜性和尺寸阻礙了便攜式操作，再加上等離子體壽命很短，就需要一種小型化的原位技術(shù)，可以根據(jù)需求同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體輻射源的活化和管理。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，來(lái)自莫納什大學(xué)馬來(lái)西亞分校工程學(xué)院（School of Engineering, Monash University Malaysia），由Ming K. Tan領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在《Microsystems & Nanoengineering》期刊發(fā)表了題為“Nanoscale plasma-activated aerosol generation for in situ surface pathogen disinfection”的研究論文。這項(xiàng)研究通過(guò)將兩種用于等離子體和氣溶膠產(chǎn)生的納米級(jí)技術(shù)結(jié)合到一個(gè)足夠小和重量輕的集成器件中，從而證明這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性。

研究人員通過(guò)在包含納米針陣列的氧化鋅（ZnO）納米棒上產(chǎn)生等離子體，然后使用等離子體活化通過(guò)底層毛細(xì)管芯輸送的水，隨后在MHz級(jí)聲表面波（SAW）下實(shí)現(xiàn)霧化。氣溶膠的產(chǎn)生涉及使用芯片級(jí)高頻納米振幅機(jī)電激勵(lì)形成聲表面波（SAW），其前所未有的1000萬(wàn)g數(shù)量級(jí)的表面振動(dòng)加速度為界面失穩(wěn)提供了一種可高效生成微米級(jí)氣溶膠液滴的機(jī)制，以用于肺部給藥、熱管理、水過(guò)濾、薄膜沉積、質(zhì)譜和材料合成等。此外，SAW已被證明是一種操縱微流體的強(qiáng)大工具，可用于許多微流體應(yīng)用，例如液體和液滴傳輸、張力測(cè)量、混合、分選、加熱、灰水處理以及氣泡/粒子捕獲和操縱。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要涉及到的裝置有芯片級(jí)SAW霧化器和等離子體發(fā)生器，包括氟摻雜氧化錫（FTO）襯底，在該襯底上生長(zhǎng)ZnO納米棒，通過(guò)在納米棒和接地襯底之間施加高壓直流電（DC）來(lái)產(chǎn)生大氣壓等離子體。在裝置激發(fā)時(shí)，SAW將液體從儲(chǔ)液罐中通過(guò)紙條吸到芯片級(jí)SAW霧化器上，以形成氣溶膠。在通過(guò)紙條的過(guò)程中，液體暴露在其上方的ZnO納米棒產(chǎn)生的等離子體中，從而產(chǎn)生等離子體活化水，用于后續(xù)的氣溶膠化（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理圖

研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該裝置適合小型化并可以集成到芯片級(jí)器件中，同時(shí)，還極大地改善了其等離子體活化能力——在等離子體活化的氣溶膠中，過(guò)氧化氫和亞硝酸根離子濃度分別提高了20%和127%。這反過(guò)來(lái)又使消毒時(shí)間減少了67%，從而實(shí)現(xiàn)了95%的細(xì)菌負(fù)荷降低，同時(shí)使得所需的給藥（霧化）時(shí)間顯著減少——從使用之前的彗星等離子體放電裝置的30分鐘減少到使用當(dāng)前實(shí)驗(yàn)裝置的9.5分鐘，因此展示了這項(xiàng)新技術(shù)作為按需現(xiàn)場(chǎng)使用的便攜式高效表面消毒平臺(tái)的潛力（圖2）。

圖2 用于滅活細(xì)菌的等離子體活化氣溶膠實(shí)驗(yàn)效果

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41378-022-00373-3

審核編輯 ：李倩