应用 | 高效捕获和灭活生物气溶胶的仿生蜘蛛丝光催化剂

克吕士科学仪器（上海）有限公司

2023/08/04 14:06

研究背景

图1 捕获和灭活空气中细菌的ASS光催化剂的示意图

含有生物体的生物气溶胶，如细菌、病毒、花粉、孢子和真菌，会长时间悬浮在空气中。它们广泛存在于室内和室外环境中，这些生物气溶胶可以引起疾病的传播，捕获和灭活生物气溶胶是尤为必要的。在自然界中，蜘蛛丝可以主动捕获空气中微小的尘埃颗粒和微滴；微滴结合形成更大的液滴，将小的尘埃颗粒和水分集中在蜘蛛丝上。

近日，广东工业大学环境健康与污染控制研究院、环境科学与工程学院安太成教授团队在著名综合学术期刊Nature Communications杂志上发表了相关论文。在这项工作中，作者基于蜘蛛丝捕获空气中的微尘并将雾气凝聚成微小液滴的特性，制备了具有周期性纺锤结构的亲水“仿生蜘蛛丝”光催化剂，它由尼龙纤维上TiO2的周期性纺锤体结构组成，可以有效地捕获和浓缩空气中的细菌，形成液滴光催化微反应器，并利用固液界面光照射下光催化产生的高效自由基原位实现对生物气溶胶的连续高效光催化灭活。研究发现，ASS光催化剂的捕集能力主要归因于表面粗糙度引起的亲水性、拉普拉斯压差、纺锤体结大小和表面能量梯度的协同效应。ASS光催化剂捕获的细菌在液滴内或空气/光催化剂界面被光催化灭活。这一策略为生物气溶胶净化材料的构建铺平了道路。

催化剂的设计

将尼龙纤维浸在TiO2/PMMA/（DMF +乙醇）溶液中，以5−95cm s−1的速度抽出，制备了混合TiO2/PMMA主轴结的纤维。在纤维表面形成的一种薄膜，由于瑞利不稳定性，它沿着纤维自发地分离成周期性的聚合物液滴，然后在空气中干燥。在尼龙纤维（人工蜘蛛丝称为ASS）上形成周期性的光催化剂纺锤结，TiO2 光催化剂主要集中在纺锤结构上，其几何形状与蜘蛛的湿捕获丝相似。

图2 ASS光催化剂的制备

仿生捕获

仿生蜘蛛丝捕获生物气溶胶经过捕获、运输及浓缩三个阶段。仿生蜘蛛丝捕获生物气溶胶后，微生物随着小液滴从连接结构处浓缩运输至纺锤结构处。

图3 ASS光催化剂对生物气溶胶的捕获过程

捕获机理和表征

仿生蜘蛛丝的亲疏水性表征，则采用配备20 pL滴定器的接触角测试仪（KRÜSS DSA30M）测定单纤维在不同湿度下的水接触角。

图4 KRÜSS DSA30M接触角测量仪

如图5所示，通过采用不同的纤维基底制备仿生蜘蛛丝，本研究发现亲水性更强的尼龙基底所制备的仿生蜘蛛丝具有更好的捕获生物气溶胶的性能。说明亲水性对仿生蜘蛛丝的捕获性能有较大影响。图5b显示，在湿度 50%时，接头的水接触角(θ)为97.5°（θ>90°，疏水），而在湿度 80%时，水接触角为88.9°（θ<90°，亲水性）。对于纺锤体结，在湿度 50%时θ为125.3°，在湿度 80%时θ下降到93.6°，在两种条件下均表现出疏水性。结果表明，在高湿度条件下，ASS的亲水性有所提高。在相同的条件下，无论是在高低湿度水平下，纺锤体结处的接触角θ均高于关节。并应用原子力显微镜（AFM）测量了细菌与ASS光催化剂表面之间的粘附力，揭示了生物气溶胶的捕获机理。通过单纤维接触角、AFM细菌探针表面粘附力的测试，发现生物气溶胶对连接结构处亲和力更强，因此捕获可能从连接结构处开始，再通过纺锤结构半径差异造成的拉普拉斯压差和表面粗糙度梯度造成的表面能差，进一步将捕获的微生物在液滴中运输、凝并及浓缩至纺锤结构表面。

图5.ASS光催化剂的生物气溶胶捕获机理

a具有不同纤维衬底的ASS光催化剂的生物气溶胶捕获性能。b单个ASS光催化剂在不同湿度下的水接触角。c不同RH下细菌与ASS光催化剂之间的粘附力。d用ASS光催化剂用不同的β、主轴节的高度(H)和关节的长度(L)捕获的生物气溶胶的光学图像。e不同形貌的ASS光催化剂的生物气溶胶捕获性能。F ASS光催化剂的SEM图像和AFM图像。i说明了ASS光催化剂的生物气溶胶捕获和浓缩机制。

结论

综上所述，本文通过将二氧化钛与周期性主轴结集成，开发了一种ASS光催化剂，并详细研究了生物气溶胶的捕获和失活性能及其相应的机理。ASS光催化剂的生物气溶胶捕获性能是纯尼龙的2倍，其失活效率为99.99%。生物气溶胶首先被亲水关节捕获，然后它们向纺锤节移动，留下亲水捕获位点暴露在外，以便进一步的生物气溶胶捕获。

本文有删减，详细信息见原文

Peng, L., Wang, H., Li, G. et al. Bioinspired artificial spider silk photocatalyst for the high-efficiency capture and inactivation of bacteria aerosols. Nat Commun 14, 2412 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38194-1

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