基于芯片级SAW雾化器的等离子体活化水发生技术

传统的消毒和灭菌技术，主要包括使用化学消毒剂和紫外线（UV）消毒，但通常受到无法有效灭活相当大比例的细菌和病毒等缺点的限制。例如，化学消毒剂经常留下可能使已经被污染的表面恶化的残留物，因而有时会给消费者带来安全隐患。另一方面，紫外线（UV）消毒需要长时间地直接照射，因此无法对被物体遮挡的区域进行有效净化。此外，由于病原菌的光活化，紫外线照射有时也会导致严重感染。

近年来，研究表明等离子体活化水是一种很有前景的表面消毒替代品。等离子体包括由电子、正离子和负离子、中性和激发原子、基态和激发态分子、紫外光子以及自由基组成的电离气体。当等离子体与水接触时，在液-气界面产生活性物质并扩散到液体中，产生含有活性物质的等离子体活化水。这些活性物质的存在导致样品的pH值降低、电导率升高。当前的等离子体发生器（例如：等离子体射流和彗星等离子体系统）的复杂性和尺寸阻碍了便携式操作，再加上等离子体寿命很短，就需要一种小型化的原位技术，可以根据需求同时实现对等离子体辐射源的活化和管理。

据麦姆斯咨询报道，近日，来自莫纳什大学马来西亚分校工程学院（School of Engineering, Monash University Malaysia），由Ming K. Tan领导的研究小组在《Microsystems & Nanoengineering》期刊发表了题为“Nanoscale plasma-activated aerosol generation for in situ surface pathogen disinfection”的研究论文。这项研究通过将两种用于等离子体和气溶胶产生的纳米级技术结合到一个足够小和重量轻的集成器件中，从而证明这种技术实现的可能性。

研究人员通过在包含纳米针阵列的氧化锌（ZnO）纳米棒上产生等离子体，然后使用等离子体活化通过底层毛细管芯输送的水，随后在MHz级声表面波（SAW）下实现雾化。气溶胶的产生涉及使用芯片级高频纳米振幅机电激励形成声表面波（SAW），其前所未有的1000万g数量级的表面振动加速度为界面失稳提供了一种可高效生成微米级气溶胶液滴的机制，以用于肺部给药、热管理、水过滤、薄膜沉积、质谱和材料合成等。此外，SAW已被证明是一种操纵微流体的强大工具，可用于许多微流体应用，例如液体和液滴传输、张力测量、混合、分选、加热、灰水处理以及气泡/粒子捕获和操纵。

实验过程中主要涉及到的装置有芯片级SAW雾化器和等离子体发生器，包括氟掺杂氧化锡（FTO）衬底，在该衬底上生长ZnO纳米棒，通过在纳米棒和接地衬底之间施加高压直流电（DC）来产生大气压等离子体。在装置激发时，SAW将液体从储液罐中通过纸条吸到芯片级SAW雾化器上，以形成气溶胶。在通过纸条的过程中，液体暴露在其上方的ZnO纳米棒产生的等离子体中，从而产生等离子体活化水，用于后续的气溶胶化（图1）。

图1 实验装置及工作原理图

研究人员通过实验证明，该装置适合小型化并可以集成到芯片级器件中，同时，还极大地改善了其等离子体活化能力——在等离子体活化的气溶胶中，过氧化氢和亚硝酸根离子浓度分别提高了20%和127%。这反过来又使消毒时间减少了67%，从而实现了95%的细菌负荷降低，同时使得所需的给药（雾化）时间显著减少——从使用之前的彗星等离子体放电装置的30分钟减少到使用当前实验装置的9.5分钟，因此展示了这项新技术作为按需现场使用的便携式高效表面消毒平台的潜力（图2）。

图2 用于灭活细菌的等离子体活化气溶胶实验效果

文章链接：

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

审核编辑 ：李倩