电子科大邓旭教授，最新Nature Nanotechnology：动动手，1分钟灭活99.9999%霍乱弧菌

在全球范围内，水传播疾病的频发与电力短缺问题日益严重，推动了无需电力、可现场部署的分散式水消毒技术的发展。尽管光催化等技术展现出潜力，但其对阳光的依赖限制了在阴天、夜间或浑浊水域中的实时使用。近年来，机械能驱动的水消毒方法，如压电与摩擦发电技术，提供了新的解决方案，但其仍面临能量转换效率低、消毒时间长、效率不达标等挑战，难以实现快速、稳定、广谱的病原体灭活。

近日，电子科技大学邓旭教授、四川大学郭俊凌教授、华中科技大学李岩教授合作提出了一种手动驱动的便携式水消毒系统，能够在1分钟内灭活99.9999%的霍乱弧菌，并对细菌、真菌、寄生虫和病毒均表现出广谱消毒能力。该系统通过氨基修饰的二氧化硅纳米颗粒负载金纳米颗粒，捕获水合电子并在电介质表面形成局部纳米级电场，进一步通过疏水性氟基团增强电场强度，从而显著提升活性氧的生成效率与消毒速率。相关论文以“Hand-powered interfacial electric-field-enhanced water disinfection system”为题，发表在Nature Nanotechnology上，论文第一作者为Chen Zhidi, Zhang Yajing和Lv Panjing。

该系统的核心设计在于构建并增强纳米尺度的界面电场。研究人员首先在SiO₂表面修饰氨基并负载金纳米颗粒，形成正负电极结构。通过机械剪切作用，水中的水合电子被捕获并转移至SiO₂表面，金颗粒带负电，与带正电的氨基相互作用，建立起局部电场。密度泛函理论模拟进一步证实，该电场可激活氧气分子，促进其还原反应。

图1 | 手动驱动IEFE水消毒系统概览。 a. IEFE集成装置示意图，展示了有效水消毒所面临的挑战与需求，以及装置的工作原理。 b. IEFE系统内抗菌机制与自发分离过程的示意图，展示了活性氧的生成以实现高效微生物灭活。

为进一步增强电场并促进颗粒自分离，研究团队在SiO₂@Nₐ的基础上引入疏水氟基团，形成具有低表面能和高表面能区域混合的颗粒表面。这种结构不仅提升了负电荷密度，还促进了固-液-气三相界面的形成，使系统能够同时利用两种不同的氧还原路径：在水富集区域通过超氧阴离子中间体生成H₂O₂，以及在气富集区域通过电子转移生成O₂⁻与O₂等活性自由基。电子顺磁共振与自由基淬灭实验证实，O₂⁻与O₂在消毒过程中起到关键作用。

图2 | 具有增强纳米电场的IEFE系统设计。 a. SiO₂@NFₐ与SiO₂@Nₐ在纳米电场与催化优势方面的对比。 b. 活性氧生成机制示意图：次要路径I涉及电子与质子转移生成H₂O₂，主要路径II涉及电子转移生成O₂。 c. DMPO捕获的自由基加合物EPR谱图。 d. 添加清除剂（TEMPO、L-组氨酸和异丙醇）后SiO₂@NFₐ系统的消毒性能。 e. 对照组、SiO₂@NF与SiO₂@NFₐ生成的H₂O₂浓度。 f. 不同氧气条件下IEFE系统的细菌灭活效率。

该系统在实验中展现出卓越的消毒性能。在涡旋振荡条件下，SiO₂@NFₐ可在1分钟内完全灭活大肠杆菌，消毒速率较未修饰SiO₂提升超过6,375倍。此外，系统在高温环境下仍保持高效，50℃结合机械振荡可在15秒内实现6-log细菌灭活。系统对16种代表性病原体均表现出快速杀灭能力，尤其在1分钟内实现对霍乱弧菌99.9999%的灭活率。扫描与透射电镜图像显示，处理后的细菌、真菌、病毒和寄生虫均出现膜破裂、结构塌陷等明显损伤。

除了高效的消毒能力，该系统还具备自发分离特性。由于疏水表面的设计，消毒后的颗粒可在静置1分钟内迅速与水分离，无需额外过滤或离心步骤，极大提升了其在实地应用中的实用性。基因表达分析进一步揭示，系统通过引发细菌膜结构与氨基酸代谢通路紊乱，导致微生物死亡。

图3 | IEFE系统的消毒性能与自发分离。 a. SiO₂@NFₐ与对比样品在有无涡旋条件下的消毒性能。 b. SiO₂@NFₐ在5分钟内对多种微生物的快速灭活效果。 c. 经SiO₂@NFₐ处理前后细菌、真菌、病毒和原虫的结构变化图像。 d. SiO₂@NFₐ处理后的活/死双色荧光染色。 e. 所有差异表达基因的KEGG信号通路注释。 f. 差异表达基因的GO功能富集分析。 g. IEFE系统中自发分离过程示意图。 h. 使用最大颗粒分散法测定IEFE系统的表面自由能。 i. SiO₂@NFₐ颗粒在水中的分离过程照片。

在实际应用中，研究团队还验证了系统在无氟疏水基团（如-CH₃、-SiC、-PDMS）下的通用性，所有变体均能在1分钟内实现完全杀菌，展现了其可持续性与适应性。生物安全性评估显示，系统处理后的水对多种细胞系无毒性，小鼠模型中也未引起器官损伤，斑马鱼实验进一步证实其生态安全性优于传统二氧化氯处理。

研究人员还开发了一种三级手动放大装置，并在池塘水、雨水和生活污水中进行了实地测试。系统在1分钟内实现完全杀菌，且在高盐环境下仍保持高效，展现出极强的环境适应性。与现有光催化、机械能驱动消毒技术相比，该系统在消毒速率、广谱性、无电操作与安全性方面均具显著优势。

图4 | IEFE系统集成装置的实际应用与优势。 a,b. 不同疏水颗粒端基的分子模型及其对应的消毒效率。 c. 通过斑马鱼实验评估IEFE装置与商业ClO₂片剂处理水样的生物安全性。 d. IEFE装置处理不同水源的水处理过程示意图及装置关键特性。 e. 池塘水、雨水与生活污水中细菌灭活后的平板菌落图像。 f. IEFE系统与文献中其他能量收集器驱动的催化消毒系统对大肠杆菌消毒性能的比较。 g. 不同方法的综合价值比较。

综上所述，这项基于界面电场增强的手动驱动水消毒系统，通过捕获水合电子与构建纳米电场，实现了快速、广谱、自分离的微生物灭活，兼具高效性与实用性。该技术有望为电力匮乏与灾害频发地区提供可靠的饮用水处理方案，推动全球水与卫生行动计划目标的实现。

来源：高分子科学前沿

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