image: Dr Ye's team uses the CO2 infrared laser system to generate graphene. Experiment results show that the graphene they produced exhibit a much better anti-bacterial efficiency than activated carbon fibre and melt-blown fabrics. view more
Credit: City University of Hong Kong
新型冠狀病毒（COVID-19）全球肆虐，口罩成為抗疫重要工具，但不當地使用或棄置口罩，或容易造成「二次傳播」。香港城市大學（香港城大）團隊近日便研發出能抗菌的石墨烯口罩，抑菌效率達八成，若在陽光下照射10分鐘，更可接近100%。初步研究更表明，該口罩對兩種冠狀病毒有非常優異的滅活能力。這種石墨烯口罩不但容易製造兼成本低，更可用纖維、紙張等含碳的生物質材料為原材料，有助解決口罩原材料緊張和棄置後難以分解的問題。
該項研究由香港城大化學系助理教授葉汝全博士與合作團隊負責。研究結果已在學術期刊《ACS納米》（ACS Nano）上發表，題為〈Self-Reporting and Photothermally Enhanced Rapid Bacterial Killing on a Laser-Induced Graphene Mask〉。
目前常用的外科口罩沒有抑制或殺滅細菌功能，觸摸口罩受污染的表面或不當地棄置時，有機會造成病菌二次傳播，而且用作過濾細菌的熔噴布（melt-blown fabrics）難以分解，對環境造成影響，於是科研人員都在探索以其他材料來製成口罩的可行性。
以激光轉化材料為石墨烯
葉博士一向從事把「激光感生石墨烯」（laser-induced graphene）應用於開拓可持續能源的研究。在美國萊斯大學攻讀博士時，他參與其導師領導的團隊，便首創以市面上可買到的二氧化碳紅外線激光系統，直接照射含碳、熱穩定性高的聚醯亞胺（polyimide, 一種常用的聚合物塑膠材料）薄膜，改變了材料的結構後產生立體的多孔石墨烯，因而稱為激光感生石墨烯。
由於石墨烯具有抗菌功效，於是早在去年9月，即新型冠狀病毒尚未爆發時，葉博士便想到用激光感生石墨烯來做口罩，希望在功能上更勝一般口罩，遂帶領香港城大團隊，聯同來自香港科技大學和南開大學等的研究人員展開研究。
抗菌效能優異
團隊以大腸桿菌測試這款石墨烯材料的抗菌效能，發現抑菌效率達82%左右，而普通口罩常用的活性碳纖維（activated carbon fibre）和熔噴布則分別只有2%和9%。他們的研究亦發現，九成以上沾在後兩者表面的大腸桿菌在8小時後仍存活，而沾在石墨烯材料上面的則大部分已死去；而且石墨烯同樣能有效殺滅氣溶膠裡的細菌。葉博士表示，石墨烯令細菌死亡的具體原因仍有待進一步研究，但相信與細菌的細胞壁被石墨烯銳利的邊緣破壞，以及疏水的石墨烯加速細菌脫水致死有關。
考慮到有研究指，高温可令新型冠狀病毒失去感染力，團隊便利用石墨烯吸光後能夠產生高温的光熱效應，進行測試。他們發現，當石墨烯材料受太陽光照射十分鐘，其抑菌效率可提升至99.998%，而活性碳纖維和熔噴布則分別僅約67%和85%。
團隊目前正與內地的實驗室合作，以兩種人類冠狀病毒來測試這種激光感生石墨烯材料。初步結果發現，在陽光照射下，激光感生石墨烯材料可於5分鐘內使超過90%的病毒失去活性，照射10分鐘，病毒滅活效率更接近100%，團隊稍後將嘗試用COVID-19病毒進一步測試。他們下一步的計劃是進一步提升滅活病毒效率，和研製可重用的口罩，並希望研發出理想的結構，待通過認證測試後，盡快推出市場。
葉博士形容激光感生石墨烯乃突破性的「環保技術」，基本上含碳的材料，例如纖維和紙張等生物質材料，都可採用這技術；而且可在室溫操作，除了原材料之外，無需使用其他化學物，既不造成污染，能源消耗也不多。他說︰「用這種石墨烯材料製作的口罩可以重用，而且若用生物質材料來生產石墨烯，不但有助解決口罩原材料供應緊張的問題，更可紓緩口罩不可降解對環境構成的壓力。」
他表示，激光感生石墨烯的製作工序很簡單，每1.5分鐘可打印到100平方厘米的石墨烯口罩材料，用作口罩的表層或內層；成本視乎所選的原材料，製成品價錢估計介乎外科口罩與N95口罩之間。他又指，技術可通過調節激光的功率來改變石墨烯孔的大小，使透氣度與一般外科口罩相若。
檢查口罩受污染程度的方法
為方便使用者檢查石墨烯口罩的保護性能有否隨著長時間使用而下降，團隊又通過調控激光參數來控制石墨烯的表面特性，配以由他們研製、以呼吸的濕氣來發電的「濕氣發電裝置」（hygroelectric generator），去量度使用者呼吸所產生的濕氣穿過石墨烯口罩時，衍生的電壓的改變。實驗證明，口罩表面積累的細菌和空氣顆粒物愈多，量度所得的電壓愈低，可藉此判斷口罩的污染程度。葉博士說：「至於多久要更換口罩，這準則應交由專業人士決定，但這方法不失為一個參考。」
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葉博士是論文的通訊作者之一，其餘兩位通訊作者分別是香港科技大學的唐本忠教授與南開大學的朱春雷博士。論文第一作者是葉博士的博士生黃麗蓓。同樣來自香港城大化學系的研究成員還有徐絲雨、蘇建君和宋雲。其他團隊成員分別來自香港科技大學和南開大學的團隊，以及卡羅琳醫學院劉鳴煒復修醫學中心的陳斯杰博士。
這項研究獲得香港城大與南開大學的資助進行。
Journal
ACS Nano