具有抗病毒、抗菌、光催化和传感特性的多功能材料在医疗保健领域具有广泛的应用前景。目前，在难以获得防护设备的大流行情况下，纳米纤维垫可以将病毒污染降至最低，此外，这种防护材料具有自洁能力，可以长期使用。COVID-19大流行清楚地表明了具有先进功能的防护材料的重要性。在TiO2、ZnO、ZnS、Bi2WO6等光催化活性表面上光催化降解有机污染物、病毒和细菌是这些粒子修饰材料在光下自清洁的有效途径。用光催化活性颗粒修饰防护垫，在光照下自洁的能力是重复使用防护服的重要选择。

在这项研究中，作者探讨了使用ZnO纳米棒和Ag纳米粒子修饰多功能电纺聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（PMMA/ZnO-Ag NFs）作为防护膜的潜力。在此，通过对含有PMMA、ZnO纳米棒和Ag纳米粒子的溶液进行直接静电纺丝在非织造布上制备了平均直径为450nm的PMMA/ZnO-Ag NFs。这种新型材料具有以下四种功能：（i）杀死革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的抗菌剂；（ii）抑制冠状病毒和流感病毒的抗病毒剂；（iii）降解有机污染物的光催化剂，从而实现对防护膜的自清洁，以及（iv）可重复使用的表面增强拉曼散射基材，用于定量分析纳米纤维上的痕量污染物。这种多功能材料通过提供被动和主动保护途径以及传感能力，在防护服应用中具有很高的潜力。相关研究成果以“Antibacterial, Antiviral, and Self-Cleaning Mats with Sensing Capabilities Based on Electrospun Nanofibers Decorated with ZnO Nanorods and Ag Nanoparticles for Protective Clothing Applications”为题目发表于期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

图1.PMMA/ZnO-Ag NFs的制备步骤（a-d）：（a）通过水热法合成ZnO纳米棒以及ZnO纳米棒的SEM图像，（b）当DMF存在时，通过原位还原AgNO3合成AgNPs溶液，并将PMMA和ZnO纳米棒与其混合配制静电纺丝溶液，（c）通过静电纺丝在膜上制备PMMA/ZnO-Ag NFs，并将NF膜集成到防护服中，（d）包含PMMA/ZnO-Ag NF膜的防护服，以及（e-g）所制备的PMMA/ZnO-Ag NF膜的多功能特性。

图2.NF垫的形态和直径分析。（a，d）PMMA/Ag，（b，e）PMMA/ZnO和（c，f）PMMA/ZnO-Ag NF垫的SEM和STEM图像。（g）PMMA/Ag，（h）PMMA/ZnO和（i）PMMA/ZnO-Ag NF垫的直径分布和平均直径直方图。

图3.所制备的PMMA NFs及其纳米复合材料（PMMA NFs、ZnO纳米棒和Ag纳米颗粒的浓度分别为6、10和3wt％）的XRD、拉曼、FT-IR和XPS表征。（a）原始PMMA NFs、PMMA/ZnO NFs和PMMA/ZnO-Ag NFs的XRD图谱，（b）纯ZnO纳米棒、PMMA/ZnO和PMMA/ZnO-Ag NFs的拉曼光谱，（c）原始PMMA NFs、PMMA/ZnO NFs、PMMA/Ag NFs和PMMA/ZnO-Ag NFs的FT-IR研究，（d）PMMA/ZnO和PMMA/ZnO-Ag NFs的全扫描XPS光谱，PMMA/ZnO-Ag的（e）Ag3d，（f）Zn2p和（g）O1s的高分辨率区域XPS光谱。

图4.PMMA NF垫的光催化活性。（a）在0-300分钟的时间间隔内吸取到PMMA/ZnO-Ag NFs上的MB水溶液的UV-vis吸光度；ZnO和AgNP的浓度分别为10和3％w/w。（b）纯PMMA、PMMA/Ag NF、PMMA/ZnO和PMMA/ZnO-Ag NF垫上MB的光催化降解（％）。（c）NF垫的光催化活性与时间的关系图。（d）光催化降解率的半衰期。插图显示了伪一级反应速率常数。

图5.PMMA/ZnO-Ag NF垫对甲氧苄啶的光催化降解。HPLC-DAD色谱图显示甲氧苄啶的（a）降解率％和（b）光催化降解速率（lnC0/Ct）的动力学曲线。插图数据显示了拟一级反应速率常数（K），回归的R平方值（R2）和半衰期（t1/2）的计算值。

图6.（a）沉积在PMMA/ZnO-Ag NF垫（蓝线）和PMMA/ZnO NF垫（红线）上的MB（1mM）的SERS光谱。（b）从下到上，MB（1mM）在不同浓度（0.5、1、3和5％）AgNPs负载PMMA/ZnO-Ag NF垫上的SERS光谱。（c）沉积在PMMA/ZnO-Ag NF垫（蓝线）和PMMA/ZnO NF垫（红线）上的4-硝基苯酚（1mM）的SERS光谱。

图7.（a）在PMMA/ZnO-Ag NF垫上探测到的不同浓度MB（从100μM到1nM）的SERS光谱。（b）SERS强度与MB浓度的关系。（c）滴铸在PMMA/ZnO-Ag NF垫上的MB（2μL，1mM）的SERS光谱。在重复使用四个循环之前，使用紫外线辐照垫子45分钟以进行自清洁。（d）随着自清洁循环次数的增加，SERS信号强度在1625cm-1处的变化。

图8.NF垫的抗菌活性；（a）不同类型和不同Ag浓度的NF垫的抗菌活性；（b）不同数量PMMA/ZnO-5％AgNF垫的抗菌活性。

综上所述，本研究提出了一种在防护服应用中具有强大潜力的多功能材料。基于纳米纤维的固有柔性电纺丝平台装饰有两种类型的半导体和金属纳米颗粒，以提供抗菌、抗病毒、光催化介导的自清洁和基于SERS的传感特性。这种简单、完全可溶液处理且价格便宜的制造方法可以很容易地适应不同的应用。除了不同属性的协同组合之外，所展示的平台在这些特性中的每一个都表现出了卓越的性能。可以通过低至1 nM的浓度的SERS检测到探针分子，可回收的光催化降解效率达到90％。从研究结果来看，由于同时使用了ZnO和Ag纳米结构，所提供的材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都表现出了显著的抗菌活性。

该平台针对冠状病毒和副流感病毒的抗病毒活性进一步凸显了这些垫子在防护服应用中的强大前景。总而言之，该平台提供了被动和主动的策略来抵抗微生物制剂的感染。抗菌和抗病毒特性提供了被动保护，光催化降解提供了在被试剂污染后进行清洁的能力。基于SERS的传感为污染的诊断和分析开辟了可能性。静电纺丝NF的非织造性和柔韧性对于将这些材料集成到垫材中至关重要。这项研究中提出的发现和概念推动了针对大流行病（例如COVID-19）的多功能材料平台的开发。

论文链接：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c15606