醫(yī)用口罩防護(hù)有效性的智能指示標(biāo)簽研究進(jìn)展

陳億洋，張新林，楊丹，張靜怡，劉輝，石佳子，李東立，付亞波

醫(yī)用口罩防護(hù)有效性的智能指示標(biāo)簽研究進(jìn)展

陳億洋，張新林，楊丹，張靜怡，劉輝，石佳子，李東立，付亞波

（北京印刷學(xué)院 印刷包裝材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600）

為解決人們?nèi)粘Ｅ宕骺谡种械姆雷o(hù)有效性問(wèn)題，闡述醫(yī)用口罩過(guò)濾機(jī)理和過(guò)濾效率，綜述智能指示標(biāo)簽在智能口罩方面研究現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展。從醫(yī)用口罩的防護(hù)性能出發(fā)，分析醫(yī)用口罩中智能指示標(biāo)簽的應(yīng)用現(xiàn)狀，分別對(duì)氣體、濕度和病毒進(jìn)行了智能指示標(biāo)簽方面的研究綜述。依據(jù)酸堿指示劑顏色變化、濕敏效應(yīng)、抗原–抗體特異性結(jié)合等，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濕度、CO2含量及病毒成分，從而判定醫(yī)用口罩的防護(hù)性能。闡明了智能標(biāo)簽在醫(yī)用口罩防護(hù)有效性指示方面的研究進(jìn)展和工作機(jī)理，為智能標(biāo)簽在醫(yī)療防護(hù)方面的創(chuàng)新應(yīng)用提供了思路。

醫(yī)用口罩；過(guò)濾效率；影響因素；智能指示標(biāo)簽

由于疫情對(duì)人體健康和日常生活造成影響，醫(yī)用口罩的佩戴已經(jīng)成為了人們出行的標(biāo)配，但是人們?cè)谂宕鬟^(guò)程中不能對(duì)口罩的防護(hù)有效性進(jìn)行直觀判斷，往往會(huì)出現(xiàn)以下情況：口罩仍具備防護(hù)有效性時(shí)便將口罩拋棄；或因?yàn)槔塾?jì)佩戴時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，口罩防護(hù)性受損，但仍在佩戴使用。因此需要對(duì)口罩使用過(guò)程中的防護(hù)有效性有一定的判定依據(jù)。目前，用于醫(yī)用口罩防護(hù)有效性的智能指示標(biāo)簽的研究較少，因此智能標(biāo)簽與口罩結(jié)合的研究在未來(lái)有很大的發(fā)展?jié)摿?。智能?biāo)簽主要分為2種：診斷檢測(cè)類和信息技術(shù)類[1]。本文主要涉及的是具有檢測(cè)功能的標(biāo)簽，包括氣體指示標(biāo)簽、病毒指示標(biāo)簽等，可通過(guò)標(biāo)簽顏色的變化來(lái)判定相應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果；而信息技術(shù)類的標(biāo)簽，如無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽（RFID）等，其可與二氧化碳（CO2）氣體柔性傳感器等結(jié)合，以獲取更詳細(xì)的信息數(shù)據(jù)。

醫(yī)用N95口罩和醫(yī)用外科口罩的理論佩戴使用時(shí)效為4～6 h[2]，從口罩使用期限內(nèi)的影響因素入手，使用智能傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)狀態(tài)和運(yùn)用比色指示標(biāo)簽判定是否具備防護(hù)有效性能。綜上，在不影響口罩防護(hù)性能的前提下，可以將智能指示標(biāo)簽與醫(yī)用口罩結(jié)合使用；隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能數(shù)字化的逐漸普及，智能指示標(biāo)簽也將與信息技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息交互功能，使用者能通過(guò)智能設(shè)備獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以向設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)反饋，為人們?nèi)粘Ｔ谂宕骺谡殖鲂袝r(shí)帶來(lái)更多便利。

1 口罩的材料結(jié)構(gòu)與過(guò)濾機(jī)理

口罩的功能主要是防御外界的顆粒物和病菌等，而口罩類型的不同會(huì)導(dǎo)致抵御能力的不同[3]。醫(yī)用外科口罩、N95口罩對(duì)細(xì)菌過(guò)濾效率大于95%[4-5]，對(duì)非油性顆粒分別大于30%和95%[6-7]。差異有：外觀形狀，導(dǎo)致貼合程度有所差異；過(guò)濾層厚度、面密度越大，防御能力越好；纖維直徑越小，孔徑越大，過(guò)濾效率越低[8]。過(guò)濾的一般類型可以有固–液或固–氣分離[9]，過(guò)濾層的防護(hù)效能原理如圖1所示，包括：布朗運(yùn)動(dòng)[10-11]、物理攔截[12]、慣性沖擊[13]、靜電吸附[14-15]、沉降作用[16]，例如當(dāng)病毒等試圖穿過(guò)口罩時(shí)，往往會(huì)因?yàn)殪o電吸附效應(yīng)吸附在纖維表面。

圖1 熔噴纖維防護(hù)效能示意圖[12]

醫(yī)用N95口罩呈拱狀設(shè)計(jì)，與面部緊密貼合，可防止顆粒物等產(chǎn)生的不良感染[17]，其過(guò)濾層面密度約為55～60 g/m2。其材料結(jié)構(gòu)[18]：最外層為非織造的聚丙烯（PP），具備疏水性，阻隔外界水分；第2層為熔噴形成的非織造布PP過(guò)濾層，能有效過(guò)濾外界非油基顆粒物，抑制氣溶膠穿過(guò)[19]；第3層為改性的聚丙烯腈纖維支撐層，起到構(gòu)造口罩輪廓和支撐的作用；最內(nèi)層仍為非織造PP，防止了口罩內(nèi)部水分進(jìn)入到過(guò)濾層中，以延長(zhǎng)口罩使用壽命[20]。醫(yī)用外科口罩過(guò)濾層面密度約為20～30 g/m2，材料結(jié)構(gòu)如圖2所示[21]，中間層數(shù)越多，阻隔功能越好。醫(yī)用外科口罩的纖維直徑、平均孔徑普遍大于N95口罩的，平均厚度、面密度普遍小于N95口罩的[22]。

圖2 醫(yī)用口罩的普遍結(jié)構(gòu)示意圖[21]

2 基于醫(yī)用口罩有效防護(hù)性的智能指示標(biāo)簽研究

影響醫(yī)用口罩過(guò)濾效率的因素（如圖3所示）[23]：濕度，高濕的氣氛環(huán)境下靜電荷不易儲(chǔ)存；氣體成分，如CO2，呼出的氣體成分輕微溶脹熔噴布表面，加速電荷逸出；病毒、顆粒物，過(guò)濾層纖維吸附顆粒影響儲(chǔ)電吸附。依據(jù)醫(yī)用口罩理論使用時(shí)效最低時(shí)長(zhǎng)為預(yù)警點(diǎn)來(lái)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。在眾多影響因素中，濕度、CO2、病毒含量是智能指示標(biāo)簽較易監(jiān)測(cè)的類型，除了能使用依據(jù)顏色變化來(lái)預(yù)估濕度和CO2含量的比色標(biāo)簽，還能使用柔性傳感器來(lái)獲得濕度和CO2捕獲量的準(zhǔn)確數(shù)值。此外，當(dāng)口罩上吸附有呼吸道病毒時(shí)，生物傳感器也能靈敏高效地檢測(cè)出來(lái)。因此，濕度、CO2吸附含量的度量以及是否含有特定目標(biāo)病毒將成為判定醫(yī)用口罩使用時(shí)限內(nèi)防護(hù)有效性的重要依據(jù)。

圖3 過(guò)濾效率影響因素

2.1 柔性濕度傳感器

長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩，濕氣匯集，易滋生細(xì)菌，造成呼吸道疾病，危害人體健康。一般在相對(duì)濕度為50%以下時(shí)，電荷更易儲(chǔ)存[24]。為了測(cè)量醫(yī)用口罩防護(hù)的有效性，將正常成年人在最低理論使用時(shí)長(zhǎng)下，平穩(wěn)呼吸所測(cè)得的濕度比色情況或濕度阻值為基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)人體處于不同環(huán)境狀態(tài)，例如，佩戴口罩運(yùn)動(dòng)時(shí)，通氣量將急速上升，從5 L/min增加到100 L/min以上，且呼吸頻率也會(huì)加快，此時(shí)口罩吸收的水分將增多，往往很快就不能起到防護(hù)效果，這時(shí)測(cè)得與4 h正常呼吸狀態(tài)下的顏色變化相匹配或濕度值相適應(yīng)時(shí)，可大致判斷其防護(hù)性可能處于無(wú)效狀態(tài)，起到直觀的預(yù)警作用。因此，不僅可以通過(guò)對(duì)濕度比色標(biāo)簽的顏色變化情況進(jìn)行比對(duì)，也可以運(yùn)用柔性傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)濕度含量，通過(guò)濕度引起的電阻等變化指標(biāo)來(lái)達(dá)到對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)[25-26]。如今有很多研究將濕度傳感器置于口罩內(nèi)部，通過(guò)電阻變化來(lái)觀察佩戴者的呼吸頻率變化，或進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)。

王思睿[27]用噴墨打印技術(shù)將銀油墨打印到柯達(dá)相紙等無(wú)濕敏材料上。為了探討PVA與紙基結(jié)合后對(duì)靈敏度的影響，在紙基表面增加100 μm厚的PVA薄膜，當(dāng)相對(duì)濕度從30%增加到90%時(shí)，紙基介電常數(shù)從3.2增到4.2，PVA介電常數(shù)從6.1增到41，比純紙基傳感器偏移量增加190 MHz，比PET基膜厚為100 μm的PVA傳感器偏移量增加140 MHz。此外，研究將RFID技術(shù)融入其中，能做到無(wú)接觸式的快速信息獲取及儲(chǔ)存，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)口罩濕度環(huán)境。

Yang等[28]采用光刻和磁控濺射法制備了一種基于MoO3納米片的柔性濕度傳感器，當(dāng)相對(duì)濕度從0增到100%時(shí)，快速響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別小于0.4 s和2 s；當(dāng)相對(duì)濕度從0增到40%時(shí)，快速響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別小于0.3 s和0.5 s；在0°～120°彎曲1 500次后，測(cè)得電阻仍然相對(duì)穩(wěn)定；CO2不會(huì)對(duì)測(cè)得的電阻產(chǎn)生影響，器件對(duì)濕度監(jiān)測(cè)具備高選擇測(cè)試性。這類柔性傳感器與口罩結(jié)合使用時(shí)，可應(yīng)用于常規(guī)濕度變化和呼吸狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，可以追蹤使用者的環(huán)境狀態(tài)。

Zeng等[29]制備成一種基于水凝膠（STH–3）的濕度傳感器。PAM能形成共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在淀粉的?OH和聚合物鏈上的?NH2之間形成氫鍵，提高水凝膠的力學(xué)性能。該水凝膠在相對(duì)濕度為35%～97%的條件下下，靈敏度能從560%到4 417%，在1 000次50%壓力應(yīng)變后有耐久性。綜上，基于淀粉DN水凝膠的濕度傳感器，可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)口罩內(nèi)濕度等方面，并在環(huán)保、生物相容等領(lǐng)域具備應(yīng)用潛能。

Turkani等[30]通過(guò)絲網(wǎng)印刷，將銀油墨印于PET基底后，將FMWCNT/HEC油墨作為濕度敏感層沉積在IDT上，獲得一種新型功能化FMWCNT/HEC復(fù)合濕度傳感器。環(huán)境的相對(duì)濕度直接決定了MWCNT上吸附的水分子量，從而導(dǎo)致電阻的改變。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)FMWCNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.25%到2.5%不等，F(xiàn)MWCNTs和HEC質(zhì)量比從1∶4到1∶6不等。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的FMWCNTs及(FMWCNTs)∶(HEC)為1∶6的傳感器具備最高相對(duì)電阻響應(yīng)；在溫度為25 ℃、相對(duì)濕度為80%的環(huán)境下電阻變化率為290%，響應(yīng)時(shí)間為20 s。

為了更加直觀地觀測(cè)到濕度的變化情況，可通過(guò)標(biāo)簽的顏色變化進(jìn)行綜合檢測(cè)，與柔性比色濕度傳感器相關(guān)的研究如下：Zheng等[31]制備了一種天然生物材料絲素蛋白（SF）薄膜基濕度傳感器。其傳感機(jī)理為SF膜的高吸水性導(dǎo)致SF膜與電極之間進(jìn)行H2O+H3O=H3O++H2O的表面吸附現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)最佳性能SF薄膜厚度約為23 μm，在相對(duì)濕度為59%～95%內(nèi)動(dòng)態(tài)響應(yīng)增大，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間間隔為100 s。在相對(duì)濕度為85%下，靈敏度約為750%。濕度從40%到90%過(guò)程中，SF薄膜從淡黃色變?yōu)樗{(lán)色；人體呼吸過(guò)程從干燥到潮濕，薄膜顏色變化為中間藍(lán)色區(qū)域逐漸變成灰綠色，周邊區(qū)域紫紅色逐漸變成藍(lán)色，可見這類傳感器有運(yùn)用于口罩環(huán)境監(jiān)測(cè)的潛能。

Chen等[32]用具有親水基團(tuán)和含光活性二苯甲酮基團(tuán)的PBD–PEGE與纖維素納米晶體（CNC）組合，制備成了濕度響應(yīng)的光子晶體（PC）薄膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著PBD–PEGE含量增加，薄膜的max從538 nm紅移至611 nm；詳細(xì)研究CNC/PEG/B–1發(fā)現(xiàn)，隨著相度濕度從30%增加到100%，螺距從328 nm增加到422 nm，復(fù)合膜顏色從藍(lán)變?yōu)榫G、黃、橙，再到深紅。這是因?yàn)楫?dāng)CNC膜吸水溶脹，螺距增大，反射光顏色改變。PC薄膜可應(yīng)用于智能傳感器等技術(shù)上。

Meng等[33]將甘油（G）、木糖醇（X）和山梨醇（S）分別與纖維素納米晶體（CNC）結(jié)合，制備了柔性濕敏薄膜，分別記為CNC–G、CNC–X和CNC–S。當(dāng)相對(duì)濕度增加，薄膜顏色分別由淺藍(lán)色變?yōu)槌壬?，由淺藍(lán)色變?yōu)榉奂t色，由淺綠色變?yōu)榧t色。CNC–S的Δmax增加最多，為249 nm，這是因?yàn)樵诔睗癍h(huán)境下，這類薄膜易吸收水分子，內(nèi)部結(jié)構(gòu)溶脹，顏色發(fā)生變化。這類薄膜多用于監(jiān)測(cè)環(huán)境濕度的變化，并在柔性比色濕度傳感器等領(lǐng)域有應(yīng)用潛能。以上比色濕度傳感器均有監(jiān)測(cè)口罩濕度狀態(tài)的潛力。

2.2 CO2智能指示標(biāo)簽

人體呼出的氣體如CO2、唾沫等都不利于靜電荷儲(chǔ)存[23]。一般每次出氣量為10 mL/kg，CO2體積分?jǐn)?shù)約為4%，溶于水后呈弱酸性，pH值約為5～6[34]；人體呼吸頻率為16～20次/min，預(yù)估一個(gè)50 kg的正常成人4 h呼出的CO2約96 L?；跐裥虲O2氣敏類智能變色標(biāo)簽的原理——CO2溶于水汽后引起pH敏感染料顏色改變[35-36]，可知：標(biāo)簽捕捉到CO2后，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)生色變[37]，在平穩(wěn)呼吸狀態(tài)下，通過(guò)觀察顏色的變化判斷醫(yī)用口罩使用時(shí)長(zhǎng)，還可使用柔性氣體傳感器安裝在口罩呼吸通道處測(cè)量CO2濃度，推斷口罩是否具備防護(hù)有效性。

2.2.1 pH敏感型比色標(biāo)簽

Pereira等[38]研究了基于添加了花青素的PVA/殼聚糖聚合物的時(shí)間溫度指示劑（TTI），使用TG–DSC、FT–IR以及溶脹指數(shù)（Si）等來(lái)進(jìn)行表征，通過(guò)CIE Lab標(biāo)度測(cè)量不同pH值來(lái)反映酸堿性情況。TTI以pH為6.1的顏色為設(shè)定點(diǎn)，隨pH值從低到高，顏色從亮紅色變?yōu)榱辆G色。殼聚糖無(wú)毒、抗菌，與安全且可生物降解的PVA結(jié)合時(shí)，力學(xué)性能顯著提升，例如在口罩上使用時(shí)也不會(huì)造成安全隱患。

邢月[39]以流延法制成PLA基底膜，在指示劑中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaOH溶液，使pH為9，初始顏色呈綠色。結(jié)果表明在CO2體積分?jǐn)?shù)從0.2%升至15%的過(guò)程，以3 mL溴百里香酚藍(lán)和甲基綠為指示劑，添加了0.04 g甲基纖維素的指示卡從綠色過(guò)渡到黃綠色再到黃色，最后變?yōu)槌燃t色?？梢姶酥甘緲?biāo)簽顏色變化明顯，當(dāng)運(yùn)用于口罩上時(shí)便于比對(duì)。

Zhang等[40]在纖維素紙上絲網(wǎng)印刷了比色標(biāo)簽，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了2種基于蒽醌和偶氮生色團(tuán)的pH敏感反應(yīng)性染料，設(shè)定為：D–1，在溫度為5～10 ℃和pH為6.0～6.5條件下，反應(yīng)3～4 h；D–2，在0～5 ℃條件下，pH值為1.5、2.5和3.5時(shí)，分別反應(yīng)1 h。染料具有硫乙基磺基酮和單氯洛嗪基團(tuán)，能與紙纖維素中的?OH基團(tuán)形成共價(jià)鍵，一般環(huán)境下無(wú)法溶解，印制清晰。這類標(biāo)簽?zāi)軌虮ＷC口罩表面在使用時(shí)不受外界環(huán)境破壞，更好地反映變色范圍。

胡云峰等[41]以普魯蘭多糖為成膜基底，結(jié)合甲基紅和溴百里酚藍(lán)指示劑以及甘油制成指示標(biāo)簽，隨著CO2濃度增加，顏色變化由藍(lán)到橙最后到紅。研究了加入不同量普魯蘭多糖和甘油對(duì)色差值的影響，倒板量都為6 mL，經(jīng)過(guò)響應(yīng)面交互分析后，表明在5%的甲基紅和溴百里酚藍(lán)混合溶液（體積比為3∶2）中，加入75 g/L的普魯蘭多糖和20 g/L的甘油時(shí)，響應(yīng)色差值最佳（為18.21），與預(yù)測(cè)值靠近，表明此類響應(yīng)面優(yōu)化穩(wěn)定標(biāo)簽顏色技術(shù)檢測(cè)準(zhǔn)確可信，檢測(cè)結(jié)果符合要求。

Xu等[42]運(yùn)用噴墨印刷技術(shù)，利用含天然染料花青素和姜黃素的油墨制備了一種與QR碼結(jié)合的PH敏感型比色指示標(biāo)簽。在花青素乙醇（ATH）與姜黃素乙醇（CR）體積比分別為4∶1、1∶1和1∶4的混合溶液中，體積比為4∶1混合溶液顏色變化更明顯。此指示標(biāo)簽具有數(shù)據(jù)載體和傳感器的雙重功能，進(jìn)行視覺觀測(cè)和實(shí)時(shí)智能設(shè)備監(jiān)測(cè)。當(dāng)運(yùn)用于口罩防護(hù)有效性檢測(cè)時(shí)，既能直觀觀測(cè)標(biāo)簽顏色變化，也能從手機(jī)上看到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.2.2 柔性CO2傳感器

Barauskas等[43]將聚醚酰亞胺（PEI）噴墨打印于電容式微加工超聲換能器（CMUT）表面進(jìn)行修飾，制備出CO2傳感器，噴墨打印串行接口安裝了一個(gè)0.3MP的USB攝像光反饋系統(tǒng)，通過(guò)光干涉法和AFM數(shù)據(jù)測(cè)量薄膜厚度，發(fā)現(xiàn)厚約200 nm的PEI膜最佳。將厚約190 nm的PEI膜傳感器從N2換至CO2環(huán)境，偏移超過(guò)23.2 kHz，證明可用于CO2檢測(cè)。對(duì)于CMUT改性，在疏水性方面將最小功能化區(qū)域降至150 nm，在親水性方面將最小平均厚度控制在100 nm，改變印刷PEI膜時(shí)的粗糙度，以更易于制備傳感器。

Ando等[44]制備了基于石墨烯層和PEDOT/PSS的柔性濕度傳感器，PEDOT–PSS具有良好機(jī)械彈性、導(dǎo)電性。sp2雜化碳原子堆積的石墨烯具有良好導(dǎo)電性，根據(jù)氣體吸收量與電導(dǎo)率變化的關(guān)系得出，當(dāng)CO2含量增加，電導(dǎo)率增加；在50 ℃和60 ℃下，響應(yīng)度分別為4.0×106μ?/?和4.7×106μ?/?。當(dāng)傳感器置于CO2環(huán)境一段時(shí)間后，器件不可完全逆轉(zhuǎn)，可應(yīng)用在預(yù)警和成本較低的物件上。

Lin等[45]將CNT（p型）從SiO2/Si襯底轉(zhuǎn)移到聚酰亞胺（PI）襯底上，制備了一種基于CNT的氣體傳感器。CNT具有高比表面積和吸附氣體分子的孔隙，能高效吸附目標(biāo)分子，產(chǎn)生電子信號(hào)轉(zhuǎn)換，在CO2還原性氣體中時(shí)，阻力增加。當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)為0.005%、0.01%、0.02%、0.04%和0.08%時(shí)，該傳感器靈敏度分別為0.89%、1.15%、1.43%、1.82%和2.23%。當(dāng)表面凸起產(chǎn)生拉伸應(yīng)力時(shí)，電阻增加，但影響不大，響應(yīng)良好。

Gupta等[46]將不同量抗壞血酸（AA）滴加到氧化石墨烯（GO）溶液中，GO溶液從棕色被還原成白色，制成AArGO25、AArGO50和AArGO100的rGO懸浮液，在QCM基板的Ag電極上滴注成膜，制成柔性CO2傳感器。其原理是吸附在表面的O2?與CO2分子反應(yīng)生成CO3?，空穴載流子濃度增加，電阻降低。實(shí)驗(yàn)表明AArGO25有最多數(shù)量的OFG、最高邊緣功能性和抗團(tuán)聚性，對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)為0.05%的靈敏度為50 Hz/μg，響應(yīng)最高為1 000 Hz，快速響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為26 s和10 s。

2.3 病毒生物傳感器

口罩除了能隔絕灰塵等顆粒物的進(jìn)入外，也對(duì)病毒有一定的隔絕作用[47-48]，如今由于疫情對(duì)人們?nèi)粘３鲂械挠绊?，口罩的吸附抵御作用也愈發(fā)重要。當(dāng)人體暴露在病毒環(huán)境或攜帶病毒已確認(rèn)感染，可以使用智能生物傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)檢測(cè)呼吸道病毒能夠起到預(yù)警與防護(hù)的作用。

田冰等[49]探討了利用納米金粒子（AuNPs）過(guò)氧化物酶活性的比色傳感器，AuNPs酶活性能使過(guò)氧化氫（H2O2）形成羥自由基，催化底物變色或者產(chǎn)生熒光反應(yīng)，例如將無(wú)色TMB氧化成藍(lán)色oxTMB。反應(yīng)包含2種類型：靶標(biāo)吸附，通過(guò)改變AuNPs表面性質(zhì)，改變AuNPs酶活性；靶標(biāo)–適配體，適配體單鏈DNA經(jīng)過(guò)堿基配位，改變AuNPs表面，靶標(biāo)與適配體結(jié)合，間接影響AuNPs酶活性。

以石墨烯為基材的光學(xué)生物傳感器對(duì)人體病毒檢測(cè)快速、高敏感，其中在比色生物傳感器中GO有著H2O2酶活性，穩(wěn)定性更高[50]。Zhan等[51]依據(jù)AuNP過(guò)氧化物酶制備了AuNPs–GO雜交株，制備過(guò)程如圖4所示，AuNPs–GO有類似過(guò)氧化物酶的活性，添加后能觀察到顏色變化。研究表明，即使有化學(xué)分子附著于其表面，利用Hg2+仍能增強(qiáng)過(guò)氧化物酶活性，使無(wú)色底物TMB變色，能高效靈敏地檢測(cè)出呼吸道合胞病毒（RSV），檢測(cè)限為0.04 pg/mL。

圖4 AuNPs–GO共軛物的制備過(guò)程[51]

Nguyen等[52]用CRISPR技術(shù)將凍干無(wú)細(xì)胞（FDCF）傳感器嵌入硅橡膠和硅織物中，制成了柔性生物傳感器。實(shí)驗(yàn)將DNA或RNA編碼的基因工程添加到FDCF中，其水化激活后，與靶標(biāo)結(jié)合由黃色變?yōu)樽仙换蛲ㄟ^(guò)熒光檢測(cè)MRSA或SARS–CoV–2等病毒的存在。傳感器有4個(gè)模塊：儲(chǔ)液器、采集墊、3個(gè)基于微流控的蜂巢形μPAD反應(yīng)區(qū)、實(shí)現(xiàn)目測(cè)讀數(shù)的側(cè)向?qū)游鲈嚄l（LFA）。該傳感器可用于氣溶膠中SARS–CoV–2一類病原體的檢測(cè)，90 min后可知檢測(cè)結(jié)果。此類傳感器可用于口罩內(nèi)，置于呼氣通道前方，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，減少工作人員的感染。

Prainito等[53]制備了一種用于檢測(cè)SARS–CoV–2刺突蛋白的紙基聚二乙炔（PDA）生物傳感器。對(duì)含有PCDA–NHS摩爾分?jǐn)?shù)分別為10%、20%和30%的PDA生物傳感器進(jìn)行研究，每組暴露在0～1 000 ng/mL的SARS–CoV–2刺突蛋白溶液中，當(dāng)特定抗體與目標(biāo)蛋白結(jié)合時(shí)，π共軛體系破壞，顏色由藍(lán)色變?yōu)榧t色。結(jié)果表明摩爾分?jǐn)?shù)為10%的PCDA–NHS效果最優(yōu)，PDA傳感器能檢測(cè)1～100 ng/mL的刺突蛋白，結(jié)合智能手機(jī)應(yīng)用軟件，使用預(yù)編程序能在幾秒鐘內(nèi)計(jì)算出紅移（RCS）百分比。當(dāng)傳感器足夠靈敏時(shí)，能置于口罩內(nèi)部通過(guò)唾沫來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，醫(yī)用口罩很少能做到防護(hù)有效性的監(jiān)測(cè)和智能設(shè)備端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)掌握。本文首先對(duì)醫(yī)用口罩材料結(jié)構(gòu)、過(guò)濾機(jī)理、過(guò)濾效率等進(jìn)行了探討，可知醫(yī)用口罩結(jié)構(gòu)材料為疏水性的PP內(nèi)外層和PP熔噴布的過(guò)濾中間層；過(guò)濾機(jī)理為布朗運(yùn)動(dòng)、慣性沖擊、物理攔截、靜電吸附和沉降作用；醫(yī)用N95口罩的過(guò)濾效率高于醫(yī)用外科口罩的。

隨著人們對(duì)醫(yī)用口罩防護(hù)有效性越來(lái)越在意，在不影響口罩使用性能的情況下，可以將智能指示標(biāo)簽與醫(yī)用口罩結(jié)合使用，將病毒生物傳感器與CO2敏感型可視化比色標(biāo)簽多功能結(jié)合，使得在監(jiān)測(cè)CO2濃度的同時(shí)檢測(cè)是否含有目標(biāo)病毒的存在。伴隨數(shù)字化的普及，智能指示標(biāo)簽被賦予信息交互功能，與RFID技術(shù)、NFC技術(shù)等共同使用，這類具備信息交互功能的智能指示標(biāo)簽更加便利，能達(dá)到數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。但是，考慮到廠家制備口罩和器件的成本問(wèn)題以及消費(fèi)者購(gòu)買商品的成本影響，未來(lái)將智能指示標(biāo)簽與口罩結(jié)合的發(fā)展道路充滿挑戰(zhàn)。意將成本較低的紙質(zhì)變色標(biāo)簽運(yùn)用到醫(yī)用外科口罩上，而成本較高的柔性傳感器件可用于N95口罩中。如果未來(lái)智能標(biāo)簽的相關(guān)技術(shù)更加完備，可以解決成本問(wèn)題，那么用于醫(yī)用口罩的智能指示標(biāo)簽也將會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)。

[1] 許文才. 智能包裝與智能標(biāo)簽[J]. 標(biāo)簽技術(shù), 2017(1): 59-61.

XU Wen-cai. Smart Packaging and Smart Labels[J]. Label Technology, 2017(1): 59-61.

[2] 戚雅萍, 鄭永韜, 邱慧麗, 等. 不同環(huán)境人群醫(yī)用外科口罩佩戴時(shí)長(zhǎng)與菌落總數(shù)的相關(guān)性研究[J]. 浙江醫(yī)學(xué)教育, 2021, 20(4): 49-52.

QI Ya-ping, ZHENG Yong-tao, QIU Hui-li, et al. Study on the Correlation between the Wearing Time of Medical Surgical Masks and the Total Number of Bacterial Colonies in the Population of Different Environments[J]. Zhejiang Medical Education, 2021, 20(4): 49-52.

[3] BORAEY M A. An Analytical Model for the Effective Filtration Efficiency of Single and Multiple Face Masks Considering Leakage[J]. Chaos Solitons & Fractals, 2021, 152: 111466.

[4] 李梅, 于麗麗, 郭芳. 環(huán)境試驗(yàn)對(duì)醫(yī)用外科口罩顆粒過(guò)濾效率的影響[J]. 中國(guó)醫(yī)療器械信息, 2019, 25(15): 17-17.

LI Mei, YU Li-li, GUO Fang. Effect of Environmental Testing on Particle Filtration Efficiency of Medical Surgical Masks[J]. China Medical Device Information, 2019, 25(15): 17-17.

[5] 孫明波, 李勇, 余洋, 等. 環(huán)境試驗(yàn)對(duì)醫(yī)用外科口罩細(xì)菌過(guò)濾效率的影響[J]. 中國(guó)醫(yī)療器械信息, 2018, 24(11): 36-37.

SUN Ming-bo, LI Yong, YU Yang, et al. Effect of Environmental Testing on Bacterial Filtration Efficiency of Surgical Masks[J]. China Medical Device Information, 2018, 24(11): 36-37.

[6] 李寶林. 醫(yī)用口罩質(zhì)量控制與應(yīng)急管理[J]. 中國(guó)醫(yī)藥科學(xué), 2020, 10(14): 231-238.

Li Bao-lin. Quality Control and Emergency Management of Medical Masks[J]. China Medicine and Pharmacy, 2020, 10(14): 231-238

[7] WANG Wen-xia, CHEN Ting-ting, LI Zhen, et al. Comparison of Filtration Efficiency and Respiratory Resistance of COVID-19 Protective Masks by Multi-National Standards[J]. American Journal of Infection Control, 2022, 50(5): 516-524.

[8] DARBY S, CHULLIYALLIPALIL K, PRZYJALGOWSKI M, et al. COVID-19: Mask Efficacy is Dependent on both Fabric and Fit[J]. Future Microbiology, 2021, 16: 5-11.

[9] 全瓊瑛, 應(yīng)偉偉, 祝成炎. 非織造醫(yī)用防護(hù)口罩過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)與過(guò)濾效率關(guān)系的研究[J]. 上海紡織科技, 2015, 43(7): 1-2.

QUAN Qiong-ying, YING Wei-wei, ZHU Cheng-yan. Study on Relation between Structure and Filtration Efficiency of Nonwoven Medical Protective Masks[J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2015, 43(7): 1-2.

[10] FU Xiang-yun, YU Hong-wei. Brownian Motion of a Test Particle with a Normal Classical Velocity in Spacetime with a Plane Boundary[J]. Communications in Theoretical Physics, 2007, 47(5): 847-850.

[11] LI Tong-cang, KHEIFETS S, MEDELLIN D, et al. Measurement of the Instantaneous Velocity of a Brownian Particle[J]. Science, 2010, 328(5986): 1673-1675.

[12] 林漢京. 戰(zhàn)疫利器——熔噴織物與防護(hù)口罩[J]. 化工管理, 2020(10): 6-8.

LIN Han-jing. The Weapon for Epidemic Prevention: Melt Blown Fabric and Medical Protective Mask[J]. Chemical Enterprise Management, 2020(10): 6-8.

[13] ZHU C, LIN C H, CHEUNG C S. Inertial Impaction-Dominated Fibrous Filtration with Rectangular or Cylindrical Fibers[J]. Powder Technology, 2000, 112(1-2): 149-162.

[14] VALENCIA-OSORIO L M, ALVAREZ-LAINEZ M L. Global View and Trends in Electrospun Nanofiber Membranes for Particulate Matter Filtration: A Review[J]. Macromolecular Materials and Engineering, 2021, 306(10): 2100278.

[15] 康少冉, 李志健, 吳海偉, 等. 駐極修飾聚丙烯熔噴專用料的制備及性能[J]. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用, 2022, 34(2): 27-30

KANG Shao-ran, LI Zhi-jian, WU Hai-wei, et al. Preparation and Properties of Etched-Modified Polypropylene Melt Spray Material[J]. Modern Plastics Processing and Applications, 2022, 34(2): 27-30

[16] 楊帆, 白艷紅. 新冠肺炎防護(hù)口罩材料研究概述[J]. 廣州化工, 2022, 50(1): 29-31.

YANG Fan, BAI Yan-hong. Overview on Materials of Novel Coronavirus Pneumonia Epidemic Protective Masks?[J]. Guangzhou Chemical Industry, 2022, 50(1): 29-31.

[17] ADANUR S, JAYSWAL A. Filtration Mechanisms and Manufacturing Methods of Face Masks: An Overview[J]. Journal of Industrial Textiles, 2022, 51(3): 3683S-3717S.

[18] ZHOU S S, LUKULA S, CHIOSSONE C, et al. Assessment of a Respiratory Face Mask for Capturing Air Pollutants and Pathogens Including Human Influenza and Rhinoviruses[J]. Journal of Thoracic Disease, 2018, 10(3): 2059-2069.

[19] WU Jun-wei, ZHOU Hong-jia, ZHOU Jing-yi, et al. Meltblown Fabric Vs Nanofiber Membrane, which is Better for Fabricating Personal Protective Equipments[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2021, 36: 1-9.

[20] GARCIA R A, STEVANOVIC T, BERTHIER J, et al. Cellulose, Nanocellulose, and Antimicrobial Materials for the Manufacture of Disposable Face Masks: A Review[J]. Bioresources, 2021, 16(2): 4321-4353.

[21] 黎倩雨, 陳廷. 醫(yī)用防護(hù)口罩舒適性研究現(xiàn)狀[J]. 毛紡科技, 2022, 50(7): 102-112.

LI Qian-yu, CHEN Ting. Research Status of Comfort of Medical Protective Masks[J]. Wool Textile Journal, 2022, 50(7): 102-112.

[22] 姜玫婕, 張鵬, 宮繼成. 基于實(shí)際大氣顆粒物環(huán)境的口罩防護(hù)作用研究[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2022, 58(2): 354-360.

JIANG Mei-jie, ZHANG Peng, GONG Ji-cheng. Study on Filtration Efficiency of Facemask for Atmospheric Particulate Matter in Real Environment[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2022, 58(2): 354-360.

[23] 石藝涵, 張星, 黃晨, 等. 醫(yī)用外科口罩實(shí)際佩戴時(shí)間對(duì)其防護(hù)性能的影響[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2021(11): 68-71.

SHI Yi-han, ZHANG Xing, HUANG Chen, et al. Influence of Actual Wearing Time on the Protective Efifciency of Surgical Masks[J]. China Textile Leader, 2021(11): 68-71.

[24] 王明芳, 周鳳. 基于環(huán)境因素的駐極熔噴布及靜電紡絲膜性能研究[J]. 遼寧絲綢, 2022(2): 1-3.

WANG Ming-fang, ZHOU Feng. Study on Properties of Electret Meltblown Fabric and Electrospun Film Based on Environmental Factors[J]. Liaoning Tussah Silk, 2022(2): 1-3.

[25] MANJUNATHA S, MACHAPPA T, RAVIKIRAN Y T, et al. Polyaniline based Stable Humidity Sensor Operable at Room Temperature[J]. Physica B: Condensed Matter, 2019, 561: 170-178.

[26] 李玉林. 電阻式濕度傳感器技術(shù)及相關(guān)專利分析[J]. 電子世界, 2017(8): 131.

LI Yu-lin. Resistance Humidity Sensor Technology and Related Patent Analysis[J]. Electronics World, 2017(8): 131.

[27] 王思睿. 可印刷無(wú)芯片RFID濕度傳感器研究[D]. 大連交通大學(xué), 2020: 50-74.

WANG Si-rui. Research on Printable Chipless RFID Humidity Sensor[D]. Dalian Jiaotong University, 2020: 50-74.

[28] YANG Jue-han, SHI Rui-long, LOU Zheng, et al. Flexible Smart Noncontact Control Systems with Ultrasensitive Humidity Sensors[J]. Small (Weinheim an Der Bergstrasse, Germany), 2019, 15(38): 1902801.

[29] ZENG Sheng, ZHANG Jun-yao, ZU Guo-qing, et al. Transparent, Flexible, and Multifunctional Starch-Based Double-Network Hydrogels as High-Performance Wearable Electronics[J]. Carbohydrate Polymers, 2021, 267: 118198.

[30] TURKANI V S, MADDIPATLA D, NARAKATHU B B, et al. A Highly Sensitive Printed Humidity Sensor Based on a Functionalized MWCNT/HEC Composite for Flexible Electronics Application[J]. Nanoscale Advances, 2019, 1(6): 2311-2322.

[31] ZHENG Yi-qiang, WANG Li-li, ZHAo Lian-jia, et al. A Flexible Humidity Sensor Based on Natural Biocompatible Silk Fibroin Films[J]. Advanced Materials Technologies, 2021, 6(1): 2001053.

[32] CHEN Huang-huang, HOU Ai-qin, ZHENG Chang-wu, et al. Light- and Humidity-Responsive Chiral Nematic Photonic Crystal Films Based on Cellulose Nanocrystals[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(21): 24505-24511.

[33] MENG Ya-hui, CAO Yun-feng, JI Hai-rui, et al. Fabrication of Environmental Humidity-Responsive Iridescent Films with Cellulose Nanocrystal/Polyols[J]. Carbohydrate Polymers, 2020, 240: 116281.

[34] VELICHKOVA K, VATZKITCHEVA M, SAVOV P, et al. Behavior of the Parameters Characterizing the Air Quality in an Enclosed Classroom Ventilated either by a Fan or Naturally[J]. AIP Conference Proceedings, 2019, 2075(1): 130017.

[35] 郭鵬飛, 何昊葳, 付亞波, 等. 氣敏類智能包裝標(biāo)簽技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 包裝工程, 2018, 39(11): 13-18.

GUO Peng-fei, HE Hao-wei, FU Ya-bo, et al. Research Progress of Gas Sensitive Smart Packaging Labels[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(11): 13-18.

[36] ZHANG Y, LIM L T. Colorimetric Array Indicator for NH3and CO2Detection[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 255: 3216-3226.

[37] 趙彬. 食品新鮮度智能指示卡的研究進(jìn)展[J]. 包裝工程, 2021, 42(3): 128-135.

ZHAO Bin. Research Progress of Intelligent Indicator for Food Freshness[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(3): 128-135.

[38] PEREIRA V A, DE ARRUDA I N Q, STEFANI R. Active Chitosan/PVA Films with Anthocyanins from Brassica Oleraceae (Red Cabbage) as Time- Temperature Indicators for Application in Intelligent Food Packaging[J]. Food Hydrocolloids, 2015, 43: 180-188.

[39] 邢月. 以CO2為特征氣體的新鮮度比色指示卡的研究[D]. 天津: 天津科技大學(xué): 23-50.

XING Yue. Study on the Colorimetric Indicator Card of Gas Freshness with CO2[D]. Tianjin: Tianjin University of Science & Technology: 23-50.

[40] ZHANG Hong-juan, HOU Ai-qin, XIE Kong-liang, et al. Smart Color-Changing Paper Packaging Sensors with pH Sensitive Chromophores based on Azo-Anthraquinone Reactive Dyes[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2019, 286: 362-369.

[41] 胡云峰, 位錦錦, 梁晶, 等. 以普魯蘭多糖為載體的CO2型指示標(biāo)簽的研制[J]. 保鮮與加工, 2019, 19(2): 75-80.

HU Yun-feng, WEI Jin-jin, LIANG Jing, et al. Development of CO2Type Indication Label with Pullulan Polysaccharide as Carrier[J]. Storage and Process, 2019, 19(2): 75-80.

[42] XU Yuan, LIU Zhang-ming, LIU Rui, et al. Inkjet-Printed pH-Sensitive QR Code Labels for Real-Time Food Freshness Monitoring[J]. Journal of Materials Science, 2021, 56(33): 18453-18462.

[43] BARAUSKAS D, PELENIS D, DZIKARAS M, et al. Inkjet-Printed Functionalization of CMUT-Based CO(2) Sensors[J]. Sensors (Basel, Switzerland), 2022, 22(6): 2288.

[44] ANDO B, BAGLIO S, DI P G, et al. Direct Printing of a Multi-Layer Sensor on Pet Substrate for CO2Detection[J]. Energies, 2019, 12(3): 557.

[45] LIN Z D, YOUNG S J, CHANG S J. CO2Gas Sensors Based on Carbon Nanotube Thin Films Using a Simple Transfer Method on Flexible Substrate[J]. IEEE Sensors Journal, 2015, 15(12): 7017-7020.

[46] GUPTA M, HAWARI H F, KUMAR P, et al. Functionalized Reduced Graphene Oxide Thin Films for Ultrahigh CO(2) Gas Sensing Performance at Room Temperature[J]. Nanomaterials (Basel, Switzerland), 2021, 11(3): 623.

[47] ZHANG K, VILCHES T N, TARIQ M, et al. The Impact of Mask-Wearing and Shelter-in-Place on COVID-19 Outbreaks in the United States[J]. International Journal of Infectious Diseases: IJID: Official Publication of the International Society for Infectious Diseases, 2020, 101: 334-341.

[48] WANG Qiang, YU Chao-ran. The Role of Masks and Respirator Protection Against SARS-CoV-2[J]. Infection Control and Hospital Epidemiology, 2020, 41(6): 746-747.

[49] 田冰, 武煊, 鐘玉潔, 等. 基于金納米顆粒過(guò)氧化物酶活性的比色傳感器在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2022, 48(4): 274-279.

TIAN Bing, WU Xuan, ZHONG Yu-jie, et al. Application of Colorimetric Sensor Based on AuNPs Peroxidase Activity in Food Safety Detection[J]. Food and Fermentation Industries, 2022, 48(4): 274-279.

[50] VERMISOGLOU E, PANACEK D, JAYARAMULU K, et al. Human Virus Detection with Graphene-Based Materials[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2020, 166: 112436.

[51] ZHAN Lei, LI Chun-mei, WU Wen-bi, et al. A Colorimetric Immunoassay for Respiratory Syncytial Virus Detection Based on Gold Nanoparticles-Graphene Oxide Hybrids with Mercury-Enhanced Peroxidase-Like Activity[J]. Chemical Communications (Cambridge, England), 2014, 50(78): 11526-11528.

[52] NGUYEN P Q, SOENKSEN L R, DONGHIA N M, et al. Wearable Materials with Embedded Synthetic Biology Sensors for Biomolecule Detection[J]. Nature Biotechnology, 2021, 39(11): 1366-1374.

[53] PRAINITO C D, ESHUN G, OSONGA F J, et al. Colorimetric Detection of the SARS-CoV-2 Virus (COVID-19) in Artificial Saliva Using Polydiacetylene Paper Strips[J]. Biosensors, 2022, 12(10): 804.

Research Progress of Intelligent Indication Labels for Medical Mask Protection Effectiveness

CHEN Yi-yang,ZHANG Xin-lin,YANG Dan,ZHANG Jing-yi, LIU Hui,SHI Jia-zi,LI Dong-li,FU Ya-bo

(Beijing Key Lab of Printing & Packaging Materials and Technology, Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China)

The work aims to elaborate the filtration mechanism and efficiency of medical masks, and review the current research status and application progress of intelligent indication labels in medical masks, so as to improve the protection efficiency of masks in daily use. Firstly, from the protective performance of medical masks, the application status on intelligent indication labels in medical masks was analyzed. Then, based on acid-base indicator color change, moisture-sensitive effect, antigen-antibody specific binding, a research in intelligent indication labels on them was conducted for gas, humidity and virus respectively to monitor real-time humidity, CO2content and virus composition. Thus the protective performance of medical masks was determined. The research progress and working mechanism of intelligent labels in indication of protection effectiveness are clarified, providing ideas for innovative application of intelligent labels in medical protection.

medical mask; filtration efficiency; influencing factors; intelligent indicating label

TB484

A

1001-3563(2023)09-0162-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.020

2022?10?14

北京市教委面上研究項(xiàng)目（KM202010015005）；北京市屬高校高水平教師隊(duì)伍建設(shè)支持計(jì)劃青年拔尖人才項(xiàng)目（CIT&TCD201904050）；北印校級(jí)科研項(xiàng)目（Ec202202，Eb202104，27170122011）；北京市大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（22150122036）

陳億洋（1998—），女，碩士生，主攻活性與智能包裝技術(shù)。

張新林（1981—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橹悄馨b與防偽技術(shù)；付亞波（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榛钚灾悄馨b材料與防護(hù)技術(shù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋