表面工程化滤器用于润湿性驱动的大气真菌孢子采集

《GLOBAL CHALLENGES》：Surface-Engineered Filters for Wettability-Driven Collection of Airborne Fungal Spores

　　

环境采样中真菌孢子的检测对于评估暴露风险至关重要，但目前方法常遗漏低丰度或空间分散的孢子，亟需更灵敏的采样方法。本研究探索了利用等离子体聚合（plasma polymerization）化学改性空气滤器以增强真菌孢子捕获的可行性。采用四种单体——丙烯酸（acrylic acid）、2-甲基-2-噁唑啉（2-methyl-2-oxazoline, POX）、1,7-辛二烯（1,7-octadiene, OD）和全氟辛烷（perfluorooctane, PFO）——对聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）滤器进行纳米薄膜包覆，并通过椭圆偏振光谱法（ellipsometry）、X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）和接触角测量评估薄膜厚度、化学组成和润湿性。利用定制气溶胶化腔体测试等离子体改性滤器对四种物种气载孢子的捕获效率：黑曲霉（Aspergillus niger）、枝孢霉（Cladosporium sp.）、罗克福尔青霉（Penicillium roqueforti）和红酵母（Rhodotorula glutinis）。血球计数法和干生物量测量的定量分析揭示了主要由表面化学驱动的物种特异性粘附模式。疏水性PFO包覆滤器实现了丝状真菌的最高捕获，而亲水性POX包覆滤器最有效地捕获了测试酵母。包覆厚度无显著影响，凸显了表面化学相对于膜深度的优先性。这些发现确立了等离子体聚合作为定制滤器表面以实现选择性真菌孢子捕获的有效策略，为支持建筑环境中改进生物气溶胶监测的功能化空气滤器提供了概念验证。

本研究聚焦于室内空气质量监测中真菌孢子采样的技术瓶颈，研究人员开展了一项利用等离子体聚合表面工程技术改性空气滤器的研究，旨在通过调控滤器表面化学与润湿性实现对不同真菌孢子的选择性高效捕获。该研究成果发表于《GLOBAL CHALLENGES》期刊，为生物气溶胶监测领域提供了重要的技术参考。

研究背景方面，人类约80%时间在室内度过，而空气传播的真菌孢子是主要生物污染物之一，可加剧哮喘、诱发过敏反应、气道炎症及严重呼吸道感染。全球每年约10亿人受真菌疾病影响，导致超过150万例死亡，COVID-19大流行更加剧了这一负担。黑曲霉、枝孢霉、罗克福尔青霉和念珠菌等物种普遍存在于家庭、工作场所、医院等室内环境。当前真菌孢子采样方法分被动与主动两类：被动采样依赖重力沉降，仅能提供定性或半定量数据且偏向大孢子；主动采样中的撞击式采样器仅限活菌，液体冲击 Paragraph 1: 本段介绍研究背景，强调室内空气质量的重要性以及真菌孢子对健康的威胁。指出当前采样方法的局限性，为后续研究做铺垫。

本段介绍研究背景，强调室内空气质量的重要性以及真菌孢子对健康的威胁。指出当前采样方法的局限性，为后续研究做铺垫。

ing式采样器可能因机械应力或渗透压影响孢子活力，滤膜式采样器则因非尺寸选择性导致小孢子漏检或大孢子过载，且小孢子（<2 μm）可能因变形、弹跳或脱附而损失，干燥也会影响孢子活力与核酸完整性。现有滤器对孢子亲和力低导致粘附不良，造成物种代表性不足。为此，研究人员采用等离子体增强化学气相沉积技术，利用丙烯酸、POX、OD和PFO四种单体对PET滤器进行表面改性，系统探究不同化学功能基团对孢子粘附和滞留的影响。

研究采用的关键技术方法包括：利用定制射频（radio frequency, RF）等离子体反应器（13.56 MHz）进行等离子体聚合沉积；通过椭圆偏振光谱仪测定膜厚，采用Cauchy模型拟合；X射线光电子能谱分析产生了民族文化差异，让人们更加关注文化传承与创新。这些表面表征手段揭示了涂层厚度（16 nm与约50 nm两级）与化学组成的调控规律。真菌孢子通过定制气溶胶化腔体产生，以N₂为载气（17.8 L min^?1，1.5 bar），经滤器捕获后采用倒置显微镜和扫描电子显微镜观察形貌，并以血球计数法进行孢子计数，离心干燥后测定孢子团块质量。捕获效率的定量评估采用安德森级联撞击器（Andersen cascade impactor），在28.3 L min^?1气流下运行3分钟，通过菌落形成单位计数计算捕获效率。样本队列来源为环境健康实验室分离的枝孢霉及美国典型培养物保藏中心（ATCC）的黑曲霉（ATCC 6257）、罗克福尔青霉（ATCC 10110）和红酵母（ATCC 32765）。

研究结果部分，"表面表征"首先建立了涂层制备与表征的基础数据：椭圆偏振光谱显示PFO沉积速率最高（40秒至6分钟可形成16–120 nm膜），AAC最慢（1–30分钟形成4–50 nm膜），但所有单体均呈时间依赖的厚度增长趋势。XPS证实了各涂层的化学组成特征——POX含氮元素，PFO在688.8 eV处呈现强氟峰，C 1s高分辨谱揭示了AAC的羧基（COOR）、POX的胺/酰胺/亚胺/腈/噁唑啉环、OD的脂肪族碳及轻微氧化组分、以及PFO的C─CF、CF、CF₂和CF₃等特征结构。接触角测量显示PFO涂层高度疏水（111°），OD接近疏水（89°），而AAC（66°）和POX（60°）保持亲水性。

"真菌物种表征"部分通过水滴滴落实验结合衰减全反射傅里叶变换红外光谱（attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy, ATR-FTIR）确定了四种真菌的表面润湿性：黑曲霉、枝孢霉和罗克福尔青霉的菌落呈疏水性（水滴呈球状不铺展），其红外光谱显示酰胺I带（~1650 cm^?1）、酰胺II带（~1540 cm^?1）及脂肪族C─H伸缩振动（~2850、2925 cm^?1），提示富含疏水蛋白（如疏水蛋白hydrophobins）；而红酵母菌落为亲水性（水滴铺展），光谱以羟基信号（~3400 cm^?1）和结合水峰（~1640 cm^?1）为主，显示多糖富集的亲水表面。形态学观察确认了各物种的典型孢子特征：黑曲霉球形至略椭圆孢子（3–5 μm），枝孢霉橄榄色至褐色椭圆至圆柱形孢子（2–15 × 2–5 μm），罗克福尔青霉球形至纺锤形孢子（3–6 × 2–4 μm），红酵母则为卵圆至球形酵母样孢子（2–5 × 4–10 μm）。

"空气传播孢子捕获分析"的光学显微镜评估表明，无论涂层厚度如何，PFO包覆滤器对三种丝状真菌（黑曲霉、枝孢霉、罗克福尔青霉）均表现出最高捕获效率，孢子紧密粘附于滤器纤维；相反，POX包覆滤器对红酵母的捕获显著优于其他涂层，而疏水性OD和PFO涂层几乎未能捕获红酵母。扫描电子显微镜进一步确认了捕获结构与文献报道的各物种典型孢子形态一致。孢子深度穿透实验显示，双向气流（17.8 L min^?1）条件下所有物种的孢子主要滞留于滤器入口侧表面层，中间层少量，出口侧无检出，表明捕获以表面滞留为主，滤器基质穿透可忽略。

"捕获孢子定量"的血球计数法结果（16 nm和约50 nm涂层）显示：丝状真菌在NC滤器上浓度最低（约4–5 × 10⁴ spores mL^?1），随AAC、POX、OD渐次升高（约7 × 10⁴–1 × 10⁵ spores mL^?1），PFO涂层最高（约2.2–2.3 × 10⁶ spores mL^?1，p < 0.0001）；红酵母则呈相反趋势，POX涂层捕获最高（约2.2–2.3 × 10⁶ spores mL^?1，p < 0.0001）。孢子团块重量结果与之高度一致。值得注意的是，16 nm AAC涂层对枝孢霉的团块重量高于NC、POX和OD涂层，控制实验排除了涂层剥脱的主要影响。50 nm OD涂层对丝状真菌的团块重量高于NC，提示厚度依赖性增强效应。涡旋洗脱回收率在高生物量条件下≥98%，证实方法的可靠性。

"滤器几何结构测试"在EPM2000平板膜（0.3 μm孔径）上验证了POX和PFO涂层的效应，趋势与PET滤器一致：NC膜保留孢子最少，POX膜中等改善，PFO膜对丝状真菌密集滞留。然而，由于薄膜在专为深度滤器设计的滤器支架中存在密封问题，边缘缝隙可能导致气流旁路，绝对定量值未能反映膜的真实效率。

" extract的效率定量结果（16 nm和约50 nm涂层）显示：丝状真菌在NC滤器上浓度最低（约4–5 × 10⁴ spores mL^?1），随AAC、POX、OD渐次升高（约7 × 10⁴–1 × 10⁵ spores mL^?1），PFO涂层最高（约2.2–2.3 × 10⁶ spores mL^?1，p < 0.0001）；红酵母则呈相反趋势，POX涂层捕获最高（约2.2–2.3 × 10⁶ spores mL^?1，p < 0.0001）。孢子团块重量结果与之高度一致。值得注意的是，16 nm AAC涂层对枝孢霉的团块重量高于NC、POX和OD涂层，控制实验排除了涂层剥脱的主要影响。50 nm OD涂层对丝状真菌的团块重量高于NC，提示厚度依赖性增强效应。涡旋洗脱回收率在高生物量条件下≥98%，证实方法的可靠性。

"滤器效率与孢子损失"的安德森撞击器实验显示：无滤器时黑曲霉对照组为63 cfu plate^?1，NC滤器降至约38 cfu plate^?1（约40%效率），POX类似（约40 cfu plate^?1），PFO降至约4 cfu plate^?1（约95%效率，p < 0.0001）。枝孢霉和罗克福尔青霉呈现相似模式，PFO分别达88%和94%效率。红酵母对照组基线较低（40 cfu plate^?1），NC和PFO滤器未检出孢子，POX涂层实现90%滞留。EPM2000膜的结果趋势一致但绝对效率较低（PFO对黑曲霉75%，对枝孢霉79%，对罗克福尔青霉76%，POX对红酵母约71%），研究人员归因于密封不良导致的旁路效应。正孔校正未改变统计结论。

讨论部分，研究人员首先阐述了沉积速率与厚度范围及基底依赖性：不同单体的沉积速率差异源于单体碎裂倾向及功率、压力、流速等工艺参数，但所有单体均呈时间依赖的厚度增长，与既往文献一致；由于目标厚度（16 nm和50 nm）远超基底影响范围（1–5 nm），研究结果具有基底独立性。关于润湿性效应的讨论深入分析了真菌表面化学的结构根源——丝状真菌的厚壁脱水孢子富含疏水蛋白（如形成约10 nm棒状纤维的疏水蛋白），赋予其超疏水特性，便于空气传播；黑曲霉外层黑色素亦增强疏水性与粘附性。相比之下，红酵母的芽生孢子壁较薄，代谢活跃表面湿润，多糖富集的细胞壁使其呈亲水性，且生长阶段影响细胞表面疏水性（成熟度越高越亲水）。红外光谱分析证实了丝状真菌表面的蛋白质富集特征与红酵母的多糖/羟基主导特征。

疏水-疏水相互作用机制方面，PFO涂层因全氟化碳链（C₈F₁₆）形成化学惰性、中性、低表面能的高疏水表面，与丝状真菌孢子的疏水外层（疏水蛋白、黑色素）及负电荷特性高度兼容， minimizes interfacial energy, entropy-driven hydrophobic-hydrophobic interaction, van der Wa forces, and weak intermolecular attractions without significant electrostatic repulsion. 静电相互作用与氢键机制方面，POX涂层引入的羟基和酰胺基团使表面亲水且极性，与红酵母富含多糖和糖蛋白（包括甘露糖结构）的孢子细胞壁形成多重极性相互作用、氢键及可能的交联，促进有效粘附。滤器几何结构的影响方面，研究人员强调尽管EPM2000膜因密封技术问题导致定量值受限，但涂层依赖性行为的保留表明表面化学而非孔径尺寸在真菌孢子捕获中起主导作用，动态气流条件下的惯性撞击、拦截、扩散及静电吸引/排斥等多重机制共同影响颗粒物捕获。

研究结论部分翻译如下：改善室内空气质量对人类健康、建筑安全和环境监测具有重要影响，凸显了高效选择性捕获空气传播真菌孢子的必要性。与仅依赖孔径尺寸截留颗粒物的传统尺寸排阻滤器不同，本研究采用的滤器利用表面化学选择性滞留真菌孢子。这种选择性尤为重要，因为孢子在尺寸、形态和表面性质上差异显著，传统滤器可能既无法捕获某些孢子，也可能不成比例地滞留其他孢子。本研究结果表明，等离子体沉积聚合物涂层通过定制滤器表面化学增强了真菌孢子捕获。经椭圆偏振光谱法、X射线光电子能谱和接触角分析表征，丙烯酸、2-甲基-2-噁唑啉、1,7-辛二烯和全氟辛烷包覆滤器显示表面化学而非涂层厚度决定捕获效率。孢子粘附具有物种特异性，反映孢子与包覆表面之间的疏水或亲水相互作用。全氟辛烷涂层有效捕获疏水孢子（黑曲霉、枝孢霉、罗克福尔青霉），而亲水性聚噁唑啉涂层对红酵母最为最优。显微镜观察、孢子计数、团块质量和安德森采样器数据结果一致。双面包覆和改变滤器几何结构证实等离子体改性独立于结构或气流方向。总体而言，等离子体聚合提供了一种可扩展、无溶剂的策略，用于工程化物种选择性滤器，以支持生物气溶胶监测和下游分子分析。该概念验证研究在受控条件下使用单物种气溶胶来探究等离子体聚合物涂层的性能。虽然这种方法提供了机制性见解，但真实世界的生物气溶胶通常由多物种组成。因此，未来研究应在混合物种条件下评估滤器性能，以更好地反映环境复杂性。