水灭菌装置和其用图
水灭菌装置和其用图
【专利说明】
[0001] 相关申请案的夺叉引用
[0002] 本申请案要求2012年4月2日提交的美国临时申请案第61/619, 343号的权益， 该案的揭示内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体上涉及流体的灭菌。更具体说来，本发明涉及水灭菌装置和其用途。
【背景技术】
[0004] 从水中去除细菌和其它病原体不仅对于饮用和卫生，而且在工业上都是重要的过 程，因为生物结垢是一个老生常谈的严重问题。用于水灭菌的常规方法包括氯化和基于膜 的方法。不幸的是，这些类型的方法均存在某些缺陷。
[0005] 氯化典型地是一个缓慢的过程，涉及培育时间直到1小时或更久以使Cr离子适 当地在待处理的水中散开。另外，氯化可产生有害的氧化副产物，包括致癌物质，且从部署 和维护的观点来看，氯化设备均可为资本密集的。
[0006] 常规的基于膜的方法典型地基于细菌的尺寸排阻来操作，其可涉及跨膜的高压降 和所述膜的堵塞。此外，常规的基于膜的方法可为能量密集的，且可经受跨膜的低流动速 率。
[0007] 针对这一背景，需要开发本文所述的水灭菌装置以及相关方法和系统。
【发明内容】
[0008] 本发明的一个方面涉及水灭菌装置。在一个实施例中，所述装置包括：（1)导管； (2)容纳在所述导管中的第一多孔电极；（3)容纳在所述导管中且邻近于所述第一多孔电 极安置的第二多孔电极；和（4)耦合于所述第一多孔电极和所述第二多孔电极以在所述第 一多孔电极与所述第二多孔电极之间施加电压差的电源。所述导管经配置以提供流体流通 过所述第一多孔电极和所述第二多孔电极的通道，且病原体在所述流体流中的灭活效率为 至少约99%，例如至少约99. 9%或至少约99. 95%。
[0009] 在另一实施例中，所述装置包括：（1)导管，包括提供未处理的水的进入的入口和 提供处理过的水的离开的出口；（2)容纳在所述导管中且安置在所述入口与所述出口之间 的多孔电极，所述多孔电极包括导电网和至少部分地覆盖所述导电网的涂层；和（3)耦合 于所述多孔电极的电源。
[0010] 也涵盖本发明的其它方面和实施例。前述
【发明内容】
和以下实施方式不打算将本发 明限制于任何特定实施例，而仅打算描述本发明的一些实施例。
【附图说明】
[0011] 为了更好地理解本发明的一些实施例的性质和目标，应提及结合附图的以下详细 描述。
[0012] 图1说明根据本发明实施例实施的水灭菌装置。
[0013] 图2说明根据本发明实施例实施的水过滤系统。
[0014] 图3说明根据本发明另一实施例实施的水灭菌装置。
[0015] 图4说明根据本发明另一实施例实施的水灭菌装置。
[0016] 图5说明一维银纳米线（"AgNW"）辅助的电穿孔的示意图。A)不具有纳米线结 构的导电电极，具有间隔开的反电极。较小的箭头指示电场。B)具有AgNW的导电电极。较 大的箭头指示由AgNW增强的电场强度。C)在AgNW附近的水流中的细菌。D)细菌由于强 电场而经电穿孔且灭活。
[0017] 图6说明基于海绵的多孔结构的示意图和图像。A)水灭菌装置操作示意图。B)涂 布前的聚氨酯海绵。C)用碳纳米管（" CNT "）涂布后的聚氨酯海绵。D)用CNT和AgNW涂 布后的聚氨酯海绵。E)显示涂布前的聚氨酯海绵的多孔构架的扫描电子显微术（"SEM"） 图像。F)显示用CNT均匀涂布的聚氨酯海绵的SEM图像。插图是显示用CNT涂布后的聚氨 酯海绵的表面的SEM图像。G)显示用CNT涂布后用AgNW均匀涂布的聚氨酯海绵的SEM图 像。插图是显示海绵表面上的AgNW的SEM图像。
[0018] 图7说明细菌消毒性能。A)革兰氏阳性与革兰氏阴性细菌之间的膜结构差异的比 较。B)细菌存活率评估程序的示意图。C)到F)在五种不同电压下大肠杆菌、鼠伤寒沙门 氏菌、枯草杆菌和粪肠球菌的消毒效率。误差棒表示细胞浓度的三个重复测量值的标准偏 差。
[0019] 图8说明噬菌体MS2消毒性能。A)由双层斑块分析执行的病毒存活率评估程序的 示意图。B)在五种不同电压下MS2的消毒效率。误差棒表示病毒效价的三个重复测量值的 标准偏差。
[0020] 图9说明由SEM图像、染料染色结果和用交流电消毒获得的电穿孔证据。A)显示 无任何处理的情况下大肠杆菌的形态的SEM图像。B)显示在约20V下处理后在数种不同的 大肠杆菌表面上形成的孔隙的SEM图像。C)显示在约20V下处理后在大肠杆菌表面上形成 的超过一个孔隙的高倍放大SEM。D)在约0V、约IOV和约20V的电压下处理后明视场和荧 光在肠球菌样品上的显微镜图像。E)显示处理后即刻染色的肠球菌的百分比以及处理后即 刻和处理后2小时的存活率结果的统计资料。F)在不同频率下使用约IOV的外加交流电压 时大肠杆菌的消毒效率。
[0021] 图10说明银的杀细菌效果的评估。A)在约0V、约5V、约10V、约15V和约20V的 五种不同电压下在出水中的银离子和总银浓度，如通过感应耦合等离子体-质谱分析所测 量。B)生长比较：无任何处理的情况下的大肠杆菌、在约IOV下处理的大肠杆菌和用约十 亿分之一百（"ppb"）银离子处理的大肠杆菌的生长曲线。插图是24小时培养后上述三种 样品的液体培养基的照片。C)显示在琼脂盘上使用过滤的去离子水（左）和未过滤的去离 子水（右）培养的大肠杆菌的照片。两个盘都是原始样品的约10, 〇〇〇倍稀释液。
[0022] 图11说明在由蠕动泵控制的速率下使用由基于海绵的多孔结构处理的水样品的 实验设置。
[0023] 图12说明与DI水相比在不同pH的磷酸盐缓冲溶液中在约IOV下处理的大肠杆 菌的消毒效率。
[0024] 图13说明使用电介质涂布的多孔结构的水灭菌装置操作示意图。
[0025] 图14说明基于氧化铜纳米线（"CuONW"）的电极的示意图和图像。A) CuONW合成 程序的示意图。B)显示合成前（铜网）和合成后（CuONW网）的电极的照片。C)基于CuONW 的电极在操作期间的示意图。D)到F)基于CuONW的电极的SEM图像。
[0026] 图15说明基于CuONW的电极的细菌消毒性能。A)在五种不同电压下基于CuONW 和基于氧化铜纳米粒子（"CuONP"）的电极对大肠杆菌的消毒效率。B)基于CuONW的电极 的SEM图像。C)基于CuONP的电极的SEM图像。D)到E)在五种不同电压下基于CuONW的 电极对鼠伤寒沙门氏菌和粪肠球菌的消毒效率。
[0027] 图16说明基于CuONW的电极的噬菌体MS2消毒性能。A)在五种不同电压下基于 CuONW的电极对MS2的消毒效率。B)未处理的MS2的透射电子显微术（"TEM"）图像。C) 在约5V下由基于CuONW的电极处理后的MS2的TEM图像。D)在约IOV下由基于CuONW的 电极处理后的MS2的TEM图像。
[0028] 图17 :A)和B)在五种不同电压下基于CuONW的电极对DI水和湖水中的大肠杆菌 和粪肠球菌的灭菌性能。C)在五种不同电压下在DI水和湖水样品的流出物中的总铜浓度。 D)在约IOV的外加电压下在单一 CuONW附近的电场的模拟结果。
[0029] 图18说明使用基于硅纳米线的电极的水灭菌装置操作示意图。
[0030] 图19说明基于硅纳米线的电极的细菌消毒性能。
【具体实施方式】
[0031]
[0032] 以下定义适用于关于本发明的一些实施例所述的一些方面。这些定义同样可在本 文中详细叙述。
[0033] 除非本文另外清楚指出，否则如本文所用，单数形式"一（a) "、"一（an) "和"所述 (the)"包括多个提及物。因此，例如，除非本文另外清楚指出，否则提及一物体可包括多个 物体。
[0034] 如本文所用，术语"组"是指一或多个物体的集合。因此，例如，一组物体可包括单 一物体或多个物体。一组的物体也可称为所述组的成员。一组的物体可为相同或不同的。 在一些情况下，一组的物体可共享一或多种共有特征。
[0035] 如本文所用，术语"相邻"是指接近或邻接。相邻物体可彼此间隔开，或可彼此呈 实际或直接接触。在一些情况下，相邻物体可彼此耦合或可彼此整体地形成。
[0036] 如本文所用，术语"親合（couple) "、"親合（coupled) "和"親合（coupling) "是指 操作连接或链接。耦合的物体可直接地彼此连接或可间接地彼此连接，诸如经由中间组的 物体。
[0037] 如本文所用，术语"实质上（substantially) "和"实质（substantial) "是指相当 大的程度或范围。当与一事件或情形结合使用时，所述术语可指其中所述事件或情形精确 地发生的情况以及其中所述事件或情形发生至相当准确的近似值的情况，例如说明本文所 述的实施例的典型宽容度或变化性。
[0038] 如本文所用，术语"暴露（expose) "、"暴露（exposing) "和"暴露（exposed) "是指 一特定物体经受一定程度的与另一物体的相互作用。一特定物体可暴露于另一物体，而这 两种物体彼此未呈实际或直接接触。另外，一特定物体可经由其与另一物体之间的间接相 互作用，例如经由中间组的物体暴露于另一物体。
[0039] 如本文所用，术语"纳米范围"或"nm范围"是指约Inm到约1 μπι的尺寸范围。所 述nm范围包括"较低nm范围"，其是指约Inm到约IOnm的尺寸范围；"中间nm范围"，其是 指约IOnm到约IOOnm的尺寸范围；和"较高nm范围"，其是指约IOOnm到约1 μ m的尺寸范 围。
[0040] 如本文所用，术语"微米范围"或" μL?范围"是指约1 μL?到约Imm的尺寸范围。 所述μπι范围包括"较低μπι范围"，其是指约1 μπι到约10 μπι的尺寸范围；"中间μπι范 围"，其是指约10 μ m到约100 μ m的尺寸范围；和"较高μ m范围"，其是指约100 μ m到约 Imm的尺寸范围。
[0041] 如本文所用，术语"纵横比"是指物体的最大尺寸或范围与所述物体的剩余尺寸或 范围的平均值的比率，其中所述剩余尺寸关于彼此且关于所述 最大尺寸正交。在一些情况 下，物体的剩余尺寸可实质上相同，且所述剩余尺寸的平均值可实质上对应于所述剩余尺 寸的任一者。例如，圆柱体的纵横比是指所述圆柱体的长度与所述圆柱体的横截面直径的 比率。作为另一实例，椭圆体的纵横比是指所述椭圆体的长轴与所述椭圆体的短轴的比率。
[0042] 如本文所用，术语"纳米结构"是指具有至少一个在nm范围内的尺寸的物体。纳 米结构可具有多种形状中的任一种，且可由多种材料形成。纳米结构的实例包括纳米线、纳 米管和纳米粒子。
[0043] 如本文所用，术语"纳米线"是指实质上呈固体的细长纳米结构。典型地，纳米线 具有在nm范围内的横向尺寸（例如，呈宽度、直径或表示跨正交方向的平均值的宽度或直 径形式的横截面尺寸）、在ym范围内的纵向尺寸（例如，长度）和约5或更大的纵横比。
[0044] 如本文所用，术语"纳米管"是指细长、中空纳米结构。典型地，纳米管具有在nm范 围内的横向尺寸（例如，呈宽度、外径或表示跨正交方向的平均值的宽度或外径形式的横 截面尺寸）、在ym范围内的纵向尺寸（例如，长度）和约5或更大的纵横比。
[0045] 如本文所用，术语"纳米粒子"是指椭圆体纳米结构。典型地，纳米粒子的各尺寸 (例如，呈宽度、直径或表示跨正交方向的平均值的宽度或直径形式的横截面尺寸）是在nm 范围内，且所述纳米粒子具有小于约5,例如约1的纵横比。
[0046] 水灭菌装詈
[0047] 本发明的实施例涉及使用可有效地灭活细菌、病毒、原生动物和其它非所需生物 体的多孔结构对水或其它流体进行灭菌。某些实施例在多孔支撑物中并入纳米结构以生成 导电且高表面积的结构来用于水中病原体的有效、高通量灭活。其它实施例在多孔支撑物 中并入涂层或膜以生成类似的或进一步改进的性能。值得注意地，不同于常规基于膜的方 法，本文描述的多孔结构不需要依赖于病原体的尺寸排阻，而是将跨越多个长度规的组件 组合成灭活通过所述多孔结构的细菌的构架，其中所述尺寸排阻可涉及高压降且可导致堵 塞。在一些实施例中，使用这类多孔结构会导致重力给料的抗生物结垢装置，所述装置可以 比常规基于膜的方法快的流动速率灭活病原体，同时消耗较少能量。此外，所述改进的性能 可用短培育时间实现且不需要如同氯化中使用化学添加剂。
[0048] 如上文所注，多孔结构的一个组件是多孔支撑物，其可关于其材料组成、其孔隙尺 寸和其孔隙率加以表征。视特定实施例而定，多孔支撑物可由绝缘、导电或半导电材料形 成，或可由具有特征组合的材料组合形成。在一些实施例中，多孔支撑物包括纤维材料，即 包括纤维的基质或网络的材料，所述纤维可为编织或非编织的。纤维材料的实例包括纸、木 材和织物，包括由天然纤维，例如棉、亚麻和大麻形成的材料，和由合成纤维，例如丙烯酸纤 维、聚酯、人造纤维（rayon)以及呈碳纤维布形式的碳纤维形成的材料。也涵盖其它类型的 多孔支撑物，例如可透膜或半透膜、发泡体、海绵和由金属或其它导电材料形成的网。海绵 的实例包括由纤维素、聚氨酯、聚醚、聚酯、聚乙烯醇和其它发泡聚合物形成的海绵，且网的 实例包括由铝、铜、镍和不锈钢形成的网。
[0049]多孔支撑物的孔隙尺寸可基于待灭活的病原体的典型尺寸来选择。例如，在细菌 的情况下，可选择孔隙尺寸大于待灭活的细菌的典型尺寸，由此允许细菌通过，而很少或不 使多孔支撑物堵塞。在一些实施例中，多孔支撑物可包括充分定尺寸在μ m范围内的孔隙， 例如至少约5 μL?或至少约10 μL?且高达约Icm或高达约1mm，且更具体说来，孔隙尺寸可 在约5 μ m到约1mm、约5 μ m到约900 μ m、约10 μ m到约800 μ m、约10 μ m到约700 μ m、约 10 μ m 到约 600 μ m、约 100 μ m 到约 600 μ m、约 200 μ m 到约 600 μ m、约 300 μ m 到约 600 μ m、 约 10 μ m 到约 500 μ m、约 100 μ m 到约 500 μ m、约 200 μ m 到约 500 μ m、约 300 μ m 到约 500 μ m、约 10 μ m 到约 400 μ m、约 20 μ m 到约 400 μ m、约 30 μ m 到约 300 μ m、约 40 μ m 到约 300 μ m、约50 μ m到约300 μ m或约50 μ m到约200 μ m的范围内。在其它类型的病原体的 情况下，孔隙尺寸可根据这些病原体的典型尺寸适当地选择。例如，在病毒的情况下，可选 择孔隙尺寸在nm范围内，例如至少约IOOnm且高达约1 μ m。可在水过滤速度与孔隙尺寸之 间作出折衷。在一些实施例中，多孔支撑物可包括定尺寸在μπι范围内的孔隙，例如至少约 2 μπι或至少约5 μπι且高达约100 μπι或高达约1mm。应了解，多孔支撑物的孔隙可具有尺 寸分布，且孔隙尺寸可指跨所述尺寸分布的有效尺寸或所述尺寸分布的平均值或中值。海 绵、网或包括充分且均匀地定尺寸的孔隙的其它多孔支撑物的使用可减轻多孔支撑物的堵 塞和生物结垢。在一些实施例中，孔隙尺寸的分布的标准偏差可不大于所述尺寸分布的平 均值的约80%，例如不大于约70%、不大于约60%、不大于约50%、不大于约40%、不大于 约30%、不大于约20%且降到约10%、降到约5%或更低。用于测定孔隙尺寸的技术的实 例是所谓的"挑战测试"，其中向多孔支撑物提供已知尺寸分布的椭圆体粒子且通过粒子尺 寸分析器来测量下游改变。使用所述挑战测试，可由校准曲线图测定孔隙尺寸，其中所述孔 隙尺寸对应于多孔支撑物的有效截止点。在一些实施例中，这个截止点可对应于可实质上 未由多孔支撑物阻断而通过的椭圆体粒子的最大尺寸。
[0050] 多孔支撑物的另一特征是其孔隙率，所述孔隙率是由于多孔支撑物中存在孔隙或 任何其它开放空间而产生的空隙的范围的量度。孔隙率可表示为空隙体积相对于总体积的 比率，即在〇与1之间，或表示为〇%与100%之间的百分比。在一些实施例中，多孔支撑物 的孔隙率可为至少约〇. 05或至少约0. 1且高达约0. 95,且更具体说来，孔隙率可在约0. 1 到约0. 9、约0. 2到约0. 9、约0. 3到约0. 9、约0. 4到约0. 9、约0. 5到约0. 9、约0. 5到约 0. 8或约0. 6到约0. 8的范围内。用于测定孔隙率的技术包括例如孔隙度测定法和光学或 扫描技术。可在多孔支撑物中并入纳米结构或其它组件以便实质上保持所述多孔支撑物的 最初孔隙尺寸和最初孔隙率且因此，与上文规定的孔隙尺寸和孔隙率相关的范围和其它特 征也适用于所得多孔结构。
[0051] 如上文所注释，其它组件可并入多孔支撑物中以向所得多孔结构赋予所需功能且 在一些实施例中，所述其它组件对应于纳米结构。视特定实施例而定，可并入单一类型的纳 米结构，或可并入两种或两种以上不同类型的纳米结构以赋予功能的组合。
[0052] 纳米结构可关于其材料组成、其形状和其尺寸加以表征。视特定实施例而定，纳米 结构可由绝缘、导电或半导电材料形成，或可为由具有特征组合的材料组合形成的异质结 构，例如在核-壳或多层配置中。用于形成纳米结构的技术包括例如摩擦、喷雾热解、气相 生长、气-液-固生长、胶体合成、静电纺纱、热注入、激光烧蚀和基于溶液的合成。在一些 实施例中，多孔结构经由电机制提供灭菌，其中多孔支撑物和纳米结构的高表面积连同在 所述纳米结构附近的感应电场提供有效的细菌灭活。在多孔支撑物绝缘的情况下，所述纳 米结构的至少一个子集可为导电或半导电的以向所述多孔结构赋予导电性。例如，纳米结 构可由金属、金属合金、金属娃化物、金属氮化物、金属硫化物、金属碳化物、半导体、导电聚 合物、金属氧化物的掺杂形式或所述材料的组合形成，且更具体说来，纳米结构可由铜、金、 镍、钯、钼、银、锌、错、钛、铁、碳（例如，呈石墨烯或纳米管的形式）或另一 IVB族元素（例 如，硅或锗）、IVB-IVB族二元合金（例如，碳化硅）、IIB-VIB族二元合金（例如，氧化锌）、 IIIB-VB族二元合金（例如，氮化铝），或IB族（或11族）元素、IIB族（或12族）元素、 IIIB族（或13族）元素、IVB族（或14族）元素、VB族（或15族）元素、VIB族（或16 族）元素和VIIB族（或17族）元素的另一二元、三元、四元或高阶合金形成。在多孔支撑 物导电的情况下，可省略任选导电或半导电的纳米结构。
[0053] 除了或代替经由电机制灭菌，还可通过使用具有针对灭活细菌、病毒或其它病原 体的固有活性的材料来实现灭菌。例如，并入的纳米结构的至少一个子集可由具有固有抗 微生物活性的材料或所述材料的组合形成，例如银（或另一贵金属）、铜、镍或另一杀细菌 材料。由金属（例如银）形成的纳米结构的使用可用于双重目的，即向所得多孔结构赋予 导电功能以及杀细菌功能。
[0054] 纳米结构可具有多种形状中的任一种，例如椭圆体、四面体、三角锥、圆盘型、金字 塔型、盒型、管型、圆柱体、管状、线型、树枝型和多种其它几何和非几何形状。纳米结构的实 例包括富勒稀、铜纳米线、镍纳米线、银纳米线、锗纳米线、娃纳米线、娃化物纳米线、金属氧 化物纳米线（例如，氧化锌纳米线、氧化铜纳米线和氧化铁纳米线）、金属碳化物纳米线、碳 纳米管（例如，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管）和核-壳纳米线（例如，由铜、镍或银形成 的壳，围绕由另一材料形成的核）。在一些实施例中，并入的纳米结构的至少一个子集对应 于高纵横比纳米结构，例如纳米管、纳米线或纳米管与纳米线的组合。高纵横比纳米结构可 具有大表面积以用于与多孔支撑物的构架的更强且直接耦合，而不需要化学策略来提供所 述耦合。此外，高纵横比纳米结构的使用可增加相邻纳米结构之间结形成的发生，且可通过 相对于纳米粒子的使用减少跳跃或隧穿事件的数目来形成有效电荷输送网络。然而，预期 纳米粒子可与高纵横比纳米结构组合或代替高纵横比纳米结构使用。
[0055] 例如，多孔结构可包括纳米线，例如银纳米线，所述纳米线的平均或中值直径在约 Inm到约200nm、约Inm到约150nm、约IOnm到约100nm、约20nm到约100nm、约30nm到约 IOOnm或约40nm到约IOOnm的范围内，平均或中值长度在约500nm到约100 μ m、约800nm到 约50 μ m、约1 μ m到约40 μ m、约1 μ m到30 μ m、约1 μ m到约20 μ m或约1 μ m到约10 μ m 的范围内，且平均或中值纵横比在约5到约2, 000、约50到约1，000、约100到约9 00、约100 到约800、约100到约700、约100到约600或约100到约500的范围内。
[0056] 作为另一实例，多孔结构可包括纳米管，例如碳纳米管，所述纳米管的平均或中值 直径（例如，外径）在约Inm到约200nm、约Inm到约150nm、约IOnm到约lOOnm、约20nm到 约lOOnm、约30nm到约IOOnm或约40nm到约IOOnm的范围内，平均或中值长度在约500nm到 约 100 μ m、约 800nm 到约 50 μ m、约 1 μ m 到约 40 μ m、约 1 μ m 到 30 μ m、约 1 μ m 到约 20 μ m 或约1 μπι到约10 μπι的范围内，且平均或中值纵横比在约5到约2, 000、约50到约1，000、 约100到约900、约100到约800、约100到约700、约100到约600或约100到约500的范 围内。
[0057] 在多孔支撑物中并入纳米结构可以多种方式进行。例如，纳米结构可形成且接着 分散于水溶液或非水溶液中以形成墨水。也可包括表面活性剂、分散剂和其它调节流变学 的添加剂。接着，包括分散的纳米结构的墨水可使用多种涂布技术中的任一种，例如喷涂、 印刷、滚涂、幕涂、凹版涂布、槽模、杯涂、刮涂、浸没、浸涂和移液施用于多孔支撑物，接着为 所述溶液的干燥或其它去除。还预期，纳米结构可在多孔支撑物上，例如通过使所述多孔支 撑物的表面暴露于前体溶液而当场形成。进一步预期，纳米结构可以浆料形式施用于多孔 支撑物。
[0058] 纳米结构与多孔支撑物之间的耦合可依赖于所述纳米结构在所述多孔支撑物的 孔隙内的机械缠结、墨水相对于所述多孔支撑物的构架的粘着特征、所述构架的表面电荷、 所述构架的官能团或这些机制的组合。在一些实施例中，纳米结构与多孔支撑物之间的耦 合可涉及化学键的形成，包括共价键和非共价键，例如范德瓦尔斯相互作用、氢键、基于疏 水力的键、基于JT-Ji相互作用的键和基于静电相互作用的键（例如，阳离子与阴离子之间 或偶极-偶极相互作用）。预期纳米结构可官能化或以其它方式处理以促进化学键的形成。
[0059] 除了或代替纳米结构，还可将一组涂层或膜并入多孔支撑物中以向所得多孔结构 赋予所需功能。视特定实施例而定，可并入单一涂层，或可并入两个或两个以上涂层以赋予 功能的组合。
[0060] 涂层可关于其材料组成和其厚度加以表征。视特定实施例而定，涂层可由绝缘、导 电或半导电材料形成，或可由具有特征组合的材料组合形成。用于施用涂层的技术包括例 如化学沉积（例如，电镀、化学溶液沉积（或溶胶-凝胶沉积）和化学气相沉积（例如等离 子体增强化学气相沉积））、物理沉积（例如，热蒸发、溅射、脉冲激光沉积、阴极电弧沉积和 电喷雾沉积）、原子层沉积、反应溅射和分子束外延。在一些实施例中，灭菌经由电机制发 生，且在多孔支撑物绝缘的情况下，至少一个涂层可导电或半导电以向所得多孔结构赋予 导电性。例如，涂层可由金属、金属合金、金属硅化物、半导体、导电聚合物、金属氧化物的掺 杂形式或所述材料的组合形成且更具体说来，涂层可由如上文关于纳米结构的情况所列的 材料形成。
[0061] 在其中灭菌经由电机制发生的一些实施例中，至少一个涂层可绝缘以提供屏障功 能。这类绝缘涂层可共形地安置以实质上覆盖多孔支撑物的活性表面，由此允许在经涂布 的多孔支撑物与相邻电极之间省略隔板。此外，这类绝缘涂层可阻止朝向（或来自）相邻 电极的电流漏泄，所述电流漏泄可在其它情况下耗散功率且降低针对病原体的灭活效率。 通过减轻功率耗散，可以降低的功率和能量需求实现所需的灭活效率。例如，涂层可由介 电材料、陶瓷或所述材料的组合形成且更具体说来，涂层可由金属氧化物（例如氧化锌（或 ZnO)、氧化铝（或Al2O3)或氧化锆（或ZrO2))、非金属氧化物（例如二氧化硅（或SiO 2))、 碳化物、硼化物、氮化物或硅化物形成。
[0062] 涂层的厚度可基于权衡考虑因素的组合来选择，例如提供屏障功能，同时保持适 当电场且保持简易且低成本的制造。在一些实施例中，涂层的厚度可在nm范围或μπι范围 内，例如至少约3nm或至少约IOnm且高达约100 μ m或高达约10 μ m，且更具体说来，涂层厚 度可在约3nm到约10 μ m、约IOnm到约10 μ m、约IOOnm到约10 μ m、约200nm到约10 μ m、约 300nm 到约 10 μ m、约 400nm 到约 10 μ m、约 500nm 到约 10 μ m、约 500nm 到约 5 μ m、约 600nm 到约5 μ m、约700nm到约5 μ m、约800nm到约5 μ m、约900nm到约5 μ m或约900nm到约3 μ m 的范围内。应了解，涂层可具有跨多孔结构的厚度分布，且所述涂层的厚度可指跨所述多孔 结构的有效厚度或所述厚度分布的平均值或中值。用于测定涂层厚度的技术的实例涉及目 视检查在跨多孔结构的一或多个位置处的横截面样品。用于测定涂层厚度的技术的另一实 例涉及基于在相同加工条件下施用于参考晶片或另一参考衬底时涂层的对应厚度来关联 或估算所述厚度。
[0063] 在其中灭菌经由电机制实现的实施例中，多孔结构可具有不大于约1，000 Ω/sq、 不大于约500 Ω /sq、不大于约400 Ω /sq、不大于约300 Ω /sq、不大于约200 Ω /sq、不大于约 100 Ω /sq、不大于约50 Ω /sq、不大于约25 Ω /sq或不大于约10 Ω /sq且降到约1 Ω /sq、降 到约0. ΙΩ/sq或更低的薄层电阻。多孔结构的另一特征是其电阻率，其在一些实施例中不 大于约1,000 Ω · cm、不大于约500 Ω · cm、不大于约400 Ω · cm、不大于约300 Ω · cm、不大 于约200 Ω · cm、不大于约100 Ω · cm、不大于约50 Ω · cm、不大于约25 Ω · cm或不大于约 10 Ω · cm且降到约1 Ω · cm、降到约0· 1 Ω · cm或更低。
[0064] 注意力转回图1，其说明根据本发明的一个实施例实施的水灭菌装置100。所述装 置100包括导管102,所述导管提供用于待处理的流体流的通道。在所说明的实施例中，所 述流体流是待灭菌的水流，且所述导管102包括入口 104,所述入口允许未处理的水进入， 和出口 106,所述出口允许处理过的水离开。
[0065] 所述装置100还包括多孔结构108,所述多孔结构是容纳在所述导管102中且安置 在所述入口 104与所述出口 106之间。在所述装置100的操作期间，水流通过所述多孔结 构108且在通过所述多孔结构108的孔隙时灭菌。尽管图1中说明单一多孔结构108,但预 期可包括多个多孔结构以提供流体流的多阶段连续灭菌。
[0066] 在所说明的实施例中，至少部分地经由电机制实现灭菌，其中所述多孔结构108 用作多孔电极。具体说来，所述装置100进一步包括反电极112和电源110,所述电源耦合于 所述多孔结构108和所述反电极112。所述反电极112是容纳于所述导管102中且与所述 多孔结构108间隔开一定距离d，所述距离可为至少约1 μ m、至少约5 μ m或至少约10 μ m， 且高达约100 μ m、高达约200 μ m、高达约500 μ m、高达约Icm或高达约10，。所述电源110 可作为电压源实施，所述电压源在所述多孔结构108与所述反电极112之间施加电压差，例 如在约-100V到约+100V (例如约-100V到约OV或约OV到约+100V)、约-80V到约+80V (例 如约-80V到约OV或约OV到约+80V)、约-50V到约+50V (例如约-50V到约OV或约OV到约 +50V)、约-30V到约+30V(例如约-30V到约OV或约OV到约+30V)、约-20V到约+20V (例 如约-20V到约OV或约OV到约+20V)、约-IOV到约+IOV (例如约-IOV到约OV或约OV到 约+10V)、约-5V到约+5V(例如约-5V到约OV或约OV到约+5V)、约-2V到约+2V(例如 约-2V到约OV或约OV到约+2V)、约-IV到约+IV (例如约-IV到约OV或约OV到约+IV)、 约-0. 5V到约+0. 5V(例如约-0. 5V到约OV或约OV到约+0. 5V)、约-0. 2V到约+0. 2V (例 如约-0. 2V到约OV或约OV到约+0. 2V)或约-0.1 V到约+0.1 V (例如约-0.1 V到约OV或约 OV到约+0.1 V)的范围内的电压差。施加电压会在所述多孔结构108附近感应电场，且当水 流通过所述多孔结构108且经受所述电场时，其至少部分地灭菌，所述电场可在约10V/m到 约 1012V/m、约 102V/m 到约 10nV/m、约 103V/m 到约 101QV/m、约 103V/m 到约 109V/m、约 104V/m 到约 109V/m、约 104V/m 到约 108V/m、约 105V/m 到约 108V/m、约 105V/m 到约 107V/m 或约 IO5V/ m到约106V/m的范围内。
[0067] 如图1中所说明，所述多孔结构108包括跨越多个长度规的多种组件以提供功能 组合。多孔支撑物用作所述多孔结构108的骨架。例如，所述多孔支撑物可为海绵，其具有 多种所需特征，包括高比表面积、实质上连续的构架和高孔隙率。所述海绵的孔隙可在数 十到数百微米的范围内，其大于细菌和其它病原体的典型尺寸以避免或减少操作期间的堵 塞。
[0068] 所述多孔结构108的另一组件对应于纳米管，例如碳纳米管。所述纳米管共形地 涂布于所述多孔支撑物上以在所述多孔结构108的大部分或所有活性表面积上赋予导电 性。以所述方式，可将所述多孔结构108放置于控制电势下且在溶液中用作多孔电极。所 述纳米管的互连配置也可有助于所述多孔结构108的导电性。
[0069] 所述多孔结构108的另一组件对应于纳米线，例如银纳米线，所述纳米线的平均 或中值直径在约40nm到约IOOnm的范围内且平均或中值长度在约1 μπι到约10 μπι的范围 内。银纳米线可为所需的，因为银是有效的杀细菌剂。另外，各银纳米线可具有多个接触点 以强烈耦合于所述多孔支撑物。此外，银纳米线可形成有效的互连电荷输送网络，且归因于 所述银纳米线的纳米级直径的强烈电场可用于高度有效的细菌灭活。
[0070] 参看图1，所述装置100是作为重力给料装置实施，且可在以所述多 孔结构108 的活性表面积计约 10, 000lV(h · m2)到约 200, OOOlVGi · m2)、约 10, OOOlVGi · m2)到约 150, 000lV(h · m2)、约 50, 000lV(h · m2)到约 150, 000lV(h · m2)或约 80, 000lV(h · m2)到 约120,000lV(h ·πι2)的范围内的流动速率下操作。预期其它流动速率，例如在约1，000L/ (h · m2)到约 10, 000L/(h · m2)、约 10L/(h · m2)到约 1，000L/(h · m2)或约 IL/ (h · m2)到 约10lV(h·!!!2)的范围内。细菌和其它病原体的高通量灭活可通过经由所述多孔结构108 重力进料来实现，所述多孔结构是放置在适度电压下以供低功率消耗。例如，所述装置100 的操作可产生至少约60%、至少约70%、至少约80%、至少约85%、至少约90%、至少约 95%、至少约98%、至少约99%、至少约99. 5%、至少约99. 9%、至少约99. 95%、至少约 99. 99%、至少约99. 999%、至少约99. 9999%或更大的细菌灭活效率。所述灭活效率可由 短处理时间实现，例如在约〇.186(3到约1111；[11、约0.186(3到约5086(3、约0.586(3到约4086(3、 约 0· 5sec 到约 30sec、约 0· 5sec 到约 20sec、约 0· 5sec 到约 10sec、约 0· 5sec 到约 5sec、约 0. 5sec到约3sec或约0. 5sec到约2sec的范围内。就权衡性能对功率消耗来说，预期可包 括泵或其它流动控制机制（图1中未说明）以增加所述装置100的灭活通量。还预期所述 电源110可为振荡或脉冲源以用于灭活效率的进一步改进，例如在约IkHz到约1，000kHz、 约IOkHz到约1，000kHz或约IOOkHz到约1，000kHz的范围内的频率下感应交变电场。
[0071] 不希望受特定理论束缚，可根据以下机制中的任一种或组合实现细菌和其它病原 体的灭活。首先，银是固有的杀细菌材料，且未处理的水中的细菌暴露于银纳米线（或由另 一杀细菌材料形成的纳米结构）可导致细菌灭活。其次，向所述多孔结构108施加电压可 产生充分强度的电场以通过经由纳米结构辅助的电穿孔击穿细胞膜来不利地影响细胞存 活率。第三，在电场或电流存在下溶液化学性质的改变，包括pH改变以及杀细菌物质的当 场形成，可为另一灭菌机制。如上文所注，这些机制中的两者或两者以上可共同操作以灭活 细菌和其它病原体。
[0072] 所述装置100可作为使用点滤水器操作以去活化在水中的病原体。或者，且如图 2中所说明，所述装置100可并入水过滤系统200中，用作上游单元来去活化可引起下游过 滤单元202 (例如水脱盐装置中的反渗透单元）中的生物结垢的生物体。所述装置100和 本文所述的其它实施例可通过减少生物结垢的发生且因此减少更换下游过滤器的频率来 显著降低针对水以及食物、空气和医药品的大量过滤技术的操作成本。
[0073] 图3说明根据本发明另一实施例实施的水灭菌装置300。所述装置300包括导管 302,所述导管包括入口 304和出口 306。所述装置300还包括多孔电极308,所述多孔电极 是容纳在所述导管302中且安置在所述入口 304与所述出口 306之间；和电源310,所述电 源耦合于所述多孔电极308。所述装置300的某些方面可以如先前关于图1和图2所述的 类似方式实施，且这些方面不在下文中重复。
[0074] 参看图3,所述装置300包括另一多孔电极312,所述多孔电极耦合于所述电源 310。所述多孔电极312是容纳于所述导管302中且与所述多孔电极308间隔开一定距离 d'，所述距离可为至少约5 μ m或至少约10 μ m，且高达约100 μ m、高达约200 μ m、高达约 500 μ m、高达约Icm或高达约10cm。由多孔绝缘材料形成的隔板314是安置在所述多孔电 极308与312之间以在所述多孔电极308与312之间维持所需间隔且防止电短路。预期所 述隔板314可省略，例如在其中绝缘涂层并入所述多孔电极308与312中的任一者或两者 中的实施例中。所述多孔电极308与312可类似地实施，或可在至少一个组件方面有所不 同，例如就其组成性多孔支撑物、其组成性纳米结构或两者来说。在所述装置300的操作期 间，水流通过所述多孔电极308与312且在通过所述多孔电极308与312的孔隙时灭菌。在 所说明的实施例中，至少部分地经由电机制实现灭菌，且所述电源310在所述多孔电极308 与312之间施加电压差，以致所述水流经受电场。纳入所述多孔电极对308与312会提供所 述水流的两阶段连续灭菌，且可产生细菌灭活效率的进一步改进，例如至少约95%或至少 约98 %，且尚达约99 %、尚达约99. 5 %、尚达约99. 9 %、尚达约99. 99 %、尚达约99. 999 % 或更高。
[0075] 图4说明根据本发明另一实施例实施的水灭菌装置400。所述装置400包括导管 402,所述导管包括入口 404和出口 406。容纳于所述导管402中的是一对多孔电极408与 412,其耦合于电源410 ;和隔板414,其安置在所述多孔电极408与412之间。所述装置400 的某些方面可以如先前关于图1到图3所述的类似方式实施，且这些方面不在下文中重复。
[0076] 如图4中所说明，所述导管402、所述多孔电极408与412和所述隔板414各具有 实质上管状形状，其中所述隔板414邻近于所述多孔电极412的外表面同心地安置，且其中 所述多孔电极408邻近于所述隔板414的外表面同心地安置。在所述装置400的操作期间， 水流最初通过所述多孔电极412,接着通过所述隔板414,接着通过所述多孔电极408,且接 着经过所述导管402与所述多孔电极408之间的间隙离开所述装置400。还预期，流动方向 可针对另一实施例反转。
[0077]
[0078] 以下实例描述本发明一些实施例的具体方面以对所属领域的技术人员进行说明 且提供描述。所述实例不应解释为限制本发明，因为所述实例仅提供适用于理解且实施本 发明一些实施例的具体方法。
[0079] 实例 1
[0080] 基于海绵的多孔结构
[0081] 结果和讨论:这一实例提供了用于一维纳米结构辅助的电穿孔的技术,以经由由 基于海绵的电极形成的装置进行水灭菌。如图5中所示，一维纳米结构可产生足以在若干 伏特而非数千伏特的下降电压下引起电穿孔的强电场。电穿孔发生的小的时标允许约Isec 的快速处理。基于海绵的灭菌装置对于四种模型细菌，包括大肠杆菌、血清型鼠伤寒肠道沙 门氏菌、粪肠球菌和枯草杆菌实现超过约61og去除，且对于模型病毒噬菌体MS2实现超过 约21og去除，具有最高约100J/L的低能量消耗。
[0082] 水灭菌装置的配置显示于图6A中。所述装置包括一对导电且多孔结构，所述结构 各由涂布有碳纳米管（"CNT"）和银纳米线（"AgNW"）的聚氨酯海绵形成。施用于所述海 绵的CNT涂层使得其导电。AgNW涂层产生分布于海绵的表面上的大量纳米级尖端。由于 AgNW的高导电性和所述纳米级尖端结构，在AgNW附近的电场相对于由不具有纳米线的平 整表面产生的电场增加数个数量级。用作骨架的聚氨酯海绵是廉价且柔性的。这种海绵具 有实质上均匀的孔隙且提供连续构架。为了使其导电，通过浸涂法使用CNT水性墨水将CNT 涂布于所述海绵的表面上，且在约90°C下干燥。通过相同方法使用AgNW的甲醇墨水涂布 AgNW。最后，用蒸馏水冲洗经涂布的海绵且干燥。在涂布后，所述CNT和所述AgNW均匀地 分布于所述海绵的表面上，且所述海绵的构架未改变到可测量的程度。所述海绵的电阻率 降到约1Ω · cm。制造工艺和所得多孔结构的扫描电子显微术（"SEM"）表征显示于图6B 到图6G中。海绵材料的选择对所述多孔结构产生若干优势。首先，具有很少或不具有内部 回路的海绵的连续构架为涂布所述海绵的CNT和AgNW提供自然渗滤途径以使得整个结构 导电。此外，所述海绵的孔隙尺寸均一地为约400 μ m，其比典型细菌和病毒大得多。这防止 病原体阻断水程并引起水流动速率降低。此外，所述海绵的三维构架增加对病原体的暴露， 由此引起抗微生物功能的增强。
[0083] 关于细菌多样性，使用四种不同类型的细菌，即大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、粪肠 球菌和枯草杆菌来研宄灭菌性能。基于由革兰氏染色方法表征的细胞壁结构差异，细菌可 分类为两组，即革兰氏阴性和革兰氏阳性（参看图7A)。相对于约7nm到约8nm的革兰氏阴 性细菌中的对应肽聚糖层，革兰氏阳性细菌典型地具有约20nm到约SOnm的较厚肽聚糖层。 四种所选细菌包括两种革兰氏阳性细菌和两种革兰氏阴性细菌。另外，枯草杆菌是产孢子 细菌且因此可用作消毒实验中原生动物的模型。
[0084] 在操作期间，将0-20V的变化的外加电压施加于所述多孔结构对。使用蠕动泵使 所述装置的流动速率保持在约I. 5L/h或约15, OOOlVGi ·πι2)下。约IO7个细菌群落形成单 元（"CFU"）/ml的初始水样品流经所述装置，且从出口收集处理过的水。使用涂板方法评 估灭活效率（参看图7B)。初始和处理过的水样品均分散于琼脂板上，且接着经受生长过 夜。各活细胞将生长成细菌群落，且通过计算群落数目，计算细菌消毒（或灭活）效率。四 种类型的细菌的消毒效率的对数显示于图7C-7F中。结果显示，细菌消毒效率随着外加电 压增加而增加，指示更强电场会引起更有效的消毒。对于超过约IOV的电压，所有四种细菌 均显示在约Isec的暴露时间下超过约61og去除。大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌几乎在过滤 后即刻灭活，而粪肠球菌在灭活之前经受约2h的休眠或沉淀期。有趣的是，这种现象并未 针对枯草杆菌观察到。沉淀期可从约2h变化，例如在约0. 5h到约4h或约Ih到约3h的范 围内。所述装置的能量消耗极低。例如，在IOV的电压下，能量消耗为约100J/L。
[0085] 还研宄针对病毒的灭菌性能，且结果显示于图8中。病毒的尺寸典型地比细菌小 得多且典型地更稳固。使用噬菌体MS2测试灭菌性能，所述噬菌体MS2可用作人类肠病毒 的代替物。约IO 7个病毒斑块形成单元（"PFU")/ml的初始水样品在如用于细菌的相同流 动速率，即约15,00017〇 1*!112)下 流经所述装置。在〇-20￥的不同外加电压下测试病毒消毒 效率。使用双层斑块分析来评估消毒效率。病毒连同宿主细菌一起培养过夜。活病毒将感 染细菌，归因于细菌生长的缺乏而在活病毒位置处形成斑块。以所述方式，通过计算在琼脂 板上形成的斑块的数目来评估病毒数目（参看图8A)。通过比较由初始水样品和处理过的 水样品形成的斑块的数目来计算消毒效率。结果显示与细菌类似的趋势（参看图8B)。消 毒效率随着外加电压增加而增加。在约20V的电压下，约99. 4%的流入病毒灭活。
[0086] 在所述装置中，分别基于大肠杆菌和粪肠球菌使用扫描电子显微术（"SEM"）和外 荧光显微术由膜渗透性染料确认细菌消毒机制是电穿孔。首先，使用SEM来表征固定的大 肠杆菌，所述大肠杆菌是未处理的和由基于海绵的装置处理过的（图9A-9C)。SEM图像显 示处理后的细菌膜损伤。小孔隙结构存在于细菌表面上；一些细菌的表面上具有超过一个 孔隙。染料染色实验进一步确认，电穿孔导致受损的细胞膜且可能导致细胞死亡。碘化丙 啶（"PI"）是一种DNA染料，在细胞膜受损时进入细胞且在外荧光显微镜下显现红色。PI 染料用于在处理后即刻染色粪肠球菌。使用磷酸盐缓冲溶液洗涤细菌以去除溶液中过量的 游离PI染料分子。荧光显微镜图像（参看图9D)显示当外加电压增加时，染色细胞的数目 增加且在约20V下，几乎所有细菌均染色。这一结果再次指示，在纳米线的辅助下，即使在 低电压下也会发生电穿孔。
[0087] 由粪肠球菌观察到一种有趣的现象，这进一步支持电穿孔机制。在处理后即刻，细 菌染色且观察到膜损伤。然而，当在这一阶段涂板时，细菌仍能够繁殖且在琼脂上形成群 落。这一观察结果指示，一些电穿孔产生的孔隙可修复，且具有所述孔隙的细胞可能够在养 分富集环境中繁殖。这一现象对于使用超过约IOV的电压处理的样品更显而易见（参看图 9E)。然而，在涂板之前使处理过的水休止约2h而无任何额外处理后，粪肠球菌不能繁殖和 在琼脂上形成群落。因此，这一结果指示细胞在休止期过程中死亡，这可能归因于细胞内与 细胞外环境之间的渗透压差异或化学不平衡。
[0088] 考虑到在处理期间使用电学发生的不同过程的时标，在ns的时标下的电穿孔足 够快以通过改变外加电压的频率而与其它因素区别开来。通过在约IOV的外加电压下从约 0到约IO 8Hz增加交流频率，可逐渐地降低在比电穿孔长的时标下发生的过程（例如电化学 反应）的作用。图9F中大肠杆菌的灭活效率显示，在约IOOHz到约IOOMHz的频率下消毒 实质上恒定为约41og去除，这指出电穿孔为细胞灭活的机制。在低频率与高频率之间的灭 活效率差异揭露，可逆和不可逆电穿孔均发生。且其它电化学相关因素，如水中的Ag+，可通 过在电穿孔后进入细胞而改进病原体灭活。
[0089] 检查来自AgNW的银的效果以评估其是否补充经由电穿孔发生的灭活且流出物中 的银是否造成健康风险。使用感应耦合等离子体-质谱分析（"ICP-MS"）测量流出物中的 总银（离子和粒子）浓度。从约5V到约15V，所述流出物具有约十亿分之七十（"ppb"） 的银浓度。最高银释放在约20V下出现，且所述流出物中的总银浓度为约94ppb，仅低于 IOOppb的国家饮用水标准（参看图10)。检查银的消毒效果且确定相比于电穿孔为次要的。 在这个实例中，在电场缺乏下，单独Ag +或其它电化学产生的物质显示较少消毒效率（参看 图 10)。
[0090] 因此，本实例中水灭菌的机制至少部分地依赖于高电场。当细菌通过两个平行的 基于海绵的结构时，其膜由于电穿孔而受损伤。这一损伤可导致细菌灭活，因为细菌无法再 从相对于细胞内环境在化学和物理方面相当不同的细胞外环境中分离自身。且由于细菌内 部与外部的渗透压差异，足量水可流入细菌中，引起细菌膨胀且导致灭活。或者或相结合， 所述渗透压差异可允许抗微生物剂（例如银粒子）容易地进入细胞，且可增加其抗微生物 功能的效率。因此，少量银粒子可有助于大量水中细菌的消毒。这一机制也与以下观察结 果一致：鉴于革兰氏阳性细菌中可阻止电穿孔发生的较厚肽聚糖层，革兰氏阳性细菌有时 比革兰氏阴性细菌更难以灭活。基于所述细菌的消毒研宄，预期病毒由类似机制灭活。由 于病毒的尺寸比细菌小得多，预期较大电场（其可表示为与病毒尺寸成反比）建立相同或 类似的跨膜电势以供电穿孔发生。这也与以下结果一致：使用相同外加电压时，病毒的消毒 效率低于细菌的对应效率。未具体评估所述基于海绵的结构灭活原生动物（例如隐孢子虫 (Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫（Giardia))的能力。然而，所述基于海绵的结构有效地 灭活枯草杆菌，所述枯草杆菌可用作原生动物的代替物，因为它是产孢子细菌。
[0091] 以所述方式，可实施水灭菌装置以便针对不同病原体（包括细菌和病毒）高度有 效。高水处理速度、低能量消耗和低成本使得所述装置为使用点水处理和其它应用所需要。
[0092] 多孔结构合成:通讨在具有约Iwt. %十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂的水中 分散约0.1 wt. %单壁CNT(碳溶液有限公司（Carbon Solution, Inc.)，加利福尼亚（CA)) 来制备CNT墨水。通过约5min浴声波处理和约30min探针声波处理将所述CNT分散于水 中。通过多元醇方法合成AgNW。具体说来，在约170°C下在具有约330mg聚（乙稀吡啶） 的约30ml乙二醇中还原约25mg AgCl，且接着缓慢添加约IOmL乙二醇中的约IlOmg AgN03。 在合成完成后，通过在约6,000rpm(费舍尔（FISHER)accuSpin 400)下离心三次将AgNW转 移到甲醇中以产生AgNW墨水。将聚氨醋海绵（麦克马斯特（McMaster-Carr),加利福尼亚 (CA))浸入CNT墨水中，在约90°C下干燥，且用DI水洗涤。这一浸渍过程重复三次。通过 将所述海绵浸入所述AgNW墨水中，在约90°C下干燥，且用DI水洗涤来涂布AgNW。此后，将 所述海绵切割成所需尺寸（IcmX lcmXO. 2cm)，且将所得基于海绵的结构放置在装置腔室 中且连接于蠕动泵。实验设置显示于图11中。
[0093] 细菌灭活测量:将大肠杆菌（JM109,普洛麦格（Promega))、鼠伤寒沙门氏菌 LT2 (ATCC 700720)、粪肠球菌（ATCC 19433)和枯草杆菌（ATCC 6633)培养到对数期（约 4-6h)，通过在约900g下离心来收集，且再悬浮于DI水中，之后使所述细菌离心且再悬浮于 DI水中2次。接着使用DI水将细菌稀释到约107CFU/mL。20ml所述溶液作为对照物在室 温下存储。50ml各细菌溶液以约I. 5L/h通过所述基于海绵的结构，同时施加不同电压（0、 5、10、15和20V)。在高压蒸汽处理的容器中收集流出物。使用标准铺展涂板技术来测量流 出物和对照物溶液中的细菌浓度。连续稀释各样品，且各稀释液一式三份涂板且在约37°C 下培育约18h。比较处理过的样品和对照样品以确定灭活程度。
[0094] 病毒灭活测量:在约37°C下，噬菌体MS2与大肠杆菌Famp宿主一起在设定为约 25rpm的振动台上生长，持续约24h。使用聚乙二醇沉淀方法来分离且浓缩MS2。制备约 IO7PFUAiL的溶液。这一溶液的一部分在室温下存储于暗处以用作对照物。剩余溶液以约 50mL等分试样在约I. 5L/h的流动速率下通过所述基于海绵的结构，同时使用不同电压（0、 5、10、15、20V)。在对照物中计数MS2且使用双琼脂层方法过滤流出物。比较处理过的样品 和对照样品以确定灭活程度。
[0095] 用于SEM表征的细菌样品制备:通过在约4, OOOrpm下离心约IOmin使大肠杆菌的 对照样品和在约20V下处理过的样品集结成粒，且去除上清液。在约4°C下使用约0.1 M二 甲胂酸钠缓冲液（约7. 3的pH)、约2%戊二醛和约4%多聚甲醛的溶液固定两种样品过夜， 且接着用相同缓冲液洗涤约5min。将样品分散于金属栅格上且在空气中干燥以用于SEM表 征。
[0096] ICP-MS测量:将五种由不同电压处理讨的细菌溶液各分成两组。所述五种样品和 对照样品的第一组是通过添加 HNO3到约2%来处理。第二组用约70% HNO 3处理且保持在 约50°C下的水浴中过夜，且接着稀释为2% HNO3溶液。所有样品均用0. 2 μπι过滤器过滤。 针对银离子浓度表征所述第一组和所述对照样品，且针对总银浓度表征所述第二组。
[0097] 生长曲线:将约10 7个大肠杆菌/mL的初始溶液分成三份。第一样品为对照样品。 第二样品用基于海绵的结构在约IOV下用约I. 5L/h的流动速率处理。且第三样品用约 IOOppb银离子处理。在处理后，将约Iml各样品添加到约30ml胰蛋白酶大豆肉汤（"TSB"） 培养基中且在约37°C下在设定为约25rpm的振动台上培养，持续约24h。使用分光计每隔 30min在670nm的波长下针对各样品测量光学密度。
[0098] PI染料染色:在通讨所沭基于海绵的结构用不同电压(0、5、10、15、20V)处理细菌 溶液后，将约10微升的lmg/mL PI染料溶液添加到约IOmL各流出物中，达到约1 μ g/mL的 最终浓度。使这一混合物在室温下休止约5min且接着在约4, OOOrpm下离心约IOmin。接 着在相同条件下使用磷酸盐缓冲溶液洗涤这些样品3次。使用荧光显微术检查样品。
[0099] 检杳银的杀细菌效果:为了测定银离子对灭活的影响，讲行实验以使用大肠杆菌 比较用单独银（约IOOppb)与用所述基于海绵的结构在约IOV下处理所实现的灭活。分别 用约IOOppb银离子和在约IOV下使用所述基于海绵的结构处理相同起始物的大肠杆菌溶 液。将小体积的两种处理过的溶液添加到作为生长培养基的营养肉汤中。每隔约30min用 分光计使用约670nm的波长测量所述生长培养基的光学密度以产生生长曲线，从而在两种 处理过的溶液中评估可培养细菌的存在（参看图10B)。接种不接受任何处理的起始细菌溶 液的对照样品的肉汤显示在接种后约60min时开始的指数生长期。用约IOOppb八8^3 3溶 液处理过的样品显示在指数生长之前较长的停滞期，其在约120min时开始。用所述基于海 绵的结构处理过的样品显示无可检测的生长。即使在接种24h后，接种来自所述基于海绵 的结构的流出物的肉汤也无细菌生长（参看图IOB插图）。因此，使用所述基于海绵的灭菌 装置的消毒比使用单独银离子 更有效，指示消毒依赖于电穿孔。
[0100] 也检查且确认来自所述基于海绵的结构的电化学产生的物质的效果以不产生可 检测的消毒效果。在约IOV处理下进行两个平行实验。这两个实验之间的差异在于，在泵送 DI水通过所述装置的情况下，大肠杆菌在一个实验中是在入口之前引入且在另一实验中是 正好在出口之后引入，使得两个大肠杆菌样品将经历具有相同银浓度的相同水环境；然而， 在入口之前引入的样品将经历高电场。正好在出口之后引入的大肠杆菌具有几乎与引入的 初始浓度相同的细菌浓度。即，未发生可检测的消毒（图10C)。相比之下，在入口之前引入 的细菌实质上完全灭活。这一结果确认，电化学产生或洗去的银或其它物质不会在电场缺 乏下使细菌失活到可检测范围。这一结果进一步确认，电穿孔是水消毒的主要机制。
[0101] 在不同DH下的消毒效率:细菌溶液化学件质可影晌消毒效率。在处理后，可逆电 穿孔孔隙可开始消除且闭合。与DI水相比在不同pH的磷酸盐缓冲溶液中评估在约IOV下 处理的大肠杆菌的消毒效率。如图12中所示，具有pH 7的缓冲溶液显示最低消毒效率。
[0102] 实例 2
[0103] 电介质涂布的多孔结构
[0104] 水灭菌装置的配置显示于图13中。所述装置包括一对导电金属网。尽管未在图 13中显示，但呈一块布形式的织物用作这对金属网之间的隔板。针对其中金属网分别用介 电材料以约〇. 7 μπι和约1. 5 μπι的厚度涂布的两种测试配置来评估灭菌性能。经由等离子 体增强化学气相沉积进行所述介电材料的涂布。也在所述介电材料涂层缺乏下评估对照配 置。在操作期间，将0-20V的变化的外加电压施加于这对金属网，且使所述装置的流动速率 保持在约1.5L/h下。具有初始细菌浓度（C。）的流入水样品流经所述装置，且收集具有处 理过的细菌浓度（C)的流出水样品。灭活效率计算为（I -C/C。)，且灭活效率的对数计算为 (-Iogltl(C/C。)）。结果陈述于下表1中。结果显示细菌灭活效率随外加电压增加而增加， 且纳入所述介电材料涂层允许在降低的功率消耗下获得高灭活效率。例如，在5V的共同电 压下，具有约1. 5 μπι厚度的电介质涂层的测试配置在约4. SmW的低功率消耗下产生大于 99. 99%的灭活效率，而具有约0. 7 μ m厚度的电介质涂层的测试配置在约85mW的较高功率 消耗下产生约99. 98%的略微较低的灭活效率，且不具有所述电介质涂层的对照配置在约 400mW的更高功率消耗下产生约99. 91 %的更低灭活效率。
[0105] 表 1
[0106]
[0107] 实例 3
[0108] 基于氧化铜纳米线的电极
[0109] 水灭菌装置的配置显示于图14C中。所述装置包括一对电极，所述电极各包括一 层或多层用氧化铜纳米线（"CuONW"）覆盖的网。尽管未显示于图14C中，但隔板可安置在 这对电极之间。所述CuONW网是根据江（Jiang)等人，"CuO纳米线可通过在空气中加热 铜衬底来合成（CuO Nanowires Can Be Synthesized by Heating Copper Substrates in Air,) "纳米通讯（Nano Letters)，第2卷，第12期，2002,第1333-1338页中陈述的技术 来合成，所述文献的揭示内容以引用的方式全文并入本文中。具体说来，铜网在约500°C或 在约300°C到约700°C或约400°C到约600°C的范围内的另一温度下加热，以形成覆盖所述 铜网的CuONW(参看图14A)。图14B和14D-14F显示所得电极的光学和SEM表征。
[0110] 针对所述基于CuONW的电极相对使用由氧化铜纳米粒子（" CuONP "）覆盖的铜网 的对照配置来评估大肠杆菌的灭菌性能。在操作期间，将0-20V的变化的外加电压施加于 所述电极，具有初始细菌浓度（C。）的流入水样品流经所述装置，且收集具有处理过的细菌 浓度（C)的流出水样品。灭活效率计算为（I - C/C。)，且灭活效率的对数计算为（-Iogltl (C/ C。)）。结果陈述于图15A中。结果显示，纳入CuONW会相对于所述对照配置产生较高灭活 效率。所述基于CuONW的电极也有效地灭活鼠伤寒沙门氏菌、粪肠球菌和噬菌体MS2,如图 1?、15Ε和16中陈述的结果所示。
[0111] 图17A和17B显示在五种不同电压下基于CuONW的电极对DI水和湖水中的大肠 杆菌和粪肠球菌的灭菌性能。图17C显示在五种不同电压（约0V、约5V、约10V、约15V和 约20V)下在DI水和湖水样品的流出物中的总铜浓度，如通过ICP-MS所测量。图17D显示 在约IOV的外加电压下在单一 CuONW附近的电场的模拟结果。
[0112] 实例 4
[0113] 基于硅纳米线的电极
[0114] 水灭菌装置的配置显示于图18中。所述装置包括一对电极，所述电极各包括一层 或多层具有覆盖在表面上的硅纳米线的网。如图18中所示，隔板安置在这对电极之间。所 述硅纳米线在不锈钢网上使用金催化剂根据陈（Chan)等人，"使用硅纳米线的高性能锂电 池阳极（High Performance Lithium Battery Anodes Using Silicon NanowiresH 然-纳米技术（Nature Nanotechnology)，第3卷，2008，第31-35页中所述的气-液-固 技术合成，所述文献的揭示内容以引用的方式全文并入本文中。
[0115] 针对基于硅纳米线的电极评估灭菌性能。在操作期间，将0-20V的变化的外加电 压施加于所述电极，具有初始细菌浓度（C。）的流入水样品流经所述装置，且收集具有处理 过的细菌浓度（C)的流出水样品。灭活效率计算为（1-C/C。)，且灭活效率的对数计算为 (-Iog ltl(C/C。)）。结果陈述于下文图19中。结果显示细菌灭活效率随电压增加而增加，且 纳入所述硅纳米线允许获得高灭活效率。
[0116] 虽然本发明已经参考其具体实施例加以描述，但所属领域的技术人员应了解，在 不偏离如随附权利要求书所界定的本发明真实精神和范畴的情况下可进行各种改变且可 由相等物取代。此外，可进行多种修改以使特定情形、材料、物质组成、方法或工艺适于本发 明的目标、精神和范畴。所有所述修改均打算在随附权利要求书的范畴内。具体说来，虽然 本文所揭示的方法已经参考以特定顺序执行的特定操作加以描述，但应了解，这些操作可 组合、再分或重新排序以形成相等方法而不偏离本发明的教示。因此，除非本文中具体指 示，否则所述操作的顺序和分组不是本发明的限制。
【主权项】
1. 一种水灭菌装置，其包含： 导管； 容纳在所述导管中的第一多孔电极； 容纳在所述导管中且邻近于所述第一多孔电极安置的第二多孔电极；和 耦合于所述第一多孔电极和所述第二多孔电极以在所述第一多孔电极与所述第二多 孔电极之间施加电压差的电源， 其中所述导管经配置以提供流体流通过所述第一多孔电极和所述第二多孔电极的通 道，且在所述流体流中的病原体的灭活效率为至少99. 95%。2. 根据权利要求1所述的水灭菌装置，其中所述灭活效率为至少99. 99%。3. 根据权利要求1所述的水灭菌装置，其中所述第一多孔电极和所述第二多孔电极中 的至少一者具有在ym范围内的孔隙尺寸。4. 根据权利要求3所述的水灭菌装置，其中所述孔隙尺寸在10ym到500ym的范围 内。5. 根据权利要求1所述的水灭菌装置，其中所述第一多孔电极和所述第二多孔电极中 的至少一者包括多孔支撑物和耦合于所述多孔支撑物的纳米结构。6. 根据权利要求5所述的水灭菌装置，其中所述多孔支撑物为海绵。7. 根据权利要求5所述的水灭菌装置，其中所述多孔支撑物为导电网。8. 根据权利要求5所述的水灭菌装置，其中所述纳米结构包括（a)银纳米线、(b)氧化 铜纳米线和（c)娃纳米线中的至少一者。9. 根据权利要求1所述的水灭菌装置，其中所述电源经配置以施加在-20V到+20V的 范围内的所述电压差。10. -种水灭菌装置，其包含： 导管，包括提供未处理的水的进入的入口和提供处理过的水的离开的出口； 容纳在所述导管中且安置在所述入口与所述出口之间的多孔电极，所述多孔电极包括 导电网和至少部分地覆盖所述导电网的涂层；和 耦合于所述多孔电极的电源。11. 根据权利要求10所述的水灭菌装置，其中所述涂层为绝缘的。12. 根据权利要求11所述的水灭菌装置，其中所述涂层包括介电材料和陶瓷中的至少 一者。13. 根据权利要求10所述的水灭菌装置，其中所述涂层包括纳米线。14. 根据权利要求13所述的水灭菌装置，其中所述导电网是铜网，且所述纳米线包括 氧化铜纳米线。15. 根据权利要求13所述的水灭菌装置，其中所述导电网是不锈钢网，且所述纳米线 包括娃纳米线。16. 根据权利要求10所述的水灭菌装置，其进一步包含容纳于所述导管中且与所述多 孔电极间隔开的反电极，且所述电源耦合于所述反电极以在所述多孔电极与所述反电极之 间施加电压差。17. 根据权利要求10所述的水灭菌装置，其中所述多孔电极是第一多孔电极，且进一 步包含容纳于所述导管中且与所述第一多孔电极间隔开的第二多孔电极，且所述电源耦合 于所述第二多孔电极以在所述第一多孔电极与所述第二多孔电极之间施加电压差。18.根据权利要求10所述的水灭菌装置，其中所述电源为振荡电压源。
【专利摘要】一种水灭菌装置包括：(1)导管；(2)容纳在所述导管中的第一多孔电极；(3)容纳在所述导管中且邻近于所述第一多孔电极安置的第二多孔电极；和(4)耦合于所述第一多孔电极和所述第二多孔电极以在所述第一多孔电极与所述第二多孔电极之间施加电压差的电源。所述导管经配置以提供流体流通过所述第一多孔电极和所述第二多孔电极的通道，且在所述流体流中的病原体的灭活效率为至少约99％，例如至少约99.9％或至少约99.95％。
【IPC分类】C25B11/03, C25B9/02, C02F1/467
【公开号】CN104903249
【申请号】CN201380025335
【发明人】崔屹, 刘翀, 郑相茂, 亚历山德里亚·贝姆
【申请人】小利兰斯坦福大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年3月13日
【公告号】US20150075992, WO2013151704A1
【专利说明】
[0001] 相关申请案的夺叉引用
[0002] 本申请案要求2012年4月2日提交的美国临时申请案第61/619, 343号的权益， 该案的揭示内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体上涉及流体的灭菌。更具体说来，本发明涉及水灭菌装置和其用途。
【背景技术】
[0004] 从水中去除细菌和其它病原体不仅对于饮用和卫生，而且在工业上都是重要的过 程，因为生物结垢是一个老生常谈的严重问题。用于水灭菌的常规方法包括氯化和基于膜 的方法。不幸的是，这些类型的方法均存在某些缺陷。
[0005] 氯化典型地是一个缓慢的过程，涉及培育时间直到1小时或更久以使Cr离子适 当地在待处理的水中散开。另外，氯化可产生有害的氧化副产物，包括致癌物质，且从部署 和维护的观点来看，氯化设备均可为资本密集的。
[0006] 常规的基于膜的方法典型地基于细菌的尺寸排阻来操作，其可涉及跨膜的高压降 和所述膜的堵塞。此外，常规的基于膜的方法可为能量密集的，且可经受跨膜的低流动速 率。
[0007] 针对这一背景，需要开发本文所述的水灭菌装置以及相关方法和系统。
【发明内容】
[0008] 本发明的一个方面涉及水灭菌装置。在一个实施例中，所述装置包括：（1)导管； (2)容纳在所述导管中的第一多孔电极；（3)容纳在所述导管中且邻近于所述第一多孔电 极安置的第二多孔电极；和（4)耦合于所述第一多孔电极和所述第二多孔电极以在所述第 一多孔电极与所述第二多孔电极之间施加电压差的电源。所述导管经配置以提供流体流通 过所述第一多孔电极和所述第二多孔电极的通道，且病原体在所述流体流中的灭活效率为 至少约99%，例如至少约99. 9%或至少约99. 95%。
[0009] 在另一实施例中，所述装置包括：（1)导管，包括提供未处理的水的进入的入口和 提供处理过的水的离开的出口；（2)容纳在所述导管中且安置在所述入口与所述出口之间 的多孔电极，所述多孔电极包括导电网和至少部分地覆盖所述导电网的涂层；和（3)耦合 于所述多孔电极的电源。
[0010] 也涵盖本发明的其它方面和实施例。前述
【发明内容】
和以下实施方式不打算将本发 明限制于任何特定实施例，而仅打算描述本发明的一些实施例。
【附图说明】
[0011] 为了更好地理解本发明的一些实施例的性质和目标，应提及结合附图的以下详细 描述。
[0012] 图1说明根据本发明实施例实施的水灭菌装置。
[0013] 图2说明根据本发明实施例实施的水过滤系统。
[0014] 图3说明根据本发明另一实施例实施的水灭菌装置。
[0015] 图4说明根据本发明另一实施例实施的水灭菌装置。
[0016] 图5说明一维银纳米线（"AgNW"）辅助的电穿孔的示意图。A)不具有纳米线结 构的导电电极，具有间隔开的反电极。较小的箭头指示电场。B)具有AgNW的导电电极。较 大的箭头指示由AgNW增强的电场强度。C)在AgNW附近的水流中的细菌。D)细菌由于强 电场而经电穿孔且灭活。
[0017] 图6说明基于海绵的多孔结构的示意图和图像。A)水灭菌装置操作示意图。B)涂 布前的聚氨酯海绵。C)用碳纳米管（" CNT "）涂布后的聚氨酯海绵。D)用CNT和AgNW涂 布后的聚氨酯海绵。E)显示涂布前的聚氨酯海绵的多孔构架的扫描电子显微术（"SEM"） 图像。F)显示用CNT均匀涂布的聚氨酯海绵的SEM图像。插图是显示用CNT涂布后的聚氨 酯海绵的表面的SEM图像。G)显示用CNT涂布后用AgNW均匀涂布的聚氨酯海绵的SEM图 像。插图是显示海绵表面上的AgNW的SEM图像。
[0018] 图7说明细菌消毒性能。A)革兰氏阳性与革兰氏阴性细菌之间的膜结构差异的比 较。B)细菌存活率评估程序的示意图。C)到F)在五种不同电压下大肠杆菌、鼠伤寒沙门 氏菌、枯草杆菌和粪肠球菌的消毒效率。误差棒表示细胞浓度的三个重复测量值的标准偏 差。
[0019] 图8说明噬菌体MS2消毒性能。A)由双层斑块分析执行的病毒存活率评估程序的 示意图。B)在五种不同电压下MS2的消毒效率。误差棒表示病毒效价的三个重复测量值的 标准偏差。
[0020] 图9说明由SEM图像、染料染色结果和用交流电消毒获得的电穿孔证据。A)显示 无任何处理的情况下大肠杆菌的形态的SEM图像。B)显示在约20V下处理后在数种不同的 大肠杆菌表面上形成的孔隙的SEM图像。C)显示在约20V下处理后在大肠杆菌表面上形成 的超过一个孔隙的高倍放大SEM。D)在约0V、约IOV和约20V的电压下处理后明视场和荧 光在肠球菌样品上的显微镜图像。E)显示处理后即刻染色的肠球菌的百分比以及处理后即 刻和处理后2小时的存活率结果的统计资料。F)在不同频率下使用约IOV的外加交流电压 时大肠杆菌的消毒效率。
[0021] 图10说明银的杀细菌效果的评估。A)在约0V、约5V、约10V、约15V和约20V的 五种不同电压下在出水中的银离子和总银浓度，如通过感应耦合等离子体-质谱分析所测 量。B)生长比较：无任何处理的情况下的大肠杆菌、在约IOV下处理的大肠杆菌和用约十 亿分之一百（"ppb"）银离子处理的大肠杆菌的生长曲线。插图是24小时培养后上述三种 样品的液体培养基的照片。C)显示在琼脂盘上使用过滤的去离子水（左）和未过滤的去离 子水（右）培养的大肠杆菌的照片。两个盘都是原始样品的约10, 〇〇〇倍稀释液。
[0022] 图11说明在由蠕动泵控制的速率下使用由基于海绵的多孔结构处理的水样品的 实验设置。
[0023] 图12说明与DI水相比在不同pH的磷酸盐缓冲溶液中在约IOV下处理的大肠杆 菌的消毒效率。
[0024] 图13说明使用电介质涂布的多孔结构的水灭菌装置操作示意图。
[0025] 图14说明基于氧化铜纳米线（"CuONW"）的电极的示意图和图像。A) CuONW合成 程序的示意图。B)显示合成前（铜网）和合成后（CuONW网）的电极的照片。C)基于CuONW 的电极在操作期间的示意图。D)到F)基于CuONW的电极的SEM图像。
[0026] 图15说明基于CuONW的电极的细菌消毒性能。A)在五种不同电压下基于CuONW 和基于氧化铜纳米粒子（"CuONP"）的电极对大肠杆菌的消毒效率。B)基于CuONW的电极 的SEM图像。C)基于CuONP的电极的SEM图像。D)到E)在五种不同电压下基于CuONW的 电极对鼠伤寒沙门氏菌和粪肠球菌的消毒效率。
[0027] 图16说明基于CuONW的电极的噬菌体MS2消毒性能。A)在五种不同电压下基于 CuONW的电极对MS2的消毒效率。B)未处理的MS2的透射电子显微术（"TEM"）图像。C) 在约5V下由基于CuONW的电极处理后的MS2的TEM图像。D)在约IOV下由基于CuONW的 电极处理后的MS2的TEM图像。
[0028] 图17 :A)和B)在五种不同电压下基于CuONW的电极对DI水和湖水中的大肠杆菌 和粪肠球菌的灭菌性能。C)在五种不同电压下在DI水和湖水样品的流出物中的总铜浓度。 D)在约IOV的外加电压下在单一 CuONW附近的电场的模拟结果。
[0029] 图18说明使用基于硅纳米线的电极的水灭菌装置操作示意图。
[0030] 图19说明基于硅纳米线的电极的细菌消毒性能。
【具体实施方式】
[0031]
[0032] 以下定义适用于关于本发明的一些实施例所述的一些方面。这些定义同样可在本 文中详细叙述。
[0033] 除非本文另外清楚指出，否则如本文所用，单数形式"一（a) "、"一（an) "和"所述 (the)"包括多个提及物。因此，例如，除非本文另外清楚指出，否则提及一物体可包括多个 物体。
[0034] 如本文所用，术语"组"是指一或多个物体的集合。因此，例如，一组物体可包括单 一物体或多个物体。一组的物体也可称为所述组的成员。一组的物体可为相同或不同的。 在一些情况下，一组的物体可共享一或多种共有特征。
[0035] 如本文所用，术语"相邻"是指接近或邻接。相邻物体可彼此间隔开，或可彼此呈 实际或直接接触。在一些情况下，相邻物体可彼此耦合或可彼此整体地形成。
[0036] 如本文所用，术语"親合（couple) "、"親合（coupled) "和"親合（coupling) "是指 操作连接或链接。耦合的物体可直接地彼此连接或可间接地彼此连接，诸如经由中间组的 物体。
[0037] 如本文所用，术语"实质上（substantially) "和"实质（substantial) "是指相当 大的程度或范围。当与一事件或情形结合使用时，所述术语可指其中所述事件或情形精确 地发生的情况以及其中所述事件或情形发生至相当准确的近似值的情况，例如说明本文所 述的实施例的典型宽容度或变化性。
[0038] 如本文所用，术语"暴露（expose) "、"暴露（exposing) "和"暴露（exposed) "是指 一特定物体经受一定程度的与另一物体的相互作用。一特定物体可暴露于另一物体，而这 两种物体彼此未呈实际或直接接触。另外，一特定物体可经由其与另一物体之间的间接相 互作用，例如经由中间组的物体暴露于另一物体。
[0039] 如本文所用，术语"纳米范围"或"nm范围"是指约Inm到约1 μπι的尺寸范围。所 述nm范围包括"较低nm范围"，其是指约Inm到约IOnm的尺寸范围；"中间nm范围"，其是 指约IOnm到约IOOnm的尺寸范围；和"较高nm范围"，其是指约IOOnm到约1 μ m的尺寸范 围。
[0040] 如本文所用，术语"微米范围"或" μL?范围"是指约1 μL?到约Imm的尺寸范围。 所述μπι范围包括"较低μπι范围"，其是指约1 μπι到约10 μπι的尺寸范围；"中间μπι范 围"，其是指约10 μ m到约100 μ m的尺寸范围；和"较高μ m范围"，其是指约100 μ m到约 Imm的尺寸范围。
[0041] 如本文所用，术语"纵横比"是指物体的最大尺寸或范围与所述物体的剩余尺寸或 范围的平均值的比率，其中所述剩余尺寸关于彼此且关于所述 最大尺寸正交。在一些情况 下，物体的剩余尺寸可实质上相同，且所述剩余尺寸的平均值可实质上对应于所述剩余尺 寸的任一者。例如，圆柱体的纵横比是指所述圆柱体的长度与所述圆柱体的横截面直径的 比率。作为另一实例，椭圆体的纵横比是指所述椭圆体的长轴与所述椭圆体的短轴的比率。
[0042] 如本文所用，术语"纳米结构"是指具有至少一个在nm范围内的尺寸的物体。纳 米结构可具有多种形状中的任一种，且可由多种材料形成。纳米结构的实例包括纳米线、纳 米管和纳米粒子。
[0043] 如本文所用，术语"纳米线"是指实质上呈固体的细长纳米结构。典型地，纳米线 具有在nm范围内的横向尺寸（例如，呈宽度、直径或表示跨正交方向的平均值的宽度或直 径形式的横截面尺寸）、在ym范围内的纵向尺寸（例如，长度）和约5或更大的纵横比。
[0044] 如本文所用，术语"纳米管"是指细长、中空纳米结构。典型地，纳米管具有在nm范 围内的横向尺寸（例如，呈宽度、外径或表示跨正交方向的平均值的宽度或外径形式的横 截面尺寸）、在ym范围内的纵向尺寸（例如，长度）和约5或更大的纵横比。
[0045] 如本文所用，术语"纳米粒子"是指椭圆体纳米结构。典型地，纳米粒子的各尺寸 (例如，呈宽度、直径或表示跨正交方向的平均值的宽度或直径形式的横截面尺寸）是在nm 范围内，且所述纳米粒子具有小于约5,例如约1的纵横比。
[0046] 水灭菌装詈
[0047] 本发明的实施例涉及使用可有效地灭活细菌、病毒、原生动物和其它非所需生物 体的多孔结构对水或其它流体进行灭菌。某些实施例在多孔支撑物中并入纳米结构以生成 导电且高表面积的结构来用于水中病原体的有效、高通量灭活。其它实施例在多孔支撑物 中并入涂层或膜以生成类似的或进一步改进的性能。值得注意地，不同于常规基于膜的方 法，本文描述的多孔结构不需要依赖于病原体的尺寸排阻，而是将跨越多个长度规的组件 组合成灭活通过所述多孔结构的细菌的构架，其中所述尺寸排阻可涉及高压降且可导致堵 塞。在一些实施例中，使用这类多孔结构会导致重力给料的抗生物结垢装置，所述装置可以 比常规基于膜的方法快的流动速率灭活病原体，同时消耗较少能量。此外，所述改进的性能 可用短培育时间实现且不需要如同氯化中使用化学添加剂。
[0048] 如上文所注，多孔结构的一个组件是多孔支撑物，其可关于其材料组成、其孔隙尺 寸和其孔隙率加以表征。视特定实施例而定，多孔支撑物可由绝缘、导电或半导电材料形 成，或可由具有特征组合的材料组合形成。在一些实施例中，多孔支撑物包括纤维材料，即 包括纤维的基质或网络的材料，所述纤维可为编织或非编织的。纤维材料的实例包括纸、木 材和织物，包括由天然纤维，例如棉、亚麻和大麻形成的材料，和由合成纤维，例如丙烯酸纤 维、聚酯、人造纤维（rayon)以及呈碳纤维布形式的碳纤维形成的材料。也涵盖其它类型的 多孔支撑物，例如可透膜或半透膜、发泡体、海绵和由金属或其它导电材料形成的网。海绵 的实例包括由纤维素、聚氨酯、聚醚、聚酯、聚乙烯醇和其它发泡聚合物形成的海绵，且网的 实例包括由铝、铜、镍和不锈钢形成的网。
[0049]多孔支撑物的孔隙尺寸可基于待灭活的病原体的典型尺寸来选择。例如，在细菌 的情况下，可选择孔隙尺寸大于待灭活的细菌的典型尺寸，由此允许细菌通过，而很少或不 使多孔支撑物堵塞。在一些实施例中，多孔支撑物可包括充分定尺寸在μ m范围内的孔隙， 例如至少约5 μL?或至少约10 μL?且高达约Icm或高达约1mm，且更具体说来，孔隙尺寸可 在约5 μ m到约1mm、约5 μ m到约900 μ m、约10 μ m到约800 μ m、约10 μ m到约700 μ m、约 10 μ m 到约 600 μ m、约 100 μ m 到约 600 μ m、约 200 μ m 到约 600 μ m、约 300 μ m 到约 600 μ m、 约 10 μ m 到约 500 μ m、约 100 μ m 到约 500 μ m、约 200 μ m 到约 500 μ m、约 300 μ m 到约 500 μ m、约 10 μ m 到约 400 μ m、约 20 μ m 到约 400 μ m、约 30 μ m 到约 300 μ m、约 40 μ m 到约 300 μ m、约50 μ m到约300 μ m或约50 μ m到约200 μ m的范围内。在其它类型的病原体的 情况下，孔隙尺寸可根据这些病原体的典型尺寸适当地选择。例如，在病毒的情况下，可选 择孔隙尺寸在nm范围内，例如至少约IOOnm且高达约1 μ m。可在水过滤速度与孔隙尺寸之 间作出折衷。在一些实施例中，多孔支撑物可包括定尺寸在μπι范围内的孔隙，例如至少约 2 μπι或至少约5 μπι且高达约100 μπι或高达约1mm。应了解，多孔支撑物的孔隙可具有尺 寸分布，且孔隙尺寸可指跨所述尺寸分布的有效尺寸或所述尺寸分布的平均值或中值。海 绵、网或包括充分且均匀地定尺寸的孔隙的其它多孔支撑物的使用可减轻多孔支撑物的堵 塞和生物结垢。在一些实施例中，孔隙尺寸的分布的标准偏差可不大于所述尺寸分布的平 均值的约80%，例如不大于约70%、不大于约60%、不大于约50%、不大于约40%、不大于 约30%、不大于约20%且降到约10%、降到约5%或更低。用于测定孔隙尺寸的技术的实 例是所谓的"挑战测试"，其中向多孔支撑物提供已知尺寸分布的椭圆体粒子且通过粒子尺 寸分析器来测量下游改变。使用所述挑战测试，可由校准曲线图测定孔隙尺寸，其中所述孔 隙尺寸对应于多孔支撑物的有效截止点。在一些实施例中，这个截止点可对应于可实质上 未由多孔支撑物阻断而通过的椭圆体粒子的最大尺寸。
[0050] 多孔支撑物的另一特征是其孔隙率，所述孔隙率是由于多孔支撑物中存在孔隙或 任何其它开放空间而产生的空隙的范围的量度。孔隙率可表示为空隙体积相对于总体积的 比率，即在〇与1之间，或表示为〇%与100%之间的百分比。在一些实施例中，多孔支撑物 的孔隙率可为至少约〇. 05或至少约0. 1且高达约0. 95,且更具体说来，孔隙率可在约0. 1 到约0. 9、约0. 2到约0. 9、约0. 3到约0. 9、约0. 4到约0. 9、约0. 5到约0. 9、约0. 5到约 0. 8或约0. 6到约0. 8的范围内。用于测定孔隙率的技术包括例如孔隙度测定法和光学或 扫描技术。可在多孔支撑物中并入纳米结构或其它组件以便实质上保持所述多孔支撑物的 最初孔隙尺寸和最初孔隙率且因此，与上文规定的孔隙尺寸和孔隙率相关的范围和其它特 征也适用于所得多孔结构。
[0051] 如上文所注释，其它组件可并入多孔支撑物中以向所得多孔结构赋予所需功能且 在一些实施例中，所述其它组件对应于纳米结构。视特定实施例而定，可并入单一类型的纳 米结构，或可并入两种或两种以上不同类型的纳米结构以赋予功能的组合。
[0052] 纳米结构可关于其材料组成、其形状和其尺寸加以表征。视特定实施例而定，纳米 结构可由绝缘、导电或半导电材料形成，或可为由具有特征组合的材料组合形成的异质结 构，例如在核-壳或多层配置中。用于形成纳米结构的技术包括例如摩擦、喷雾热解、气相 生长、气-液-固生长、胶体合成、静电纺纱、热注入、激光烧蚀和基于溶液的合成。在一些 实施例中，多孔结构经由电机制提供灭菌，其中多孔支撑物和纳米结构的高表面积连同在 所述纳米结构附近的感应电场提供有效的细菌灭活。在多孔支撑物绝缘的情况下，所述纳 米结构的至少一个子集可为导电或半导电的以向所述多孔结构赋予导电性。例如，纳米结 构可由金属、金属合金、金属娃化物、金属氮化物、金属硫化物、金属碳化物、半导体、导电聚 合物、金属氧化物的掺杂形式或所述材料的组合形成，且更具体说来，纳米结构可由铜、金、 镍、钯、钼、银、锌、错、钛、铁、碳（例如，呈石墨烯或纳米管的形式）或另一 IVB族元素（例 如，硅或锗）、IVB-IVB族二元合金（例如，碳化硅）、IIB-VIB族二元合金（例如，氧化锌）、 IIIB-VB族二元合金（例如，氮化铝），或IB族（或11族）元素、IIB族（或12族）元素、 IIIB族（或13族）元素、IVB族（或14族）元素、VB族（或15族）元素、VIB族（或16 族）元素和VIIB族（或17族）元素的另一二元、三元、四元或高阶合金形成。在多孔支撑 物导电的情况下，可省略任选导电或半导电的纳米结构。
[0053] 除了或代替经由电机制灭菌，还可通过使用具有针对灭活细菌、病毒或其它病原 体的固有活性的材料来实现灭菌。例如，并入的纳米结构的至少一个子集可由具有固有抗 微生物活性的材料或所述材料的组合形成，例如银（或另一贵金属）、铜、镍或另一杀细菌 材料。由金属（例如银）形成的纳米结构的使用可用于双重目的，即向所得多孔结构赋予 导电功能以及杀细菌功能。
[0054] 纳米结构可具有多种形状中的任一种，例如椭圆体、四面体、三角锥、圆盘型、金字 塔型、盒型、管型、圆柱体、管状、线型、树枝型和多种其它几何和非几何形状。纳米结构的实 例包括富勒稀、铜纳米线、镍纳米线、银纳米线、锗纳米线、娃纳米线、娃化物纳米线、金属氧 化物纳米线（例如，氧化锌纳米线、氧化铜纳米线和氧化铁纳米线）、金属碳化物纳米线、碳 纳米管（例如，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管）和核-壳纳米线（例如，由铜、镍或银形成 的壳，围绕由另一材料形成的核）。在一些实施例中，并入的纳米结构的至少一个子集对应 于高纵横比纳米结构，例如纳米管、纳米线或纳米管与纳米线的组合。高纵横比纳米结构可 具有大表面积以用于与多孔支撑物的构架的更强且直接耦合，而不需要化学策略来提供所 述耦合。此外，高纵横比纳米结构的使用可增加相邻纳米结构之间结形成的发生，且可通过 相对于纳米粒子的使用减少跳跃或隧穿事件的数目来形成有效电荷输送网络。然而，预期 纳米粒子可与高纵横比纳米结构组合或代替高纵横比纳米结构使用。
[0055] 例如，多孔结构可包括纳米线，例如银纳米线，所述纳米线的平均或中值直径在约 Inm到约200nm、约Inm到约150nm、约IOnm到约100nm、约20nm到约100nm、约30nm到约 IOOnm或约40nm到约IOOnm的范围内，平均或中值长度在约500nm到约100 μ m、约800nm到 约50 μ m、约1 μ m到约40 μ m、约1 μ m到30 μ m、约1 μ m到约20 μ m或约1 μ m到约10 μ m 的范围内，且平均或中值纵横比在约5到约2, 000、约50到约1，000、约100到约9 00、约100 到约800、约100到约700、约100到约600或约100到约500的范围内。
[0056] 作为另一实例，多孔结构可包括纳米管，例如碳纳米管，所述纳米管的平均或中值 直径（例如，外径）在约Inm到约200nm、约Inm到约150nm、约IOnm到约lOOnm、约20nm到 约lOOnm、约30nm到约IOOnm或约40nm到约IOOnm的范围内，平均或中值长度在约500nm到 约 100 μ m、约 800nm 到约 50 μ m、约 1 μ m 到约 40 μ m、约 1 μ m 到 30 μ m、约 1 μ m 到约 20 μ m 或约1 μπι到约10 μπι的范围内，且平均或中值纵横比在约5到约2, 000、约50到约1，000、 约100到约900、约100到约800、约100到约700、约100到约600或约100到约500的范 围内。
[0057] 在多孔支撑物中并入纳米结构可以多种方式进行。例如，纳米结构可形成且接着 分散于水溶液或非水溶液中以形成墨水。也可包括表面活性剂、分散剂和其它调节流变学 的添加剂。接着，包括分散的纳米结构的墨水可使用多种涂布技术中的任一种，例如喷涂、 印刷、滚涂、幕涂、凹版涂布、槽模、杯涂、刮涂、浸没、浸涂和移液施用于多孔支撑物，接着为 所述溶液的干燥或其它去除。还预期，纳米结构可在多孔支撑物上，例如通过使所述多孔支 撑物的表面暴露于前体溶液而当场形成。进一步预期，纳米结构可以浆料形式施用于多孔 支撑物。
[0058] 纳米结构与多孔支撑物之间的耦合可依赖于所述纳米结构在所述多孔支撑物的 孔隙内的机械缠结、墨水相对于所述多孔支撑物的构架的粘着特征、所述构架的表面电荷、 所述构架的官能团或这些机制的组合。在一些实施例中，纳米结构与多孔支撑物之间的耦 合可涉及化学键的形成，包括共价键和非共价键，例如范德瓦尔斯相互作用、氢键、基于疏 水力的键、基于JT-Ji相互作用的键和基于静电相互作用的键（例如，阳离子与阴离子之间 或偶极-偶极相互作用）。预期纳米结构可官能化或以其它方式处理以促进化学键的形成。
[0059] 除了或代替纳米结构，还可将一组涂层或膜并入多孔支撑物中以向所得多孔结构 赋予所需功能。视特定实施例而定，可并入单一涂层，或可并入两个或两个以上涂层以赋予 功能的组合。
[0060] 涂层可关于其材料组成和其厚度加以表征。视特定实施例而定，涂层可由绝缘、导 电或半导电材料形成，或可由具有特征组合的材料组合形成。用于施用涂层的技术包括例 如化学沉积（例如，电镀、化学溶液沉积（或溶胶-凝胶沉积）和化学气相沉积（例如等离 子体增强化学气相沉积））、物理沉积（例如，热蒸发、溅射、脉冲激光沉积、阴极电弧沉积和 电喷雾沉积）、原子层沉积、反应溅射和分子束外延。在一些实施例中，灭菌经由电机制发 生，且在多孔支撑物绝缘的情况下，至少一个涂层可导电或半导电以向所得多孔结构赋予 导电性。例如，涂层可由金属、金属合金、金属硅化物、半导体、导电聚合物、金属氧化物的掺 杂形式或所述材料的组合形成且更具体说来，涂层可由如上文关于纳米结构的情况所列的 材料形成。
[0061] 在其中灭菌经由电机制发生的一些实施例中，至少一个涂层可绝缘以提供屏障功 能。这类绝缘涂层可共形地安置以实质上覆盖多孔支撑物的活性表面，由此允许在经涂布 的多孔支撑物与相邻电极之间省略隔板。此外，这类绝缘涂层可阻止朝向（或来自）相邻 电极的电流漏泄，所述电流漏泄可在其它情况下耗散功率且降低针对病原体的灭活效率。 通过减轻功率耗散，可以降低的功率和能量需求实现所需的灭活效率。例如，涂层可由介 电材料、陶瓷或所述材料的组合形成且更具体说来，涂层可由金属氧化物（例如氧化锌（或 ZnO)、氧化铝（或Al2O3)或氧化锆（或ZrO2))、非金属氧化物（例如二氧化硅（或SiO 2))、 碳化物、硼化物、氮化物或硅化物形成。
[0062] 涂层的厚度可基于权衡考虑因素的组合来选择，例如提供屏障功能，同时保持适 当电场且保持简易且低成本的制造。在一些实施例中，涂层的厚度可在nm范围或μπι范围 内，例如至少约3nm或至少约IOnm且高达约100 μ m或高达约10 μ m，且更具体说来，涂层厚 度可在约3nm到约10 μ m、约IOnm到约10 μ m、约IOOnm到约10 μ m、约200nm到约10 μ m、约 300nm 到约 10 μ m、约 400nm 到约 10 μ m、约 500nm 到约 10 μ m、约 500nm 到约 5 μ m、约 600nm 到约5 μ m、约700nm到约5 μ m、约800nm到约5 μ m、约900nm到约5 μ m或约900nm到约3 μ m 的范围内。应了解，涂层可具有跨多孔结构的厚度分布，且所述涂层的厚度可指跨所述多孔 结构的有效厚度或所述厚度分布的平均值或中值。用于测定涂层厚度的技术的实例涉及目 视检查在跨多孔结构的一或多个位置处的横截面样品。用于测定涂层厚度的技术的另一实 例涉及基于在相同加工条件下施用于参考晶片或另一参考衬底时涂层的对应厚度来关联 或估算所述厚度。
[0063] 在其中灭菌经由电机制实现的实施例中，多孔结构可具有不大于约1，000 Ω/sq、 不大于约500 Ω /sq、不大于约400 Ω /sq、不大于约300 Ω /sq、不大于约200 Ω /sq、不大于约 100 Ω /sq、不大于约50 Ω /sq、不大于约25 Ω /sq或不大于约10 Ω /sq且降到约1 Ω /sq、降 到约0. ΙΩ/sq或更低的薄层电阻。多孔结构的另一特征是其电阻率，其在一些实施例中不 大于约1,000 Ω · cm、不大于约500 Ω · cm、不大于约400 Ω · cm、不大于约300 Ω · cm、不大 于约200 Ω · cm、不大于约100 Ω · cm、不大于约50 Ω · cm、不大于约25 Ω · cm或不大于约 10 Ω · cm且降到约1 Ω · cm、降到约0· 1 Ω · cm或更低。
[0064] 注意力转回图1，其说明根据本发明的一个实施例实施的水灭菌装置100。所述装 置100包括导管102,所述导管提供用于待处理的流体流的通道。在所说明的实施例中，所 述流体流是待灭菌的水流，且所述导管102包括入口 104,所述入口允许未处理的水进入， 和出口 106,所述出口允许处理过的水离开。
[0065] 所述装置100还包括多孔结构108,所述多孔结构是容纳在所述导管102中且安置 在所述入口 104与所述出口 106之间。在所述装置100的操作期间，水流通过所述多孔结 构108且在通过所述多孔结构108的孔隙时灭菌。尽管图1中说明单一多孔结构108,但预 期可包括多个多孔结构以提供流体流的多阶段连续灭菌。
[0066] 在所说明的实施例中，至少部分地经由电机制实现灭菌，其中所述多孔结构108 用作多孔电极。具体说来，所述装置100进一步包括反电极112和电源110,所述电源耦合于 所述多孔结构108和所述反电极112。所述反电极112是容纳于所述导管102中且与所述 多孔结构108间隔开一定距离d，所述距离可为至少约1 μ m、至少约5 μ m或至少约10 μ m， 且高达约100 μ m、高达约200 μ m、高达约500 μ m、高达约Icm或高达约10，。所述电源110 可作为电压源实施，所述电压源在所述多孔结构108与所述反电极112之间施加电压差，例 如在约-100V到约+100V (例如约-100V到约OV或约OV到约+100V)、约-80V到约+80V (例 如约-80V到约OV或约OV到约+80V)、约-50V到约+50V (例如约-50V到约OV或约OV到约 +50V)、约-30V到约+30V(例如约-30V到约OV或约OV到约+30V)、约-20V到约+20V (例 如约-20V到约OV或约OV到约+20V)、约-IOV到约+IOV (例如约-IOV到约OV或约OV到 约+10V)、约-5V到约+5V(例如约-5V到约OV或约OV到约+5V)、约-2V到约+2V(例如 约-2V到约OV或约OV到约+2V)、约-IV到约+IV (例如约-IV到约OV或约OV到约+IV)、 约-0. 5V到约+0. 5V(例如约-0. 5V到约OV或约OV到约+0. 5V)、约-0. 2V到约+0. 2V (例 如约-0. 2V到约OV或约OV到约+0. 2V)或约-0.1 V到约+0.1 V (例如约-0.1 V到约OV或约 OV到约+0.1 V)的范围内的电压差。施加电压会在所述多孔结构108附近感应电场，且当水 流通过所述多孔结构108且经受所述电场时，其至少部分地灭菌，所述电场可在约10V/m到 约 1012V/m、约 102V/m 到约 10nV/m、约 103V/m 到约 101QV/m、约 103V/m 到约 109V/m、约 104V/m 到约 109V/m、约 104V/m 到约 108V/m、约 105V/m 到约 108V/m、约 105V/m 到约 107V/m 或约 IO5V/ m到约106V/m的范围内。
[0067] 如图1中所说明，所述多孔结构108包括跨越多个长度规的多种组件以提供功能 组合。多孔支撑物用作所述多孔结构108的骨架。例如，所述多孔支撑物可为海绵，其具有 多种所需特征，包括高比表面积、实质上连续的构架和高孔隙率。所述海绵的孔隙可在数 十到数百微米的范围内，其大于细菌和其它病原体的典型尺寸以避免或减少操作期间的堵 塞。
[0068] 所述多孔结构108的另一组件对应于纳米管，例如碳纳米管。所述纳米管共形地 涂布于所述多孔支撑物上以在所述多孔结构108的大部分或所有活性表面积上赋予导电 性。以所述方式，可将所述多孔结构108放置于控制电势下且在溶液中用作多孔电极。所 述纳米管的互连配置也可有助于所述多孔结构108的导电性。
[0069] 所述多孔结构108的另一组件对应于纳米线，例如银纳米线，所述纳米线的平均 或中值直径在约40nm到约IOOnm的范围内且平均或中值长度在约1 μπι到约10 μπι的范围 内。银纳米线可为所需的，因为银是有效的杀细菌剂。另外，各银纳米线可具有多个接触点 以强烈耦合于所述多孔支撑物。此外，银纳米线可形成有效的互连电荷输送网络，且归因于 所述银纳米线的纳米级直径的强烈电场可用于高度有效的细菌灭活。
[0070] 参看图1，所述装置100是作为重力给料装置实施，且可在以所述多 孔结构108 的活性表面积计约 10, 000lV(h · m2)到约 200, OOOlVGi · m2)、约 10, OOOlVGi · m2)到约 150, 000lV(h · m2)、约 50, 000lV(h · m2)到约 150, 000lV(h · m2)或约 80, 000lV(h · m2)到 约120,000lV(h ·πι2)的范围内的流动速率下操作。预期其它流动速率，例如在约1，000L/ (h · m2)到约 10, 000L/(h · m2)、约 10L/(h · m2)到约 1，000L/(h · m2)或约 IL/ (h · m2)到 约10lV(h·!!!2)的范围内。细菌和其它病原体的高通量灭活可通过经由所述多孔结构108 重力进料来实现，所述多孔结构是放置在适度电压下以供低功率消耗。例如，所述装置100 的操作可产生至少约60%、至少约70%、至少约80%、至少约85%、至少约90%、至少约 95%、至少约98%、至少约99%、至少约99. 5%、至少约99. 9%、至少约99. 95%、至少约 99. 99%、至少约99. 999%、至少约99. 9999%或更大的细菌灭活效率。所述灭活效率可由 短处理时间实现，例如在约〇.186(3到约1111；[11、约0.186(3到约5086(3、约0.586(3到约4086(3、 约 0· 5sec 到约 30sec、约 0· 5sec 到约 20sec、约 0· 5sec 到约 10sec、约 0· 5sec 到约 5sec、约 0. 5sec到约3sec或约0. 5sec到约2sec的范围内。就权衡性能对功率消耗来说，预期可包 括泵或其它流动控制机制（图1中未说明）以增加所述装置100的灭活通量。还预期所述 电源110可为振荡或脉冲源以用于灭活效率的进一步改进，例如在约IkHz到约1，000kHz、 约IOkHz到约1，000kHz或约IOOkHz到约1，000kHz的范围内的频率下感应交变电场。
[0071] 不希望受特定理论束缚，可根据以下机制中的任一种或组合实现细菌和其它病原 体的灭活。首先，银是固有的杀细菌材料，且未处理的水中的细菌暴露于银纳米线（或由另 一杀细菌材料形成的纳米结构）可导致细菌灭活。其次，向所述多孔结构108施加电压可 产生充分强度的电场以通过经由纳米结构辅助的电穿孔击穿细胞膜来不利地影响细胞存 活率。第三，在电场或电流存在下溶液化学性质的改变，包括pH改变以及杀细菌物质的当 场形成，可为另一灭菌机制。如上文所注，这些机制中的两者或两者以上可共同操作以灭活 细菌和其它病原体。
[0072] 所述装置100可作为使用点滤水器操作以去活化在水中的病原体。或者，且如图 2中所说明，所述装置100可并入水过滤系统200中，用作上游单元来去活化可引起下游过 滤单元202 (例如水脱盐装置中的反渗透单元）中的生物结垢的生物体。所述装置100和 本文所述的其它实施例可通过减少生物结垢的发生且因此减少更换下游过滤器的频率来 显著降低针对水以及食物、空气和医药品的大量过滤技术的操作成本。
[0073] 图3说明根据本发明另一实施例实施的水灭菌装置300。所述装置300包括导管 302,所述导管包括入口 304和出口 306。所述装置300还包括多孔电极308,所述多孔电极 是容纳在所述导管302中且安置在所述入口 304与所述出口 306之间；和电源310,所述电 源耦合于所述多孔电极308。所述装置300的某些方面可以如先前关于图1和图2所述的 类似方式实施，且这些方面不在下文中重复。
[0074] 参看图3,所述装置300包括另一多孔电极312,所述多孔电极耦合于所述电源 310。所述多孔电极312是容纳于所述导管302中且与所述多孔电极308间隔开一定距离 d'，所述距离可为至少约5 μ m或至少约10 μ m，且高达约100 μ m、高达约200 μ m、高达约 500 μ m、高达约Icm或高达约10cm。由多孔绝缘材料形成的隔板314是安置在所述多孔电 极308与312之间以在所述多孔电极308与312之间维持所需间隔且防止电短路。预期所 述隔板314可省略，例如在其中绝缘涂层并入所述多孔电极308与312中的任一者或两者 中的实施例中。所述多孔电极308与312可类似地实施，或可在至少一个组件方面有所不 同，例如就其组成性多孔支撑物、其组成性纳米结构或两者来说。在所述装置300的操作期 间，水流通过所述多孔电极308与312且在通过所述多孔电极308与312的孔隙时灭菌。在 所说明的实施例中，至少部分地经由电机制实现灭菌，且所述电源310在所述多孔电极308 与312之间施加电压差，以致所述水流经受电场。纳入所述多孔电极对308与312会提供所 述水流的两阶段连续灭菌，且可产生细菌灭活效率的进一步改进，例如至少约95%或至少 约98 %，且尚达约99 %、尚达约99. 5 %、尚达约99. 9 %、尚达约99. 99 %、尚达约99. 999 % 或更高。
[0075] 图4说明根据本发明另一实施例实施的水灭菌装置400。所述装置400包括导管 402,所述导管包括入口 404和出口 406。容纳于所述导管402中的是一对多孔电极408与 412,其耦合于电源410 ;和隔板414,其安置在所述多孔电极408与412之间。所述装置400 的某些方面可以如先前关于图1到图3所述的类似方式实施，且这些方面不在下文中重复。
[0076] 如图4中所说明，所述导管402、所述多孔电极408与412和所述隔板414各具有 实质上管状形状，其中所述隔板414邻近于所述多孔电极412的外表面同心地安置，且其中 所述多孔电极408邻近于所述隔板414的外表面同心地安置。在所述装置400的操作期间， 水流最初通过所述多孔电极412,接着通过所述隔板414,接着通过所述多孔电极408,且接 着经过所述导管402与所述多孔电极408之间的间隙离开所述装置400。还预期，流动方向 可针对另一实施例反转。
[0077]
[0078] 以下实例描述本发明一些实施例的具体方面以对所属领域的技术人员进行说明 且提供描述。所述实例不应解释为限制本发明，因为所述实例仅提供适用于理解且实施本 发明一些实施例的具体方法。
[0079] 实例 1
[0080] 基于海绵的多孔结构
[0081] 结果和讨论:这一实例提供了用于一维纳米结构辅助的电穿孔的技术,以经由由 基于海绵的电极形成的装置进行水灭菌。如图5中所示，一维纳米结构可产生足以在若干 伏特而非数千伏特的下降电压下引起电穿孔的强电场。电穿孔发生的小的时标允许约Isec 的快速处理。基于海绵的灭菌装置对于四种模型细菌，包括大肠杆菌、血清型鼠伤寒肠道沙 门氏菌、粪肠球菌和枯草杆菌实现超过约61og去除，且对于模型病毒噬菌体MS2实现超过 约21og去除，具有最高约100J/L的低能量消耗。
[0082] 水灭菌装置的配置显示于图6A中。所述装置包括一对导电且多孔结构，所述结构 各由涂布有碳纳米管（"CNT"）和银纳米线（"AgNW"）的聚氨酯海绵形成。施用于所述海 绵的CNT涂层使得其导电。AgNW涂层产生分布于海绵的表面上的大量纳米级尖端。由于 AgNW的高导电性和所述纳米级尖端结构，在AgNW附近的电场相对于由不具有纳米线的平 整表面产生的电场增加数个数量级。用作骨架的聚氨酯海绵是廉价且柔性的。这种海绵具 有实质上均匀的孔隙且提供连续构架。为了使其导电，通过浸涂法使用CNT水性墨水将CNT 涂布于所述海绵的表面上，且在约90°C下干燥。通过相同方法使用AgNW的甲醇墨水涂布 AgNW。最后，用蒸馏水冲洗经涂布的海绵且干燥。在涂布后，所述CNT和所述AgNW均匀地 分布于所述海绵的表面上，且所述海绵的构架未改变到可测量的程度。所述海绵的电阻率 降到约1Ω · cm。制造工艺和所得多孔结构的扫描电子显微术（"SEM"）表征显示于图6B 到图6G中。海绵材料的选择对所述多孔结构产生若干优势。首先，具有很少或不具有内部 回路的海绵的连续构架为涂布所述海绵的CNT和AgNW提供自然渗滤途径以使得整个结构 导电。此外，所述海绵的孔隙尺寸均一地为约400 μ m，其比典型细菌和病毒大得多。这防止 病原体阻断水程并引起水流动速率降低。此外，所述海绵的三维构架增加对病原体的暴露， 由此引起抗微生物功能的增强。
[0083] 关于细菌多样性，使用四种不同类型的细菌，即大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、粪肠 球菌和枯草杆菌来研宄灭菌性能。基于由革兰氏染色方法表征的细胞壁结构差异，细菌可 分类为两组，即革兰氏阴性和革兰氏阳性（参看图7A)。相对于约7nm到约8nm的革兰氏阴 性细菌中的对应肽聚糖层，革兰氏阳性细菌典型地具有约20nm到约SOnm的较厚肽聚糖层。 四种所选细菌包括两种革兰氏阳性细菌和两种革兰氏阴性细菌。另外，枯草杆菌是产孢子 细菌且因此可用作消毒实验中原生动物的模型。
[0084] 在操作期间，将0-20V的变化的外加电压施加于所述多孔结构对。使用蠕动泵使 所述装置的流动速率保持在约I. 5L/h或约15, OOOlVGi ·πι2)下。约IO7个细菌群落形成单 元（"CFU"）/ml的初始水样品流经所述装置，且从出口收集处理过的水。使用涂板方法评 估灭活效率（参看图7B)。初始和处理过的水样品均分散于琼脂板上，且接着经受生长过 夜。各活细胞将生长成细菌群落，且通过计算群落数目，计算细菌消毒（或灭活）效率。四 种类型的细菌的消毒效率的对数显示于图7C-7F中。结果显示，细菌消毒效率随着外加电 压增加而增加，指示更强电场会引起更有效的消毒。对于超过约IOV的电压，所有四种细菌 均显示在约Isec的暴露时间下超过约61og去除。大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌几乎在过滤 后即刻灭活，而粪肠球菌在灭活之前经受约2h的休眠或沉淀期。有趣的是，这种现象并未 针对枯草杆菌观察到。沉淀期可从约2h变化，例如在约0. 5h到约4h或约Ih到约3h的范 围内。所述装置的能量消耗极低。例如，在IOV的电压下，能量消耗为约100J/L。
[0085] 还研宄针对病毒的灭菌性能，且结果显示于图8中。病毒的尺寸典型地比细菌小 得多且典型地更稳固。使用噬菌体MS2测试灭菌性能，所述噬菌体MS2可用作人类肠病毒 的代替物。约IO 7个病毒斑块形成单元（"PFU")/ml的初始水样品在如用于细菌的相同流 动速率，即约15,00017〇 1*!112)下 流经所述装置。在〇-20￥的不同外加电压下测试病毒消毒 效率。使用双层斑块分析来评估消毒效率。病毒连同宿主细菌一起培养过夜。活病毒将感 染细菌，归因于细菌生长的缺乏而在活病毒位置处形成斑块。以所述方式，通过计算在琼脂 板上形成的斑块的数目来评估病毒数目（参看图8A)。通过比较由初始水样品和处理过的 水样品形成的斑块的数目来计算消毒效率。结果显示与细菌类似的趋势（参看图8B)。消 毒效率随着外加电压增加而增加。在约20V的电压下，约99. 4%的流入病毒灭活。
[0086] 在所述装置中，分别基于大肠杆菌和粪肠球菌使用扫描电子显微术（"SEM"）和外 荧光显微术由膜渗透性染料确认细菌消毒机制是电穿孔。首先，使用SEM来表征固定的大 肠杆菌，所述大肠杆菌是未处理的和由基于海绵的装置处理过的（图9A-9C)。SEM图像显 示处理后的细菌膜损伤。小孔隙结构存在于细菌表面上；一些细菌的表面上具有超过一个 孔隙。染料染色实验进一步确认，电穿孔导致受损的细胞膜且可能导致细胞死亡。碘化丙 啶（"PI"）是一种DNA染料，在细胞膜受损时进入细胞且在外荧光显微镜下显现红色。PI 染料用于在处理后即刻染色粪肠球菌。使用磷酸盐缓冲溶液洗涤细菌以去除溶液中过量的 游离PI染料分子。荧光显微镜图像（参看图9D)显示当外加电压增加时，染色细胞的数目 增加且在约20V下，几乎所有细菌均染色。这一结果再次指示，在纳米线的辅助下，即使在 低电压下也会发生电穿孔。
[0087] 由粪肠球菌观察到一种有趣的现象，这进一步支持电穿孔机制。在处理后即刻，细 菌染色且观察到膜损伤。然而，当在这一阶段涂板时，细菌仍能够繁殖且在琼脂上形成群 落。这一观察结果指示，一些电穿孔产生的孔隙可修复，且具有所述孔隙的细胞可能够在养 分富集环境中繁殖。这一现象对于使用超过约IOV的电压处理的样品更显而易见（参看图 9E)。然而，在涂板之前使处理过的水休止约2h而无任何额外处理后，粪肠球菌不能繁殖和 在琼脂上形成群落。因此，这一结果指示细胞在休止期过程中死亡，这可能归因于细胞内与 细胞外环境之间的渗透压差异或化学不平衡。
[0088] 考虑到在处理期间使用电学发生的不同过程的时标，在ns的时标下的电穿孔足 够快以通过改变外加电压的频率而与其它因素区别开来。通过在约IOV的外加电压下从约 0到约IO 8Hz增加交流频率，可逐渐地降低在比电穿孔长的时标下发生的过程（例如电化学 反应）的作用。图9F中大肠杆菌的灭活效率显示，在约IOOHz到约IOOMHz的频率下消毒 实质上恒定为约41og去除，这指出电穿孔为细胞灭活的机制。在低频率与高频率之间的灭 活效率差异揭露，可逆和不可逆电穿孔均发生。且其它电化学相关因素，如水中的Ag+，可通 过在电穿孔后进入细胞而改进病原体灭活。
[0089] 检查来自AgNW的银的效果以评估其是否补充经由电穿孔发生的灭活且流出物中 的银是否造成健康风险。使用感应耦合等离子体-质谱分析（"ICP-MS"）测量流出物中的 总银（离子和粒子）浓度。从约5V到约15V，所述流出物具有约十亿分之七十（"ppb"） 的银浓度。最高银释放在约20V下出现，且所述流出物中的总银浓度为约94ppb，仅低于 IOOppb的国家饮用水标准（参看图10)。检查银的消毒效果且确定相比于电穿孔为次要的。 在这个实例中，在电场缺乏下，单独Ag +或其它电化学产生的物质显示较少消毒效率（参看 图 10)。
[0090] 因此，本实例中水灭菌的机制至少部分地依赖于高电场。当细菌通过两个平行的 基于海绵的结构时，其膜由于电穿孔而受损伤。这一损伤可导致细菌灭活，因为细菌无法再 从相对于细胞内环境在化学和物理方面相当不同的细胞外环境中分离自身。且由于细菌内 部与外部的渗透压差异，足量水可流入细菌中，引起细菌膨胀且导致灭活。或者或相结合， 所述渗透压差异可允许抗微生物剂（例如银粒子）容易地进入细胞，且可增加其抗微生物 功能的效率。因此，少量银粒子可有助于大量水中细菌的消毒。这一机制也与以下观察结 果一致：鉴于革兰氏阳性细菌中可阻止电穿孔发生的较厚肽聚糖层，革兰氏阳性细菌有时 比革兰氏阴性细菌更难以灭活。基于所述细菌的消毒研宄，预期病毒由类似机制灭活。由 于病毒的尺寸比细菌小得多，预期较大电场（其可表示为与病毒尺寸成反比）建立相同或 类似的跨膜电势以供电穿孔发生。这也与以下结果一致：使用相同外加电压时，病毒的消毒 效率低于细菌的对应效率。未具体评估所述基于海绵的结构灭活原生动物（例如隐孢子虫 (Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫（Giardia))的能力。然而，所述基于海绵的结构有效地 灭活枯草杆菌，所述枯草杆菌可用作原生动物的代替物，因为它是产孢子细菌。
[0091] 以所述方式，可实施水灭菌装置以便针对不同病原体（包括细菌和病毒）高度有 效。高水处理速度、低能量消耗和低成本使得所述装置为使用点水处理和其它应用所需要。
[0092] 多孔结构合成:通讨在具有约Iwt. %十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂的水中 分散约0.1 wt. %单壁CNT(碳溶液有限公司（Carbon Solution, Inc.)，加利福尼亚（CA)) 来制备CNT墨水。通过约5min浴声波处理和约30min探针声波处理将所述CNT分散于水 中。通过多元醇方法合成AgNW。具体说来，在约170°C下在具有约330mg聚（乙稀吡啶） 的约30ml乙二醇中还原约25mg AgCl，且接着缓慢添加约IOmL乙二醇中的约IlOmg AgN03。 在合成完成后，通过在约6,000rpm(费舍尔（FISHER)accuSpin 400)下离心三次将AgNW转 移到甲醇中以产生AgNW墨水。将聚氨醋海绵（麦克马斯特（McMaster-Carr),加利福尼亚 (CA))浸入CNT墨水中，在约90°C下干燥，且用DI水洗涤。这一浸渍过程重复三次。通过 将所述海绵浸入所述AgNW墨水中，在约90°C下干燥，且用DI水洗涤来涂布AgNW。此后，将 所述海绵切割成所需尺寸（IcmX lcmXO. 2cm)，且将所得基于海绵的结构放置在装置腔室 中且连接于蠕动泵。实验设置显示于图11中。
[0093] 细菌灭活测量:将大肠杆菌（JM109,普洛麦格（Promega))、鼠伤寒沙门氏菌 LT2 (ATCC 700720)、粪肠球菌（ATCC 19433)和枯草杆菌（ATCC 6633)培养到对数期（约 4-6h)，通过在约900g下离心来收集，且再悬浮于DI水中，之后使所述细菌离心且再悬浮于 DI水中2次。接着使用DI水将细菌稀释到约107CFU/mL。20ml所述溶液作为对照物在室 温下存储。50ml各细菌溶液以约I. 5L/h通过所述基于海绵的结构，同时施加不同电压（0、 5、10、15和20V)。在高压蒸汽处理的容器中收集流出物。使用标准铺展涂板技术来测量流 出物和对照物溶液中的细菌浓度。连续稀释各样品，且各稀释液一式三份涂板且在约37°C 下培育约18h。比较处理过的样品和对照样品以确定灭活程度。
[0094] 病毒灭活测量:在约37°C下，噬菌体MS2与大肠杆菌Famp宿主一起在设定为约 25rpm的振动台上生长，持续约24h。使用聚乙二醇沉淀方法来分离且浓缩MS2。制备约 IO7PFUAiL的溶液。这一溶液的一部分在室温下存储于暗处以用作对照物。剩余溶液以约 50mL等分试样在约I. 5L/h的流动速率下通过所述基于海绵的结构，同时使用不同电压（0、 5、10、15、20V)。在对照物中计数MS2且使用双琼脂层方法过滤流出物。比较处理过的样品 和对照样品以确定灭活程度。
[0095] 用于SEM表征的细菌样品制备:通过在约4, OOOrpm下离心约IOmin使大肠杆菌的 对照样品和在约20V下处理过的样品集结成粒，且去除上清液。在约4°C下使用约0.1 M二 甲胂酸钠缓冲液（约7. 3的pH)、约2%戊二醛和约4%多聚甲醛的溶液固定两种样品过夜， 且接着用相同缓冲液洗涤约5min。将样品分散于金属栅格上且在空气中干燥以用于SEM表 征。
[0096] ICP-MS测量:将五种由不同电压处理讨的细菌溶液各分成两组。所述五种样品和 对照样品的第一组是通过添加 HNO3到约2%来处理。第二组用约70% HNO 3处理且保持在 约50°C下的水浴中过夜，且接着稀释为2% HNO3溶液。所有样品均用0. 2 μπι过滤器过滤。 针对银离子浓度表征所述第一组和所述对照样品，且针对总银浓度表征所述第二组。
[0097] 生长曲线:将约10 7个大肠杆菌/mL的初始溶液分成三份。第一样品为对照样品。 第二样品用基于海绵的结构在约IOV下用约I. 5L/h的流动速率处理。且第三样品用约 IOOppb银离子处理。在处理后，将约Iml各样品添加到约30ml胰蛋白酶大豆肉汤（"TSB"） 培养基中且在约37°C下在设定为约25rpm的振动台上培养，持续约24h。使用分光计每隔 30min在670nm的波长下针对各样品测量光学密度。
[0098] PI染料染色:在通讨所沭基于海绵的结构用不同电压(0、5、10、15、20V)处理细菌 溶液后，将约10微升的lmg/mL PI染料溶液添加到约IOmL各流出物中，达到约1 μ g/mL的 最终浓度。使这一混合物在室温下休止约5min且接着在约4, OOOrpm下离心约IOmin。接 着在相同条件下使用磷酸盐缓冲溶液洗涤这些样品3次。使用荧光显微术检查样品。
[0099] 检杳银的杀细菌效果:为了测定银离子对灭活的影响，讲行实验以使用大肠杆菌 比较用单独银（约IOOppb)与用所述基于海绵的结构在约IOV下处理所实现的灭活。分别 用约IOOppb银离子和在约IOV下使用所述基于海绵的结构处理相同起始物的大肠杆菌溶 液。将小体积的两种处理过的溶液添加到作为生长培养基的营养肉汤中。每隔约30min用 分光计使用约670nm的波长测量所述生长培养基的光学密度以产生生长曲线，从而在两种 处理过的溶液中评估可培养细菌的存在（参看图10B)。接种不接受任何处理的起始细菌溶 液的对照样品的肉汤显示在接种后约60min时开始的指数生长期。用约IOOppb八8^3 3溶 液处理过的样品显示在指数生长之前较长的停滞期，其在约120min时开始。用所述基于海 绵的结构处理过的样品显示无可检测的生长。即使在接种24h后，接种来自所述基于海绵 的结构的流出物的肉汤也无细菌生长（参看图IOB插图）。因此，使用所述基于海绵的灭菌 装置的消毒比使用单独银离子 更有效，指示消毒依赖于电穿孔。
[0100] 也检查且确认来自所述基于海绵的结构的电化学产生的物质的效果以不产生可 检测的消毒效果。在约IOV处理下进行两个平行实验。这两个实验之间的差异在于，在泵送 DI水通过所述装置的情况下，大肠杆菌在一个实验中是在入口之前引入且在另一实验中是 正好在出口之后引入，使得两个大肠杆菌样品将经历具有相同银浓度的相同水环境；然而， 在入口之前引入的样品将经历高电场。正好在出口之后引入的大肠杆菌具有几乎与引入的 初始浓度相同的细菌浓度。即，未发生可检测的消毒（图10C)。相比之下，在入口之前引入 的细菌实质上完全灭活。这一结果确认，电化学产生或洗去的银或其它物质不会在电场缺 乏下使细菌失活到可检测范围。这一结果进一步确认，电穿孔是水消毒的主要机制。
[0101] 在不同DH下的消毒效率:细菌溶液化学件质可影晌消毒效率。在处理后，可逆电 穿孔孔隙可开始消除且闭合。与DI水相比在不同pH的磷酸盐缓冲溶液中评估在约IOV下 处理的大肠杆菌的消毒效率。如图12中所示，具有pH 7的缓冲溶液显示最低消毒效率。
[0102] 实例 2
[0103] 电介质涂布的多孔结构
[0104] 水灭菌装置的配置显示于图13中。所述装置包括一对导电金属网。尽管未在图 13中显示，但呈一块布形式的织物用作这对金属网之间的隔板。针对其中金属网分别用介 电材料以约〇. 7 μπι和约1. 5 μπι的厚度涂布的两种测试配置来评估灭菌性能。经由等离子 体增强化学气相沉积进行所述介电材料的涂布。也在所述介电材料涂层缺乏下评估对照配 置。在操作期间，将0-20V的变化的外加电压施加于这对金属网，且使所述装置的流动速率 保持在约1.5L/h下。具有初始细菌浓度（C。）的流入水样品流经所述装置，且收集具有处 理过的细菌浓度（C)的流出水样品。灭活效率计算为（I -C/C。)，且灭活效率的对数计算为 (-Iogltl(C/C。)）。结果陈述于下表1中。结果显示细菌灭活效率随外加电压增加而增加， 且纳入所述介电材料涂层允许在降低的功率消耗下获得高灭活效率。例如，在5V的共同电 压下，具有约1. 5 μπι厚度的电介质涂层的测试配置在约4. SmW的低功率消耗下产生大于 99. 99%的灭活效率，而具有约0. 7 μ m厚度的电介质涂层的测试配置在约85mW的较高功率 消耗下产生约99. 98%的略微较低的灭活效率，且不具有所述电介质涂层的对照配置在约 400mW的更高功率消耗下产生约99. 91 %的更低灭活效率。
[0105] 表 1
[0106]
[0107] 实例 3
[0108] 基于氧化铜纳米线的电极
[0109] 水灭菌装置的配置显示于图14C中。所述装置包括一对电极，所述电极各包括一 层或多层用氧化铜纳米线（"CuONW"）覆盖的网。尽管未显示于图14C中，但隔板可安置在 这对电极之间。所述CuONW网是根据江（Jiang)等人，"CuO纳米线可通过在空气中加热 铜衬底来合成（CuO Nanowires Can Be Synthesized by Heating Copper Substrates in Air,) "纳米通讯（Nano Letters)，第2卷，第12期，2002,第1333-1338页中陈述的技术 来合成，所述文献的揭示内容以引用的方式全文并入本文中。具体说来，铜网在约500°C或 在约300°C到约700°C或约400°C到约600°C的范围内的另一温度下加热，以形成覆盖所述 铜网的CuONW(参看图14A)。图14B和14D-14F显示所得电极的光学和SEM表征。
[0110] 针对所述基于CuONW的电极相对使用由氧化铜纳米粒子（" CuONP "）覆盖的铜网 的对照配置来评估大肠杆菌的灭菌性能。在操作期间，将0-20V的变化的外加电压施加于 所述电极，具有初始细菌浓度（C。）的流入水样品流经所述装置，且收集具有处理过的细菌 浓度（C)的流出水样品。灭活效率计算为（I - C/C。)，且灭活效率的对数计算为（-Iogltl (C/ C。)）。结果陈述于图15A中。结果显示，纳入CuONW会相对于所述对照配置产生较高灭活 效率。所述基于CuONW的电极也有效地灭活鼠伤寒沙门氏菌、粪肠球菌和噬菌体MS2,如图 1?、15Ε和16中陈述的结果所示。
[0111] 图17A和17B显示在五种不同电压下基于CuONW的电极对DI水和湖水中的大肠 杆菌和粪肠球菌的灭菌性能。图17C显示在五种不同电压（约0V、约5V、约10V、约15V和 约20V)下在DI水和湖水样品的流出物中的总铜浓度，如通过ICP-MS所测量。图17D显示 在约IOV的外加电压下在单一 CuONW附近的电场的模拟结果。
[0112] 实例 4
[0113] 基于硅纳米线的电极
[0114] 水灭菌装置的配置显示于图18中。所述装置包括一对电极，所述电极各包括一层 或多层具有覆盖在表面上的硅纳米线的网。如图18中所示，隔板安置在这对电极之间。所 述硅纳米线在不锈钢网上使用金催化剂根据陈（Chan)等人，"使用硅纳米线的高性能锂电 池阳极（High Performance Lithium Battery Anodes Using Silicon NanowiresH 然-纳米技术（Nature Nanotechnology)，第3卷，2008，第31-35页中所述的气-液-固 技术合成，所述文献的揭示内容以引用的方式全文并入本文中。
[0115] 针对基于硅纳米线的电极评估灭菌性能。在操作期间，将0-20V的变化的外加电 压施加于所述电极，具有初始细菌浓度（C。）的流入水样品流经所述装置，且收集具有处理 过的细菌浓度（C)的流出水样品。灭活效率计算为（1-C/C。)，且灭活效率的对数计算为 (-Iog ltl(C/C。)）。结果陈述于下文图19中。结果显示细菌灭活效率随电压增加而增加，且 纳入所述硅纳米线允许获得高灭活效率。
[0116] 虽然本发明已经参考其具体实施例加以描述，但所属领域的技术人员应了解，在 不偏离如随附权利要求书所界定的本发明真实精神和范畴的情况下可进行各种改变且可 由相等物取代。此外，可进行多种修改以使特定情形、材料、物质组成、方法或工艺适于本发 明的目标、精神和范畴。所有所述修改均打算在随附权利要求书的范畴内。具体说来，虽然 本文所揭示的方法已经参考以特定顺序执行的特定操作加以描述，但应了解，这些操作可 组合、再分或重新排序以形成相等方法而不偏离本发明的教示。因此，除非本文中具体指 示，否则所述操作的顺序和分组不是本发明的限制。
【主权项】
1. 一种水灭菌装置，其包含： 导管； 容纳在所述导管中的第一多孔电极； 容纳在所述导管中且邻近于所述第一多孔电极安置的第二多孔电极；和 耦合于所述第一多孔电极和所述第二多孔电极以在所述第一多孔电极与所述第二多 孔电极之间施加电压差的电源， 其中所述导管经配置以提供流体流通过所述第一多孔电极和所述第二多孔电极的通 道，且在所述流体流中的病原体的灭活效率为至少99. 95%。2. 根据权利要求1所述的水灭菌装置，其中所述灭活效率为至少99. 99%。3. 根据权利要求1所述的水灭菌装置，其中所述第一多孔电极和所述第二多孔电极中 的至少一者具有在ym范围内的孔隙尺寸。4. 根据权利要求3所述的水灭菌装置，其中所述孔隙尺寸在10ym到500ym的范围 内。5. 根据权利要求1所述的水灭菌装置，其中所述第一多孔电极和所述第二多孔电极中 的至少一者包括多孔支撑物和耦合于所述多孔支撑物的纳米结构。6. 根据权利要求5所述的水灭菌装置，其中所述多孔支撑物为海绵。7. 根据权利要求5所述的水灭菌装置，其中所述多孔支撑物为导电网。8. 根据权利要求5所述的水灭菌装置，其中所述纳米结构包括（a)银纳米线、(b)氧化 铜纳米线和（c)娃纳米线中的至少一者。9. 根据权利要求1所述的水灭菌装置，其中所述电源经配置以施加在-20V到+20V的 范围内的所述电压差。10. -种水灭菌装置，其包含： 导管，包括提供未处理的水的进入的入口和提供处理过的水的离开的出口； 容纳在所述导管中且安置在所述入口与所述出口之间的多孔电极，所述多孔电极包括 导电网和至少部分地覆盖所述导电网的涂层；和 耦合于所述多孔电极的电源。11. 根据权利要求10所述的水灭菌装置，其中所述涂层为绝缘的。12. 根据权利要求11所述的水灭菌装置，其中所述涂层包括介电材料和陶瓷中的至少 一者。13. 根据权利要求10所述的水灭菌装置，其中所述涂层包括纳米线。14. 根据权利要求13所述的水灭菌装置，其中所述导电网是铜网，且所述纳米线包括 氧化铜纳米线。15. 根据权利要求13所述的水灭菌装置，其中所述导电网是不锈钢网，且所述纳米线 包括娃纳米线。16. 根据权利要求10所述的水灭菌装置，其进一步包含容纳于所述导管中且与所述多 孔电极间隔开的反电极，且所述电源耦合于所述反电极以在所述多孔电极与所述反电极之 间施加电压差。17. 根据权利要求10所述的水灭菌装置，其中所述多孔电极是第一多孔电极，且进一 步包含容纳于所述导管中且与所述第一多孔电极间隔开的第二多孔电极，且所述电源耦合 于所述第二多孔电极以在所述第一多孔电极与所述第二多孔电极之间施加电压差。18.根据权利要求10所述的水灭菌装置，其中所述电源为振荡电压源。
【专利摘要】一种水灭菌装置包括：(1)导管；(2)容纳在所述导管中的第一多孔电极；(3)容纳在所述导管中且邻近于所述第一多孔电极安置的第二多孔电极；和(4)耦合于所述第一多孔电极和所述第二多孔电极以在所述第一多孔电极与所述第二多孔电极之间施加电压差的电源。所述导管经配置以提供流体流通过所述第一多孔电极和所述第二多孔电极的通道，且在所述流体流中的病原体的灭活效率为至少约99％，例如至少约99.9％或至少约99.95％。
【IPC分类】C25B11/03, C25B9/02, C02F1/467
【公开号】CN104903249
【申请号】CN201380025335
【发明人】崔屹, 刘翀, 郑相茂, 亚历山德里亚·贝姆
【申请人】小利兰斯坦福大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年3月13日
【公告号】US20150075992, WO2013151704A1
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