水消毒是保障公共卫生安全的关键环节，但传统化学消毒法易产生有害副产物，物理方法如紫外线杀菌或膜过滤则存在安全和效率瓶颈。电穿孔杀菌技术通过纳米结构尖端增强电场（也称“避雷针效应”），可在低电压下击穿微生物细胞膜，实现高效灭菌。然而，现有电穿孔电极面临导电性不足、电化学腐蚀导致的稳定性差等问题，例如铜基纳米阵列电极仅能维持10分钟有效灭菌。
针对上述挑战，av直播
周祚万教授团队在报道了仿生纳米结构快速物理杀菌（Science of the Total Environment, 2020,738: 139714）和纳米阵列低压电穿孔杀菌原理（Nanotechnology Reviews, 2023, 12(1): 20220555）基础上，进一步采用金属离子掺杂策略，提出通过铁掺杂ZnO纳米阵列，调控纳米材料的导电性，显著提高了纳米电穿孔杀菌消毒效率，实现了超低电压下的超快灭菌（1 V和0.6 s），具有安全、广谱、高效、无副作用等综合优势。相关研究成果以“Fe-doped ZnO nanoarrays towards high efficiency of non-contact electroporation disinfection in water”为题于近日发表在表面科学领域TOP期刊Applied Surface Science (//doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163441)上，av直播博士研究生邓伟为第一作者，周祚万教授和张海助理教授为共同通信作者。
周祚万教授团队长期致力于纳米抗菌材料研究，首创了纳米活性氧调控技术、仿生微纳结构物理杀菌技术、高分子表面接枝改性技术、纳米电穿孔灭菌技术等，相关研究成果已应用于我国载人航天工程，为相关科研设计任务和天宫空间站运维过程中的微生物防控提供技术支持，并两度主持获得四川省科技进步一等奖，研发的系列抗菌材料同时推广应用于100多家国内外知名企业，产生显著的经济社会效益。在本项研究中，课题组提出通过变价金属离子掺杂策略，构筑晶格缺陷，同时形成原子间隙和氧空位（OVs），实现了对纳米阵列电性能调控；以调控制备的铁离子掺杂氧化锌纳米阵列(Fe-ZnO NAs)为基础构建非接触式电极系统（NES）。表征结果显示，纳米阵列呈垂直取向生长，铁掺杂未破坏结构完整性。水体灭菌消毒实验结果表明，在低至1 V电压和0.6 s短接触时间下，Fe-ZnO NAs对大肠杆菌（E. coli）的灭活效率达6.20-log，较未掺杂电极（1.94-log）提升3倍；对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的灭活效率从<0.10-log增至1.69-log。NES系统通过物理隔离电极与水体，避免电化学反应腐蚀，30分钟连续运行后仍保持对大肠杆菌（E. coli）>6.00-log灭活效率。
本研究得到了国家自然科学基金项目（No. 51772251）、四川省科技计划项目（No. 2023NSFSC1998、2020ZDZX0008和2024ZYD0211）和空间站工程航天技术试验场项目（No. 2019HJS002）等支持。
原文链接：//doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163441
图 1. 作为 NES 电穿孔消毒装置的 Fe-ZnO NAs的制备示意图。（a）Fe-ZnO NAs在泡沫铜表面生长的过程，（b）Fe-ZnO NAs修饰电极及 NES 电穿孔消毒装置。
图 2. 在铜泡沫上生长纳米阵列的扫描电子显微镜形态图。（a-c）ZnO NAs的扫描电子显微镜图像，（d-f）Fe3-ZnO NAs的扫描电子显微镜图像。
图 3. 单根纳米棒的透射电子显微镜（TEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能谱分析（EDS）图像。（a）ZnO，（b）Fe3-ZnO的TEM 图像；（c）ZnO，（d）Fe3-ZnO的HRTEM 图像；（e）ZnO，（f）Fe3-ZnO的EDS元素分布图。
图 4. ZnO NAs和 Fe-ZnO NAs的 XRD 图谱、XPS 光谱和 PL 光谱表征。（a）ZnO NAs、Fe1-ZnO NAs、Fe3-ZnO NAs和 Fe5-ZnO NAs的 XRD 图谱，图中插图为 ZnO NAs和 Fe-ZnO NAs在 34.5°处的 XRD 峰位移情况，（b）XPS 全谱，（c）Zn 2p 核级 XPS 光谱，（d）O 1S 核级 XPS 光谱，（e）Fe 2P 核级 XPS 光谱，（f）ZnO NAs、Fe1-ZnO NAs、Fe3-ZnO NAs和 Fe5-ZnO NAs的 PL 图谱。
图 5. ZnO NAs和Fe-ZnO NAs电极的电化学性能。（a）ZnO NAs、Fe1-ZnO NAs、Fe3-ZnO NAs和 Fe5-ZnO NAs电极的奈奎斯特图及拟合线（由插入的等效电路模拟所得），（b）ZnO NAs、Fe1-ZnO NAs、Fe3-ZnO NAs和 Fe5-ZnO NAs电极的电流测试。
图 6. Fe-ZnO NAs电极的消毒效果及细菌膜损伤评估。（a）在 1 V直流电压作用下，不同接触时间（细菌浓度为 106 CFU/ml）下 ZnO NAs、Fe1-ZnO NAs、Fe3-ZnO NAs和 Fe5-ZnO NAs电极对大肠杆菌的消毒效率；（b）在 1 V直流/交流电压作用下，不同接触时间（细菌浓度为 106 CFU/ml）下 ZnO NAs和 Fe3-ZnO NAs电极对大肠杆菌的消毒效率；（c）不同电压（0~2 V直流）下 ZnO NAs和 Fe3-ZnO NAs电极对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌（细菌浓度为 106 CFU/ml）的消毒效率；（d）用 Fe3-ZnO NAs电极消毒前大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的扫描电子显微镜图像；（e）用 Fe3-ZnO NAs电极消毒后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的扫描电子显微镜图像；（f）灭活细菌内部蛋白质的泄漏率；（g）灭活细菌中钾离子的泄漏率。
图 7. 电极稳定性测试及电极降解分析。（a）ZnO NAs 电极和 Fe3-ZnO NAs 电极的长期消毒性能（大肠杆菌浓度为 106 CFU/ml，1 V 直流电），（b）Fe3-ZnO NAs 电极运行 30 分钟时出水中 Cu2+ 的浓度，（c）Fe3-ZnO NAs 电极运行 30 分钟时出水中 Zn2+ 的浓度，（d）Fe3-ZnO NAs 电极运行前后的 XRD 图谱，（e）Fe3-ZnO NAs 电极运行前后的 SEM 形貌。
