CN109769391B

CN109769391B - 抗生物膜和抗微生物功能性膜间隔物

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Publication number: CN109769391B
Application number: CN201780042787.XA
Authority: CN
Inventors: C·J·阿娜什; S·P·辛格; F·萨古纳拉; Y·奥伦; J·M·托尔; 李亦伦
Original assignee: BG Negev Technologies and Applications Ltd; William Marsh Rice University
Current assignee: BG Negev Technologies and Applications Ltd; William Marsh Rice University
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2037-05-16
Also published as: WO2017199247A1; IL262973A; IL262973B1; US11027240B2; KR102491592B1; EP3458420B1; JP2019520196A; EP3458420A1; CN109769391A; IL262973B2; EP3889115A1; KR20190002709A; US20190143275A1; EP3458420A4

Abstract

本文公开了用于在液体中(例如，水性介质)对抗生物积垢的方法，其通过在所述水性介质中提供至少一个激光诱导的石墨烯(LIG)层涂覆的表面。本文特别优选地公开了用于处理水的方法和装置，包括使水流通过装配有至少一个间隔物的膜模块，所述间隔物涂覆有至少一个LIG层，并且任选地，通过向所述至少一个LIG层施加电势以实现水流中的杀菌作用。具体地，本文公开了水处理应用中适合在膜模块中用作间隔物的聚合网，所述网至少部分地涂覆有LIG。

Description

抗生物膜和抗微生物功能性膜间隔物

技术领域

本发明一般涉及防止液体介质中(例如在水处理技术中)的表面积垢。更具体地，本发明涉及预防积垢、生物积垢和细菌或微生物生长的方法，例如在固体表面上，例如在水处理装置(例如膜或隔离物)中，涉及在这些应用中使用石墨烯(例如激光诱导的石墨烯)以及可进一步适于防止所述积垢的抗微生物和/或抗生物膜间隔物(spacer)组件，例如通过原位提供电流，尤其用于产生反应性物质，例如活性氯物质和活性氧物质，并且通过电效应直接杀伤微生物，或与石墨烯表面接触。

背景技术

平板膜目前用于许多水处理应用，包括微滤，超滤，纳米过滤和反渗透。这些平板膜通常配置成螺旋缠绕元件。螺旋缠绕模块元件的一个关键组件是织造或非织造网间隔物(功能性间隔物)，其对膜提供了关键的机械支持，提供了缠绕膜片和组件之间的物理分离，并通过涡流和不同的流动模式来增强进料通道中溶液的混合。已经投入了大量精力来研究间隔物几何形状用于优化质量传递和机械能耗方面的性能；然而，尚未解决的主要问题是在间隔物上或在间隔物附近的膜上形成生物膜(biofilm)。因此，研发低积垢的间隔物将大大增加膜模块元件寿命，通过减少膜就地清洗过程的数量和频率来降低操作成本并提高膜的生产率，总体减少能量的成本和膜更换成本。

石墨烯具有许多显著的机械和电气性能。其在相同尺寸下比钢强得多，并且是可拉伸的。其导热性和导电性非常高，并且可以用作柔性导体(“2010年诺贝尔物理学奖的科学背景——石墨烯”(Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2010,GRAPHENE)，瑞典皇家科学院(The Royal Swedish Academy of Science))。通常，石墨烯含有不超过10个碳层。已经建议将石墨烯作为水-过滤膜涂层组件，如例如美国专利申请20160023167中所述。相似地，已经公开了碳纳米管作为水-过滤组分，例如在美国专利申请20120234694中所述，并且也建议将其用于通过喷墨印刷的膜涂层中，如例如PCT公开WO2015/079442中所述。此外，PCT公开WO 2013/050595描述了通过10毫秒100V的20Hz脉冲10分钟将涂覆有碳纳米管的生物膜电穿孔，并且PCT公开WO2014/117255描述了通过逸出气体(evolving gas)清洁碳纳米管涂覆的膜。

已经公开了激光诱导的石墨烯(LIG)，例如在WO2015/175060中。LIG可以使用激光切割设备在聚合表面产生，例如，聚酰亚胺片材。由于该方法的设备的性质，LIG可以图案应用。该石墨烯薄层是导电的并且可以用作电化学反应的电极(Jian Lin等2015，来自商业聚合物的激光诱导的多孔石墨烯薄膜(Laser-induced porous graphene films fromcommercial polymers).Nat.Commun.；5:5714.doi:10.1038/ncomms6714)。

本领域需要提供用于水处理系统有效地防止生物积垢的间隔物组件。本领域还需要提供一种清洁水处理膜的方法。本领域还需要提供在生物积垢微生物群附近产生足够量的活性氯或活性氧物质(例如H₂O₂)以在不降解膜本身的情况下除去或抑制生物积垢的方法。

本发明的发明人已经发现，激光诱导的石墨烯(LIG)具有抗微生物和抗生物膜(anti-biofilm)性能。LIG包含一个或多个层，例如，平均约3层，它通常是乱层的，意味着层之间没有顺序。LIG可以在聚合物片材(例如，聚酰亚胺片材)的聚合物表面形成，并且取决于制造条件，可以呈现不同的形状和形态，包括LIG纳米纤维或卷曲的石墨烯结构(LIG)。术语“LIG”涵盖所有这些形状和形态。通常，LIG是单层或几片多晶碳层，例如小于10层，其中原子以多个多边形构型排列，例如五边形、六边形和七边形结构，这与仅由sp2-氢化碳六边形组成的“经典”石墨烯不同。因此，术语“激光诱导的石墨烯”和/或“LIG”涵盖这样的分子，其以多晶乱层碳层作为结构，以五边形、六边形和七边形构型排列，处于任何形状或形态。我们已经发现在LIG或LIG涂覆的组件存在的情况下细菌不会附着或产生生物膜，并且，细菌与LIG表面接触将会导致细胞失活，这可以被称为被LIG涂层“被动抗生物积垢”。

本发明人另外发现，将电流施加到水处理装置组件(例如，间隔物组件)的表面(例如，LIG涂覆的组件的表面)的留置电极提供了有效的生物积垢控制。不受理论的束缚，据信在离子存在下的情况下，例如存在于例如海水或盐水中的氯离子的情况下，电流以可控的方式产生如下文所定义的活性氯和活性氧物质，和/或将微生物吸引至LIG涂覆组件的附近。该方面可称为“主动抗生物积垢”。

发明内容

在一些方面中，本发明提供了在液体介质中(例如，在水性或非水性介质中)对抗生物积垢的方法，包括在所述液体介质中提供至少一个包含激光诱导的石墨烯的表面。包含激光诱导的石墨烯的表面可以是用至少一个激光诱导的石墨烯(LIG)层涂覆的表面。在一些实施方式中，包含激光诱导的石墨烯的表面可以是在被LIG涂覆之前易于形成生物膜的表面。

有时，表面包括聚合材料。在这些实施方式中，该方法包括将LIG层施用于所述聚合物材料上，例如，用至少一层LIG涂覆所述聚合材料，以在其上形成LIG层。附加地或替代地，该方法包括用激光束照射所述表面以在其上形成LIG层。

在一些实施方式中，易于形成生物膜的表面是管道、船只、燃料储存罐或水处理装置中的元件的表面。在一些特别优选的实施方式中，水处理装置中的元件是膜间隔物。

在其他实施方式中，方法包括向所述LIG膜施加电势。优选地，所述电势介于0.5V和5V之间的范围，例如，介于1.1V和4.5V之间，或更优选，介于1.1V至3.5V之间的范围，例如，介于1.5V和3.5V。可以将电势连续施用指定时间段。时间段优选至少1秒长。

另一方面，本文提供了处理水的方法。该方法包括使水流通过装配有至少一个间隔物的膜模块，所述间隔物涂覆有至少一层LIG。该方法还包括向所述至少一个LIG层施加电势以在所述水流中实现杀菌作用。

在其他方面，本文提供了聚合网间隔物，其适合用于水处理应用中用于膜模块中。该膜间隔物至少部分地涂覆有激光诱导的石墨烯(LIG)。该网间隔物包含聚合物，优选聚酰亚胺，例如，该网间隔物包含聚(4,4'-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺)。在一些实施方式中，网间隔物涂覆有至少两个单独间隔开的LIG图案。

在其他一些实施方式中，网可以包括用于电连接LIG层的机构。优选地，这些层电连接至至少一个电源。

在其他方面，本文提供了处理水装置。该水处理装置可以包括膜模块和设置其中的间隔物，例如，膜间隔物。优选地，间隔物可以包括电极材料，更优选地是该电极材料由LIG组成。在一些实施方式中，电极材料可以置于间隔物上以形成至少两个间隔开的电极。

附图说明

图1a显示了在气体辅助下制造LIG。图1a显示了用气体箱制造LIG。

图2显示了在不同气氛下制备的LIG样品的俯视SEM图像。从喷嘴吹过：(a)空气，(b)3％H₂/Ar；从气体箱流过：(c)O₂，(d)空气，(e)Ar(氩)，(f)H₂(氢气)。比例尺：2μm。插入的突变是液滴在LIG表面扩散和站立。

图3显示了在不同气氛下制备的LIG的俯视图(a-f)和侧视图(g-l)SEM图像。对于这些样品使用了2％激光占空比。

图4显示了在不同气氛下制备的LIG的TEM图像。对于这些样品使用了2％激光占空比。(a-f)比例尺200nm。(g-l)比例尺20nm。

图5显示了在不同气氛下使用不同激光占空比制备的LIG样品的接触角。150°处的虚线是超疏水性所需的最小接触角。

图6显示了光谱特征。不同气氛下制备的LIG样品的(a,b)XPS和(c)拉曼光谱。对于这些样品使用了2％激光占空比；(a)标准化的C1s谱，(b)O 1s谱。(d)不同气氛下制备的LIG样品的接触角、O含量和C-O键含量(对于总O含量)之间的关系。(e)不同气氛下制备的LIG样品的接触角、D/G比和2D/G比之间的关系。(d)和(e)由(a-c)计算。

图7显示了：a)LIGNF地毯(carpet)高度随激光能量密度的函数。下述能量密度的LIGNF地毯的SEM图像：b)43J/cm²；c)53J/cm²；d)69J/cm²；e)78J/cm²；f)78J/cm²；比例尺：对于b、c、d、e：100μm；f：10μm。

图8提供了具有30至200nm范围宽度的LIGNF的HRTEM图像。比例尺：a.200nm；b和c：10nm。

图9显示了：a)显示D、G和2D峰值的LIGNF的拉曼光谱；b)XRD主峰在约26°示出，代表(002)石墨烯晶体平面；c)PI、LIG和LIGNF的XPS测量谱，以原子百分比表示它们相对的C、N和O含量；d)PI、LIG和LIGNF的C含量的XPS；e)PI、LIG和LIGNF的N含量的XPS；f)PI、LIG和LIGNF的O含量的XPS。

图10显示了聚酰亚胺、LIG和LIGNF细菌存活的百分比(标准化至聚酰亚胺的值)。

图11显示了生物膜生长试验的流动池的建立。

图12显示了PI、LIG和LIGNF的铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)生物膜参数。

图13显示了相较于PI和石墨，LIG表面上4天后(铜绿假单胞菌)的生物膜生长。

图14显示了PI和LIG样品的威氏鞘氨醇单胞菌(S.wittichii)生物质比较。

图15显示了PI和LIG样品之间的威氏鞘氨醇单胞菌生物质厚度。

图16显示了相较于PI和石墨，LIG表面上14天后(威氏鞘氨醇单胞菌)的生物膜生长。

图17显示了相较于PI和石墨，LIG表面上36天后(粪肠球菌(E.faecalis))的生物膜生长。

图18提供了铜绿假单胞菌在PI、石墨和LIG表面上生物膜生长的曲线，显示了生物质和平均厚度。

图19显示了相较于PI和石墨，LIG间隔物上二级处理的废水的生物膜生长。

图20显示了相较于具有沉积的LIG粉末的混合纤维素膜表面，PI和LIG表面上附着的铜绿假单胞菌的抑制。粉末-LIG-大颗粒(P-LIG-B)；粉末-LIG-小颗粒(P-LIG-S)；氧化的粉末-LIG-小颗粒(P-LIG-SO)。

图21显示了使用铜绿假单胞菌与粉末-LIG-小(P-LIG-S)悬浮液和粉末-LIG-大(P-LIG-B)悬浮液的溶液中抗菌作用的比较。没有任何LIG的溶液将用作对照。

图22提供了聚酰亚胺片材(a)和激光诱导的石墨烯(LIG)制造的间隔物(b)的图像。

图23显示了产生活性氯和/或活性氧物质的IV曲线和间隔物测试的实验设置。

图24提供了在空气中使用下述功率以方形图案将LIG间隔物施用于聚酰亚胺片材两侧的IV曲线：(a)2.0％激光功率(75W)(本文将之称为“2.0％LIG”)；和(b)2.5％激光功率(75W)(本文将之称为“2.5％LIG”)。

图25显示了表示为“氧化物质”的大量活性氧化物质，其以施加的1.5V电压通过“2.0％LIG”(a)和通过“2.5％LIG”(b)生成。

图26显示了通过LIG电极以1.5、2.0和2.5V在本体溶液中测量的H₂O₂生成。

图27显示了1.5V处“2.5％LIG”与超高细菌群的细菌群(a)和百分比杀伤(b)。

图28显示了1.5V处“2.5％LIG”与低细菌群细菌群(a)和百分比杀伤(b)。

图29显示了1.5V处“2.5％LIG”与低细菌群表示为“氧化物质”的活性氧化物质。

图30显示了电压依赖性实验中不同电压(2.5、2.0和1.5V)下(a和b)低～10⁴CFUmL^-1和(c和d)高～10⁶CFU mL^-1细菌负载以溶液中(a和c)％抑制和(b和d)对数减少表示的铜绿假单胞菌抑制。使用了2％LIG。

图31显示了使用落射荧光显微术在不同事件观测2％LIG制造的电极上的GFP标签标记的铜绿假单胞菌。施加电压(1.5-2.5V)，并以上至30秒(“30s”)捕获图像。在各图像中，通过100μm通道将阳极(顶部)与阴极(底部)分离。观测到作为亮点的GFP标签标记的铜绿假单胞菌。

图32显示了如实施例4所述，施加30s的1.5V后，使用SEM在2％LIG电极上显示的铜绿假单胞菌。(a)PI表面的细菌(无电流)；(b)LIG电极之间的PI通道中可见的细菌细胞。(c-d)阳极处受损的细菌细胞(伸长)；(e-f)阴极处受损的细菌细胞；箭头指示细菌。

图33显示了具有低(～10⁴CFU mL^-1)和高(～10⁶CFU mL^-1)细菌负载的二级处理的废水中以％抑制表示的混合培养的生物膜的抑制，如实施例6所述。

图34示意性地显示了具有LIG涂覆的间隔物和电极的螺旋缠绕膜构型。

图35显示了来自实施例7施加2.5V的在交叉流动构型和设置成电极的2％LIG涂覆的进料(feed)间隔物中使用ESPA膜描述通量随时间变化的图表。

图36显示了如实施例7所述实验持续期间循环的进料溶液中的细菌群。

发明详述

LIG可以在例如

聚酰亚胺(PI)(聚(4,4'-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺))上，或在聚(醚酰亚胺)上，或其他合适的聚合物上制造。聚合物可以是片材的形式，其可以进一步被用于卷对卷加工，流水线放大。然后，使用激光划线，以CO₂激光切割系统如通用X-660激光切割平台(例如XLS10MWH)可以将聚合物(例如PI)表面转换成LIG。可以根据气体箱设计，在不同的气体下，诸如但不限于，100％空气，或氢(H₂)下，或氩(Ar)，或氧(O₂)气氛下，以1.50－2.25W(包括端值(75W处2％-3％))范围的激光特异性功率制备激光诱导的石墨烯(LIG)。最终的激光功率可以不同，并且占空比(duty cycle)也可以不同。例如，可以2％功率或占空比使用75W激光，这表示激光仅在2％的时间内“开启”。占空比取决于所用激光的瓦特数以及激光脉冲穿过聚合物时的能量密度或步长(例如，每个区域的脉冲密度和光栅化速度)，例如，取决于能量密度，PI基材产生LIG。

如本领域所知，LIG的表征可以通过进行扫描电子显微镜(SEM，例如FEI Quanta400高分辨率场发射仪)，通过进行透射电子显微镜(TEM，例如80KeV JEOL ARM200F)，通过进行X射线光电子能谱(XPS，例如PHI Quantera)和通过进行傅立叶变换红外光谱(FT-IR，如Nicolet红外光谱)。

LIG的杀菌性能可以使用在将细菌于LIG表面孵育后测量细菌活力的试验检测。与对照的未处理聚合物表面不同，发现LIG样品具有高度杀菌性。在流动池实验和包含多种群的混合培养物的二级处理的废水中观测LIG的抗生物积垢和抗生物膜性能，所述流动池实验显示了LIG样品对革兰氏阴性菌株铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和威氏鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas wittichii)以及革兰氏阳性菌株粪肠球菌(Entercoccusfaecalis)的生物膜抗性。本发明的一个方面因此涉及在控制微生物中使用激光诱导的石墨烯(LIG)。这证明了LIG的被动抗微生物用途，表示在没有其他影响的情况下，LIG具有抗菌性。本发明的另一方面涉及在控制生物积垢中使用激光诱导的石墨烯(LIG)。这证明了LIG的被动抗生物积垢用途，表示在没有其他影响的情况下，LIG具有抗生物积垢性。

本文所用术语“控制微生物”、“抗微生物”等指减少或去除附着于聚合物表面的微生物。发现LIG能够使用本文下述的接触杀伤试验控制微生物。将进一步预期LIG能够以相似的方式控制其他微生物，例如真菌、藻类、原生动物和病毒。

本文所用术语“生物积垢(biofouling)”用于描述液体(例如，水)中生存的生物或微生物在表面(特别是人造表面)的附着和/或生物膜形成。此类生物的非限制性示例包括细菌、藻类、真菌和藤壶。

本发明描述了用于水处理装置和系统的具有激光诱导的石墨烯(LIG)表面的聚合材料。这类聚合材料形成本发明的另一方面。聚合材料可以包括单个聚合物或两个或多个聚合物的掺混物或两个或多个片段的嵌段共聚物，其中一个所述聚合物或共聚物的片段在激光照射后能够转化成LIG。此外，聚合材料可以是层压体的形式，其最外层是在激光照射后能够转化成LIG的聚合物。能够转化成LIG的合适聚合物的示例包括乙烯基聚合物(或更多常见的链生长聚合物)或缩聚物(或更多常见的步进生长聚合物)，如聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)。特别优选聚酰亚胺。优选的聚酰亚胺是聚(4,4'-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺)。聚合材料可以这样的形式提供，例如薄膜、纤维、织物、切块(coupon)、块、干材(log)、粒料或由这些制成的特定制品，同时特别优选薄膜。

可以在合适的表面使用具有例如10.6微米波长的合适激光源(例如CO₂激光)产生激光诱导的石墨烯(LIG)。通常，激光束的功率可以是0.5-5W，例如，处于1.5W、1.875W或2.25W的功率，处于75W源的2、2.5或3％的激光功率。激光诱导的石墨烯可以具有任意数量的化学或物理变化，例如氧化，只要其是稳健且导电性优异的。通常，由此获得的LIG可以包含70％以上的碳，例如，85％以上，87％以上或90％以上，并且可以还包括氧和/或氮。LIG可以不同厚度和多孔性的多孔层获得。本文所用术语“稳健的”就LIG层而言，应当被解释为能够承受将聚合材料处理成制品的弹性，其中导电率变化最小并且在整个使用过程中涂层损失小于10％。可以通过在涂层上层压屏幕样或其他薄膜来增加稳健性。通常，本文所用术语“导电”就LIG层而言应当被理解为具有至少500ohm/平方片材电阻的LIG层最小导电性，优选低于100ohm/平方片材电阻，更优选介于50和15ohm/平方片材电阻之间。

激光诱导的石墨烯还可以收集自聚合物，从聚合物中获得激光诱导的石墨烯并涂覆于合适的表面上。可以本领域已知的方法进行涂覆，例如，通过加热聚合表面并在其上施用LIG粉末，或通过施用包含LIG的清漆或糊料。

在其表面上具有激光诱导的石墨烯(LIG)的聚合材料可以用于针对需要抗微生物和/或抗积垢性能的应用的各种产品和装置。对于这类应用，聚合材料(产品/装置)的整个表面或表面的部分可以被照射。待照射的部分/特定表面区域可以根据产品/装置的预期用途确定。这类产品和装置的非限制示例包括医疗装置，如植入物，牙科装置，包装，例如用于食品和药品，水留置装置，例如船舶和其他船只的管道和船体，燃料储存罐，用于净化水性溶液的装置，例如水处理系统，用于净化气体的装置等。特别优选水脱盐系统和水处理系统，特别是在其一些构型中使用的膜隔离物。

在水处理系统中，特别是在基于膜的系统中，在其表面具有激光诱导的石墨烯的聚合材料可以用于功能性间隔物。除了LIG的抗菌作用，在氯离子存在的情况下将电流施加到间隔物组件表面(例如，LIG涂覆的组件的表面)上的留置电极产生活性氯物质，活性氧物质，并且因为如下所定义的电效应以可控制的方式吸引和杀伤微生物，提供有效的生物积垢控制。该方面构成LIG用于主动抗菌污染的用途。除了LIG外，电极可以包括其他导电材料，如典型的石墨烯、石墨和金属，如银或铜。各材料可以是阳极(a)或阴极(c)。电极对可以包括石墨烯(a)-石墨烯(c)，石墨烯(a)-银(Ag)(c)，石墨烯(a)-铜(Cu)(c)，石墨(a)-石墨(c)，石墨(a)-Ag(c)，石墨(a)-Cu(c)，石墨(a)-石墨烯(c)，石墨烯(a)-石墨(c)，并且LIG电极可用于上述电极对中的任一项替代任何其他电极。金属或含金属或含石墨的环氧树脂或其它粘合剂特别适用于将电源线连接于LIG薄膜。由于本文所述的抗菌和/或抗积垢作用，特别优选将LIG用作电极。

优选地，两个电极(即阴极和阳极)可以置于间隔物上。此外，可以仅将单个电极置于间隔物组件，既可以是阳极也可以是阴极，从而在电路闭合时产生活性氯和/或氧物质，并且将微生物吸引到电极附近。第一电极可以置于与第二电极液体连通的任何地方，优选附近。或者，可以仅将一个电极置于间隔物上，例如，间隔物的一侧可以用LIG涂覆，而第二电极(例如石墨电极)可以置于进料流入口。

本发明的一个方面因此涉及包括在其表面具有激光诱导的石墨烯的聚合物材料的功能性间隔物。特别优选地是包括聚合物网的功能性网间隔物，所述聚合物网由本领域已知通常构型制造的具有激光诱导的石墨烯(LIG)的聚酰亚胺组成，例如，如下述实施例中所述。除非上下文另有明确规定，否则本文所用的术语“间隔物”、“间隔物组件”、“膜间隔物”、“聚合物网”、“网间隔物”等可以互换使用，表示由聚合材料制成的网，适合用作水处理系统膜模块中的间隔物，特别是以螺旋缠绕构型。网通常设置在膜封套(membraneenvelope)的连续缠绕之间，并防止它们之间的接触。网允许水流流过膜表面并穿过膜。该术语可以指交织股线的构型，如网，或者可以表示片材中包括多个开口并表征为不同网尺寸、片材构型中材料其余部分的宽度、股线厚度和股线密度的图案。通常，网覆盖其所处的整个膜区域。网可以具有均一或可变的厚度，通常在0.4mm和1.2mm之间。网在穿孔片材构型中可以还具有介于1.2和2.6mm之间的均一或可变的线宽度。该网还可以包括每10cm网20-70股线，例如，35-63股线。股线可以70°至110°变化的角度编织，例如，80°至90°。间隔物网可以包括聚酰亚胺聚合物，并且其上可以具有LIG层。

在该设置中，LIG层可以具有多重功能。首先是其起着电极的作用。因为LIG可以在聚酰亚胺聚合物网两侧的表面上制造，所以聚酰亚胺间隔物材料的薄层将这些LIG图案分开。因为该分离，LIG图案可以用作间隔开的电极。LIG电极可以使用合适的机构电连接，用于将其与具有合适电势的电源连接。合适的机构包括但不限于，例如，通过导电胶连接至电极的电线。电线可以由石墨线(graphite thread)组成。

通过向包含氯化钠(NaCl)或其他盐的盐溶液中的电极施加直流电(DC)、交流电(AC)或混合模式的电流电压，功能性间隔物产生包括活性氧物质和含氯元素的主动抗微生物和抗生物膜组分，并且将生物积垢微生物吸引到LIG表面。活性氯元素包括但不限于，氯(Cl₂)，次氯酸(HOCl)和次氯酸根离子(ClO-)，在本文被称为“活性氯物质”，并且不限于过氧化氢(H₂O₂)和羟基自由基(HO^.)为“活性氧物质”。活性物质产生自含有导电离子的溶液，例如，含氯盐溶液，例如盐水，加上生成电流的组件间的电势差(电压)；在一些情况中，LIG可以是载流子。活性物质可以清除间隔物上或附近的微生物污染，并因此可以防止膜上微生物的生物积垢，然而，电流可以主动地吸引微生物与LIG接触或在LIG附近，在此处电效应或与LIG接触引起对细胞的物理破坏。

施加的电压，例如用于产生活性氯和氧物质的施加的电压，可以在0.05V-5V的范围内，优选介于0.1V-3.5V之间，包括端值，例如，0.5-3.0V。优选地，所述电势可以介于0.5V和5V的范围内，例如，介于1.1V和4.5V之间，或者更优选地，介于1.1V-3.5V的范围内，例如，介于1.5V和3.5V之间。通常，电压和电流的持续时间可以根据生物载量和/或膜对氯和其他活性物质的敏感性调整。可以连续地或按需提供电力。电力可以至少1秒的周期提供，例如，至少10秒，或至少30秒，或至少60秒，或至少5分钟，或至少15分钟，或连续地。电流提供可以响应系统监测信号，例如，总有机碳(TOC)的升高，系统中微生物群的出现高于阈值菌落形成单位(CFU)计数，系统性能如渗透物通量等的下降；或者可以定期提供作为生物污损预防措施。

不受限于理论，据信在间隔物上原位提供活性氯物质和/或活性氧物质可以允许高局部浓度递送至细菌，特别是通过电流驱动至物质，同时使对膜的暴露最小化。众所周知的是，高于百万分之0.1(ppm)的活性氯物质浓度有效杀伤细菌，尽管生物膜可能需要更高的浓度，或具有高有机物载量的溶液；同样已知的是纤维滤膜将耐受300ppm的氯攻击约300小时，其性能不会显着降低。因此，当使用时，间隔物可以这样的剂量给予活性物质，从而使其浓度保持在超低水平。例如，即使以约0.1mg/l恒定过量剂量的氯，纤维膜将正常工作90,000小时(30ppm*300小时＝9000ppm.小时；9000ppm.小时/0.1ppm＝90,000小时)，即，超过10年。此外，从实施例部分中证明的结果可以看出，当细菌载量高时，产生的活性物质被细菌吸收，使得它们不能用于攻击聚合物膜。

活性物质的量可以通过调节电压(较高的电压将生成更多的活性物质)或通过交替地接通或断开电压(交替地生成和停止活性物质的生成)来调节。活性物质的原位生成和控制其量的能力可以提供足够精确的抗微生物组分以清除或尽可能减少活微生物、生物积垢或生物膜生长的形成。将微生物电吸引至电极表面的能力以及控制活性物质(例如，活性氯物质和/或活性氧物质)量的能力也将限制附近膜材料的降解。

LIG在间隔物上的第二功能是LIG具有抗微生物性，并且显示出抗生物膜功能。这还将防止间隔物上的积垢、生物膜生长和细菌附着。接触LIG涂覆的间隔物组件后的细菌存活通常低于25％，优选低于0.1％。因此，在另一方面，本发明涉及防止或减少或尽可能减少功能性间隔物、膜或水处理系统其他元件上积垢、生物膜形成和/或细菌附着的方法。

本文所用术语“水处理系统”或“水处理装置”指用于加工、处理或生成用于特定应用的纯化的水或基于水的产品的系统或装置。水处理系统可以用于生成具有预定、所需或优选的一组特征、质量或性能(如纯度、导电性等)的水。例如，水处理系统可以包括用于产生和为公众分配饮用水的水处理设施，旨在生成用于制造过程的水的系统，用于将基于水的物质加工或处理成可排放到环境中的产品的系统，例如中央废水处理设备等。例如，水处理系统可包括任何系统、设备或设施，其使用基于先进的分离，过滤，透析，离子交换过程或任何其他基础、技术或机制的设备来根据相关参数加工，处理，检测，净化，隔离，分离等，例如，对于个人家庭或水源使用。

水处理装置可以典型的螺旋缠绕膜构型组装。通常，提供渗透收集边界层与膜和进料通道间隔物的层压。可以用激光预照射间隔物的两侧以提供如本文所述的LIG涂层，或用包含LIG的清漆或涂层涂覆。因此，可以在进料通道间隔物的任一表面上提供绝缘电极。层压体可以沿着轴缠绕，并置于壳体中。渗透收集器与渗透收集控件液体连通，并且进料入口与进料通道间隔物和膜液体连通。绝缘电极电线可以各自与间隔物LIG层中的任一个电连接并与给水绝缘；电连接到间隔物上导电层的电极通过电路电连接到电源，任选地，电路包括开关、继电器和/或控制器。响应信号，例如外部信号或继电器周期，电路闭合并通过电极向间隔物组件的LIG涂层供电。然后用供给电极的电力杀伤细菌，例如，通过将细菌吸引至电极表面，并通过电效应和/或与LIG接触杀伤微生物，通过将存在于给水的氯离子部分地转化成活性氯，并通过在间隔物组件上或其附近生成活性氧物质，并因此以高浓度局部递送至留置的细菌，从而去除细菌积垢。

以下实施例旨在说明本发明，而非对其进行限制。

具体实施方式

制造激光诱导的石墨烯(LIG)

对于LIG，用装配10.6μm CO₂脉冲激光(75W)的XLS10MWH(通用激光系统公司(Universal Laser Systems))激光平台在商购的PI薄膜上进行激光诱导(

厚度0.005英寸，购自MMC公司(McMaster-Carr)，目录号2271K3(聚(4,4'-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺)。制备数个样品。如下更加详细地描述，以相同的图像密度8(1000脉冲/英寸)制备表示为EL 3-117和EL 3-146的样品，所有实验使用2％激光占空比和5％的扫描速率(光栅化速度)(15cm/秒)，除非另外指出。

对以气体辅助(空气或3％H₂/Ar混合物)制备的LIG，如图1a所示，使用喷嘴将选定的气体吹向激光点，同时激光平台内的一般气氛仍然为空气(1atm)。术语“激光”表示激光束，术语“空气”表示气体(例如空气)的供应，术语“喷嘴”表示用于供应气体(例如空气)的喷嘴，而术语“PI”表示基材，例如聚酰亚胺。对以空气箱(O₂、空气、Ar或H₂)制备的LIG，如图1b所示，气体箱用于允许不同的空气流过箱，并将ZnSe窗(厚度6mm)安装于箱的顶部以允许CO₂激光照射PI薄膜。术语“激光”和“PI”如图1a所示，而术语“ZnSe窗”表示ZnSe窗，“气体线”表示气体线，“气体”表示气体供应，“出口(Vent)”表示排气(exhaust)，而“箱”描述气体箱。当使用气体箱时候，使用的流速为O₂约140标准立方厘米/分钟(sccm)，空气约140sccm，Ar约125sccm，H₂约175sccm，所有均以1atm。通常，对所有测试的样品使用2％激光占空比，除非另有说明。

LIG样品的表征(SEM、TEM、拉曼(Raman)、接触角、XPS等)示于图2-6。制备下述样品并测试：EL 3-117I：以空气辅助的LIG(在图2-6中称为为“空气”)，EL 3-117III：以3％H₂/Ar辅助的LIG(在图2-6中称为为“3％H₂/Ar”)，EL 3-117IV：以H₂(箱)的LIG(在图2-6中称为为“H₂(箱)”)，EL 3-117V：以Ar(箱)的LIG(在图2-6中称为为“Ar(箱)”)，EL 3-117VI：以空气(箱)的LIG(在图2-6中称为为“空气(箱)”)，和EL 3-146：I(LIG：100％空气辅助)，IV(LIGAr：Ar在箱中)，V(LIG H₂：H₂在箱中)，VII(LIG O₂：O₂在箱中)(在图2-6中称为为“O₂(箱)”)。

图2显示了在不同气氛下制备的LIG样品的俯视图SEM图像。从喷嘴吹过：(a)空气，(b)3％H₂/Ar；从气体箱流过：(c)O₂，(d)空气，(e)Ar(氩)，(f)H₂(氢气)。比例尺：2μm。插图是液滴在LIG表面扩散和驻留。图3显示了在不同气氛下制备的LIG的俯视图(图3a-3f)和侧视图(图3g-3l)SEM图像。图4显示了在不同气氛下制备的LIG的TEM图像，图4(a-f)使用200nm的比例尺，图4(g-l)使用20nm的比例尺。图5显示了在不同气氛下使用不同激光占空比制备的LIG样品的接触角，其在图表的纵坐标上称为“接触角(°)”。称为“激光占空比(％)”的横坐标是用于制备试样的激光占空比的值。150°处的虚线是超疏水性所需的最小接触角。

拉曼光谱显示石墨烯的特征，并且包括约1350cm^-1处的D峰值、约1580cm^-1处的G峰值和约2700cm^-1处的2D峰值。2D峰值的存在支持单层石墨烯片材的存在。LIG的XPS光谱显示了主要碳和氧的元素组成。用FEI Quanta 400ESEM拍摄SEM图像。使用200-kV JEOL 2100场发射枪进行透射电子显微镜(TEM)表征。使用Renishaw Raman RE01示波器以633nm激光记录所有拉曼光谱。在PHI Quantera SXM扫描X射线显微探针以200 μm光束尺寸和45°引出角度进行XPS，并使用C1秒以284.5eV校准。数据总结于图6中(a-e)。在图6a和6b中，标识如上所述，而曲线的顺序为(从上至下)：空气–3％H₂/Ar–O2(箱)–空气(箱)–Ar(箱)–H₂(箱)。在图6d中，实心圆表示O含量的百分比，称之为“O含量(％)”，空心圆表示C-O含量的百分比，称之为“C-O含量(％)”。在图6e中，实心圆表示D/G拉曼峰值比，称之为“D/G”，空心圆表示2D/G拉曼峰值比，称之为“2D/G”。

制造激光诱导的石墨烯(LIG)纳米纤维

对于LIGNF，用装配10.6μm CO₂脉冲激光(75W)的XLS10MWH(通用激光系统公司(Universal Laser Systems))激光平台在商购的PI薄膜上进行激光诱导(

厚度0.005英寸，购自MMC公司(McMaster-Carr)，目录号2271K3)。所有实验使用相同的图像密度6(500脉冲/英寸)和10％扫描速率(30cm/秒)。使用1％至5％激光占空比以获得具有不同长度的LIGNF。通过将许多脉冲平均化并使用温度计测量平均功率来计算能量密度。

LIGNF样品的表征(SEM、TEM、拉曼(Raman)、XPS等)示于图7-9。图7显示了：a)LIGNF地毯(carpet)高度(称之为“高度(μm)”)随激光能量密度的函数，称之为“能量密度(J/cm²)”。下述能量密度的LIGNF地毯以100μm比例尺的SEM图像：b)43J/cm²；c)53J/cm²；d)69J/cm²；和e)具有能量密度78J/cm²的10μm比例尺LIGNF地毯。图8提供了具有30至200nm范围宽度的高分辨率(HR)-TEM图像。比例尺：a.200nm；b和c：10nm。图9显示了：a)显示D、G和2D峰的LIGNF的拉曼光谱，其中峰值强度被称为相对波数(wave number)的“强度”，被称之为“波数(cm^-1)”；b)XRD峰值强度称为“强度”，其中在约26°的2θ显示主峰，被称之为纵轴“2θ(度)”，表示(002)石墨晶体平面；c)PI、LIG和LIGNF的XPS测定谱，用原子百分比指示其相对C、N和O含量，其中峰值强度被称之为相对结合能量的“强度”，被称之为“结合能量(eV)”；d)PI、LIG和LIGNF的C含量的XPS；e)PI、LIG和LIGNF的N含量的XPS；e)PI、LIG和LIGNF的O含量的XPS；以相同的标识。

实施例1：制造于聚酰亚胺上的激光诱导的石墨烯的接触细菌杀伤。

采用接触杀伤试验以检验在不同制造条件下形成的LIG的杀菌性能。该试验在将细菌于表面上孵育后测量细菌活力。例如，这类方法已经用于说明石墨烯氧化物的抗微生物活性，之前报道于文献中(Castrillón等,2015,Environ.Sci.Technol.Lett.,2015,2(4),第112–117页,石墨烯氧化物与细菌细胞膜的相互作用：来自力光谱学的观点(Interaction of Graphene Oxide with Bacterial Cell Membranes:Insights fromForce Spectroscopy)。

已经检测的样品在下表A中总结。

表A

-通过水滴

-通过俘泡(captive bubble)

将铜绿假单胞菌的单个集落添加到50ml falcon管中的LB肉汤(20-45ml)(Lysogeny肉汤/氨苄青霉素培养基–有酵母提取物、胰蛋白胨和NaCl组成)中。将培养物于30℃振荡过夜生长，并将细菌通过4,000rpm离心沉淀并用无菌PBS(2x)(磷酸盐缓冲盐水-由NaCl、KCl、K₂HPO₄和Na₂HPO₄组成)洗涤。使用分光光度计发现光密度(OD_600nm)为1.236。通过将1ml该样品添加至9ml的PBS中将悬浮液稀释10倍，此后测量的OD大约为0.1。测试了4个样品，包括聚酰亚胺(PI)(对照)、EL 3 117-IV(LIG/H₂(箱)，如上文表A所述)，EL 3117-III(LIG/3％H₂/Ar辅助，如上文表A所述)，和LIGNF(激光诱导的石墨烯4％，纳米纤维，如下文所述)。将100μl稀释的细菌悬浮液置于各自大约1cm²的样品表面，并于30℃孵育3小时。然后，将样品在4ml无菌PBS中洗涤，取出10μl等份并在(LB)琼脂平板上铺板。18小时后对表示4个不同样品的各琼脂平板的CFU(菌落形成单位)进行人工计数。将菌落的数量标准化至聚酰亚胺对照样品以提供存活的百分比。结果示于表1和图10，存活的百分比沿纵坐标表示为“百分比存活”。

表1：不同样品的细菌聚落计数值

可以看出，激光诱导的石墨烯(LIG和LIGNF)样品当与对照聚酰亚胺比较时具有高度杀菌性。

实施例2：聚酰亚胺上制造的激光诱导的石墨烯的生物膜生长试验，短期和长期研究。

LIG的抗生物积垢和抗生物膜性能在流动池实验中观测。该实验的设置示于图11，包括营养培养基，泵(称之为“流动池泵”)和流动池腔室，其包含附着于玻璃载玻片的样品(称之为“其中接种样品的流动池”)。

用双面胶带将对照聚酰亚胺，和/或石墨，和LIG样品附着于玻璃载玻片，并且置于流动池内。通常，接种样品包括将50ml细菌培养物以2.5ml/分钟流过流动池，然后是最长达96小时和最长达14天的营养培养基。用3种不同类型的细菌以如下详述的稍微不同的变化进行不同的实验。

1.如实施例1所述培养铜绿假单胞菌。将LB肉汤中具有0.1OD_600nm的这些细菌的50ml培养物以2.5ml/分钟流入并流出腔室。然后是2.5ml/分钟最长达96小时的LB培养基的连续通量，所述LB培养基包含150mg/L羧苄青霉素。羧苄青霉素用于抑制任何干扰性细菌物质的生长。

2.威氏鞘氨醇单胞菌在50ml细菌蛋白胨、牛肉提取物和营养肉汤中培养。将细菌以2.5ml/分钟流入并流出腔室，随后，来自膜生物反应器具有微量添加细菌蛋白胨(12.5mg/l)和牛肉提取物(7.5mg/l)的废水以1-1.5ml/分钟流动持续约96小时并且最长达14天。以150mg/L的浓度添加链霉素。

3.粪肠球菌与铜绿假单胞菌相似。将LB肉汤中具有0.1OD_600nm的这些细菌的50ml培养物以2.5ml/分钟流入并流出腔室。然后是2.5ml/分钟最长达36小时的LB培养基的连续通量。

用活/死试剂盒(英杰公司(Invitrogen))如下所述进行细菌染色：添加1.5μl碘化丙啶至染色死细菌细胞，1.5μl Syto 9至染色活细菌细胞和100μl荧光伴刀豆球蛋白A至897μl的0.1M NaCl，所述荧光刀豆球蛋白A是粘附细菌分泌的EPS(胞外聚合物质)的碳水化合物结合蛋白(凝集素)。样品通过将2-3滴染色混合物添加到表面染色，此后用0.1M NaCl将其洗涤，并将其覆盖在铝箔之下(以防止与来自环境的光发生任何相互作用)和用CLSM(共焦激光扫描显微术)成像。使用Z扫描对生物膜成像。观测样品的多个区域，并将结果平均。使用MATLAB，以称为COMSTAT的预先写好的针对生物膜成像定量的程序对平均生物质和生物膜厚度进行定量。IMARIS软件用于显示并加工CLSM图像以由来自z扫描的多个显微图像来重建3-D图像。在图像中活细菌、死细菌和EPS颜色为绿色、红色和灰色。

已经观测到铜绿假单胞菌生物膜在PI上容易产生，但是在LIG和LIGNF上不易产生。图12显示了PI、LIG和LIGNF基材上铜绿假单胞菌生物膜参数。称之为“生物质(μm^3/μm^2)”的生物质以浅色柱示于左侧，而称之为“厚度(μm)”的生物膜厚度以深色柱示于右侧。死细菌、活细菌和EPS分别称之为“死”、“活”和“EPS”。

同样容易观测到的是，威氏鞘氨醇单胞菌在PI上容易产生，但是在LIG样品较小程度或无生物膜产生。图14和15显示了PI和LIG样品之间威氏鞘氨醇单胞菌生物质和厚度比较，以与铜绿假单胞菌生物膜相似的标识。

PI、LIG或LIGNF上96小时铜绿假单胞菌生物质和生物膜厚度：

用对照聚酰亚胺(PI)、LIG(激光诱导的石墨烯)和LIGNF(激光诱导的石墨烯纳米纤维)这3个样品进行初步实验。我们观测到聚酰亚胺具有高密度的死细胞(灰色)、EPS(灰色)和活(绿色)细菌细胞，然而LIG和LIGNF基本上不含活细胞和死细胞，并且具有少量EPS(表2和图12)。

表2：生物膜参数－PI、LIG和LIGNF的生物质和厚度

表3：生物膜参数－生物质和厚度

另一实验以铜绿假单胞菌和对照聚酰亚胺(PI)，石墨片材(PAPYEX-SR，德国默森)和4种类型的LIG(激光诱导的石墨烯)EL 3-146I、IV、V和VII进行。在样品3-146I(空气协助)和V(箱中的氢)没有观测到细胞或EPS。在IV(Ar)样品上观测到一些细胞附着，并在VIII(氧气)样品上观测到一些EPS。PI和石墨基材包含显著量的活细胞，并且石墨还有高量的EPS。数据总结于上述表3，并示于图13。

PI和LIG样品上96小时威氏鞘氨醇单胞菌生物质和生物膜厚度：

第二个实验用威氏鞘氨醇单胞菌在对照聚酰亚胺和5种不同的LIG样品进行，制备其的条件如上文所列(表A)。我们通过CLSM图像发现，当于LIG样品比较时，聚酰亚胺具有更多的存活和死亡细菌和EPS。使用MATLAB对生物膜参数生物质和平均厚度定量CLSM图像，结果分别示于图14和15以及表4中。

表4：具有均值的标准偏差(SEAM)的威氏鞘氨醇单胞菌生物质

S.PI和LIG样品上14天威氏鞘氨醇单胞菌生物质和生物膜厚度：

第三个实验以威氏鞘氨醇单胞菌在对照聚酰亚胺(PI)，石墨片材(PAPYEX-SR，德国默森)和4种类型的LIG(激光诱导的石墨烯)EL 3-146I、IV、V和VII上进行14天。在样品3-146I(空气协助)、V(箱中的氢)和IV(Ar)样品没有观测到细胞或EPS，然而在VIII(氧)样品上观测到EPS。PI和石墨基材包含显著量的活细胞，以及高量的EPS。数据总结于表5、图16。图中标识如上所解释。

表5：生物膜参数－生物质和厚度

		生物质(μm^3/μm^2)	平均厚度(μm)
				PI(n＝7)	死	1.86	5.37
	EPS	3.11	6.42
					活	15.19	30.08
石墨(n＝4)	死	0.69	0.77
					EPS	7.54	8.67
	活	14.15	14.22
				LIG Ar(n＝5)	死	0.01	0.00
	EPS	0.01	0.01
					活	0.08	0.05
LIG H2(n＝4)	死	0.01	0.00
					EPS	0.00	0.00
	活	0.04	0.00
				LIG空气(n＝4)	死	0.01	0.00
	EPS	0.03	0.02
					活	0.04	0.01
LIG O2(n＝6)	死	0.02	0.00
					EPS	0.67	0.76
	活	0.17	0.12

PI和LIG样品上1.5天粪肠球菌生物质和生物膜厚度：

另一实验以粪肠球菌和对照聚酰亚胺(PI)，石墨片材(PAPYEX-SR，德国默森)和如上4种类型的LIG(激光诱导的石墨烯)EL 3-146I、IV、V和VII进行。在样品3-146I(空气协助)和VIII(氧)样品没有观测到细胞或EPS。在样品IV(Ar)样品和样品V(箱中的氢)上观测到一些EPS。PI和石墨基材包含活细胞，并且石墨还有高量的EPS。数据总结于表6、图17。图中标识如上所解释。

表6：生物膜参数－生物质和厚度

		生物质(μm^3/μm^2)	平均厚度(μm)
				PI(n＝12)	死	0.63	0.88
	EPS	0.02	0.00
					活	0.39	0.56
石墨(n＝10)	死	0.22	0.33
					EPS	2.55	5.34
	活	0.17	0.23
				LIG Ar(n＝10)	死	0.02	0.01
	EPS	0.21	0.07
					活	0.01	0.01
LIG H2(n＝10)	死	0.00	0.00
					EPS	0.32	0.19
	活	0.00	0.00
				LIG空气(n＝11)	死	0.00	0.00
	EPS	0.01	0.00
					活	0.00	0.00
LIG O2(n＝10)	死	0.01	0.00
					EPS	0.01	0.00
	活	0.00	0.00

在PI、石墨和LIG间隔物上的铜绿假单胞菌生物质和生物膜厚度：

如下在1cm x 1cm方形中制备用于LIG间隔物的相同的LIG。2％激光占空比用于产生与间隔物网具有相同设置的LIG。所有实验使用图像密度8(1000脉冲/英寸)、10％扫描速率(30cm/秒)和100％空气辅助。

测试LIG间隔物、石墨表面和未处理的PI。简言之，铜绿假单胞菌(PAO1)野生型培养物在30℃的氨苄青霉素(LB)肉汤中生长，用LB肉汤收获并洗涤，并在LB肉汤中稀释至600nm处0.1的OD。用双面胶带将LIG涂覆的PI样品、石墨样品和未处理的PI薄膜附着于玻璃载玻片，并且垂直地置于流动池内。用铜绿假单胞菌接种表面是通过将50mL细菌悬浮液以2.5mL分钟^-1的速率流过流动池，然后以2.0mL分钟^-1流动营养培养基(10％LB)36小时。

将碘化丙啶(1.5μL、20mM)和SYTO 9(1.5μL、3.34mM)添加至0.997mL的150mM氯化钠，用于分别染色死和活细菌。偶联Alexa Fluor 633染料的伴刀豆球蛋白A(ConA)用于染色胞外聚合物质(EPS)。通过将5mg mL^-1储液在150mM氯化钠中稀释来制备ConA-AlexaFluor 633(50μL mL^-1)。通过棉纸(Kimwipe)小心地吸干表面以去除过量的电解质，然后添加100μL的染色溶液以覆盖生物膜表面并避光储存20分钟。通过添加0.25ml氯化钠溶液(150mM)至表面，轻柔地洗涤(3×)表面，然后通过触摸吸收纸边缘小心地去除过量的电解质。

通过共焦激光扫描显微术(CLSM)(蔡司(Zeiss)LSM 510，META)，以蔡司干物镜方案-NeoFluar(20×放大和0.5的数值孔径)进行生物膜的评估。对SYTO9和PI两者都使用488nm的激发波长，而对Alexa Fluor 633使用633nm。通过Imaris 3D成像软件(Bitplane，瑞士苏黎世)制备生物膜图像，而定量分析(生物膜体积和平均厚度)使用COMSTAT在Matlab2015b上计算。

我们观测到，LIG在没有其他任何影响的情况下抵抗生物膜生长的形成，并且几乎没有观测到生物膜。相反，PI和石墨对照两者显示出大量活细菌和胞外聚合物质(EPS)以及较少量的死细菌。结果总结在图18中。PI被称为“聚酰亚胺”，而石墨纸被称为“石墨”。其他标识如上所解释。

在石墨上观测到最大的生物体积，并观测到高达26μm的厚度。使用IMARIS-Bitplane软件的3D可视化显示了死细菌存在于接近PI和石墨材料表面附近的生物膜下。该层死亡细胞证明覆盖生物膜厚层可能会在表面附近导致不利的生长条件，如缺少营养物。另一方面，LIG表面显示出极低量的附着的存活细胞、死亡细胞或EPS，并且强调了用作抗生物膜表面涂层的潜能；水和废水处理计数所需的特征。由其在材料间的边界区域的图像中观测到LIG表面和PI表面之间显著的生物膜生长。

确定LIG、PI和石墨纸的疏水性，并且发现其显著不同。接触角测量显示相较于石墨(61.3°±6.6)和PI(74.5°±3.3)，LIG具有最大亲水性(45.3°±3.8)，与上文确定的EL3-117I相似，无意受限于理论，据信亲水性更高的表面可以显著地吸收疏水性较少的组分，如疏水性EPS组分或由溶液溶解的有机物质，其可以调节表面以增加细菌附着。我们观测到EPS不存在于LIG表面。

二级处理的废水在PI、石墨和LIG间隔物上的生物质和生物膜厚度

二级处理的废水收集自以位于色列基布兹赛德博克(Kibbutz Sde Boker)的曝气池。该水具有如下表7详述的组成，并且包含1.6±0.2x10⁴CFU mL^-1的细菌类群放线细菌(Actinobacteria)、拟杆菌(Bacteroidetes)、壁菌(Firmicutes)、变形菌(Proteobacteria)和候选TM6门。使用涂布平板法确定浓度。此外，将1mL的二级处理的废水添加到50mL LB培养基，然后于30℃孵育24小时，并通过稀释调节细菌浓度。

	值(ppm)
		BOD<sub>5</sub>	55
TOC	122
		氮	20
磷酸盐	15

表7：二级处理的废水的组成

LIG间隔物制备、生物膜染色和共焦显微术如上所述进行。生物膜在聚酰亚胺片材、石墨和LIG间隔物上生长。以μg/μm²表示的生物质和以μm表示的生物膜厚度结构总结在下述表8中，并在图19中证明。在图19中，生物质柱是蓝色的并置于对的左侧，而厚度柱为桔色并置于对的右侧，并且标识如上所述。

表8：二级废水生物膜参数－生物质和厚度

实施例3：LIG颗粒的细菌毒性

使用为间隔物体网格(使用图像密度8(1000脉冲/英寸)，10％的扫描速率(光栅化速度)(6英寸/秒)，2％功率和100％空气辅助)产生的LIG进行细胞毒性试验，所述间隔物网格在PI表面制造，并与通过从表面刮研相同的LIG层进行的LIG粉末比较。通过声波处理刮研的LIG制备具有小和大颗粒尺寸的LIG粉末，这导致使用AFM的平均颗粒片材面积分别为0.09和0.55μm²。

通过刮研来自PI表面的LIG生成LIG粉末。通过探针声波处理刮研的LIG，获得不同的LIG粉末尺寸分布。简言之，通过浸没在浴槽式声波处理器(D-74224，埃尔默新基公司(Elma Singen))中30分钟生成LIG粉末的稳定悬浮液(DI水中2.0mg mL^-1)。然后将该悬浮液在冰浴中以对于较小尺寸的高强度(VCX130，Sonics Vibra-cell公司)探针声波处理120分钟。

使用KMnO₄将小尺寸的LIG粉末进一步氧化，这将LIG粉末的氧含量从4％增加至31％，如使用XPS所测量的。120分钟的探针声波处理后，将50mL的悬浮液以12000×g离心30分钟。将LIG粉末(100mg)置于5mL的浓缩H₂SO₄中。然后，将KMnO₄(0.75g)缓慢地添加到冰浴中。将溶液加热到35℃2.5小时，然后，将DI水(10mL)缓慢地添加至悬浮液。2小时后，将DI水(30mL)和H₂O₂(30％，5.5mL)缓慢地添加至悬浮液。将溶液在室温下保持2天，然后通过离心(12000×g，30分钟)收集沉淀，并用HCl(10％体积，3×)和DI水(3×)洗涤以去除化学残留。通过将5mL的悬浮液(DI中2.0mg L^-1)过滤到膜过滤器然后风干，将制备的LIG粉末的不同类型沉积在膜表面(混合的纤维素酯，0.025μm，MF-密理博(Millipore)膜过滤器)。

测量如在PI表面上生成的LIG的抗菌效力，并与混合纤维素过滤器上沉积的LIG粉末比较(图20)。在与铜绿假单胞菌溶液表面接触6小时后，在LIG表面看到相对较小的作用，并且LIG粉末具有最大颗粒尺寸。具有较小颗粒尺寸分布的样品在附着细胞的杀伤中显示出增加(～23％)，而被氧化的具有较小尺寸的LIG粉末对附着的细胞具有最大的抗微生物性(～41％杀伤)。图20显示了相较于具有沉积的LIG粉末的混合纤维素膜(“膜”)表面，PI和LIG表面上附着的铜绿假单胞菌的抑制。粉末-LIG-大颗粒被称为(P-LIG-B)；粉末-LIG-小颗粒(P-LIG-S)；而氧化的粉末-LIG-小颗粒(P-LIG-SO)。

表面对不接触表面的细胞(“浮游细胞”，与“沉积的细胞”相对)没有毒性。相较于较大颗粒，由于表面区域增加和小的边缘特征，较小颗粒尺寸的石墨烯可能对细菌更具毒性，而较高的氧含量可能导致较高的氧化应激。因此，PI薄膜上当前制造的LIG表面的形态学和低氧含量可能导致低被动抗微生物性能。包括激光功率和合成气氛的可变LIG制造条件可能影响LIG的形态学和其氧含量，因此被动抗微生物活性可能在其他类型的LIG上增强。

还在溶液中研究了LIG粉末抗微生物活性对浮游细菌的影响。将铜绿假单胞菌细胞悬浮液暴露于300μg/L不同尺寸的LIG粉末6小时，使用涂布平板法观测细菌活力。在没有声波处理步骤情况下进行的实验中，具有较大尺寸的LIG粉末相比较小的颗粒最初显得更具毒性(图21)。图21显示了使用铜绿假单胞菌与粉末-LIG-小(P-LIG-S)悬浮液和粉末-LIG-大(P-LIG-B)悬浮液的溶液中抗菌作用的比较。没有任何LIG的溶液将用作对照。然而，当在琼脂平板上接种之前在声波处理样品的情况下进行实验时(分别称之为“超声处理后”和“超声处理前”)，明显的抗微生物活性丧失。这表明LIG粉末可能覆盖或包裹细菌细胞，而这防止了它们的增殖。细菌细胞没有被灭活，仅仅是它们的生长受到抑制。抗微生物活性的视觉确认通过使用Syto9/碘化丙啶活/死试剂盒染色和使用CLSM成像可见。细菌细胞连同悬浮液中小或大LIG粉末显示了大多数活细胞。观测到细菌细胞和LIG粉末形成聚集物(aggregate)，并表明将细菌细胞包埋在LIG片材中是可能的。沉积在混合纤维素膜表面上的粉末LIG显示了活和死细菌细胞，而粉末LIG(小，氧化的)显示了最高抗微生物活性。

实施例4：使用聚酰亚胺间隔物网材料和LIG涂层在聚酰亚胺(在空气中使用75W激光，2％或2.5％激光功率产生)两侧使用1.5-2.5V的DC电压测试和制造间隔物

激光诱导的石墨烯制造的间隔物：

用于该作业的

聚酰亚胺(PI)(厚度：0.005英寸)聚合物片材购自MMC公司(目录号2271K3)。用装配0.6μm CO₂脉冲激光(75W)的XLS10MWH(通用激光系统公司)激光平台在聚合物片材上进行激光刻划。所有实验使用图像密度8(1000脉冲/英寸)、10％扫描速率(30cm/秒)和100％空气辅助。为了制造LIG间隔物，首先使用12％激光占空比以在PI片材上制造孔的网格(孔的尺寸为3mm x 3mm，各孔之间的间隔从中心到中心为6mm)，然后使用2％或2.5％激光占空比以在相同的PI片材各孔之间产生LIG网络(线宽1mm)。图22b显示了如此产生的间隔物的图片。

LIG间隔物：

如所示的聚酰亚胺片材(图22a)被用于LIG制造的间隔物。使用计算机控制的CO₂激光将LIG直接书写在PI片材的两侧(10×10cm)，如图22b所示。将这些导电的LIG涂层用作电极。对于实验，通过导电胶将电源与电极(两侧)连接。用电线将这些电极延伸，然后连接到电化学工作站，如图23所示。在图23中，术语“磁力搅拌器”指磁力搅拌器，而“NaCl sol.”指NaCl溶液。

通过使用如图23所示的实验步骤对LIG电极的电流和电压特征进行表征。具有可变电压的滞留(DC)电源用于研究。LIG间隔物部分浸没于烧杯中的900ml的0.08M NaCl溶液中，保持导线和导电胶暴露在空气中。接通电压并在0-2.5V之间变化，并使用万用表测量电流和电压。LIG电极的任一侧用于阴极和阳极。

“2.0％LIG”和“2.5％LIG”间隔物的电流–电压(IV)曲线分别示于图24a和24b。以1.5V电极运行12小时后，集合-1(深色实心圆)和集合-2(浅色实心圆)为重复的测量

通过LIG间隔物产生氧化的化学物质：

评估通过LIG产生的活性氯和活性氧物质在上文所述方法中如图25所示的相同设置中进行。通过DPD比色法测量总氧化的化学物质浓度。DPD(N,N-二乙基-1,4苯二胺硫酸盐)是在于氧化物质反应后产生颜色的指示剂。DPD试剂盒包括能够测量0.05-5.0mg/L范围氧化物质的片剂，并且购自西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich)(以色列)。对于实验，将新鲜水性NaCl溶液(0.08M)加入烧杯。向用2.0和2.5％激光功率(分别为图25a和25b)制造的LIG间隔物施加1.5V。测量取自溶液的5ml样品的总氧化物质产生。在两种情况中，浓度随时间增加。实验30小时后，“2.0％LIG”的最大活性氧物质浓度为0.34mg/L。然而对于“2.5％LIG”，运行36小时后，测量到0.47mg/L总氧化物质。根据文献，抗微生物活性和溶液的完全灭菌通常需要0.1-0.2mg/L总氯浓度。

通过LIG间隔物产生活性氧：

相似地，进行了通过LIG产生的H₂O₂物质的评估。在稍微更稀释的0.05MNaCl的纯溶液中测量2％LIG在1.5V-2.5V范围内的各电压的H₂O₂浓度。运行9小时后，仅测量到0.3-0.9mg L^-1的H₂O₂。H₂O₂产生在1.23V出现在阳极，而氯形成在1.35V。在实验期间检测到H₂O₂，然而不可以检测到Cl₂。形成的氯气可能与H₂O₂快速地反应，导致出现主导物质。结果示于图26，测量了在本体溶液中以1.5(空心圆)、2.0(空心方形)和2.5V(空心三角形)通过LIG电极产生的H₂O₂，其中过氧化氢在纵轴表示，称之为“H₂O₂(mg/L)”，而以小时为单位的时间在横轴表示，称之为“时间(小时)”。

LIG间隔物的抗菌作用：

间隔物的抗菌作用如下测量：通过在图23所示的设置中以高细菌载量(约10⁸CFU/ml)或以低细菌载量(约10⁴CFU/ml)添加铜绿假单胞菌的细菌培养物。如上所述，细菌在液体培养基LB中生长。将培养物于30℃振荡过夜生长，并将细菌通过4,000rpm离心沉淀并用无菌PBS洗涤，然后将细菌悬浮于无菌PBS中。将细菌添加到含有高细菌载量(约10⁸CFU/ml)或以低细菌载量(约10⁴CFU/ml)的NaCl水性溶液(0.08M,900ml)中。施加1.5V的电势，并随时间使用涂布平板法监测CFU。在30℃孵育24小时后对集落进行计数。

超高细菌负载实验：

微生物群和百分比杀伤的变化分别示于图27a和27b。在图27a中，实心圆表示对照细菌计数，而实心方形表示LIG反应器细菌计数。24小时运行后，观察到超高载量的2个对数减少。在实验期间还测量了总氧化物质浓度，并且观测到氧化化学物质低于试剂盒的检测极限(0.05mg/L)。

细菌的低负载：

低负载细菌实验结果示于图28，对照细菌计数以深红色实心圆示出，而LIG间隔物细菌计数以亮蓝实心方形示出。运行12小时后，通过LIG间隔物的复杂杀伤机制，99.99％的微生物群被杀伤。在实验期间测量总氧化物质，并以氯浓度当量示于图29。

LIG间隔物的抗菌作用——电压的作用：

相似地，当将LIG间隔物用作向其施加1.5V-2.5V范围电压的电极对时，观测LIG间隔物的抗微生物活性。如上所述通过在网格图案中激光切割间隔3mm的方形孔(3mm×3mm)制造穿孔的PI片材10cm×7cm。将LIG(1mm宽，2％激光功率75W，1000脉冲/英寸，30cm/秒)打印于介于方形孔之间的PI片材两侧，实现20cm²的总电极表面积。使用碳基胶将铜线连接到各电极，并连接到DC电源。

将电极悬浮于含有NaCl水性溶液(1L，0.05M)的烧杯中(参见图23)。如上所述制备铜绿假单胞菌细胞(10⁸CFU mL^-1)的0.9％NaCl溶液，并将其添加到烧杯至约10⁴CFU mL^-1(低负载)和约10⁶CFU mL^-1(高负载)的最终浓度，室温下持续搅拌。将电源调整至0、1.5、2.0或2.5V，从反应器去除1mL样品并用于CFU计数或H₂O₂/活性氯物质确定。此外，在0V时，在具有或没有外源添加H₂O₂实现0.05M NaCl溶液中1.0mg L^-1的H₂O₂初始浓度的情况下进行实验。H₂O₂浓度测量通过H₂O₂/过氧化物酶试验试剂盒(

Red，赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher))检测，和铜(II)离子和2,9-二甲基-1,10-邻二氮杂菲(DMP)方法。活性氯物质如上文所述测量。

我们观测到施加的最高电压(2.5V)在从测试的溶液清除活细菌是最有效的。超过99％的杀伤在运行4小时内。当施加1.5V和2.0V时观察到较少的活性；然而，这些LIG电极在2.5V时完全净化(4个对数减少)了稀释的细菌溶液。相似地，在浓缩的细菌溶液中观测到约3.5个对数减少。图30a-30b中示出了对于实验低细菌负载臂的结果，而图30c-30d中使出了对于实验高细菌负载臂的结果。

H₂O₂浓度为电压依赖性，并且在以稀释的细菌溶液的实验中运行6小时后的范围为0.3-0.7。然而，在测量的所有电压下，H₂O₂在使用浓缩的细菌溶液的实验中低于检测极限。高量的细菌和相关有机物最有又能消耗游离的H₂O₂。外源添加至铜绿假单胞菌培养物的1mgL^-1H₂O₂的毒性用存在于0V(开路电压)的LIG电极评估。稀释的或浓缩的细菌溶液中的活力并不受到影响。无意限制于理论，据信当包括H₂O₂的活性物质通过电极产生时，接近电极表面的局部浓度预计将远高于测量的本体浓度。

实施例5：LIG电极的主动抗微生物活性——落射荧光显微术研究

使用设置成在用于该显微镜下的特定LIG电极评估电效应。LIG制造的条件与间隔物LIG相同。在电极(0.4cm x 1cm)之间设计100μm的通道，从而可以同时观测阴极和阳极。

将表达GFP的铜绿假单胞菌的悬浮液添加到电极的顶部，并以不同电压检测随时间的变化(图31)。当没有电压施加时，细菌不受影响并持续存在于溶液中。然而，在施加高于1.1V的电压后，观测到向阳极的细菌运动，随后在1.5-2.5V之间观察到细胞消失。在1.1V时，30秒后没有观察到细菌消失，然而，当电压从1.5增加到2.5V时，细菌的消失越来越明显并与之关联。例如，在1.5V时，细菌在1秒后开始在阳极侧消失，并且细菌在2秒后也开始从阴极侧消失，在30秒时细菌几乎完全消失。在较高电压2.0V和2.5V下，观察到细菌细胞的更快消失，其中观察到细菌在1秒后几乎完全消失。

无意受限于理论，据信细菌向LIG表面的运动极其后续的消失表明电效应(例如，不可逆的电穿孔)结合表面毒性作用和局部化的活性化学物质生成可能是LIG表面抗细菌作用“主动”模式最合理的解释。由于细胞膜中存在的带负电的生物分子，如磷脂和多糖，铜绿假单胞菌细胞具有负电荷表面，而这可以被吸引至阳极。演示的细胞的损失破坏表面细胞壁或细胞膜组分的快速物理破坏。这由在电极上拍摄的SEM图像支持，如图32a-32f所示。

相较于以相同方式设置的石墨电极，细菌细胞的运动仅在2.3V时开始，并且仅在高于2.6V时观测到细菌的消失。

实施例6-LIG电极对废水的主动抗微生物活性

如实施例2那样使用二级处理的废水。

通过用脱氯自来水1:10稀释废水来制备稀释的二级废水。将废水培养物调节至10⁴和10⁶CFU mL^-1，通过将二级处理的废水于30℃孵育直到实现该浓度。

LIG间隔物和实验设置如实施例4所述。施加9小时2.5V电压，并且在所有情况中，观测到>99.9％细菌抑制。抑制百分比的结果(称之为“％抑制”)相对时间(称之为“时间(小时)”)示于图33。从左至右各柱表示如下：10％废水(最深色柱)、10⁴CFU/mL(较浅色柱)和10⁶CFU/mL(最浅色柱)。

实施例7–具有抗生物积垢间隔物的交叉流动RO组合件(assembly)

以10巴的恒压在交叉流动构型中测量RO膜(ESPA型DHR，来自海德能公司(Hydranautics))，图34示例性地示出。给水由具有0.1％氨苄青霉素(LB)的合成废水组成，含有约10⁶CFU/mL铜绿假单胞菌细胞的初始细菌浓度。合成废水具有如下盐组分：1.16mM柠檬酸钠，0.94mM氯化铵，0.45mM磷酸二氢钾(KH₂PO₄)，0.5mM二水合氯化钙(CaCl₂·2H₂O)，0.5mM碳酸氢钠(NaHCO₃)，2.0mM氯化钠(NaCl)和0.6mM七水合硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)，所有都溶解于去离子(DI)水中。进料的最终pH为7.4，离子强度为14.6mM。

使用实验室规模的交叉流动系统，如Herzberg等(Herzberg,M.；Elimelech,M.反渗透膜的生物积垢：生物膜增强的渗透压的作用(Biofouling of Reverse OsmosisMembranes:Role of Biofilm-Enhanced Osmotic Pressure).J.Memb.Sci.2007,295,11–20)所述。该单元用于以交叉流动构型测量RO膜，其中渗余物和渗透物都可以再循环回进料溶液罐中。进料间隔物由如实施例4所述的穿孔的PI片材组成。以2％的占空比，1,000脉冲/英寸的图像密度和30cm/秒的光栅化速度，将空气从喷嘴吹过并将单元保持于常压下的静止空气，将LIG打印到方形孔之间的PI片材两侧。用碳胶将石墨线粘在LIG间隔物的各侧。石墨线从单元中出来并连接到开关和2.5V的电势。将间隔物切割成9.0×2.0cm的尺寸并置于进料通道侧，两个标准商购间隔物网(聚丙烯，取自RO组件)之间。

渗余物和渗透物再循环至进料储库(reservoir)(10L)。在10巴(145.0psi)以105L/小时的流速进行实验，膜的预压使用DI水在15巴(217.5psi)进行24小时。经由装配有温度控制系统的冷却装置将流动池组合件中的温度控制在25℃。随时间测量通量的改变，使用涂布平板法将细菌群表征。实验后，在膜表面进行共焦显微术，并显示与对照膜的区别。

监测通量的减少以及循环的进料溶液中活细菌的量，分别示于图35和36。在图中，实心圆分别表示对照的通量和活计数，而实心方形为2.5V电势的。可以看出，在首个最初的10小时内，在含有处于0V(开路电势)的LIG间隔物的对照实验和2.5V时(图35)通量减少。不受理论的束缚，据信这是由于进料溶液中营养物的有机积垢，或简单地进一步平衡膜与进料溶液。然而，10小时后，2.5V处的LIG间隔物防止通量进一步的降低。当施加开路电势时(0V)，通量继续降低直到实验的终点。这可以是归因于膜表面上的生物膜生长，这增加了膜电阻。还值得注意的是，2.5V处的LIG间隔物在循环的进料溶液中将细菌负载降低2个对数单位(图36)。48小时后，相较于施加2.5V时约为10⁵CFU/mL的细菌量，使用进料间隔物0V处的细菌量约为10⁷CFU/mL。10小时后系统中缺少通量减少表明2.5V处的LIG间隔物彻底地抑制了膜上的生物膜生长。

Claims

1.一种用于在水性介质中对抗生物积垢或控制微生物的方法，其包括在所述水性介质中提供至少一个激光诱导的石墨烯LIG层涂覆的表面，所述激光诱导的石墨烯是使用激光划线，以CO₂激光切割系统将聚合物表面转换而成。

2.如权利要求1所述的方法，其包括用至少一个LIG层涂覆易于形成生物膜的表面。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述易于形成生物膜的表面是管道、船只、燃料储存罐或水处理装置中的元件的表面。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述水处理装置中的元件是膜间隔物。

5.如权利要求1所述的方法，其中，涂覆的表面是至少一个间隔物的表面，并且其中所述方法包括使水流通过装配有涂覆至少一个LIG层的至少一个间隔物的膜模块。

6.如权利要求5所述的方法，其还包括向所述至少一个LIG层施加电势以在所述水流中实现杀菌作用。

7.如权利要求1所述的方法，其中，涂覆的表面是膜间隔物的表面。

8.如权利要求1所述的方法，其还包括向所述LIG层施加电势。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述电势在0.5V和5V之间的范围。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述电势在1.1V和3.5V之间的范围。

11.如权利要求8所述的方法，其中，所述电势连续施加至少1秒的时间段。

12.一种聚合网在水处理应用中用作膜模块中的间隔物用于对抗生物积垢或控制微生物的用途，所述网至少部分地涂覆有激光诱导的石墨烯LIG，所述激光诱导的石墨烯是使用激光划线，以CO₂激光切割系统将聚合物表面转换而成。

13.如权利要求12所述的用途，其中，所述网包括聚酰亚胺。