不同气体放电对应的杀菌效率与含氧自由基含量的对应关系.docx

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不同气体放电对应的杀菌效率与含氧自由基含量的对应关系

摘要

大气压低温等离子体生物材料表面处理技术，不需要复杂的真空设备，具有低成本、低能耗、高效率等特点，放电气体温度低，容易操控，在薄膜沉积、表面改性、杀菌消毒、环境净化、食品安全控制等方面均有重要应用。

本文主要针对射流式介质阻挡放电产生的等离子体针和阵列式介质阻挡放电产生的大面积低温等离子体与有害病菌相互作用进行研究和探讨，通过对放电的物理特性和产生的化学活性物质进行分析，检测自由基等活性物种的相对浓度，分析处理后细菌表面的结构变化，阐述等离子体杀菌的机制。

本论文主要研究内容如下：

1.利用交流高压驱动产生大气压射流放电等离子体，与传统方法中的双氧水和臭氧消毒对比，对大肠杆菌展开杀菌实验研究。

研究结果表明，在交流峰值电压4.5kV，频率7kHz，利用He放电产生的射流等离子体在30s内可对大肠杆菌有效杀除，大肠杆菌失活效率达到99%。

同时利用X射线光电子能谱技术（XPS）分析不同方法处理后细菌表面的结构变化，发现经该射流等离子体处理过的大肠杆菌细胞表面的-C-O和-C=O官能团含量明显上升，表明等离子体产生的活性氧粒子在杀菌过程中起主要作用。

2.在交流电源驱动下，利用光纤毛细微结构特性在空气中产生大面积均匀等离子体，并利用该装置对大肠杆菌展开大面积均匀杀菌实验研究。

通过电压同步触发ICCD快速相机，在频率为5kHz条件下研究了放电峰值电压对沿面扩散放电等离子形成过程的影响。

研究结果表明，放电电荷在介质表面积累形成的反向电场有助于形成稳定均匀的大面积空气介质阻挡放电。

放电峰值电压为14kV，该放电装置产生的等离子体在2min内能够有效地使大肠杆菌大面积地失活。

3.在交流电源驱动下，利用光纤毛细微结构特性在水溶液中产生大面积均匀等离子体放电，在不同气体成分（N2、He、Air、O2）下利用该装置放电产生的等离子体进行杀菌实验研究。

研究结果表明，相较于N2和He水中放电，Air和O2放电等离子体与水溶液相互作用过程中产生大量的活性氧，与大肠杆菌相互作用导致细胞脂质过氧化而失活。

同时放电峰值电压的提高，可以产生高能态的活性物种，提高等离子体密度，其在溶液中大肠杆菌失活过程中亦起这重要作用。

本论文的主要成果是：

1、建立了含氧自由基等活性物种的相对浓度和细菌失活率的对应关系，分析处理后细菌表面的结构变化，阐述了等离子体杀菌的机制。

2、成功地利用等离子体列阵技术产生了大面积均匀放电的等离子体，并利用ICCD快速相机成功捕获了等离子的传播机制。

3、成功地实现了在水中稳定放电，并研究了不同气体放电对应的杀菌效率与含氧自由基含量的对应关系。

关键字：

大气压等离子体；大肠杆菌；失活效率；活性含氧自由基

Abstract

Atmosphericpressurecoldplasmashavebeenwidelystudiedforfilmdeposition,surfacemodification,bacterialinactivation,environmentpurificationandfoodsafetyduetotheirpotentialproperties.Becauseofitsuniqueadvantagessuchaslowpowerconsumption,highenergyefficiencyandlowgastemperaturewithoutcomplicatedvacuumsystem,theatmosphericpressurenon-equilibriumplasmahasattractedmuchinterestinthebiomedicalapplicationsinrecentyears.Inthispaper,atmosphericpressureplasmajetandthewell-alignedplasmageneratedbyDBDdischargeareinvestigatedwiththeelectricalandopticalcharacteristics,respectively.Inaddition,Therelativeconcentrationsofrelativeoxygenspecies,structuremodificationofbacteriasurfacearecomparedandanalyzedtoelucidatethemechanismofplasmainactivation.Themaininvestigationcontentsaredescribedasfollow:

1.AnatmosphericpressurecoldplasmajetwasgeneratedforinactivationresearchofE.colicells,comparedwithtraditionalinactivationmethodssuchasH2O2andO3treatment.Attheappliedvoltageof4.5kV,witharepetitionfrequencyof7kHz,E.colicellsindirectcontactwiththeHeplasmajetcanbecompletelykilledupto99%withinthetreatmenttimeof30s.Inaddition,X-rayphotoelectronspectroscopy（XPS）analysisshowsthattheC-OorC=OcontentsoftheinactivatedE.colicellssurfacebyplasmaarepredominantlyincreased,indicatingtheoxygen-containingspeciesinplasmaaremorethanothertwomethods,andcanbreaktheC-CorC-Hbonds,causingtheinactivationofE.colicells.

2.Amicrostructurearrayscomposedofwell-alignedandmicrons-thickhollowquartzfiberswasusedtogeneratehomogeneousaircoldplasmasbyusinganACpowerwiththerepetitionfrequencyof5kHzatatmosphericpressure.Theplasmapropagationmechanismwascarefullystudiedbyusingintensifiedchargecoupleddevice（ICCD）imagingundervariousappliedvoltage.Moreover,thewell-alignedmicroplasmadeviceisveryefficientforthelarge-areaanduniforminactivationofE.colicellsandE.colicellsindirectcontactwiththeairplasmacanbecompletelykilledwithinthetreatmenttimeof2min.

3.Anatmospheric-pressureN2,He,air,andO2microplasmaarraywasdesignedtoinactivateE.colicellsinaqueousmedia.Comparedtotheatmospheric-pressureN2,andHemicroplasmaarrays,airandO2microplasmaarraysmaybeutilizedtomoreefficientlykillE.colicellsinaqueoussolutionbyproducingmorereactiveoxygenparticles,indicatingthatplasma-generatedreactivespeciescanreactwithE.colicellsinwaterbytheirdirectorindirectinteractions.

Insummary,themaincontributionofthisthesisisthedevelopmentofthenewmethodforbacteriainactivation.Firstly,auniversalrelationofsurvivalrate,reactiveoxygenspeciesconcentrationwillbepresentedandstructuremodificationofbacteriasurfacearecomparedandanalyzedtoelucidatethemechanismofplasmainactivation.Secondly,amicrostructurearrayscomposedofwell-alignedandmicrons-thickhollowquartzfiberswasusedtogeneratehomogeneousaircoldplasmas.Theplasmapropagationmechanismwascarefullystudiedbyusingintensifiedchargecoupleddevice（ICCD）imagingundervariousappliedvoltage.Thirdly,anatmospheric-pressureN2,He,air,andO2microplasmaarraywasdesignedtoinactivateE.colicellsinaqueousmedia.Theprojectimplementationofthestudywillhaveapositiveinfluenceoninvestigatingvariousparametersofplasmadeviceandspreadingmedicalapplication.

Keywords:

Atmosphericpressureplasma;E.colicells;Inactivationefficiency;Reactiveoxygenspecies

Contents

第一章绪论

1.1引言

低温等离子体杀菌是利用等离子体进行杀菌的一种新技术。

与常规杀菌技术相比，该技术具有温度低，快速高效，无残留，不产生有毒物质，对处理物品损伤小，大气压下作用不需要昂贵的真空设备等优点，越来越受到医疗卫生和食品加工等诸多领域的关注，具有广阔的发展前景[1-3]。

由于等离子体在杀菌消毒方面的高效性，其最初用于医疗器械，食品安全等方面杀毒灭菌。

随着大气低温等离子体源的出现（低于40℃），处理对象也逐步转向生物组织，从处理原核细胞（细菌），真核细胞（哺乳动物细胞），到细胞膜，DNA等，样品尺寸越来越小，目前已引起了人们的重视[4]。

其应用的高效性和广泛性源于等离子体内部的复杂性，通常大气条件下放电等离子体包含三类物质：

1.带电粒子引起的电场，2.紫外线，3.活性粒子。

1.带电粒子引起的电场：

电场对活体细胞和组织也有较大影响，在带电粒子作用下受伤的上皮细胞会自动创建一个电场，控制伤口愈合，同时在自发电场的控制下神经生长得到增强。

但是等离子体的激发电场有时将干扰细胞自发电场的产生，此时细胞将自动调整姿态避免干扰。

例如：

射频等离子体发射电场较为复杂时，细胞将不停地变换姿势，克服外加电场的干扰[5]。

此外，带电粒子作用在生物样品上，还会产生微弱电流，由于生物样品的电阻较大，通常等效为地电极，射流条件下带电粒子浓度较低，电流得影响可以忽略不计。

2.紫外线：

等离子体产生时伴随有紫外线的辐射，波长范围为200nm～350nm，其中UVC中的260nm对生物体影响较大，主要是杀菌和致死细胞，它能够穿过细胞膜使DNA中的胸腺嘧啶和胞嘧啶碱基变性[6]。

通常细胞能承受UVC的辐射剂量为3mW/cm2（欧洲科学委员会报告0949/05），然而大气条件下等离子体内UVC辐射强度通常为毫瓦级，略高于细胞所能承受范围，长时间辐照依然对细胞有损伤。

3.活性粒子：

以He在空气氛围下放电产生射流等离子体为例，其等离子体内部粒子种类很多，主要包括激发态的中性分子原子团、自由基、离子、电子等类型，其中激发态的中性分子原子团主要有：

O3,NO,NO2，H2O2等，自由基包含O*,O2*，OH*，HO2*，He*，He2*等，离子主要有：

O+，O2+，He+，He2+，He3+等[7]，其中He离子和电子通常不直接参与化学反应过程，主要以电场形式作用于生物体。

1.2等离子体在生物杀菌方面的研究现状（dp）

如今，研究者采用多种等离子体处理技术，如等离子体炬、等离子体针、光纤微等离子体、射频等离子体、介质阻挡放电等离子体等，以惰性气体掺杂少量氧气或以空气等为放电气体，将常温大气压等离子体广泛应用于等离子体生物杀菌的实验研究[7-12]。

目前发现，这些等离子体发生装置均可以快速有效地杀灭各类病毒和细菌，如癌细胞、大肠杆菌、革兰氏菌、肠炎菌、酵母菌、芽孢、白色念珠菌及各类微生物菌体等。

然而，对于大气压低温等离子体的杀菌机理，即等离子产生的活性物种与病毒细胞等作用机制的认识还不清楚，由此研究者也提出了很多杀菌机理的假设或定性的解释。

目前认为，等离子体产生的各类活性物种，如紫外（UV）光子、带电粒子、亚稳态物种、自由基（如O和OH等）均具有能量，能够诱导生物分子发生各类化学反应，造成病毒细胞等的死亡[2,7,8,13]。

众所周知，波长在200-300nm的紫外光强度达到几个mW·s·cm-2以上时，可造成细胞的死亡。

这主要由于紫外线作用于微生物的细胞核，使基因组DNA中的碱基形成嘧啶二聚体，从而抑制了细菌的复制能力[14]。

然而，使用空气或O2/He等作为放电气体的大气压等离子体，在<285nm通常没有明显的紫外辐射，且在200-300nm波长范围内光功率密度一般低于50μW·cm-2，因此不会产生明显的杀菌作用[15]。

由于非热平衡等离子体的电子能量在几个电子伏特范围内,离子温度接近室温,故通常认为在这种高气压低能量的情况下,带电粒子对微生物的轰击作用不足以使其死亡。

但Mendis等[16]通过模型提出,等离子体的灭菌作用可能是由于带电粒子在细菌的细胞膜表面聚集，产生的静电力超过细胞膜的表面张力而使其破裂死亡。

那些表面不规则、细胞壁薄的革兰氏阴性菌最容易破裂。

在很多实验中都观察到革兰氏阴性菌膜破裂,而革兰氏阳性菌和芽孢无明显破裂{Mendis,2000#322}[16]。

因此，许多实验结果也由此模型对等离子体带电粒子杀菌现象进行解释。

Roth等[17]发现有无带电粒子作用时灭菌效果没有明显下降,认为带电粒子在等离子体灭菌中不起主要作用,并建议进一步用电镜观察远程暴露后微生物的形态学是否发生改变。

然而，更多的学者认为，大气压等离子体在生物表面产生的自由基如O、OH等可能具有更强的杀菌作用[2,7-10,13,18,19]，并认为这些活性基团可以氧化不饱和脂肪酸反应，引起脂质的过氧化而失活；或者导致蛋白质氧化引起微生物失活；或者与氧活性基团和核酸反应生成加合物，引起DNA氧化而失活；或者与细胞壁和细胞膜作用，改变细胞通透性，内容物流出而致细菌溶解死亡。

国外从事等离子体生物应用研究主要有荷兰的E.Stoffels，美国的LaroussiM.和FridmanG.，SakiyamaY.和英国的KongMG等研究组。

其中，E.Stoffels研究组主要通过自制射频等离子体针开展了低温等离子体对生物组织毒性影响的研究，LaroussiM较早的将低温等离子体用于灭活细菌和蛋白质，癌症细胞等生物样品，并自制了新颖的等离子体笔。

KongMG研究组研制出高重复性纳秒和亚纳秒脉冲推进大气低温等离子体阵列，在等离子体与生物组织作用方面也有一定的成就。

PointuAM等[20]研究了大气压氮气等离子体对小尺寸试管内附着物的杀菌效果。

NagatsuM等[21]用低温等离子体对高密度聚乙烯合成纸包裹的医疗器械进行杀菌处理，发现干燥空气中臭氧和紫外线是杀菌的关键因素，而在潮湿空气中羟基（OH）对杀菌效果具有辅助作用。

KoulikP等[22]研究了大气压等离子体对绝缘材料表面的杀菌效果，结果表明大气压等离子体能够快速有效地杀死玻璃、聚合物、塑料等绝缘材料制成的器皿内壁上的细菌，并且对处理器皿无损害。

国内在这方面研究起步较早，最初主要由医疗单位利用等离子体围绕杀菌消毒开展研究，2000年后逐渐转向大气低温等离子体放电及对生物体的应用研究，目前已有许多科研单位开展了相关研究，主要有大连理工大学，华中科技大学，清华大学，大连海事大学，西安交通大学，中国科技大学，天津大学，复旦大学，东华大学，苏州大学，北京印刷学院，河北大学，中国科学院物理所，力学所，等离子体所等研究机构。

近年来国内发展较快，研发的装置较多，放电方式也多种多样，研究对象也由细菌、真菌，转向DNA、细胞、动物体等。

目前等离子体的产生方式变得多种多样，其处理对象也越来越广泛，然而等离子体内含氧自由基的量通常只能通过模拟的方法获得，还没有相关的实验支撑，尤其是等离子体自由基与生物材料表面的作用机制还不清楚。

为加深对大气压低温等离子体的杀菌机理认识，需要提高等离子体诊断手段，检测自由基等活性物种的相对浓度及空间分布，定量它们在生物材料表面的反应活性，分析处理后细菌表面的结构变化，并与杀菌效果相比较。

另外对于大面积均匀低温等离子体的产生来说。

在大气压条件下，由于气体压力高导致粒子密度高，产生非平衡等低温离子体放电不稳定，放电容易向热平衡等离子体转换，导致放电的均匀性和稳定性降低。

因此，很难在大气压条件下获得均匀的非平衡等离子体。

在正弦交流电源驱动射流放电中，均匀放电等离子体往往要使用惰性气体，而且处理面积有限，传统的介质阻挡放电虽然实现了大面积均匀放电，但需要较小的放电间隙等苛刻条件，且放电条件的轻微改变可能引起放电模式向丝状放电、火花放电甚至弧光放电的转变。

因而，大气压大面积均匀低温等离子体难以实现，致使大气压非平衡等离子体在生物医学及食品安全等领域大面积处理方面的应用受到限制。

1.3本论文选题目的及主要研究思路

1.3.1本论文的研究内容

大气压低温等离子体生物材料表面处理技术，不需要复杂的真空设备，具有低成本、低能耗、高效率等特点，放电气体温度低，容易操控，在有机物脱除、杀菌消毒、食品安全控制等方面均有重要应用。

本文主要针对射流式介质阻挡放电产生的等离子体针和阵列式介质阻挡放电产生的大面积低温等离子体与有害病菌相互作用进行研究和探讨，通过对放电的物理特性和产生的化学活性物质进行分析，检测自由基等活性物种的相对浓度，分析处理后细菌表面的结构变化，阐述等离子体杀菌的机制。

本论文主要研究内容如下：

论文第一章主要是对大气压等离子体杀菌方法及杀菌机制、论文的研究背景及选题意义进行了阐述，并对大气压低温等离子体杀菌近年来研究进展和主要成果进行了介绍。

论文第二章主要是介绍大气压非平衡等离子体的基本性质、特点及产生方法。

同时对大气压非平衡等离子体的应用领域作了详细的阐述。

论文第三章主要是介绍了大气压射流等离子体的产生方法，并与传统方法中的双氧水和臭氧消毒对比，对大肠杆菌展开杀菌实验研究。

利用交流高压驱动产生大气压He射流放电等离子体，并将其应用于大肠杆菌的杀除。

经He等离子体处理30s后，大肠杆菌失活效率达到99%。

同时利用X射线光电子能谱技术（XPS）对比分析处理后细菌表面的结构变化。

论文第四章主要是介绍了大面积阵列式空气放电等离子体的产生和应用。

对大气压阵列式微结构低温等离子体放电的实验装置和实验方法进行了简明的介绍。

在交流电源驱动下，利用光纤毛细微结构特性在空气中产生大面积均匀等离子体放电，采用ICCD快速相机研究了放电峰值电压对放电均匀性的影响，同时将该装置对大肠杆菌展开杀菌实验研究。

1.3.2本论文的研究目的

设计具有不同电极结构的大气压微等离子体产生装置，研究放电参数（电源电压、电源频率、电压波形、气体组成、气体流速等）对微等离子体特性的影响，总结影响微等离子体物理特性的重要因素，认识等离子体在空间上的形成过程和微米空间对等离子体的约束机制，加深理解微等离子体的放电物理过程。

提高微等离子体列阵的设计水平，并利用列阵装置进行大面积材料表面改性和难降解有毒有机物处理，开展应用性研究工作。

结合等离子体杀菌效率及细菌表面组成的分析结果，探讨O、OH等自由基与细菌等生物材料表面可能发生的各类反应，分析自由基等物种在等离子体杀菌中的作用，加深认识等离子体中活性物种导致细菌死亡的主要原因。

1.3.3本论文的主要研究思路

大气压微等离子体具有方法简单、等离子体密度高、稳定、可控性好，在很多领域具有潜在的应用。

本论文将研究大气压微等离子体放电过程，特别是利用微等离子体列阵技术产生大面积等离子体，并开展应用性研究。

（1）设计微等离子体射流发生装置，研究大气压微等离子体放电特性。

采用针式电极结构，以氦气作为放电气体，产生微等离子体射流，与双氧水、臭氧相比展开细菌失活实验，将光谱诊断和XPS分析结果与杀菌结果相比较，特别是与等离子体处理过的生物样品表面结构和杀菌效率分布进行比较，总结O、OH等活性物种在杀菌中的作用。

（2）利用微等离子体列阵技术，设计大面积等离子体处理装置，研究其放电特性。

采用微孔光纤微等离子体列阵技术，以空气为放电气体，以钨丝（直径120mm）为微电极，形成空气微放电列阵等离子体，研究放电电压对射流等离子体发光强度、稳定性、均匀性的影响。

采用ICCD成像技术，对上述等离子体进行光谱探测，分析列阵等离子体形成过程。

（3）采用微等离子体列阵，形成水中放电，改变气体成分和电源电压，检测等离子体水中放电稳定性和放电强度。

配置大肠杆菌水溶液，进行水中微生物细菌的处理，研究放电功率、处理时间等对大肠杆菌杀菌效率的影响，分析利用氧化还原滴定法测量溶液含氧量效率研究杀菌机制。

1.4参考文献

第二章大气压非平衡等离子体的基本性质和特点

2.1大气压非平衡等离子体的特性描述

1930年，人们从理论上集中对各种气体放电的性质进行分析和研究，朗缪尔首次提出借用plasma（等离子体）这个名词来命名气体放电的