大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體在生物滅菌中的應(yīng)用研究

-PAGEVI--PAGEXVI-摘要大氣壓低溫等離子體技術(shù)具有低能耗、高效率、氣體溫度接近室溫、無(wú)需復(fù)雜的真空系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于薄膜沉積、材料表面改性、殺菌消毒、環(huán)境凈化、食品安全等多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，大氣壓低溫等離子體在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用研究不斷掀起熱潮。本文通過(guò)交流電源和脈沖電源驅(qū)動(dòng)，利用共面介質(zhì)阻擋放電和陣列式微結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋放電，在大氣壓條件下產(chǎn)生大面積低溫均勻等離子體，并對(duì)白色念珠菌、大腸桿菌進(jìn)行殺菌消毒處理。同時(shí)利用射流放電實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物和植物病害的應(yīng)用研究。主要結(jié)果如下：利用介質(zhì)阻擋放電在共面平行交替排列的高壓電極與地電極的介質(zhì)板表面上放置的塑封袋內(nèi)成功地實(shí)現(xiàn)了大面積均勻放電等離子體。在不同的等離子體參數(shù)處理?xiàng)l件下對(duì)白色念珠菌的失活效率進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在峰值電壓9kV、頻率11kHz條件下，經(jīng)過(guò)等離子體處理5min后，99%He與1%O2混合條件下白色念珠菌失活效率高達(dá)99%。在該研究中電荷的的轟擊與放電過(guò)程中活性氧原子的含量對(duì)白色念珠菌失活效率起主要作用。利用交流介質(zhì)阻擋放電在石英體凹槽內(nèi)（高壓電極和地電極等間距放置在石英體內(nèi)，高壓電極和地電極非共面平行交替排列）成功地實(shí)現(xiàn)了大體積空間多槽式均勻放電等離子體。通過(guò)同步觸發(fā)ICCD成像技術(shù)，對(duì)9kHz和不同峰值電壓下的凹槽內(nèi)等離子體形成過(guò)程進(jìn)行了研究，放電電荷在介質(zhì)層表面積累形成的反饋通道有助于形成穩(wěn)定的大面積空氣均勻放電。利用該等離子體在3min內(nèi)可有效的失活筷子表面粘附的大腸桿菌和白色念珠菌，失活效率高達(dá)99.999%。微結(jié)構(gòu)毛細(xì)管分別作為高壓電極與地電極平行交替排列，白色念珠菌放置在微結(jié)構(gòu)毛細(xì)管表面上，利用脈沖電源驅(qū)動(dòng)成功地在微結(jié)構(gòu)毛細(xì)管表面形成了大面積空氣均勻放電等離子體。研究結(jié)果表明：在峰值電壓30kV和頻率150Hz情況下，在微結(jié)構(gòu)毛細(xì)管表面上方白色念珠菌的失活效率隨著距微結(jié)構(gòu)毛細(xì)管表面不同高度處（即對(duì)白色念珠菌處理深度）呈現(xiàn)出三個(gè)階段的下降趨勢(shì)：平緩下降、急劇下降、有一定陡度的平緩下降。在一端為盲孔的光纖內(nèi)嵌入銅絲并形成陣列式微結(jié)構(gòu)作為高壓電極放置在一石英腔內(nèi)，板電極作為地電極。白色念珠菌放置在陣列式微結(jié)構(gòu)高壓電極下方的地電極表面上，石英腔內(nèi)的放電氣體由石英腔吹向地電極，在高壓電極與地電極之間形成了大氣壓大面積陣列式微結(jié)構(gòu)交流介質(zhì)阻擋刷狀均勻放電等離子體。在不同放電參數(shù)下，對(duì)刷狀放電-PAGEVI--PAGEXVI-等離子體的均勻性和白色念珠菌的失活效率進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：在放電峰值電壓、放電頻率和放電間距相同條件下，在He和O2混合氣體中，當(dāng)O2含量超過(guò)4%或者放電間距超過(guò)4mm時(shí)，放電則由均勻放電轉(zhuǎn)變?yōu)榻z狀放電。白色念珠菌的失活效率結(jié)果表明：在99%He與1%O2混合氣體放電處理180s、放電間隙3mm時(shí)白色念珠菌失活效率高達(dá)99%，而且白色念珠菌的失活效率在與地電極表面平行方向沒(méi)有明顯的差異。利用大氣壓射流放電等離子體對(duì)動(dòng)物（柞蠶微粒子）和植物（番茄褐孢霉）病害開展了應(yīng)用研究。在峰值電壓6kV，頻率9kHz，99%氦氣與1%氧氣混合氣放電下，產(chǎn)生1cm射流均勻放電低溫等離子體，通過(guò)染色、活體感染等手段對(duì)柞蠶微粒子病害進(jìn)行了失活研究。研究結(jié)果表明：該射流等離子體在5min內(nèi)可對(duì)柞蠶微粒子病害有效殺除，在該過(guò)程中電荷與活性氧在微粒子病害失活過(guò)程中起主導(dǎo)作用；在峰值電壓6kV，頻率9kHz條件下，利用99%Ar與1%O2混合氣體射流放電對(duì)番茄褐孢霉的失活效率進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：放電電荷在細(xì)胞表面積累形成靜電張力破壞了細(xì)胞的完整性而導(dǎo)致褐孢霉失活。此外，利用99.5%Ar與0.5%O2混合氣體在水溶液中產(chǎn)生射流放電等離子體活化水，研究結(jié)果表明：該等離子體活化水對(duì)白色念珠菌具有較好的殺菌效果。關(guān)鍵詞：等離子體殺菌；真菌死亡；介質(zhì)阻擋放電；發(fā)射光譜；大氣壓-PAGEVI--PAGEXVI-AtmosphericpressuredielectricbarrierdischargeplasmasoninactivationapplicationsAbstractAtmosphericpressurecoldplasmahasbeenwidelystudiedforfilmdeposition,surfacemodification,bacterialinactivation,environmentpurificationandfoodsafetyduetotheirpotentialproperties.Becauseofitsuniqueadvantagessuchaslowpowerconsumption,highenergyefficiencyandlowgastemperaturewithoutcomplicatedvacuumsystem,theatmosphericpressurenon-equilibriumplasmahasattractedmuchinterestinthebiomedicalapplicationsinrecentyears.Inthispaper,bothACpowersupplyandnanosecondpulsepowersupplyareemployedtogenerateatmosphericpressureuniformdischargeontheCandidaalbicanscellsandEscherichiacolicellsinactivationapplicationsbyusingcoplanarsurfacedischargedeviceandarraymicrostructuraldischargedevice.Bothanimaldiseasesandplantdiseasesaresuccessfullycontrolledbyusingatmosphericpressurecoldplasmajet.Themaininvestigationcontentsaredescribedasfollow:Byusingcoplanarsurfacedielectricbarrierdischarge,avisuallyalmostuniformplasmainthesealedplasticbagissuccessfullyobtained.Theelectrodearrangementisconsistingofalternanthighvoltageelectrodesandgroundelectrodesembeddedinaspeciallydesignedquartzplate.TheinactivationefficiencyofCandidaalbicansisinvestigatedundervariousconditions.Theresultsshowedthatattheappliedvoltageof9kVwiththefrequencyof11kHz,theHeplasmacontainingabout1%O2wasabletoentirelykillresistantCandidaalbicanswithatreatmenttimeof5min.Measurementsindicatethatplasma-inducedspeciessuchasOradicalsandchargedspeciesplayamajorroleintheinactivationprocess.Withtheevenlyspacedarrangementofalternanthighvoltageelectrodesandgroundelectrodesembeddedinamultiple-groovequartzplate,avisiblelarge-areauniformdischargewasachievedinthemultiple-grooveatatmosphericpressure.Theplasmapropagationmechanismwascarefullystudiedbyusingintensifiedchargecoupleddevice(ICCD)imagingundervariousappliedvoltage.Theresultsindicatedthatdielectricsurface-chargeaccumulationmaybeassociatedwiththeformingoftheuniformdischarge.Moreover,thevisibleuniformmultiple-groovedischargeplasmawasfoundtobeveryefficientintheinavtivationofCandidaalbicansandEscherichiacolionthechopsticks.Theinactivationefficiencycouldreachashighas99.999%.-PAGEVI--PAGEXVI-Amicrostructurecoplanarsurfacedielectricbarrierdischargedevicecomposedofwell-alignedandmicrons-thickhollowquartzfiberswithalternanthighvoltageelectrodesandgroundelectrodesembeddedinisusedtogeneratehomogeneouscoldplasmasbyusingapulsehigh-voltagesourcewiththerepetitionfrequencyof150Hzatatmosphericpressure.TheresultsindicatedthattheinactivationefficiencyoftheCandidaalbicansasafunctionoftheprocessingdepthfromsurfaceplasmawasdividedintothreestages:firstgentlyfallingtrend,secondsharplyfallingtrend,thirdcertaingradientgentlefallingtrend.Themicrons-thickhollowquartzfiberswithcopperwiresembeddedinformingakindofwell-alignedmicrostructurewasfixedinaquartzchamberashighvoltageelectrode.Plateelectrodecoveredwithquartzbarrierwasconnectedtotheground.Workinggaswasflowingfromthequartztothegroundelectrode.Candidaalbicanssamplesarefixedbelowthewell-alignedmicrostructuralhighvoltageelectrodeandonthesurfaceofthegroundelectrode.Anatmosphericpressurehomogeneousbrush-shapedcoldplasmawassuccessfullyachievedbetweenhighvoltageelectrodeandgroundelectrode.Theuniformityofthebrush-shapeplasmaandtheinactivationefficiencywerediscussedundervariousconditions.Measurementsshowedthatwhentheappliedvoltageandfrequencywereunderthesameconditions,eithertheconcentrationof

O2wasover4%(dischargegap3mm),orthedischargegapwasover4mm(workinggasHe),theuniformityofthebrush-shapeddischargemaybreakintofilamentstate.Forfungicellinactivationapplication,theefficiencycanreachashighas99%withthetreatmenttimeof180sbyusing99%He/1%O2discharge.AAnatmosphericpressurecoldplasmajetwasusedforthecontrolofanimal(Nosemabombycis)andplant(tomatofulvum)disease.Attheappliedvoltageof6kVwiththefrequencyof9kHz,a1cmlonghomogeneouscoldplasmajetcanbegeneratedbyusing99%He/1%O2discharge.TheinactivationresearchesofTussahPebrinediseaseresultingfromNosemabombycis(NB)sporeswasinvestigated.BothGiemsadyeingmeasurementandtussahbreedingexperimentshowthattheatmosphericpressureHeplasmajetcontaining1%O2killsalltheNBsporeswithinanexposuretimeof5min.Measurementsindicatedthatplasma-createdreactiveparticlessuchasOandaccompaniedchargedspeciescanplayanimportantroleintheinactivationprocessing.Atthesameappliedvoltageandfrequencyconditions,theplasmajetwasemployedfortomatofulvuminactivationbyusing99%Ar/1%O2discharge.Measurementsindicatedthattheelectrostaticforcefromthechargeaccumulationontheoutersurfaceofthecellmembranecausedtheruptureoftheoutermembraneofcellsandleadthetomatofulvum-PAGEVI--PAGEXVI-todeath.Plasmaactivatedwaterwasgeneratedbyusing99.5%Ar/0.5%O2dischargeunderwater.Anditwasfoundtobeeffectiveonfungicellinactivation.Therefore,thisAtmosphericpressurecoldplasmajetcanprovideanovelbiotechnologicalapproachtothecontrolofagriculturaldiseases.KeyWords：Plasmainactivation,Fungideath,Dielectricbarrierdischarge,Opticalemissionspectra,Atmosphericpressure-PAGEVI--PAGEXVI-目錄1緒論 11.1引言 11.2大氣壓低溫等離子體滅菌技術(shù) 21.2.1大氣壓低溫等離子體基本概念 21.2.2大氣壓低溫等離子體的產(chǎn)生方法 31.2.3大氣壓低溫等離子體的滅菌機(jī)制 71.3等離子體殺菌技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的難點(diǎn) 81.3.1等離子體殺菌技術(shù)的研究現(xiàn)狀 81.3.2等離子體殺菌技術(shù)存在的難點(diǎn) 91.4本論文選題目的及主要研究思路 102有害病菌的培養(yǎng)及檢測(cè)方法 122.1引言 122.2白色念珠菌 122.2.1白色念珠菌培養(yǎng)基配置及培養(yǎng)方法 122.2.2白色念珠菌實(shí)驗(yàn)樣品制備 132.3大腸桿菌 142.3.1大腸桿菌培養(yǎng)基配置及培養(yǎng)方法 142.3.2大腸桿菌實(shí)驗(yàn)樣品制備 152.4有害病菌失活檢測(cè)方法 152.4.1平板菌落計(jì)數(shù)法 152.4.2 光學(xué)顯微鏡染色鏡檢 152.4.3 掃描電子顯微鏡 152.4.4 能譜分析儀 172.4.5 紫外-可見(jiàn)吸收光譜法 183大氣壓共面介質(zhì)阻擋放電等離子的生物醫(yī)學(xué)研究 203.1自封袋內(nèi)大面積低溫等離子體共面介質(zhì)阻擋放電 203.1.1 不同He、O2比例下放電等離子體的殺菌效率及對(duì)比照片 233.1.2 不同He、O2比例下放電等離子體的發(fā)射光譜診斷 243.1.3 等離子體直接處理與間接處理的殺菌效率對(duì)比 263.1.4 放電頻率與峰值電壓對(duì)等離子體放電功率的影響 273.2 大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電等離子體 28-PAGEVI--PAGEXVI-3.2.1 大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電放電形成機(jī)理研究 303.2.2 放電峰值電壓對(duì)大氣壓多槽形式沿面放電功率的影響 333.2.3 峰值電壓對(duì)大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電氣體溫度的影響 343.2.4 峰值電壓對(duì)大腸桿菌和白色念珠菌失活效率的影響 363.3 雙極性納秒脈沖驅(qū)動(dòng)大氣壓微結(jié)構(gòu)共面介質(zhì)阻擋放電 383.3.1 峰值電壓對(duì)沿面放電等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和表面溫度的影響 403.3.2 不同峰值電壓下等離子體放電的殺菌效率及對(duì)比照片 413.3.3 不同峰值電壓下等離子體放電的殺菌效率隨處理深度的變化 423.3.4 白色念珠菌染色鏡檢 443.3.5 斷面放電強(qiáng)度ICCD分析及放電照片 453.3.6 白色念珠菌紫外吸收光譜 463.4 小結(jié) 474大面積陣列式微結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋放電 484.1 大面積陣列式微結(jié)構(gòu)刷狀介質(zhì)阻擋放電 484.1.1 峰值電壓對(duì)大氣壓陣列式微結(jié)構(gòu)刷狀放電等離子體伏安特性的影響 494.1.2 He、O2比例對(duì)大氣壓陣列式微結(jié)構(gòu)刷狀放電等離子體伏安特性的影響 504.1.3 放電間隙對(duì)大氣壓陣列式微結(jié)構(gòu)刷狀放電等離子均勻性的影響 524.1.4 峰值電壓對(duì)大氣壓陣列式微結(jié)構(gòu)刷狀放電等離子功率的影響 534.1.5 大氣壓等離子體刷發(fā)射光譜診斷及放電振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度擬合 544.1.6 大氣壓陣列式微結(jié)構(gòu)刷狀放電等離子體殺菌效率橫向均勻性 554.2 小結(jié) 585大氣壓低溫等離子體射流對(duì)動(dòng)植物病害防控 595.1 大氣壓低溫等離子體射流對(duì)柞蠶微粒子病的防控 595.1.1 柞蠶微粒子 595.1.2 柞蠶微粒子的感染途徑 605.1.3 柞蠶微粒子的檢測(cè)方法及防御手段 605.1.4 大氣壓低溫射流等離子體 615.1.5 放電峰值電壓的ICCD特性分析 635.1.6 大氣壓射流等離子體光譜診斷及振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度擬合 655.1.7 大氣壓射流等離子體對(duì)柞蠶微粒子的殺除及吉姆斯染色鏡檢 66-PAGEVI--PAGEXVI-5.1.8 柞蠶微粒子SEM和EDS分析 675.1.9 大氣壓射流等離子體處理柞蠶微粒子實(shí)時(shí)監(jiān)控 685.1.10 等離子體處理后微粒子侵染活體及體液鏡檢 695.2 大氣壓低溫射流等離子體對(duì)番茄褐苞酶病害的防控研究 715.2.1 峰值電壓和頻率對(duì)番茄褐苞酶殺菌效率的影響 715.2.2 放電對(duì)番茄褐苞酶表面形貌影響 725.3 大氣壓低溫射流等離子體活化水殺菌研究 735.3.1 放電對(duì)水溶液pH值的影響 745.3.2 等離子體活化水對(duì)白色念珠菌失活效率的研究 765.4 小結(jié) 776 結(jié)論與展望 786.1 結(jié)論 786.2 創(chuàng)新點(diǎn)摘要 796.3 展望 80參考文獻(xiàn) 81致謝 91作者簡(jiǎn)介 92-PAGEVI--PAGEXVI-TABLEOFCONTENTS1Introduction 11.1Introduction 11.2Atmosphericpressurecoldplasmasterilizationtechnology 21.2.1Basicconceptsofatmosphericpressurecoldplasma 21.2.2Generationsofatmosphericpressurecoldplasma 31.2.3SterilizationmechanismAtmosphericpressurecoldplasma 71.3Researchstatusandexistingdifficultiesofplasmasterilizationtechnology 81.3.1Researchstatusofplasmasterilizationtechnology 81.3.2Existingdifficultiesofplasmasterilizationtechnology 91.4Thepurposeofselectedtopicandthemainresearchtrain 102Thecultivationofharmfulbacteriaandtestingmethods 122.1Introduction 122.2Candidaalbicans 122.2.1Candidaalbicansmediumconfigurationandculturemethods 122.2.2Candidaalbicanstestsamplepreparation 132.3EscherichiaColi 142.3.1EscherichiaColimediumconfigurationandculturemethods 142.3.2EscherichiaColitestsamplepreparation 152.4Harmfulbacteriainactivationtestmethods 152.4.1Platecountingmethod 152.4.2 Opticalmicroscopestainingmicroscopy 152.4.3 Scanningelectronmicroscope 152.4.4 Energydispersivespectrometer 172.4.5 Ultraviolet-visibleabsorptionspectromtry 183AtmosphericpressurecoplanarDBDplasmainbiomedicalapplication 203.1 CoplanarDBDcoldplasmadischargeinsealedbags 203.1.1 Inactivationefficiencyandphotosundervariousheliumandoxygenratiodischargecondition 233.1.2 Emissionspectrumdiagnosisundervariousheliumandoxygenratiodischargecondition 243.1.3 Comparisonofinactivationefficiencyunderdirectplasmatreatmentandindirectplasmatreatment 263.1.4 Dischargefrequencyandvoltageontheinfluenceofplasmadischargepower 27-PAGEVI--PAGEXVI-3.2 Atmosphericpressuremulty-groovecoplanarDBDplasma 283.2.1Atmosphericpressuremulty-groovecoplanarDBDmechanism 303.2.2 Dischargevoltageontheinfluenceofatmosphericpressuremulty-groovecoplanarplasmadischargepower 333.2.3 Dischargevoltageontheinfluenceofatmosphericpressuremulty-groovecoplanarDBDplasmatemperature 343.2.4 DischargevoltageontheinfluenceofinacivationefficiencyofCandidaalbicansandEscherichiaColi 363.4 BipolarnanosecondpulsedrivenatmosphericpressuremicrostructurecoplanarDBD 383.4.1 Dischargevoltageontheinfluenceofvibrationaltemperaturerotationaltemperatureandsurfaceofthedischargeplasma 403.4.2Dischargevoltageontheinfluenceofinactivationefficiencyandcomparisonofthetreatedimages 413.4.3 Dischargevoltageontheinfluenceofinactivationefficiencyasthefunctionofthetreatmentdepth 423.4.4 Candidaalbicansstainingmicroscopy 443.4.5 Cross-sectiondischargeintensityofICCDanalysisanddischargeimages 453.4.6 Candidaalbicansultravioletabsorptionspectrum 463.5 Conculsion 474Largeareaarraymicro-structureDBD 484.1 Largeareaarraybrush-shapedDBD 484.1.1 Dischargevoltageontheinfluenceofvolt-amperecharacteristicsofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasma 494.1.2 Volt-amperecharacteristicsofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasmaundervariousheliumandoxygenratio 504.1.3 Dischargegapsontheinfluenceofuniformityofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasma 524.1.4 Dischargevoltageontheinfluenceofatmosphericpressurebrush-shapedplasmadischargepower 534.1.5 Emissionspectrumdiagnosisandvibrationaltemperaturerotationaltemperatureofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasma 544.1.6Inactivationefficiencyuniformityontransversedirectionofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasma 554.2 Conculsion 58-PAGEVI--PAGEXVI-5Atmosphericpressureplasmajetonthecontrolofplantandanimaldisease 595.1 Atmosphericpressureplasmajetonthecontrolofsilkwormdisease 595.1.1 Nosemabombycis 595.1.2 InfectionoftussahNosemabombycis 605.1.3 DetectionmethodanddefenseoftussahNosemabombycis 605.1.4 Atmosphericpressurecoldplasmajet 615.1.5 ICCDcharacteristicsanalysisundervariousdischargevoltage 635.1.6 Vibrationaltemperatureandrotationaltemperatureofatmosphericpressureplasmajet 655.1.7 InactivationresearchandJamesstainingmicroscopyoftussahNosemabombycisbyusingatmosphericpressureplasmajet 665.1.8 SEMandEDSanalysisoftussahNosemabombycis 675.1.9 Real-timemonitoringoftussahNosemabombycisinactivationprocessing 685.1.10BreedingresearchandMicroscopicexaminationofthebodyfluids 695.2 Atmosphericpressureplasmajetonthecontrolofcladosporiumflulvum 715.2.1 Dischargefrequencyandvoltageontheinfluenceofinactivationefficiencyofcladosporiumflulvum 715.2.2 Dischargetreatmentontheinfluenceofsurfaceappearanceofcladosporiumflulvum 725.3 Inactivationresearchbyusingatmosphericpressureplasmajetactivatedwater 735.3.1 DischargetreatmentontheinfluenceofpHvalue 745.3.2 Candidaalbicansinactivationefficiencybyusingplasmaactivatedwater 765.4 Conculsion 776 ConclusionandOutlook 786.1 Conclusion 786.2 Outlook 80Reference 81Thanks 91AboutTheAuthor 92-PAGEVI--PAGEXVI-圖目錄TOC\h\z\c"圖表"圖11電暈放電基本形式 3圖12介質(zhì)阻擋放電基本形式 4圖13介質(zhì)阻擋放電微放電絲狀通道照片 5圖14射頻放電基本形式 5圖15滑動(dòng)弧放電基本形式 6圖16射流放電基本形式 7圖21白色念珠菌的培養(yǎng)過(guò)程 13圖22掃描電鏡的工作原理 16圖23X射線能量色散譜分析的工作原理 18圖24紫外-可見(jiàn)吸收光譜原理 19圖31a高壓交流電源結(jié)構(gòu)示意圖;b高壓交流電壓、電流波形 20圖32a共面介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生裝置;b共面介質(zhì)阻擋放電等離子體圖片 21圖33共面介質(zhì)阻擋放電等離子體李薩如圖形 22圖34a白色念珠菌樣品照片：(i)未處理；(ii)100%He等離子體處理；(iii)99%He+1%O2等離子體處理；(iv)96%He+4%O2等離子體處理；(v)93%He+7%O2等離子體處理，處理時(shí)間5min。b白色念珠菌在不同O2/He比例下隨等離子體處理時(shí)間變化的失活曲線。 24圖35在不同O2/He比例下塑封袋內(nèi)放電的發(fā)射光譜 25圖36在99%He+1%O2等離子體處理?xiàng)l件下白色念珠菌失活效率隨時(shí)間的變化白色念珠菌玻片或面向等離子區(qū)域或背對(duì)等離子體區(qū)域 27圖37a放電功率隨頻率變化的曲線，峰值電壓保持11kV不變；b放電功率隨電壓變化的曲線，放電頻率保持7kHz不變。 28圖38a常見(jiàn)筷子消毒機(jī);b筷子消毒劑內(nèi)的臭氧發(fā)生裝置 29圖39a筷子消毒機(jī)消毒大腸桿菌的效果圖；b筷子消毒機(jī)消毒白色念珠菌的效果圖 29圖310a大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電裝置；b大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電照片 30圖311a大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電電流電壓曲線；b大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電傳播過(guò)程(voltage:14kV;frequency:9kHz) 31-PAGEVI--PAGEXVI-圖312a大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電電流電壓曲線；b大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電傳播過(guò)程(voltage:18kV;frequency:9kHz) 32圖313a大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電電流電壓曲線；b大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電傳播過(guò)程(voltage:22kV;frequency:9kHz) 32圖314a大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電電流電壓曲線；b大氣壓多槽式介質(zhì)阻擋放電傳播過(guò)程(voltage:26kV;frequency:9kHz) 33圖315放電功率隨電壓變化的曲線，放電頻率保持9kHz不變 34圖316aN2第二正帶光譜實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線；bN2振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度與介質(zhì)表面溫度隨電壓的變化曲線 35圖317熱效應(yīng)對(duì)筷子表面的損傷效果(a)對(duì)照樣表面，(b)經(jīng)18kV等離子體放電處理后表面，(c)經(jīng)22kV等離子體放電處理后表面，(d)經(jīng)26kV等離子體放電處理后表面 36圖318a大腸桿菌的失活效率隨電壓變化曲線；b多電壓處理后大腸桿菌失活隨時(shí)間變化的照片 37圖319a白色念珠菌的失活效率隨電壓變化曲線；b多電壓處理后白色念珠菌失活隨時(shí)間變化的照片 38圖320高壓納秒脈沖電源結(jié)構(gòu)示意圖 39圖321脈沖高壓a正;b負(fù)周期電壓電流波形 39圖322a微孔光纖組成的靈活的微結(jié)構(gòu)共面介質(zhì)阻擋放電裝置；b大氣壓脈沖驅(qū)動(dòng)共面放電等離子體照片 40圖323aN2第二正帶光譜實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線；bN2轉(zhuǎn)動(dòng)溫度與介質(zhì)表面溫度隨電壓的變化曲線 41圖324a頑固真菌照片：(i)未經(jīng)等離子體處理；(ii)26kV脈沖驅(qū)動(dòng)表面空氣等離子體處理；(iii)30kV脈沖驅(qū)動(dòng)表面空氣等離子體處理；(iv)34kV脈沖驅(qū)動(dòng)表面空氣等離子體處理；b失活效率曲線 42圖325在不同脈沖電壓下失活效率隨處理深度的變化曲線 43圖326在不同脈沖電壓下線性擬合始點(diǎn)和終點(diǎn)位置處的細(xì)胞染色照片 45圖327在不同脈沖電壓表面放電(a)側(cè)視ICCD照片和(b)正視放電照片 46圖328真菌細(xì)胞提取液的紫外吸收光譜 46圖41a大氣壓陣列式等離子體刷裝置；b等離子體刷輪廓結(jié)構(gòu)；c在放電電極間形成100mm長(zhǎng)10mm寬等離子體刷氦氣放電，并流入到周圍空氣中 49圖42正弦高壓6kV，8kV和10kV條件下的相應(yīng)電流波形 50-PAGEVI--PAGEXVI-圖43a在不同He/O2比例下的刷狀等離子體放電照片；b在不同He/O2比例下的電壓電流曲線 51圖44在不同放電氣體間隙下刷狀氦氣等離子體放電照片 52圖45氣流在陣列式微結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋放電裝置內(nèi)的分布 53圖46a大氣壓刷狀等離子體放電的李薩茹圖形（VPP=7kV,d=3mm,f=9kHz）;b放電功率隨峰值電壓的變化曲線 54圖47N*2(337nm),He*(706nm),和O*(777nm)的發(fā)射光譜強(qiáng)度隨位置由中心向兩側(cè)的變化曲線 54圖48aN2第二正帶光譜實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線；bN2振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度與介質(zhì)表面溫度隨電壓的變化曲線 55圖49在不同氦氣與氧氣比例下，刷狀等離子體放電失活白色念珠菌的效率隨橫向位置的變化曲線 56圖410細(xì)胞染色照片，對(duì)照樣（左側(cè)）和等離子體失活樣品（右側(cè)） 57圖411掃描電鏡照片(a)對(duì)照白色念珠菌樣品未經(jīng)等離子體處理；(b)白色念珠菌經(jīng)1/99O2/He放電處理150s；(c)單個(gè)白色念珠菌樣品未經(jīng)等離子體處理；(d)單個(gè)白色念珠菌經(jīng)1/99O2/He放電處理150s；(e)未處理經(jīng)24h培養(yǎng)的白色念珠菌照片；(f)經(jīng)1/99O2/He放電處理150s后24h培養(yǎng)的白色念珠菌照片；(g)經(jīng)1/99O2/He放電處理150s后72h培養(yǎng)的白色念珠菌照片 58圖51感染微粒子病的柞蠶照片及微粒子孢子的掃描電鏡照片 59圖52微粒子孢子的顯微鏡照片 61圖53a大氣壓射流等離子體實(shí)驗(yàn)裝置；b大氣壓He/O2等離子體射流失活載玻片表面微粒子孢子的照片；c大氣壓He/O2等離子體射流失活葉片表面微粒子孢子的照片 63圖54大氣壓He/O2等離子體射流傳播過(guò)程(電壓：4kV，頻率：9kHz) 64圖55大氣壓He/O2等離子體射流傳播過(guò)程(電壓：6kV，頻率：9kHz) 64圖56大氣壓He/O2等離子體射流傳播過(guò)程(電壓：8kV，頻率：9kHz) 65圖57a大氣壓He/O2等離子體射流發(fā)射光譜;bN2第二正帶光譜實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線 66圖58a等離子體處理1-5min后微粒子孢子的吉姆斯染色照片；b經(jīng)O2/He(體積比:1/99)等離子體處理后微粒子孢子的發(fā)芽率隨時(shí)間的變化曲線 67圖59aEDS圖譜未經(jīng)等離子體處理的微粒子孢子；b等離子體處理后的微粒子孢子 67-PAGEVI--PAGEXVI-圖510微粒子孢子提取物的紫外吸收光譜 68圖511大氣壓He/O2（99/1）射流等離子體處理3min后微粒子孢子的形貌變化照片 69圖512柞蠶喂食感染微粒子孢子的橡樹葉(a)柞蠶喂食前(b)柞蠶喂食后的照片(c)相應(yīng)柞蠶腸道提取液照片 70圖513a隨等離子體作用柞蠶微粒子孢子時(shí)間1-5min，喂食后柞蠶稀釋腸道提取液的顯微鏡照片；b柞蠶微粒子孢子數(shù)目隨等離子體作用時(shí)間的變化柱狀圖 70圖514a番茄褐孢霉在不同電壓下失活效率隨時(shí)間的變化曲線；b番茄褐孢霉在不同頻率下失活效率隨時(shí)間的變化曲線 72圖515番茄褐孢霉經(jīng)不同等離子體處理時(shí)間后的光學(xué)顯微鏡照片 72圖516番茄褐孢霉(a)未經(jīng)等離子體處理和(b)經(jīng)等離子體處理后的SEM照片 73圖517大氣壓射流等離子體實(shí)驗(yàn)裝置及示意圖 73圖518水酸堿度隨等離子體處理時(shí)間的變化曲線 75圖519水酸堿度隨等時(shí)間的退化曲線 76圖520等離子體活化水失活白色念珠菌的照片隨等離子體處理水溶液的時(shí)間變化(a)Ar(b)99.5%Ar與0.5%O2(c)93%Ar與7%O2(d)空氣 77表目錄TOC\h\z\c"表3-"表51柞蠶卵面消毒的常用手段 69主要符號(hào)表符號(hào)代表意義單位T溫度K-PAGEVI--PAGEXVI-λ波長(zhǎng)nmE能量eVA吸光度1T透光度%I光強(qiáng)W/cm2ε摩爾消光系數(shù)L×mol-1×cm-1c溶液濃度mol/Ll液層厚度mmI電流AU電壓VR電阻ΩP功率WC電容F失活效率%N個(gè)數(shù)1發(fā)射光譜的敏感系數(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置的幾何因數(shù)1粒子在初始能級(jí)的粒子密度N/V自發(fā)躍遷幾率%h普朗克常數(shù)J×s躍遷幾率%-PAGEVI- -PAGE89-1緒論1.1引言由于生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，人類大規(guī)模使用各種抗生素、抗菌藥物以及廣泛應(yīng)用損傷性醫(yī)療技術(shù)，致使人類正面臨著前所未有的生物醫(yī)學(xué)挑戰(zhàn)。其主要表現(xiàn)是新型病原微生物的不斷出現(xiàn)，耐藥性細(xì)菌和真菌，尤其是多重耐藥性細(xì)菌和真菌的日益增多，導(dǎo)致流行病譜更加復(fù)雜。近年來(lái)甲型H1N1流感、非典型性肺炎（SARS）全球范圍內(nèi)大規(guī)模流行，保鮮食品中大腸桿菌（Escherichiacoli）、金黃色葡萄球菌（Staphyloccocusaureus）和白色念珠菌（CanidiaAlbicans）含量超標(biāo)事件頻發(fā)，醫(yī)療衛(wèi)生和食品安全的矛盾日益突出，威脅著人們的健康生活。因而，殺菌消毒技術(shù)的發(fā)展倍受人們的關(guān)注。二十世紀(jì)初期，氯化消毒法獲得了廣泛應(yīng)用。氯化消毒主要是利用氯氣與水反應(yīng)產(chǎn)生次氯酸，其分子呈中性，體積小，能擴(kuò)散到帶有負(fù)電荷的細(xì)菌面,同時(shí)又具有較強(qiáng)的滲透力，能穿透細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，破壞細(xì)胞內(nèi)酶的活性，破壞核酸結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[1-3]。1902年過(guò)氧乙酸首次合成，在20世紀(jì)70年代中期至80年代，成為我國(guó)使用較多的化學(xué)滅菌劑之一，曾廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械消毒、滅菌以及環(huán)境、物表、空氣等疫源地消毒和預(yù)防性消毒。在2003年抗擊“非典”戰(zhàn)斗中，過(guò)氧乙酸是疫區(qū)主要的消毒劑。過(guò)氧乙酸的殺菌作用主要依靠其本身強(qiáng)大的氧化能力。曾有人用從真菌孢子提取的酶、氨基酸和核酸在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)與過(guò)氧乙酸作用，發(fā)現(xiàn)過(guò)氧乙酸與這些物質(zhì)發(fā)生廣泛的反應(yīng)。因此，進(jìn)一步研究了過(guò)氧乙酸在試管內(nèi)對(duì)DNA的作用，發(fā)現(xiàn)過(guò)氧乙酸不但分解了DNA的堿基，而且還可使DNA雙鏈解開和斷裂[4]。有報(bào)道通過(guò)同位素標(biāo)記氧乙酸消毒后檢測(cè)芽孢漏出物的氨基酸、RNA、DNA、蛋白質(zhì)、DPA等分析其殺菌機(jī)制。結(jié)果證明，過(guò)氧乙酸先破壞芽孢通透性屏障，進(jìn)而破壞和溶解核心，使RNA、DNA、蛋白質(zhì)等物質(zhì)破壞漏出，致使芽孢死亡。這種破壞是由于過(guò)氧乙酸本身氧化性和酸性雙重作用，其中氧化性起主導(dǎo)作用[5,6]。臭氧消毒在近幾十年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，臭氧消毒主要是通過(guò)化學(xué)和生物等幾個(gè)方面綜合作用進(jìn)行消毒殺菌[7-14]。臭氧能夠分解細(xì)菌內(nèi)部的氧化葡萄糖所必需的葡萄糖氧化酶，并直接與細(xì)菌、真菌和病毒相互作用，分解DNA、RNA、蛋白質(zhì)、多糖以及脂肪類等大分子聚合物，使細(xì)胞內(nèi)部的正常代謝過(guò)程和遺傳過(guò)程遭到打亂破壞。同時(shí)臭氧也能滲透細(xì)胞膜，侵入細(xì)胞內(nèi)，作用于外膜脂蛋白和內(nèi)部的多糖，致使組織細(xì)胞畸變，溶解死亡。然而化學(xué)消毒卻存在弊端，消毒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有害毒副產(chǎn)物，如醛、酮、醇等，若遺留在環(huán)境中，會(huì)隨著食物鏈回流至人類的生活，給人類的健康帶來(lái)極大的危害。物理消毒常采用高溫、高熱、高壓、電磁波以及射線等方法，紫外消毒最為常見(jiàn)。紫外線是一種低能量的電磁輻射，波長(zhǎng)范圍為240-280nm，-PAGEVI- -PAGE89-最合適的波長(zhǎng)為260nm，與DNA吸收光譜范圍相一致，易被核蛋白吸收，使DNA的同一條螺旋體上相鄰的堿基形成胸腺嘧啶二聚體，從而干攏DNA的復(fù)制，導(dǎo)致細(xì)菌死亡或變異[15-20]。然而人的眼睛和皮膚長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外線下，會(huì)造成損傷，引起電光性眼炎和皮膚類疾病。同時(shí)，紫外線在長(zhǎng)時(shí)間消毒過(guò)程中產(chǎn)生臭氧，刺激人的呼吸道粘膜，過(guò)多吸入臭氧也可引起中毒。隨著生物化工等前沿科技的發(fā)展，生態(tài)環(huán)保型的生物消毒技術(shù)的研究和應(yīng)用也愈來(lái)愈廣泛[21-25]。在自然界中一些生物能夠分泌一些物質(zhì)來(lái)消滅病菌、病毒，而又不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何連續(xù)性的破壞作用。然而直接使用生物體自身進(jìn)行消毒，仍存在消毒過(guò)程緩慢、消毒效果尚不確定、消毒效率低等問(wèn)題。因此，一種新型高效的殺菌消毒方法有待提出。近幾十年來(lái)，隨著等離子體技術(shù)蓬勃發(fā)展，在航天工業(yè)、薄膜沉積、環(huán)境治理、生物醫(yī)療和食品安全等方面的應(yīng)用引發(fā)人們?cè)絹?lái)越多的研究興趣[26-37]。研究表明等離子體含有豐富的活性物種，可使病菌失活，在皮膚真菌感染治療，牙髓炎，傷口消毒處理，癌細(xì)胞處理等方面取得了顯著的效果。大氣壓低溫等離子體技術(shù)的發(fā)展為等離子體生物醫(yī)學(xué)殺菌消毒提供了一種新的可能。1.2大氣壓低溫等離子體滅菌技術(shù)1.2.1大氣壓低溫等離子體基本概念等離子體(plasma)為物質(zhì)的“第四態(tài)”，是帶電粒子和和中性粒子組成的表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體[38,39]，是基于放電物理、放電化學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)的學(xué)科之上的交叉學(xué)科。按其體系溫度可將其分為高溫等離子體和低溫等離子體兩大類。高溫等離子體中的粒子溫度T>108-109K,粒子有足夠的能量相互碰撞，達(dá)到了核聚變的反應(yīng)條件。通常實(shí)驗(yàn)室所涉及到的等離子體范疇屬于低溫等離子體，它又分成熱等離子體和冷等離子體，熱等離子體是稠密氣體在常壓或高壓條件下電弧放電或高頻放電所產(chǎn)生，氣體溫度也在上千開，可使分子和原子解離、激發(fā)和電離。冷等離子體溫度在100-1000K，通常是稀薄氣體在低壓下通過(guò)激光、射頻或微波電源激發(fā)輝光放電所產(chǎn)生。低溫等離子體放電過(guò)程中，電子從電場(chǎng)中得到能量，通過(guò)碰撞將能量轉(zhuǎn)化為分子的內(nèi)能和動(dòng)能，獲得能量的分子被激發(fā)，與此同時(shí)，部分分子被電離[40]。這些活化了的粒子相互碰撞從而引起一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，為等離子體技術(shù)殺菌消毒提供了條件。近幾十年來(lái)，有關(guān)等離子體技術(shù)的研究非常活躍，為合成新物質(zhì)、新材料及環(huán)境污染治理等提供了一種新技術(shù)、新方法和新工藝[41-46]。-PAGEVI- -PAGE89-1.2.2大氣壓低溫等離子體的產(chǎn)生方法常見(jiàn)的大氣壓低溫等離子體的產(chǎn)生方法有輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、滑動(dòng)電弧放電、射頻放電、射流放電等。輝光放電(GlowDischarge)，工作氣壓一般都低于10mbar，在封閉的容器內(nèi)放置兩個(gè)平行的電極板，利用電子將中性原子和分子激發(fā)，當(dāng)粒子由激發(fā)態(tài)降回至基態(tài)時(shí)會(huì)以光的形式釋放出能量[38,39,47]。電源可以為直流電源也可以是交流電源。施加電壓后放電間隙中的游離電子在電場(chǎng)的作用下，被加速而獲得能量，與中性氣體碰撞電離形成等離子體。電暈放電(CoronaDischarge)，是氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電，是最常見(jiàn)的一種氣體放電形式[38,39,47]，其基本放電形式如圖1.1所示。在曲率半徑很大的尖端電極附近，由于局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，出現(xiàn)電暈放電。

圖1.SEQ圖表\*ARABIC\s11電暈放電基本形式[47]Fig.1.1Thetraditionaltypesofcoronadischarge[47]電暈放電的形成機(jī)制因尖端電極的極性不同而有區(qū)別。在直流電壓作用下，負(fù)極性電暈或正極性電暈均在尖端電極附近聚集起空間電荷。在負(fù)極性電暈中，當(dāng)電子引起碰撞電離后，電子被驅(qū)往遠(yuǎn)離尖端電極的空間，并形成負(fù)離子,在靠近電極表面則聚集起正離子。電場(chǎng)繼續(xù)加強(qiáng)時(shí)，正離子被吸進(jìn)電極，此時(shí)出現(xiàn)一脈沖電暈電流，負(fù)離子則擴(kuò)散到間隙空間。此后又重復(fù)開始下一個(gè)電離及帶電粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程。電暈放電可以在大氣壓下工作，但需要足夠高的電壓以增加電暈部位的電場(chǎng)。一般在高壓和強(qiáng)電場(chǎng)的工作條件下，不容易獲得穩(wěn)定的電暈放電，亦容易產(chǎn)生局部的電弧放電。-PAGEVI- -PAGE89-

介質(zhì)阻擋放電(DielectricBarrierDischarge)，是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無(wú)聲放電[38,39,47]。典型的介質(zhì)阻擋放電電極結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體，并將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)覆蓋，也可以將介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)兩電極間施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電。圖1.SEQ圖表\*ARABIC\s12介質(zhì)阻擋放電基本形式[47]Fig.1.2Thetraditionaltypesofdielectricbarrierdischarge[47]介質(zhì)阻擋放電可通過(guò)幾十到兆赫茲的頻率下的高壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，在大氣壓下產(chǎn)生一系列絲狀放電電流通道，且電流細(xì)絲通道在空間和時(shí)間上均呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則分布，這種電流細(xì)絲成為微放電[47]。每個(gè)微放電過(guò)程存在的壽命不到10ns，而電流密度卻可到達(dá)0.1-1000A/cm2。介質(zhì)阻擋放電微放電絲狀通道如圖1.3所示。-PAGEVI- -PAGE89-圖1.SEQ圖表\*ARABIC\s13介質(zhì)阻擋放電微放電絲狀通道照片[45]Fig.1.3ImageofDBDfilamentmicro-dischargechannels[45]射頻等離子體放電（RadioFrequencyPlasmaDischarge)，如圖1.4所示，是利用高頻高壓使電極周圍的空氣電離而產(chǎn)生的低溫等離子體[48-51]。由于射頻低溫等離子的放電能量高、放電的范圍大，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用于材料的表面處理和有毒廢物清除和裂解中。射頻等離子可以產(chǎn)生線形放電，也可以產(chǎn)生噴射形放電。圖1.SEQ圖表\*ARABIC\s14射頻放電基本形式[52]Fig.1.4ThetraditionaltypesofRFdischarge[52]滑動(dòng)電弧放電(GlideArcDischargeorPlasmaArc)通常應(yīng)用于材料的表面處理和有毒廢物清除和裂解[53-55]。電極結(jié)構(gòu)通常由延伸弧形電極構(gòu)成如圖1.5所示。電源在兩電極上施加高壓引起電極間流動(dòng)的氣體在電極最窄部分電擊穿。一旦擊穿發(fā)生電源就以中等電壓提供足以產(chǎn)生強(qiáng)力電弧的大電流，電弧在電極的半橢圓形表面上向右膨脹，不斷伸長(zhǎng)直到不能維持為止。電弧熄滅后重新起弧，周而復(fù)始。其視覺(jué)觀看滑動(dòng)電弧放電等離子體-PAGEVI- -PAGE89-就像火焰一般，但其平均溫度卻比較低即使將餐巾紙放在等離子體焰上也不會(huì)燃燒?；瑒?dòng)電弧放電產(chǎn)生的低溫等離子體為脈沖噴射，但可以得到比較寬的噴射式低溫等離子體炬。圖1.SEQ圖表\*ARABIC\s15滑動(dòng)弧放電基本形式[56]Fig.1.5Thetraditionaltypesofglidearcdischarge[56]射流低溫等離子放電(JetDischarge)基本放電形式是介質(zhì)阻擋放電[57-61]，常見(jiàn)的放電形式如圖1.6所示。氣流的存在可以進(jìn)一步抑制放電過(guò)程中可能產(chǎn)生的放電通道過(guò)于集中的問(wèn)題，有利于產(chǎn)生一種穩(wěn)定均勻的放電形式。此外，氣流的吹動(dòng)可以把放電空間產(chǎn)生的一些活性成分、激發(fā)態(tài)粒子、甚至電荷粒子導(dǎo)出放電空間區(qū)域，這樣就可以實(shí)現(xiàn)放電區(qū)域與工作區(qū)域的分離，使這種放電等離子體發(fā)生裝置具有更大的實(shí)用性。由于大氣壓非平衡等離子體射流能夠在開放的空間，射流的長(zhǎng)度從幾毫米到十幾厘米，射流的氣體溫度從幾百攝氏度到常溫，工作氣體從以惰性氣體為主到完全用周圍空氣，這就使許多應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)成為可能。目前，這種放電等離子體發(fā)生裝置被用于材料表面處理、消毒滅菌、薄膜制備、廢氣廢水處理等方面[62-67]。射流低溫等離子體的發(fā)展同時(shí)也推動(dòng)著等離子體醫(yī)學(xué)的進(jìn)步[68-71]。圖1.SEQ圖表\*ARABIC\s16射流放電基本形式[2]Fig.1.6Thetraditionaltypesofjetdischarge[2]-PAGEVI- -PAGE89-1.2.3大氣壓低溫等離子體的滅菌機(jī)制大氣壓等離子體可在室溫下對(duì)各種病毒、細(xì)菌和真菌有效殺除，且對(duì)被處理對(duì)象損害不明顯，不需要復(fù)雜的真空設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能環(huán)保，處理過(guò)程中無(wú)毒副產(chǎn)物殘留，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)物理消毒和化學(xué)消毒的局限和不足。因而，大氣壓低溫等離子體在皮膚病治愈、熱敏性器械、金屬器械、生物材料的快速消毒、食品保鮮、等離子體美容，廢液處理等方面具有良好的應(yīng)用前景[72-76]?，F(xiàn)今，研究者采用等離子體炬[77,78]、等離子體針[79,80]、光纖微等離子體[81,82]、射頻放電等離子體[83,84]、介質(zhì)阻擋放電等離子體[85-87]等多種等離子體處理技術(shù)，以惰性氣體摻雜少量氧氣或以空氣為放電工作氣體，在大氣壓室溫條件下，廣泛應(yīng)用于生物殺菌的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生的放電等離子體均可以快速有效地殺滅各類有害病菌[36,88-92]。就此，國(guó)內(nèi)外研究者們提出了多種等離子體殺菌機(jī)理的假設(shè)或定性解釋。Lerouge[93]等認(rèn)為等離子體產(chǎn)生的紫外(UV)光子具有能量，能夠誘導(dǎo)生物分子發(fā)生各類化學(xué)反應(yīng)，破壞DNA和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，造成有害病菌的死亡。然而，使用空氣或O2/He等作為放電工作氣體產(chǎn)生的大氣壓等離子體，在波長(zhǎng)小于285nm區(qū)域通常沒(méi)有明顯的紫外輻射，且在200-300nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光功率密度一般低于50mW/cm2，因此UV輻照不會(huì)產(chǎn)生明顯的殺菌作用。Mendis[94]等認(rèn)為帶電粒子在破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)過(guò)程中起重要作用，放電產(chǎn)生的高能粒子對(duì)細(xì)胞膜的轟擊作用連同帶電粒子在細(xì)胞膜表面積聚產(chǎn)生靜電張力從而致使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)他們指出帶電粒子更容易導(dǎo)致革蘭氏陰性細(xì)胞膜的破裂，這一結(jié)論得到了Laroussi[95]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持。Laroussi[9]、Uhm[78]、Morfill[96]等發(fā)現(xiàn)有無(wú)帶電粒子作用時(shí)滅菌效果沒(méi)有明顯下降,由于非熱平衡等離子體的電子能量在幾個(gè)電子伏特范圍以內(nèi),離子溫度接近室溫,故通常認(rèn)為在這種高氣壓低能量的情況下,帶電粒子對(duì)微生物的轟擊作用不足以使其死亡，因此認(rèn)為帶電粒子在等離子體滅菌中不起主要作用,并建議進(jìn)一步用電鏡觀察遠(yuǎn)程暴露后微生物的形態(tài)學(xué)是否發(fā)生改變。Choi[97]認(rèn)為大氣壓等離子體在生物表面產(chǎn)生的自由基如O、OH等可能具有更強(qiáng)的殺菌作用，并認(rèn)為這些活性基團(tuán)氧化不飽和脂肪酸引起脂質(zhì)的過(guò)氧化而失活；Xu[98]在研究中發(fā)現(xiàn)等離子體產(chǎn)生活性物種與氧活性基團(tuán)和核酸反應(yīng)生成加合物引起DNA氧化而失活；Yu[85]認(rèn)為等離子體可以與細(xì)胞壁和細(xì)胞膜作用，改變細(xì)胞通透性，導(dǎo)致內(nèi)溶物流出而致細(xì)菌溶解死亡。-PAGEVI- -PAGE89-1.3等離子體殺菌技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的難點(diǎn)1.3.1等離子體殺菌技術(shù)的研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)50年代，就已有先驅(qū)者完成了大氣壓輝光放電的實(shí)驗(yàn)研究[99]，但其使用惰性氣體作為載氣，電極為裸露的銅和鎢電極，操作存在安全隱患，且放電間隙小，不利于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。近幾年興起的大氣壓低溫等離子體，氣體溫度可控制在幾百開甚至是常溫，不會(huì)對(duì)生物體和醫(yī)療器械造成明顯的熱傷害，電子溫度約為1eV，電子密度量級(jí)1011-1014cm-3，能有效地滅活各種有害病菌，在世界范圍內(nèi)掀起了大氣壓低溫等離子體的研究熱潮。1996年，Laroussi[100]利用低頻射頻源驅(qū)動(dòng)覆蓋絕緣介質(zhì)板的金屬電極產(chǎn)生大氣壓輝放電等離子體，對(duì)浸入等離子放電區(qū)域內(nèi)媒介處理，幾分鐘內(nèi)有效地將附著于媒介上的微生物完全殺除，并且對(duì)媒介表面無(wú)明顯的熱損傷。2000年，Montie[101]報(bào)道了在大氣壓室溫空氣中產(chǎn)生的均勻輝光放電等離子體源，待處理材料經(jīng)過(guò)等離子體源照射后，表面附著的革蘭氏陰性細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、真菌、孢子等含量呈指數(shù)趨勢(shì)迅速降低。研究結(jié)果表明，細(xì)菌經(jīng)過(guò)10-25s照射后，菌體表面出現(xiàn)破損，可以觀測(cè)到菌體碎片，經(jīng)過(guò)59-90s等離子體照射后含量至少降低5個(gè)數(shù)量級(jí)，并提出放電產(chǎn)生的活性氧致使細(xì)胞膜破碎的假設(shè)。Lu和Neiger[102]，Laroussi[103]證明使用短納秒脈沖高壓能夠加速氣體的化學(xué)反應(yīng)，使電子的能量分布向高能的尾部漂移，提高了等離子體的化學(xué)活性，同時(shí)納秒脈沖占空比低，放電時(shí)短，迅速有效的將能量注入到放電區(qū)域中，使放電氣體中低質(zhì)量的電子迅速加速，重離子相對(duì)于電子基本保持靜止，有效的降低等離子體的氣體溫度，人手接觸無(wú)熱感或電擊感，可直接應(yīng)用于生物材料的表面處理。Yang[104]利用雙極性納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電，在大氣壓空氣中成功的實(shí)現(xiàn)了均勻放電，通過(guò)第一負(fù)帶的N2+分子光譜的擬合得出放電氣體的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度為395K，在大氣壓非平衡等離子體中氣體轉(zhuǎn)動(dòng)溫度與氣體溫度相近，因而放電氣體溫度接近室溫，實(shí)現(xiàn)了大氣壓空氣低溫等離子體均勻放電。2005年Akitsu[105]利用介質(zhì)阻擋放電，在He/O2添加水蒸汽混合氣體產(chǎn)生大氣壓輝光放電等離子體對(duì)指示性生物枯草桿菌、枯草桿菌變種芽孢、嗜熱脂肪土芽孢桿菌殺除，在低頻100kHz和射頻13.56MHz條件下，改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)發(fā)現(xiàn)羥基自由基可導(dǎo)致有害病菌死亡，而亞穩(wěn)態(tài)的He含量直接影響了OH自由基的產(chǎn)生濃度。2007年Kong[73]詳細(xì)研究了He大氣壓輝光放電對(duì)附著在不銹鋼板表面蛋白質(zhì)的破壞作用，研究發(fā)現(xiàn)等離子體通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)的破壞和降解致使表面骨蛋白含量的減少，兩相降低動(dòng)力學(xué)很大程度上受表面蛋白輪廓厚度影響，通過(guò)發(fā)射光譜研究蛋白失活動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明激發(fā)態(tài)的O和NOx在蛋白質(zhì)分解破壞過(guò)程中起主要作用。Fridman[106]指出由于等離子體和活生物組織十分復(fù)雜，致使等離子體與活生物-PAGEVI- -PAGE89-組織相互作用的機(jī)制也十分復(fù)雜。Fridman通過(guò)懸浮電極介質(zhì)阻擋放電與活組織相互作用分析得出，帶電粒子對(duì)活組織失活起主要作用。2008年，Lu[107]研制出一種方便安全易操作的單電極大氣壓低溫等離子體射流裝置，該裝置由介質(zhì)包裹高壓電極固定在石英介質(zhì)管中心，并由千赫茲高壓交流電源驅(qū)動(dòng)，在大氣環(huán)境中利用氦氣放電可產(chǎn)生11cm長(zhǎng)射流等離子體，放電氣體的振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度分別為300K和2300K，通過(guò)簡(jiǎn)單的模型模擬Lu指出，當(dāng)人體接觸射流放電等離子體時(shí)，在5kHz的頻率下加至人體表面的電壓低于66V。Ikawa[108]將低溫大氣壓射流等離子體應(yīng)用于懸浮在水溶液表面的細(xì)菌失活，并在研究中放電引起水溶液酸堿度降低，當(dāng)酸堿度值低于4.7時(shí)，對(duì)細(xì)菌有明顯的失活效果，同時(shí)放電在水中產(chǎn)生的超氧陰離子也可導(dǎo)致細(xì)菌致死，然而產(chǎn)生的超氧陰離子會(huì)與過(guò)氧氫跟相互作用而引發(fā)酸堿度的略微回升，Ikawa認(rèn)為在溶液中放電產(chǎn)生的紫外和熱量會(huì)被溶液吸收，因而不是導(dǎo)致細(xì)菌致死的主要因素。Uhm[109]指出大氣壓Ar/O2混合氣體射流放電中O2含量的多少對(duì)殺菌效率有著至關(guān)重要的影響。Ar輝光放電過(guò)程中產(chǎn)生的高能電子激發(fā)生產(chǎn)大量的活性氧，同時(shí)Ar射流在空氣中可以提供通道將產(chǎn)生的活性氧的傳輸至病害并將其殺除。Yan[110]報(bào)道了利用大氣壓低溫等離子體射流能誘導(dǎo)HepG2癌細(xì)胞凋亡。研究結(jié)果表明等離子體能有效的控制細(xì)胞內(nèi)活性氧、NO和脂質(zhì)過(guò)氧化的濃度，這些物質(zhì)的濃度可直接影響HepG2癌細(xì)胞凋亡。等離子體產(chǎn)生NO與細(xì)胞內(nèi)濃度形成濃度差，NO通過(guò)向細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)NO濃度激增，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧的濃度增加，不斷增加的氧化應(yīng)力致使細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)不斷過(guò)氧化，因而細(xì)胞損傷凋亡。Sun[111]設(shè)計(jì)了直流大氣壓空氣低溫等離子體裝置，對(duì)水中的枯草芽孢桿菌殺除。在6min內(nèi)可以有效的將水中的枯草芽孢桿菌完全失活。研究結(jié)果分析得出放電造成水溫、酸堿度的變化，他指出溶解在水中的長(zhǎng)壽命活性物種是導(dǎo)致枯草芽孢桿菌失活的直接原因。Kim[112]通過(guò)光纖產(chǎn)生微等離子體實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞癌癥治療。在外徑254μm內(nèi)徑55μm的生物