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大气压等离子体射流及其灭菌研究

刘小虎  
【摘要】:大气压等离子体技术近十几年来蓬勃发展,而大气压等离子体射流因其不需要真空、装置简单易用携带、射流温度较低,不会对热敏材料如塑料、橡胶、食品、皮肤和组织等造成热损失、灭菌效率较高且无毒性物质残留等优点,引起全球范围的广泛关注。然而,从等离子体物理和化学特性来说,目前对等离子体的放电机制和化学特性等还不是很了解,需要进一步研究。同时就等离子体在生物医学方面的应用而言,人们在等离子体与微生物之间的相互作用机制方面还存在分歧,需要进一步深入研究。 为了更加深入地研究等离子体的物理化学特性,进一步揭示放电机理和放电特性等;同时结合大气压等离子体射流的灭菌效率,解释等离子体与微生物的相互作用机制,为大气压等离子体射流在灭菌及生物医疗领域的应用提供理论和技术基础。 本文首先利用自行设计的大气等离子体射流装置,通过等离子体射流发射光谱、射流动力学过程及射流温度等表征手段,分析了大气压等离子体射流的基本特性。在研究了细胞的生物形貌和生物特性的基础上,利用该大气压等离子体射流进行了灭菌的研究和分析。最后,结合大气压等离子体射流的特性,细胞生物特性及灭菌结果,综合分析了各种可能影响灭菌效果因素,得到了大气压等离子体射流灭菌的一般性机理。 大气压等离子体射流的发射光谱表明,其中存在着大量的活性粒子和自由基,如N2、N2+、He、OH和O,这些活性粒子和自由基的强度随着外加电压的增加而增强。 在纳秒曝光时间下,发现等离子体射流射出喷嘴后,形成一个超音速“等离子体子弹”,当Vp-p为15KV,气流量为3 L/min时,“等离子体子弹”的速度约为20 km/s。随着气体流量的增加,“等离子体子弹”的长度不断增加;当外加电压为16.5 KV时,出现了多个“等离子体子弹”;当外加电压Vp-p达到18 KV时,“等离子体子弹”呈现带状。 大气压等离子体射流灭菌研究的结果表明:当外加电压为15 KV时,灭菌效果不显著,当外加电压增加到为16.5 KV和18 KV时,在180s和120s即可杀死百万数量级的细菌;处理前后细胞的SEM图片显示,经大气压等离子体射流处理后的细胞上有裂纹、空洞出现,细胞内物质泄漏到细胞外。 研究结果表明,大气压等离子射流的可能灭菌机理是:温度和UV射线不是大气压等离子体射流灭菌的主要原因;带电粒子和活性粒子如N2+离子、OH自由基和O原子是灭菌的主要原因。带电粒子和活性粒子如N2+、OH和O粒子的浓度和强度达到一定程度后,通过对细胞的轰击、刻蚀以及对DNA等的破坏,使得细胞破坏、细胞内物质泄漏,从而导致细胞的最后死亡。


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