大氣壓非平衡微等離子體在生物殺菌中的應(yīng)用研究.pdf

1、大氣壓低溫等離子體技術(shù)，一般不需要復(fù)雜的真空設(shè)備，具有低成本、低能耗、高效率等優(yōu)點，同時放電氣體溫度低且容易操控，因此其在薄膜沉積、表面改性、殺菌消毒、環(huán)境凈化、食品安全控制等方面均有十分重要的應(yīng)用。本文主要研究大氣壓低溫等離子體與有害病菌的相互作用。在研究中，我們采用兩種等離子體源:即射流式介質(zhì)阻擋放電等離子體針和大面積等離子體針陣列，通過考察放電的物理特性;分析等離子體產(chǎn)生的化學(xué)活性物質(zhì)（如檢測產(chǎn)生的自由基等活性物種的種類及相對濃度

2、）;研究等離子體處理前后細菌表面的結(jié)構(gòu)變化;最終揭示了潛在的等離子體殺菌機制。本論文主要研究內(nèi)容如下:
　　1.利用交流高壓驅(qū)動產(chǎn)生的大氣壓射流放電等離子體對大腸桿菌展開殺菌實驗研究，同時與傳統(tǒng)方法中的雙氧水和臭氧消毒做了對比。實驗結(jié)果表明，當(dāng)交流峰值電壓為4.5 kV，頻率為7 kHz時，利用He放電產(chǎn)生的射流等離子體在30 s內(nèi)可對大腸桿菌有效殺除，大腸桿菌失活效率可達到99％。利用X射線光電子能譜(XPS)對大腸桿菌表面結(jié)構(gòu)

3、在處理前后變化的分析顯示，同雙氧水和臭氧處理相比，該射流等離子體處理明顯提高了細胞表面的-C-O和-C=O官能團含量，這表明等離子體產(chǎn)生的活性氧粒子在殺菌過程中起著主要作用。
　　2.在交流電源驅(qū)動下，利用光纖毛細微結(jié)構(gòu)特性在空氣中產(chǎn)生大面積均勻等離子體，并利用該裝置對大腸桿菌展開大面積均勻殺菌實驗研究。通過電壓同步觸發(fā)ICCD快速相機，在頻率為5 kHz的條件下研究了放電峰值電壓對沿面擴散放電等離子體形成過程的影響。結(jié)果表明，放

4、電電荷在介質(zhì)表面積累形成的反向電場有助于形成穩(wěn)定均勻的大面積空氣介質(zhì)阻擋放電。放電峰值電壓為14 kV，該放電裝置產(chǎn)生的等離子體在2 min內(nèi)能夠有效地使大腸桿菌大面積地失活。
　　3.在交流電源驅(qū)動下，利用光纖毛細微結(jié)構(gòu)特性在水溶液中產(chǎn)生大面積均勻等離子體放電，在不同氣體成分(N2、He、Air、O2)下利用該裝置放電產(chǎn)生的等離子體進行了殺菌實驗研究。結(jié)果表明，相較于N2和He水中放電，Air和O2放電等離子體與水溶液相互作用能

5、產(chǎn)生大量的活性氧粒子，這些活性氧粒子與大腸桿菌相互作用從而導(dǎo)致細胞脂質(zhì)過氧化而失活。同時我們發(fā)現(xiàn)放電峰值電壓的提高，可以產(chǎn)生高能態(tài)的活性物種，提高等離子體密度，其對溶液中大腸桿菌的失活過亦起著重要的作用。
　　4.在交流電源驅(qū)動下，利用光纖毛細微結(jié)構(gòu)特性在水溶液中產(chǎn)生大面積均勻等離子體放電，在不同氣體成分(Y2、He、Air、O2)下利用該裝置放電產(chǎn)生的等離子體對組成遺傳物質(zhì)的一種脫氧核苷(腺嘌呤脫氧核苷Deoxyadenosin

6、e)及其對應(yīng)核苷(腺嘌呤核苷Adenosine)進行相應(yīng)研究處理。結(jié)果表明，腺嘌呤核苷Adenosine較易脫氧后形成腺嘌呤脫氧核苷Deoxyadenosine，然而Deoxyadenosine較穩(wěn)定，在Ar等離子體處理3分鐘內(nèi)沒有分解，處理4-5分鐘后逐漸分解。除了Ar等離子體外，我們還用其他氣體進行了水中放電處理，并進行了對比分析。這些數(shù)據(jù)能夠為等離子體在生物方面的應(yīng)用提供基本的參考，對考察等離子體內(nèi)含氧自由基對生物體的影響具有一定

7、的指導(dǎo)意義。
　　本論文的主要成果是:1、建立了含氧自由基等活性物種的相對濃度和細菌失活率的之間的對應(yīng)關(guān)系，分析處理后細菌表面的結(jié)構(gòu)變化，揭示了等離子體殺菌的機制。2、利用等離子體陣列技術(shù)產(chǎn)生了大面積均勻放電等離子體，并利用ICCD高速相機成功捕獲了等離子體在空間上的傳播過程，分析了其傳播機制。3、實現(xiàn)了在水中穩(wěn)定放電，并研究了不同氣體放電對應(yīng)的殺菌效率與含氧自由基含量的對應(yīng)關(guān)系。4.通過自制的水中放電裝置對組成遺傳物質(zhì)的脫氧核苷