文摘gydF4y2Ba

大气压等离子体射流(APPJ)是一种很有前途的技术,在周围环境中病原微生物的杀菌。在这项工作中,helium-APPJ被双重介质阻挡放电产生并应用于模型微生物在空气和水的杀菌。放电特性(包括应用的电压波形和频率),射流特性(如原料气流量、射流长度、热效果,和光学发射光谱),和杀菌性能(明确/消毒区域而言,斑块大小,和灭菌效率)。均匀生成氦等离子体射流的节能方式(18 kHz, 6 kV, 0.08 W) 19毫米喷气和有限的加热。He-APPJ达到良好的杀菌性能非常短的处理时间内(如短至30年代)。对于表面杀菌,清除区面积和斑块的大小是1809毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba分别和48毫米,5分钟内治疗。对水消毒,灭菌效率为99.8%在5分钟之内就完成了治疗。光学发射光谱表明,活性物种分子,如兴奋He-APPJ离子和自由基产生。产生活性物种在杀菌过程中起了非常重要的作用。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

微生物,包括细菌、真菌、古细菌和原生动物,是列文虎克在1675年发现的。它们存在于自然环境和人类活动都积极参与。许多微生物致病性和负责各种疾病,如皮肤疾病,蛀牙,呼吸道感染和胃肠道感染gydF4y2Ba1gydF4y2Ba在全球国家,危害人类健康。gydF4y2Ba

传统的病原微生物的杀菌方法包括化学、物理和生物方法(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。化学方法使用各种化学消毒剂有效杀死微生物。广泛用于伤口消毒、流行地区的水消毒,消毒。然而,有毒消毒剂残留物为其进一步应用仍然是一个问题(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。物理杀菌创建和利用极端环境微生物破坏的物理结构,通过紫外线照射、加热、电离辐射、微波灭菌(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,在日常生活中经常使用或医疗设备消毒。生物灭菌是环保的。然而,应用程序是有限的,因为严格的要求。gydF4y2Ba

低温等离子(国家结核控制规划)的特点是存在的电子、离子、自由基、兴奋的原子和分子在环境条件下(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。在等离子体中,电子的能量可以达到1 eV (gydF4y2Ba8gydF4y2Ba),能够产生集群的活性物种,如兴奋原子,积极或消极的离子,和激进分子通过气体分子之间的碰撞和能量电子(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。这些活跃的物种,例如,活性氮物种(RNS)和活性氧(ROS),可以破坏细胞结构包括细胞膜、蛋白质,核酸,导致微生物的失活或死亡gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。事实上,RNS和活性氧诱导细胞凋亡在肿瘤细胞发现了gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]。在不同形式的国家结核控制规划中,大气压等离子体射流(APPJ)是一种很有前途的技术为各种应用程序,包括亲水改性和化学活性材料(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba),材料表面腐蚀(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba),细菌失活(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba)、皮肤消毒(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),伤口治疗(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba),治疗龋齿(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba),凝血(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba),和癌症细胞凋亡(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

APPJ可以生成和由脉冲直流电(DC),交流电(AC)、无线电频率(RF)和微波功率源(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。生成AC-driven等离子体喷流,介质阻挡放电(DBD)配置是有利的,因为它可以在广泛的应用电压在大气压力下,而氦(他)和氩(Ar)主要用作工作气体(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。在某些情况下,计算量的OgydF4y2Ba_2gydF4y2BaNgydF4y2Ba_2gydF4y2BaHgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba啊,和/或空气可以与他混合或基于“增大化现实”技术来生成独特的活性物种APPJ [gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]。有人指出APPJ可以生成更有效的他,在他飞机的长度通常比在相似的操作条件下的基于“增大化现实”技术。此外,他亚稳有更高的能量和更长的寿命比Ar (gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。因此,He-APPJ DBD非常适合生产所产生的活性物种和灭菌的微生物gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。然而,越来越多的工作仍然需要优化He-DBD-APPJ的配置和操作条件,更需要努力学习使用APPJ灭菌过程的机制,特别是等离子体生物效应。最近,一个“等离子体剂量”定义为等效总氧化潜力(ETOP修建)提供新的见解提出了等离子体医学的基础(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。基于等离子体的综合定义剂量,等离子体在不同条件下的生物效应可以定量比较和确认,这是非常有利于等离子体在医学领域的应用。gydF4y2Ba

在目前的工作,双重介质阻挡放电(DDBD)反应堆是用于生成He-plasma喷气机。He-plasma飞机的特点,如电压波形、等离子体,等离子体射流的长度,在等离子体温度分布,和光学发射光谱(OES)进行调查。表面和水杀菌的性能评估。此外,灭菌He-plasma喷气机的机理进行了讨论。gydF4y2Ba

2。材料和方法gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba显示了实验装置的工作。He-plasma飞机被DDBD反应堆产生的。反应器由两个嵌入石英管,内直径3毫米和1毫米,分别。他流经两管之间的差距。外的铜箔被包裹在石英管,担任地面电极。铜杆的直径0.8毫米的轴安装在内胎,功能的高压电极。内电极和喷嘴之间的距离是15毫米。高频交流高压电源用于激励的反应堆。实验是在大气压力和室温。他是由质量控制的流量控制器(MFC)。 The experimental system in this work is similar to our previous work that uses Ar plasma jet for sterilization [29日gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

外加电压是衡量数字示波器(DS1102E普源精电,中国)和高压探头(HVP)(美国美国泰克P5104)。根据实验的需要,电源的输出电压和频率调整到2 kV, 3 kV, 4 kV, 5 kV,和6 kV和10 kHz, 12 kHz, 14 kHz, 16赫兹,分别和18 kHz。He-plasma飞机的照片被数码相机(佳能EOS 7 d,日本)。He-plasma射流的温度分布是衡量使用红外摄像头(美国FLIR A35)。电离的光学发射光谱和兴奋的物种在放电区获得使用多通道光谱仪(旅行车、荷兰)。gydF4y2Ba

放电功率gydF4y2BaPgydF4y2Ba在线实时测量了Q-U利萨方法(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba];电荷gydF4y2Ba问gydF4y2Ba流经DBD的反应堆可以测量的电压降gydF4y2BaUgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba在外部电容gydF4y2BaCgydF4y2Ba_extgydF4y2Ba(150 pF)的关系:gydF4y2Ba

每个循环的能量gydF4y2BaEgydF4y2Ba和放电功率gydF4y2BaPgydF4y2Ba计算如下:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2BafgydF4y2Ba是应用频率(赫兹)。gydF4y2Ba

大肠杆菌gydF4y2Ba(ATCC25922)被用作模型微生物评价杀菌效率。获得的数密度是通过异养平皿计数法。图gydF4y2Ba2(一个)gydF4y2Ba显示了一个典型的生长曲线gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba。细菌培养有OD600约1.6一分之一8 h潜伏期。时的密度gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba在细菌培养10gydF4y2Ba^7gydF4y2Ba-10年gydF4y2Ba^9gydF4y2Bacfu / mL,它表明,细胞的增长达到了日志和阶段gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba是最活跃的。图gydF4y2Ba2 (b)gydF4y2Ba显示了一个典型的形象gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba磅的媒介。更多细节的微生物的培养和制备样品和灭菌实验可以发现的补充材料。gydF4y2Ba

3所示。结果与讨论gydF4y2Ba

3.1。等离子体射流的一代gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba显示了典型的外加电压波形频率10 kHz, 14 kHz,分别和18 kHz。高频电源的输出稳定持续He-APPJ。有趣的是,当频率增加到10千赫至18 kHz,峰值电压的振幅下降从2 kV到1.6 kV。频率决定了单位时间的排放数量,而峰值电压可能会决定力量注入等离子体。因此,效率依赖于这两个因素(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba]。图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba显示了一个典型的利萨Q-U图DBD的反应堆。基于利萨如图形,可以计算出放电功率。gydF4y2Ba

APPJ很低的功率消耗在这工作,这意味着APPJ是启动和持续的节能方式。图gydF4y2Ba5(一个)gydF4y2Ba显示应用电压的影响(Vp-p 18 kHz)的放电功率He-plasma喷气(由等离子体射流功率消耗)。随着外加电压的增加,He-plasma喷气机的放电能力逐渐增加。应用电压的2 kV、5 kV,和7 kV,等离子体射流的放电功率为0.036 W, 0.055 W,分别和0.092 W。这一结果表明,平均放电电流与外加电压增加。图gydF4y2Ba5 (b)gydF4y2Ba展示了等离子体功率的依赖他的给水流量。外加电压是18 kHz的频率。放电等离子体射流的力量增加从0.032到0.051 (W W,随着气体流量的增加从0.5升/分钟到3.5 L / min。然而,在流量进一步增加导致了轻微的放电功率下降,这表明放电干扰时流率太高了。图gydF4y2Ba5 (c)gydF4y2Ba显示了放电功率的响应外加电压的频率。他的流量是1 L / min。随着频率增加到15 kHz, APPJ的放电能力增加,达到最大值0.095 W。放电功率频率进一步增加时迅速减少。有趣的是,这种现象同意结果如图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。与基于“增大化现实”技术的等离子体射流(gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba],He-plasma飞机相对较小的放电能力相似的条件。gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba6gydF4y2BaHe-APPJ的照片显示了在不同条件下生成的。均匀等离子体射流是由DDBD生成配置。飞机的长度可以清楚地观察到。He-plasma射流的长度显著增加以及外加电压(图gydF4y2Ba6(一)gydF4y2Ba)。例如,当外加电压是2 kV,等离子体射流的长度是3毫米;相反,当外加电压6 kV,飞机达到19毫米的长度。这个结果同意反冲力的进化,如图gydF4y2Ba5(一个)gydF4y2Ba。等离子体射流的力量在更高的电压增加,这表明更多的能量注入等离子体;因此,他分子更多的是兴奋,等离子体射流扩展。图gydF4y2Ba6 (b)gydF4y2Ba显示了He-plasma射流在不同气体流速的照片。He-jet的长度通常随气体流速增加,达到最大流量时23毫米3.5 L / min。当气体流量进一步增加到4 L / min,射流长度略有下降。值得注意的是,这个结果是一致的等离子电源的配置文件,如图gydF4y2Ba5 (b)gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba6 (c)gydF4y2Ba显示He-plasma射流在不同的应用频率的变化。最优频率的外加电压是最长的He-APPJ观察。频率是14 kHz时,等离子体射流拉伸,达到最大的16毫米。有趣的是,这个结果同意与喷射动力数据如图gydF4y2Ba5 (c)gydF4y2Ba。所有的结果确认放电功率APPJ的体积和长度决定的,因此决定杀菌性能。gydF4y2Ba

等离子体射流的温度分布对绝育手术是非常重要的。例如,高温气流膨胀,改变等离子体射流的形状和长度;放电模式变化在升高的温度下;组织和材料接触“热”APPJ受损;在足够高的温度下和微生物死亡。在这部作品中,温度APPJ高度与外加电压的振幅有关。图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba显示的温度热He-plasma射流在不同电压应用。考虑到等离子体射流DDBD出口的平均和最大温度计算。很明显,He-plasma飞机的平均和最大温度都接近环境,这可以归因于低排放的力量He-plasma喷气机。例如,在一个应用2千伏的电压,4 kV,和6 kV,最高温度为36.7°C, 39°C,分别和42.1°C。相反,外加电压显示He-APPJ平均温度的影响可以忽略不计。这一结果表明,等离子体射流在这工作可用于直接接触/治疗组织或其他材料没有热损伤的风险。这是特别有价值的组织或皮肤消毒,更不用说APPJ是化学agent-free过程。必须指出,热APPJ表明等离子体灭菌过程中加热的微不足道的贡献在这工作。gydF4y2Ba

3.2。灭菌使用He-APPJgydF4y2Ba

图gydF4y2Ba8gydF4y2Ba抑制细菌增长模型显示了He-plasma喷射后曝光(18 kHz, 6 kV, 1.5 L / min),使用He-APPJ揭示表面杀菌的性能。可以观察到抑制很短的治疗后30年代的时期。微生物的抑制区被He-APPJ停用或死亡。随着曝光时间的增加,细菌的抑制区(清除区显著扩大(图)gydF4y2Ba8 (b)gydF4y2Ba)。例如,清除区从28毫米增加的面积gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba1809毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba随着曝光时间的增加从30年代到5分钟(图gydF4y2Ba8(一个)gydF4y2Ba)。斑块是大约5分钟后48毫米直径的He-APPJ治疗。gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba9gydF4y2Ba显示He-APPJ治疗的持续时间/时期(18 kHz, 6 kV, 1.5 L / min)及其对水的杀菌效率的影响。实现99.2%的灭菌效率高在一个治疗周期短的1分钟。效率进一步增加随着治疗时间的增加。99.8%的gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba5分钟后消毒处理。它可以解释说,产生的活性物种He-APPJ进入液相,消毒细菌,而对于治疗持续时间更长,更积极的物种生成和转移到水,提高杀菌性能。gydF4y2Ba

3.3。灭菌过程的可能机制gydF4y2Ba

He-plasma射流在空气中传播时,激发电子和兴奋与N相撞gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba阿,gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,和HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO在空气中,从而产生一系列的活性物种(例如,他亚稳态,NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba亚稳、O原子和羟基)[gydF4y2Ba33gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba10gydF4y2Ba显示了光的发射光谱He-plasma喷气机。他激动的分子(如亚稳和NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba亚稳态)、离子(NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba^+gydF4y2Ba)和自由基(OH和O自由基)可以确定从振动发射乐队(gydF4y2Ba35gydF4y2Ba]。NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba^+gydF4y2Ba(BgydF4y2Ba^2gydF4y2BaƩgydF4y2Ba_ugydF4y2Ba)乐队主要是相关的N次方gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba^+gydF4y2Ba潘宁电离产生的离子之间的NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和他亚稳gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]。密集的N的排放gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba(CgydF4y2Ba_3gydF4y2BaΠgydF4y2Ba_ugydF4y2Ba- bgydF4y2Ba^3gydF4y2BaΠgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba可以清楚地观察到。的跃迁能相应的物种(gydF4y2BaνgydF4y2Ba= 0 - 3)是11.178,11.425,11.668,和11.908 eV,分别为(gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。706.5和777.3 nm的发射电子的辐射跃迁有关从他(3 s (gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba))(22.72 eV)和O (3 p (gydF4y2Ba^5gydF4y2BaP)) (10.74 eV)他(2 P (gydF4y2Ba^3gydF4y2BaP)) (20.96 eV)和O (3 s (gydF4y2Ba^5gydF4y2Ba))(9.14 eV),分别gydF4y2Ba37gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba]。哦(gydF4y2Ba^2gydF4y2BaΣgydF4y2Ba^+gydF4y2Ba- xgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba从光谱Π)也可以确定,和相应的跃迁能是4.2 eV (gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。光谱资料证实了一代和参与各种活动的物种在杀菌过程中。gydF4y2Ba

当He-plasma飞机是用来治疗gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba琼脂媒体和其他微生物和水,兴奋的亚稳可以与细胞和碰撞能量转移到组织和物种细胞膜,导致膜的变形和故障。此外,获得能量的电子和离子可以与有机分子在细胞和碰撞打破化学键。此外,电子和离子附着和积累膜的细胞,最终导致穿刺。此外,活性氧化剂(例如,ROS和RNS)生产APPJ [gydF4y2Ba39gydF4y2Ba)可以反应和损伤细胞或内容。所有这些因素促成了灭菌。尤其是,ROS和RNS提出了发挥至关重要的作用的失活细菌。gydF4y2Ba

它是非常有趣的,基于发射光谱结果显示,紫外线照射强度很低的He-plasma喷气机。这一结果也与文献从et al。gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]。提出,紫外线辐射强度可以低至0.05 mW /厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]。因此,可以得出结论,紫外线灭菌是有限的贡献。此外,如图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,加热的贡献/热影响灭菌也非常有限。gydF4y2Ba

4所示。结论gydF4y2Ba

一个齐次He-plasma jet生成使用高压交流电源和双介质阻挡放电在大气压。放电特性(包括应用的电压波形和频率),射流特性(如原料气流量、射流长度、热效果,和光学发射光谱),和杀菌性能(明确/消毒区域而言,斑块大小,和灭菌效率)。He-plasma射流的长度高度相关的等离子体力量,随着外加电压的增加。最优流量和频率被发现申请最长的生成等离子体射流。加热APPJ的工作是有限的。例如,He-plasma飞机的最高温度只增加了5.4°C随着外加电压的增加从2 kV到6 kV。因此,He-APPJ有可能直接接触/治疗组织或热敏材料,无热损伤的风险。He-APPJ在这个工作也追究模型微生物的杀菌。快速灭菌和良好的性能。表面杀菌、抑菌圈的面积和斑块的大小是1809毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba分别和48毫米,5分钟内治疗。对水消毒、效率高可以在1分钟之内实现治疗和消毒效率为99.8%在5分钟之内就完成了治疗。最后,基于光学He-plasma飞机的发射光谱,活跃的物种如他亚稳态,NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba亚稳态,gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba^+gydF4y2Ba,哦,O被确定。可能的贡献应该是活跃的物种,等离子体加热、紫外线照射灭菌过程也进行了讨论。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

大肠杆菌gydF4y2Ba(ATCC25922)在一份事先准备好的Luria-Bertani首先培养在310 K(磅)中8 - 10小时。10 g / L的氯化钠,10 g / L的蛋白胨,5 g / L的酵母提取物添加到媒体。培养后,数密度为107 - 109 cfu /毫升。然后,gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba是由离心收获(10000 rpm, 2分钟)和悬浮在去离子水。的表面灭菌效率He-plasma喷气决心斑块大小的基础上gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba在固体琼脂板上。琼脂板的直径90毫米。DDBD反应堆出口之间的距离和琼脂板约15毫米。水消毒效率的量化使用酶联免疫吸附测定(ELISA)板。ELISA板48井。每有一个直径6毫米,11毫米的深度。250年gydF4y2BaμgydF4y2BaL (gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba暂停添加到每个。DDBD反应堆出口之间的距离和ELISA板是8毫米。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称没有利益冲突有关的出版。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

这项工作是由中国自然科学基金资助(没有。21507043)、广东省自然科学基金(2018 a0303130089和2016 a030307009号),专项资金的培养广东大学生科技创新(“攀登计划”专项资金)(没有。pdjh2020b0555),本科生创新和创业培训项目(没有。202010582004 x)。gydF4y2Ba