CN103260328A - 一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，采用大气压非平衡态等离子体微射流装置，大气压非平衡态等离子体微射流装置包括有交流高压电源，电源一极通过耐高压电阻与石英纤维管上包覆的铜箔电极相连，另一极接地，通过质量流量控制计和气流转接头控制石英纤维管中的气流量，调节高压电源输出电压强度和频率激发大气压非平衡态等离子体射流，采用交流高压电源在微米尺寸内的石英纤维管中激发产生大气压非平衡态等离子体微射流微尺寸、低温、高定向性灭菌。本发明能在大气压条件下稳定工作，产生的大气压非平衡态等离子体微射流富含活性的反应基团；等离子体射流温度低，能对热敏感的材料进行处理；杀菌速度快，效率高，环境友好。

Description

一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法

技术领域

本发明涉及一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，主要用于杀菌、凝血、皮肤病治疗、癌细胞杀灭等领域。

背景技术

低温灭菌中的放射线法、过滤法和化学法存在许多弊病，诸如对环境有污染（包括核辐射污染、化学污染）、有药物残留、灭菌时间长等，目前最先进的是低温等离子体灭菌技术。与通常的低温灭菌法相比，等离子体灭菌具有无药物残留、安全性高、灭菌时间短、无环境污染等优点，然而等离子体灭菌设备的成本相对比较高，此外，被处理样品的尺寸和放电的稳定性受到了一定的限制。

大气压非平衡态等离子体射流能够在开放的空间、而不是在间隙内产生大气压非平衡等离子体，这就使得许多应用的实现成为可能。为了满足各种特定应用的需要，人们研制出了多种多样的大气压非平衡态等离子体射流发生装置。在射流的研究中取得了诸多突破，射流的长度从几mm到十几cm，射流的气体温度从几百℃到常温，工作气体从以惰性气体为主到完全用周围空气。正是等离子体医学的发展，推动了大气压非平衡态等离子体射流的研究。特别是近几年来，研究者希望将大气压非平衡等离子体用于人体和动物的临床应用，这就迫切需要研制出适合于各种具体应用的装置。当与人体相接触时，必须保证人体的绝对安全。也就是说此时不仅要求等离子体射流的气体温度基本保持在常温，而且要求其不会对人体造成任何伤害。

    近年来，横向尺寸仅有几百微米甚至更小的毛细管型大气压微等离子体射流引起了越来越广泛的关注。微放电大气压等离子体射流具有以下特点：（1）与传统的低气压等离子体源（如电容耦合或电感耦合等离子体）相比，可以不需要昂贵的真空系统，降低设备的运行成本；（2）含有大量的活性自由基团和短寿命化学成分，可用于材料表面改性、活化、清洗、功能材料合成等；（3）高定向性；可以将活性成分和能量集中在待处理的局部区域，降低污染、局部皮肤坏死、炎症或结疤的风险，例如精确瞄准病变细胞或组织。由于微放电用于局域非均匀材料处理和聚合膜沉积而不再需要掩膜技术。微放电射流可用于改变材料表面的润湿性能，比如金属、等离子体聚合苯乙烯、聚二甲基硅氧烷以及聚碳酸酯，并且微等离子体射流可用以刻蚀硅片、处理热敏性表面（如人的皮肤）等。

    相比较单射流等离子体，阵列式微等离子体射流可以更有效接触大面积物体表面。而且，中空光学纤维微等离子体射流阵列可以同时瞄准不同的细胞，这样可以更好地区分等离子体对不同种类细胞的影响。

由于微放电结构尺寸小，这些等离子体源可以在大气压条件下工作，可以使用多种工作气体，激励源可以是直流、kHz交流、MHz到GHz高频等范围。微放电等离子体射流被用于液体样品光学发射光谱测试、材料局部等离子体处理、用于质谱仪的小型化电离源、薄膜沉积及材料合成、非晶硅快速热退火、灭菌（处理癌细胞等）等，特别是微等离子体技术在治疗癌变细胞等疾病的研究方面日益引起人们的关注。

发明内容

    本发明的目的是针对上述提出的现有技术的不足，提供一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，采用交流高压（连续或脉冲）电源在微米尺寸内的石英管中激发产生大气压非平衡态等离子体微射流微尺寸、低温、高定向性灭菌。

本发明采用的技术方案是：

一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，其特征在于，包括有以下步骤：

（1）首先是搭建大气压非平衡态等离子体微射流发生装置，大气压非平衡态等离子体微射流发生装置包括输出电源和输出频率可调的交流高压电源，交流高压电源的一端接地另一端通过耐高压电阻与微射流电极连接，所用微射流电极为铜箔电极，铜箔电极包覆在石英纤维管上；气瓶的出气口通过管道接入石英纤维管的进气口，石英纤维管的进气口部设有气流转接头，气瓶与气流转接头之间的管道上设有质量流量计，气瓶内装有工作气体，所用的石英纤维管能弯曲；石英纤维管的外壁的一部分通过真空镀膜法镀上一层银膜，银膜与铜箔电极相连以延长电极结构，铜箔电极距离石英纤维管的出气口部的距离为30~40 cm；

（2）使用步骤（1）中搭建的实验装置，通过质量流量计控制通过石英纤维管中的工作气体的流量，并调节交流高压电源输出电压和频率，当输出电压达到一定强度时，在石英纤维管中激发等离子体微射流从石英纤维管出气口处喷出，等离子体微射流长度可达5~10 mm；

（3）一定条件下培养样品，如大肠杆菌、枯草杆菌，在大气压中直接通过等离子体微射流对培养的样品进行表面处理：可固定大气压等离子体微射流进行表面定点处理，也可移动等离子体微射流做线扫或面扫处理；

（4）通过发射光谱法测量石英纤维管口处等离子体温度和密度，并通过光谱分析等离子体微射流中活性自由基的种类和含量，通过对被处理后样品的再培养后菌落的分布，直观地观察杀菌效果。

所述的一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，其特征在于：所述的石英纤维管的内径为数十至数百 μm，等离子体微射流直径为50至500μm。

所述的一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，其特征在于：所述的交流高压电源为连续或脉冲电源，也可以是kHz, MHz到GHz的高频电源。

所述的一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，其特征在于：所述的气瓶中的工作气体为氦气，也可以使用氧气、氮气等其他气体作为工作气体。

本发明的优点有：

1. 与传统的辉光放电等离子体灭菌装置相比，不需要昂贵的真空系统，可在大气压条件下直接对样品进行灭菌、失活操作。

2. 由于没有真空系统，即没有处理前抽真空和处理后放气的过程，操作简单，并大幅缩短了时间。

3. 本发明使用50至500微米的空心石英纤维管，如此小的等离子体微射流具有很高的定点性和针对性。

4. 实验使用He作为放电气体在大气压中放电，因而所形成的等离子体中具有羟基，氧、氮活性粒子。

5. 本发明所形成的等离子体微射流温度低，可以直接对生物体进行处理而不会被灼伤。

6. 本发明使用的石英纤维管具有很好的弯曲性能，能对复杂样品表面进行处理。

附图说明

图1是大气压非平衡态等离子体微射流装置的示意图。

图2是大气压非平衡态等离子体微射流放电照片。

图3是使用光谱仪测量大气压非平衡态等离子体微射流开口处的光谱图。

图4是使用大气压非平衡态等离子体微射流处理枯草杆菌样品的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，包括有以下步骤：

（1）首先是搭建大气压非平衡态等离子体微射流发生装置，大气压非平衡态等离子体微射流发生装置包括输出电源和输出频率可调的交流高压电源1，交流高压电源1的一端接地另一端通过耐高压电阻2与微射流电极3连接，所用微射流电极3为铜箔电极，铜箔电极包覆在石英纤维管4上；气瓶7的出气口通过管道接入石英纤维管4的进气口，石英纤维管4的进气口部设有气流转接头5，气瓶7与气流转接头5之间的管道上设有质量流量计6，气瓶7内装有工作气体，所用的石英纤维管4的内径为50至500μm，石英纤维管4能弯曲，具有良好的柔韧性；石英纤维管4的外壁的一部分通过真空镀膜法镀上一层银膜，银膜与铜箔电极相连以延长电极结构，铜箔电极距离石英纤维管4的出气口部的距离为30~40 cm；

（2）使用步骤（1）中搭建的实验装置，通过质量流量计6控制通过石英纤维管4中的工作气体的流量，并调节交流高压电源1输出电压和频率，当输出电压达到一定强度时，在石英纤维管4中激发等离子体微射流从石英纤维管4出气口处喷出，等离子体微射流长度可达5~10 mm,等离子体微射流直径为50至500μm；

（3）一定条件下培养样品，如大肠杆菌、枯草杆菌，在大气压中直接通过等离子体微射流对培养的样品进行表面处理：可固定大气压等离子体微射流进行表面定点处理，也可移动等离子体微射流做线扫或面扫处理；

（4）通过发射光谱法测量石英纤维管4口处等离子体温度和密度，并通过光谱分析等离子体微射流中活性自由基的种类和含量，通过对被处理后样品的再培养后菌落的分布，直观地观察杀菌效果。

交流高压电源1为连续或脉冲电源，也可以是kHz, MHz到GHz的高频电源。

气瓶7中的工作气体为氦气，通过质量流量计6可以控制通过石英纤维管4中的气体流量，气流转接头5的作用是将大口径气管中的气体分流入50~500 μm的石英纤维管4中，气流转接头5上可以做成单出口、单排出口或多排出口，以实现单通道大气压非平衡态等离子体微射流或阵列式大气压非平衡态等离子体微射流。交流高压电源（连续或脉冲）1一端通过耐高压电阻2与包覆在石英纤维管上的铜箔电极相连，铜箔电极的宽度约为1cm；另一端通过地线接地；通过调节交流高压电源1的输出电压和频率，到达一定值时即可在石英纤维管4中激发等离子体，实现大气压非平衡态等离子体微射流放电。另外，在铜箔电极与石英纤维管4出气口一端之间段通过高真空蒸发镀膜法沉积Ag导电覆盖层，并通过7kV耐高压套管与外界绝缘，Ag导电层与铜箔电极相接触，以延长大气压非平衡态等离子体微射流长度及提高放电的稳定性。

如图2所示，是大气压非平衡态等离子体微射流放电照片，等离子体从石英纤维管4出气口一端喷出，长度约为6 mm。而石英纤维管4出气口一端与铜箔电极之间的管内等离子体长度可达40 cm，石英纤维管4具有很好的弯曲性能，因此可以实现对复杂表面形貌的处理。通过发射光谱分析，等离子体区域含有丰富的活性粒子和基团如羟基和氧、氮活性粒子。

如图3所示，是大气压非平衡态等离子体微射流的光谱测量结果。图中显示，所产生的等离子体中含有大量OH自由基和N、O活性粒子。

如图4所示，是使用大气压非平衡态等离子体微射流灭菌结果，所使用的菌种为枯草杆菌，其是革兰氏阳性菌，具有较强的抗灭菌活性。从图中可以看出，经过大气压非平衡态等离子体微射流处理之后的区域，菌落较之没有处理的区域明显减少，说明本发明所使用的装置对枯草杆菌具有明显的杀菌效果，因而可以推论出大气压非平衡态等离子体微射流对革兰氏阳性菌有较好的杀菌效果。图4还显示，使用大气压非平衡态等离子体微射流对样品进行处理时，等离子体在样品表面会有一定的扩散效应。

Claims (4)

1.一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，其特征在于，包括有以下步骤：

（1）首先是搭建大气压非平衡态等离子体微射流发生装置，大气压非平衡态等离子体微射流发生装置包括输出电源和输出频率可调的交流高压电源，交流高压电源的一端接地另一端通过耐高压电阻与微射流电极连接，所用微射流电极为铜箔电极，铜箔电极包覆在石英纤维管上；气瓶的出气口通过管道接入石英纤维管的进气口，石英纤维管的进气口部设有气流转接头，气瓶与气流转接头之间的管道上设有质量流量计，气瓶内装有工作气体，所用的石英纤维管能弯曲；石英纤维管的外壁的一部分通过真空镀膜法镀上一层银膜，银膜与铜箔电极相连以延长电极结构，铜箔电极距离石英纤维管的出气口部的距离为30~40 cm；

（2）使用步骤（1）中搭建的实验装置，通过质量流量计控制通过石英纤维管中的工作气体的流量，并调节交流高压电源输出电压和频率，当输出电压达到一定强度时，在石英纤维管中激发等离子体微射流从石英纤维管出气口处喷出，等离子体微射流长度可达5~10 mm；

（3）一定条件下培养样品，如大肠杆菌、枯草杆菌，在大气压中直接通过等离子体微射流对培养的样品进行表面处理：可固定大气压等离子体微射流进行表面定点处理，也可移动等离子体微射流做线扫或面扫处理；

（4）通过发射光谱法测量石英纤维管口处等离子体温度和密度，并通过光谱分析等离子体微射流中活性自由基的种类和含量，通过对被处理后样品的再培养后菌落的分布，直观地观察杀菌效果。

2.根据权利要求1所述的一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，其特征在于：所述的石英纤维管的内径为数十至数百μm，等离子体微射流直径为50至500μm。

3.根据权利要求1所述的一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，其特征在于：所述的交流高压电源为连续或脉冲电源，也可以是kHz, MHz到GHz的高频电源。

4.根据权利要求1所述的一种大气压非平衡态等离子体微射流灭菌的方法，其特征在于：所述的气瓶中的工作气体为氦气，也可以使用氧气、氮气等其他气体作为工作气体。

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