CN110538334B - 基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置 - Google Patents

基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置 Download PDF

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Abstract

本公开揭示了一种基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置，包括气液控制模块、等离子体发生模块、电源激励模块和等离子体处理模块。本公开通过在氩气中掺杂微量乙醇和氧气(或水蒸气)，一方面能够实现氩激发态的彭宁电离，使放电从丝状变为弥散形式以形成弥散放电，并降低起始放电电压和气体温度，从而改善放电特性，提高装置的安全性和可靠性；另一方面能够产生高效灭菌物质过氧乙酸，使得灭菌及抗感染效果比现有的等离子体灭菌及抗感染装置强几个数量级以上，且本公开使得过氧乙酸的半衰期极大地缩短，在灭菌及抗感染后几分钟内无残留。

Description

基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置
技术领域
本公开属于生物医学领域，具体涉及一种基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置。
背景技术
医疗器械的灭菌有严格的国际标准，一般要求达到无菌水平(SAL＜10-6)，即只允许不超过百万分之一的微生物存活。一些重复使用的医疗器械如内窥镜、止血夹等都需要按照标准进行灭菌，否则很容易引起交叉感染，甚至导致生命危险。
传统方法一般包括湿热灭菌与干热灭菌两种：湿热灭菌需要在121℃条件下处理15min，而干热灭菌需要在160℃条件下处理2h。相比于传统灭菌方法，大气压冷等离子灭菌的主要优势在于：1、具有低温(接近室温)特点，适用于临床中大量应用的热敏感材料的杀菌；2、能够高效处理细长管道(如内窥镜)内部，且无有害物质残留，并可以大大节省处理时间，例如，传统的环氧乙烷用于内窥镜消毒往往需要处理24h(消毒+通风去残留)，而研究发现使用等离子体灭菌只需要几分钟；3、大气压冷等离子体的广谱抗菌特性，研究发现它能高效灭活耐药性很强的微生物，如超级细菌MRSA、朊病毒、细菌生物膜等，相比于传统高温灭菌方法更加安全(朊病毒能耐高温)。
当细菌、朊病毒、真菌等病原体入侵人体时，会引起局部组织发生损伤性病变和全身性炎症反应，严重时会出现败血症，甚至会导致人体死亡。由于大气压冷等离子的低温(接近室温)特点和广谱抗菌特性，当等离子体用于人体灭菌抗感染时，一方面能高效灭活病菌，特别是抗生素难以灭活的细菌生物膜，另一方面也能保证对人体处理时的安全性。
目前，大气压等离子体在医疗领域的应用越来越广泛，例如皮肤病的治疗、牙齿根管的治疗、伤口愈合等。实验中可以通过氦气放电或氩气放电产生等离子体，其中，氦气的放电特性比较好(均匀性好、稳定性好、等离子体气体温度低)，但是价格昂贵，化学活性比较低，用于灭菌、材料表面改性的效率不高；氩气价格便宜，放电产生的等离子体化学活性较高，但是放电特性不好(均匀性差、稳定性差、等离子体气体温度高)。实验发现，采用现有的等离子体灭菌及抗感染装置需要较长时间才能灭杀造成疾病的微生物，且在微生物的浓度较高时，灭菌效果不理想。特别是用于人体抗感染时，现有的等离子体灭菌及抗感染装置存在处理温度较高，容易引起人体不适，且对感染中常见的细菌生物膜灭活效果不佳的缺点。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本公开的目的在于提供一种基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置，通过在氩气中掺杂微量乙醇和氧气/水蒸气，能够产生具有高效灭菌及抗感染作用的低温等离子体。
本公开通过以下技术方案实现上述目的：
一种基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置，包括：
气液控制模块，用于控制氩气中的乙醇气体和氧气或乙醇气体和水蒸气的含量，生成氩气、乙醇气体、氧气或氩气、乙醇气体、水蒸气的混合气体；
等离子体发生模块，与所述气液控制模块相连，用于对所述气液控制模块产生的混合气体施加强电场通过彭宁电离降低起始放电电压和所述混合气体的温度，产生高活性的低温等离子体；
电源激励模块，与所述等离子体发生模块相连，用于为所述等离子体发生模块提供高电压激励；
等离子体处理模块，与所述等离子体发生模块相连，用于利用所述等离子体发生模块产生的低温等离子体进行直接灭菌及抗感染或将所述低温等离子体活化后进行灭菌。
优选的，所述气液控制模块包括氩气储存罐、乙醇溶液储存器、氧气储存罐和气液混合室；其中，
所述氩气储存罐的出口的第一支路连接至所述乙醇溶液储存器的入口，
所述乙醇溶液储存器的出口通过乙醇溶液质量流量计连接至所述气液混合室的第一入口；
所述氩气储存罐的出口的第二支路通过第一氩气质量流量计与所述氧气储存罐通过氧气质量流量计汇合后连接至所述气液混合室的第二入口；
所述气液混合室内设置有超声换能器，用于将乙醇溶液雾化产生乙醇气体。
优选的，所述气液控制模块包括氩气储存罐、乙醇溶液储存器、氧气储存罐和气体缓冲室；其中，
所述氩气储存罐的出口的第一支路通过第一氩气质量流量计连接至所述乙醇溶液储存器的入口，
所述乙醇溶液储存器的出口连接至所述气体缓冲室的第一入口；
所述氩气储存罐的出口的第二支路通过第二氩气质量流量计与所述氧气储存罐通过氧气质量流量计汇合后连接至所述气体缓冲室的第二入口。
优选的，所述气液控制模块包括氩气储存罐、乙醇溶液储存器和气液混合室；其中，
所述氩气储存罐的出口的第一支路连接至所述乙醇溶液储存器的入口，
所述乙醇溶液储存器的出口通过乙醇溶液质量流量计连接至所述气液混合室的第一入口，所述乙醇溶液储存器中含有水分，能够产生水蒸气；
所述氩气储存罐的出口的第二支路通过第一氩气质量流量计连接至所述气液混合室的第二入口；
所述气液混合室内设置有超声换能器，用于将乙醇溶液雾化产生乙醇气体。
优选的，所述气液控制模块包括氩气储存罐、乙醇溶液储存器和气体缓冲室；其中，
所述氩气储存罐的出口的第一支路通过第一氩气质量流量计连接至所述乙醇溶液储存器的入口，
所述乙醇溶液储存器的出口连接至所述气体缓冲室的第一入口，所述乙醇溶液储存器中含有水分，能够产生水蒸气；
所述氩气储存罐的出口的第二支路通过第二氩气质量流量计连接至所述气体缓冲室的第二入口。
优选的，所述等离子体发生模块采用环-环电极-分段间隙结构，包括高压电源接头、高压环电极、地电极和介质管；其中，
所述高压环电极和所述地电极在所述介质管的两侧交替排列；
所述高压环电极通过所述高压电源接头连接至高压电源；
所述地电极通过导线接地。
优选的，所述等离子体发生模块采用针-环电极-分段间隙结构，包括高压电源接头、高压针电极、地电极和介质管；其中，
所述高压针电极贯穿于所述介质管中，
所述高压针电极通过所述高压电源接头连接至高压电源，
所述高压针电极表面覆盖有绝缘介质层；
所述地电极均匀分布于所述介质管的两侧，其中一侧通过导线接地。
优选的，所述介质管采用阵列式蜂窝状结构。
优选的，所述等离子体处理模块包括生理盐水储存器、盐水质量流量计、等离子体活化水储存器和活化水质量流量计，其中，
所述生理盐水储存器的出口经所述盐水质量流量计连接至所述等离子体活化水储存器的入口，
所述等离子体活化水储存器的出口经活化水质量流量计连接至装置外。
优选的，所述氩气储存罐替换为氦气储存罐，用于储存氩气；所述乙醇溶液储存器替换为氧化氢气体储存罐或乙酸气体储存罐，用于储存氧化氢气体或乙酸气体。
与现有技术相比，本公开带来的有益技术效果为：
1、通过在氩气中掺杂微量乙醇和氧气(或水蒸气)，能够产生高活性的低温等离子体，放电产生的过氧乙酸比现有技术强几个数量级以上，且本公开使得过氧乙酸的半衰期极大地缩短，在处理后几分钟内无残留；
2、通过掺杂微量乙醇和氧气(或水蒸气)，可以实现氩激发态的彭宁电离，使放电从丝状变为弥散形式形成弥散放电，并降低起始放电电压和气体温度，从而改善放电特性，提高装置的安全性和可靠性，尤其适用于热敏感材料或生物组织的灭菌和抗感染处理；
3、通过采用分段间隙电极结构，以提高等离子体中有效灭菌物质的浓度，进一步的，采用阵列式蜂窝状结构，以增大等离子体的处理面积，有利于大规模灭菌和抗感染处理。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置的结构示意图；
图2是本公开一个实施例提供的一种气液控制模块的结构示意图；
图3是本公开另一个实施例提供的一种气液控制模块的结构示意图；
图4是本公开另一个实施例提供的一种气液控制模块的结构示意图；
图5是本公开另一个实施例提供的一种气液控制模块的结构示意图；
图6是本公开一个实施例提供的等离子体发生模块的环-环电极-分段间隙结构示意图；
图7是本公开另一个实施例提供的等离子体发生模块的针-环电极-分段间隙结构示意图；
图8是本公开另一个实施例提供的等离子体发生模块的阵列式蜂窝状结构示意图；
图9是本公开一个实施例提供的等离子体处理模块的结构示意图；
图10是本公开提供的灭菌实验效果示意图。
附图标记说明如下：
氩气储存罐-21；氧气储存罐-22；乙醇溶液储存器-23；乙醇溶液质量流量计-24；第一氩气质量流量计-25；氧气质量流量计-26；气液混合室-27；超声换能器-28；第二氩气质量流量计-34；气体缓冲室-37；高压电源接头-41；高压环电极-42；地电极-43；介质管-44；高压针电极-52；绝缘介质层-53；生理盐水储存器-61；盐水质量流量计-62；等离子体活化水储存器-63；活化水质量流量计-64；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本公开的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置，包括：
气液控制模块，用于控制氩气中的乙醇气体和氧气或乙醇气体和水蒸气的含量，生成氩气、乙醇气体、氧气或氩气、乙醇气体、水蒸气的混合气体；
等离子体发生模块，与所述气液控制模块相连，用于对所述气液控制模块产生的混合气体施加强电场通过彭宁电离降低起始放电电压和所述混合气体的温度，产生高活性的低温等离子体；
电源激励模块，与所述等离子体发生模块相连，用于为所述等离子体发生模块提供高电压激励；
等离子体处理模块，与所述等离子体发生模块相连，用于利用所述等离子体发生模块产生的低温等离子体进行直接灭菌及抗感染或将所述低温等离子体活化后进行灭菌。
本实施例构成了本公开的完整技术方案，本实施例通过在氩气中掺杂微量乙醇和氧气或乙醇和水蒸气，一方面能够实现氩激发态的彭宁电离，使放电从丝状变为弥散形式以形成弥散放电，并降低起始放电电压和气体温度，从而改善放电特性，提高装置的安全性和可靠性；另一方面能够产生高效灭菌物质过氧乙酸，使得灭菌及抗感染效果比现有的等离子体灭菌及抗感染装置强几个数量级以上，且本公开使得过氧乙酸的半衰期极大地缩短，在灭菌及抗感染后几分钟内无残留。
另一个实施例中，如图2所示，所述气液控制模块包括氩气储存罐21、乙醇溶液储存器23、氧气储存罐22和气液混合室27；其中，
所述氩气储存罐21的出口的第一支路连接至所述乙醇溶液储存器23的入口，
所述乙醇溶液储存器23的出口通过乙醇溶液质量流量计24连接至所述气液混合室27的第一入口；
所述氩气储存罐21的出口的第二支路通过第一氩气质量流量计25与所述氧气储存罐22通过氧气质量流量计26汇合后连接至所述气液混合室27的第二入口；
所述气液混合室27内设置有超声换能器28，用于将乙醇溶液雾化产生乙醇气体。
本实施例中，将经调节的乙醇溶液、氩气和氧气通入气液混合室27，并由超声换能器28对乙醇溶液进行雾化，最终生成一定浓度的氩气、乙醇气体和氧气的混合气体。
另一个实施例中，如图3所示，所述气液控制模块包括氩气储存罐21、乙醇溶液储存器23、氧气储存罐22和气体缓冲室37；其中，
所述氩气储存罐21的出口的第一支路通过第一氩气质量流量计25连接至所述乙醇溶液储存器23的入口，
所述乙醇溶液储存器23的出口连接至所述气体缓冲室37的第一入口；
所述氩气储存罐21的出口的第二支路通过第二氩气质量流量计34与所述氧气储存罐22通过氧气质量流量计26汇合后连接至所述气体缓冲室37的第二入口。
本实施例中，将经调节的氩气、乙醇饱和蒸气和氧气通入气体缓冲室37中进行混合，能够生成一定浓度的氩气、乙醇饱和蒸气和氧气的混合气体。
另一个实施例中，如图4所示，所述气液控制模块包括氩气储存罐21、乙醇溶液储存器23和气液混合室27；其中，
所述氩气储存罐21的出口的第一支路连接至所述乙醇溶液储存器23的入口，
所述乙醇溶液储存器23的出口通过乙醇溶液质量流量计24连接至所述气液混合室27的第一入口，所述乙醇溶液储存器23中含有水分，能够产生水蒸气；
所述氩气储存罐21的出口的第二支路通过第一氩气质量流量计25连接至所述气液混合室27的第二入口；
所述气液混合室27内设置有超声换能器28，用于将乙醇溶液雾化产生乙醇气体。
本实施例中，通过在乙醇溶液中添加一定量的水分，水分蒸发能够产生水蒸气，利用水蒸气代替氧气，可以省去氧气储存罐22和氧气质量流量计26的使用，从而能够对本公开的装置进行简化。
另一个实施例中，如图5所示，所述气液控制模块包括氩气储存罐21、乙醇溶液储存器23和气体缓冲室37；其中，
所述氩气储存罐21的出口的第一支路通过第一氩气质量流量计25连接至所述乙醇溶液储存器23的入口，
所述乙醇溶液储存器23的出口连接至所述气体缓冲室37的第一入口，所述乙醇溶液储存器23中含有水分，能够产生水蒸气；
所述氩气储存罐21的出口的第二支路通过第二氩气质量流量计34连接至所述气体缓冲室37的第二入口。
另一个实施例中，如图6所示，所述等离子体发生模块采用环-环电极-分段间隙结构，包括高压电源接头41、高压环电极42、地电极43和介质管44；其中，
所述高压环电极42和所述地电极43在所述介质管44的两侧交替排列；
所述高压环电极42通过所述高压电源接头41连接至高压电源；
所述地电极43通过导线接地。
本实施例中，将含有氩气、乙醇气体和氧气的混合气体通入介质管44中，混合气体在强电场的作用下通过彭宁电离实现弥散放电，从而产生高活性的低温等离子体，需要说明的是，在氩气中掺杂乙醇气体和氧气，能够实现氩激发态的彭宁电离，使氩的放电模式从丝状转变为辉光，极大地降低了起始放电电压和气体温度，使得装置安全性和可靠性大大提高。低温等离子体中所含有的过氧乙酸是一种高效的灭菌物质，其所具有的灭菌及抗感染效果相比现有技术所产生的等离子体强几个数量级以上。
另一个实施例中，如图7所示，所述等离子体发生模块采用针-环电极-分段间隙结构，包括高压电源接头41、高压针电极52、地电极43和介质管44；其中，
所述高压针电极52贯穿于所述介质管44中，
所述高压针电极52通过所述高压电源接头41连接至高压电源，
所述高压针电极52表面覆盖有绝缘介质层；
所述地电极43均匀分布于所述介质管44的两侧，其中一侧通过导线接地。
另一个实施例中，如图8所示，所述介质管44采用阵列式蜂窝状结构。
本实施例中，介质管44采用阵列式蜂窝状结构能够增大等离子体的处理面积，从而能够更有效的进行灭菌及抗感染处理。
另一个实施例中，如图9所示，所述等离子体处理模块包括生理盐水储存器61、盐水质量流量计62、等离子体活化水储存器63和活化水质量流量计64，其中，
所述生理盐水储存器61的出口经所述盐水质量流量计62连接至所述等离子体活化水储存器63的入口，
所述等离子体活化水储存器63的出口经活化水质量流量计64连接至装置外。
另一个实施例中，所述氩气储存罐替换为氦气储存罐，用于储存氩气；所述乙醇溶液储存器替换为氧化氢气体储存罐或乙酸气体储存罐，用于储存氧化氢气体或乙酸气体。
本实施例中，氩气可用其他惰性气体替代，比如氦气；乙醇气体可用过氧化氢气体替代，也可以用无毒且易电离的其他有机物气体替代，比如乙酸气体。
另一个实施例中，本公开通过耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的灭活实验对本公开上述实施例的灭菌效果进行验证。实验通过分别控制氩气、氧气和乙醇蒸气的流量，产生四种不同的工作气体：1)氩气和乙醇气体混合(Ar+EtOH)；2)氩气和氧气混合(Ar+O2)；3)氩气(Ar)；4)氩气、乙醇气体和氧气混合(Ar+EtOH+O2)。其中乙醇气体浓度为2000ppm，氧气浓度为800ppm，总的气流量为5L/min。将这四种不同工作气体放电产生的等离子体对浓度为5×107cfu·mL-1的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌悬浮液进行处理，处理时间为5min。
实验结果如图10所示：在相同功率1.2W条件下，采用氩气、乙醇气体和氧气混合的工作气体(Ar+EtOH+O2)时，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的存活数量低于检测域限1×102cfu·mL-1，灭菌效果显著；采用氩气和乙醇气体混合(Ar+EtOH)，或采用氩气和氧气混合(Ar+O2)，再或单独采用氩气(Ar)作为工作气体时，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的存活数量和对照组(Con)相近，都在5×107cfu·mL-1左右，基本没有灭菌效果。
以上实施例只是用于帮助理解本发明的核心思想，不能作为对本发明保护范围的限制；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上所作的任何改变，均视为不脱离本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于氩气和乙醇混合气体的等离子体灭菌及抗感染装置，包括：
气液控制模块，用于控制氩气中的乙醇气体、氧气的含量，生成氩气、乙醇气体、氧气的混合气体；
等离子体发生模块，与所述气液控制模块相连，用于对所述气液控制模块产生的由氩气、乙醇气体及氧气构成混合气体施加强电场通过彭宁电离降低起始放电电压和所述混合气体的温度，产生含有过氧乙酸的高活性的低温等离子体；
电源激励模块，与所述等离子体发生模块相连，用于为所述等离子体发生模块提供高电压激励；
等离子体处理模块，与所述等离子体发生模块相连，用于利用所述等离子体发生模块产生的低温等离子体进行直接灭菌及抗感染或将所述低温等离子体活化后进行灭菌。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气液控制模块包括氩气储存罐、乙醇溶液储存器、氧气储存罐和气液混合室；其中，
所述氩气储存罐的出口的第一支路连接至所述乙醇溶液储存器的入口，
所述乙醇溶液储存器的出口通过乙醇溶液质量流量计连接至所述气液混合室的第一入口；
所述氩气储存罐的出口的第二支路通过第一氩气质量流量计与所述氧气储存罐通过氧气质量流量计汇合后连接至所述气液混合室的第二入口；
所述气液混合室内设置有超声换能器，用于将乙醇溶液雾化产生乙醇气体。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气液控制模块包括氩气储存罐、乙醇溶液储存器、氧气储存罐和气体缓冲室；其中，
所述氩气储存罐的出口的第一支路通过第一氩气质量流量计连接至所述乙醇溶液储存器的入口，
所述乙醇溶液储存器的出口连接至所述气体缓冲室的第一入口；
所述氩气储存罐的出口的第二支路通过第二氩气质量流量计与所述氧气储存罐通过氧气质量流量计汇合后连接至所述气体缓冲室的第二入口。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述等离子体发生模块采用环-环电极-分段间隙结构，包括高压电源接头、高压环电极、地电极和介质管；其中，
所述高压环电极和所述地电极在所述介质管的两侧交替排列；
所述高压环电极通过所述高压电源接头连接至高压电源；
所述地电极通过导线接地。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述等离子体发生模块采用针-环电极-分段间隙结构，包括高压电源接头、高压针电极、地电极和介质管；其中，
所述高压针电极贯穿于所述介质管中，
所述高压针电极通过所述高压电源接头连接至高压电源，
所述高压针电极表面覆盖有绝缘介质层；
所述地电极均匀分布于所述介质管的两侧，其中一侧通过导线接地。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述介质管采用阵列式蜂窝状结构。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述等离子体处理模块包括生理盐水储存器、盐水质量流量计、等离子体活化水储存器和活化水质量流量计，其中，
所述生理盐水储存器的出口经所述盐水质量流量计连接至所述等离子体活化水储存器的入口，
所述等离子体活化水储存器的出口经活化水质量流量计连接至装置外。
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