CN112689372B

CN112689372B - 一种恢复/增强等离子体活化溶液化学活性的方法

Info

Publication number: CN112689372B
Application number: CN202011457272.6A
Authority: CN
Inventors: 刘志杰; 王思韬; 庞波伦; 高钰婷; 孔刚玉
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-10-18
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: CN112689372A

Abstract

本发明提出一种恢复/增强等离子体活化溶液化学活性的方法。该方法是取保存的活性已出现衰减的等离子体活化液，进行二次活化处理，使其理化特性和活性氧氮粒子浓度恢复或超过保存前的水平；其中，二次活化处理时所取的待处理活化液，其已存储时间最好不要超过7天。本发明不仅提升了等离子体活化液的实用性和有效性，而且有利于等离子体技术领域的产品商业化，在等离子体生物医学临床应用领域有着重大意义。

Description

一种恢复/增强等离子体活化溶液化学活性的方法

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，具体涉及一种恢复/增强等离子体活化溶液化学活性的方法。

背景技术

等离子体活化液是通过大气压冷等离子体处理液体溶液(如去离子水、生理盐水、PBS溶液)制备的一种绿色消毒剂，其具有较低的pH值和较高的氧化还原电势。等离子体活化液的产生是一个多物理场耦合下的复杂化学过程。一方面，等离子体产生的电磁场、温度场、密度场和气流场在内的多物理场作用于被处理水溶液；另一方面，等离子体产生的活性粒子等产物与被处理水溶液发生复杂的化学反应，从而在溶液中产生大量的液相活性氧氮粒子(RONS)，例如：OH、O₂ ^-、O₃、H₂O₂、NO₂ ^-、NO₃ ^-和ONOO^-等。等离子体活化液的抗菌作用可以归因于酸化的溶液环境和一定浓度的活性氧氮粒子的协同作用。其中，活性氧氮粒子在等离子体活化液的生物效应中发挥着重要作用，它们能与DNA、RNA、蛋白质和脂类等主要靶点相互作用，诱导细菌胞内活性氧水平增多，产生氧化应激，最终导致细菌细胞死亡。

然而，由于活性氧氮粒子具有短寿命和快速反应的特点，活性粒子浓度在较短存储时间内快速下降，所以等离子体活化液的化学活性会随着时间而快速降低，甚至在一段时间的存储和应用之后会退化回纯水的性质，丧失其在生物医学领域的应用效果。

目前针对等离子体活化液的活性，很多研究学者提出采用改变溶液电导率、调控放电参数、降低温度等方式来提升等离子体活化液的化学活性和减缓活性粒子的衰减速率。但是，现有的手段还是无法从根本维持等离子体活化液的化学活性，不能延长活化液的有效时间。临床应用时，等离子体活化液有可能因为化学活性的衰减而无法满足应用的使用需求，从而限制了等离子体活化液在生物医学领域的实际应用。

发明内容

本发明的目的是克服临床应用时等离子体活化液在存储过程中因化学活性衰减而无法满足应用的使用需求的问题，提出一种恢复/增强等离子体活化溶液化学活性的方法。

本申请的发明构思如下：

目前的研究发现，等离子体活化液的化学活性会随着存储时间的增长而迅速下降。传统的方法是通过调控等离子体处理时的条件(增加放电功率和放电时间)来增强其化学活性，或者通过改变存储的条件(降低存储温度、碱性溶液环境)来延长其化学活性的有效性。但申请人意识到，等离子体活化液的活性仍然呈现快速下降的趋势，等离子体活化液最终会因为丧失原有的化学活性和生物效应而被遗弃，限制了其在临床应用中的有效性和实用性。通过对活性已经衰减的等离子体活化液采取二次活化处理，并进行实验分析，申请人发现并明确了：通过二次活化方法，在更低的处理条件(更低的放电电压、更短的放电时间等)下，等离子体活化液的化学活性不仅能快速恢复到存储前的水平，而且还能拥有更高的化学活性和RONS浓度。

本申请的技术方案具体如下：

一种恢复/增强等离子体活化溶液化学活性的方法，其特殊之处在于，取保存的活性已出现衰减的等离子体活化液，进行二次活化处理，使其理化特性和活性氧氮粒子浓度恢复或超过保存前的水平。

这里所述“二次活化处理”，意在强调待处理溶液是经过保存的活性已经衰减的等离子体活化液，而待处理溶液不限于只进行过一次处理的等离子体活化液，也可以是经过多次活化处理的等离子体活化液。这里所述“超过保存前的水平”，主要指达到更低的pH值(酸化环境)、更高的ORP值(氧化还原电势)、以及含有更高浓度的液相活性氧氮粒子(RONS)。二次活化处理时的冷等离子体发生装置和处理条件，可以与之前处理所使用的装置和处理条件相同，也可以不同。

从一次活化处理到二次活化处理的过程中，可以转移等离子体活化液，也可以使等离子体活化液在原位一直静置。

可选地，若一次活化处理后在常温密封条件下保存等离子体活化液，则一次活化处理与二次活化处理之间的间隔时间为半小时以上、不超过7天。也就是说，若在更低温的条件下保存，则允许间隔的时间可以更长。建议在等离子体活化液ORP值在550mV以上时进行二次活化处理。

进一步可选地，可选择一次活化处理后在常温密封条件下保存1天的等离子体活化液。

可选地，所述二次活化处理的处理条件低于待处理等离子体活化液此前的活化处理条件，更低的处理条件包括更低的放电电压、更短的放电时间、更廉价的工作气体和/或结构更简易的冷等离子体发生装置。

可选地，所述结构更简易的冷等离子体发生装置采用沿面放电装置、射流装置或液相放电等离子体发生装置。

示例性地，使用同一种冷等离子体发生装置，在13kV的放电电压下，二次活化放电时间为一次活化放电时间的3/4。

相应的，本申请还提出一种等离子体活化液的制备方法，包括：

步骤1)利用冷等离子体发生装置对待处理溶液进行一次活化处理；

步骤2)在一次活化停止后，将得到的活化液密封保存；若在常温条件下保存，则保存时间不超过7天；

步骤3)利用冷等离子体发生装置对保存的活化液进行二次活化处理，得到理化特性和活性氧氮粒子浓度相比一次活化处理后更优的活化液。

相应的，本申请还提出一种用于制备等离子体活化液的控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有程序，其特殊之处在于，所述程序被处理器加载运行时实现以下步骤：

步骤1)控制冷等离子体发生装置对待处理溶液进行一次活化处理；

步骤2)控制冷等离子体发生装置停止工作，等待设定的间隔时间；

步骤3)在所述设定的间隔时间到时后，控制冷等离子体发生装置对经过一次活化处理后的溶液进行二次活化处理，得到理化特性和活性氧氮粒子浓度相比一次活化处理后更优的活化液。

示例性地，步骤1)中一次活化处理的时间为100-200秒，步骤2)中设定的间隔时间为1-6天，步骤3)中二次活化处理的时间为90-150秒。

本发明具有以下优点：

(1)采用本发明，能够快速恢复/增强活性已经衰减的等离子体活化液的化学活性。

(2)基于本发明，等离子体活化液可以先大规模集中生产，并进行分装、存储和运输；然后，在具体的临床应用场合，根据实际应用需要，采用更简易的冷等离子体发生模块进行二次活化处理以达到所需要的临床应用效果。这不仅提升了等离子体活化液的实用性和有效性，而且有利于等离子体技术领域的产品商业化，在等离子体生物医学临床应用领域有着重大意义。

(3)本方法简单易操作，也相应降低了等离子体活化液制备和运输过程的成本。

(4)基于本发明，还可以在产业上以二次活化的生产控制模式高效制备理化特性和活性氧氮粒子浓度更优的等离子体活化液。

附图说明

图1为本发明的一种通过二次活化制备等离子体活化液的方法的实施例示意图；图中100-采用沿面放电结构的进行第一次等离子体处理的等离子体发生模块；200-待处理溶液；300-存储容器(15mL离心管)；400-采用沿面放电结构的用于二次活化的等离子体发生模块；500-存储后的待处理等离子体活化液。

图2示意了待处理溶液在一次处理120秒后、一次处理后在室温条件下存储24小时、一次连续处理300秒后、(经过处理120秒、保存24小时后)不同二次活化处理时间下的不同物化参数大小以及增长幅度，图2(a)对应的是pH值的大小，图2(b)对应的是ORP的大小。

图3示意了待处理溶液在一次处理120秒后，一次处理后在室温条件下存储24小时、一次连续处理300秒后、(经过处理120秒、保存24小时后)不同二次活化处理时间下的不同液相活性氧氮粒子的浓度大小以及增长幅度，图3(a)对应的是ONOO^-和O₂ ^-的浓度大小，图3(b)对应的是H₂O₂的浓度大小，图3(c)对应的是NO₂ ^-的浓度大小。

图4示意了对在室温条件下存储不同天数的溶液，采用13kV电压二次活化处理90秒后，溶液的不同物化参数大小以及增长幅度，图4(a)对应的是pH值的大小，图4(b)对应的是ORP的大小。

图5示意了对在室温条件下存储不同天数的溶液，采用13kV电压二次活化处理90秒后，溶液中不同液相活性氧氮粒子的浓度大小以及增长幅度，图5(a)对应的是ONOO-和O2-的浓度大小，图5(b)对应的是H2O2的浓度大小，图5(c)对应的是NO2-的浓度大小。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本申请作进一步详述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，发明人具体的研发过程也不限于此。

如图1所示，制备等离子体活化液的系统主要由沿面放电结构的冷等离子体发生模块和盛有待处理溶液的容器组成，其中高压电极和地电极分别接到绝缘介质板的两侧构成介质阻挡放电的冷等离子体发生模块。在高压放电作用下，冷等离子体在空气间隙中产生，随即进入到待处理溶液中，使得溶液发生物化参数的改变并产生大量的活性氧氮粒子。

上述大气压冷等离子体发生模块可由一个或多个放电装置并联组成，有利于对待处理溶液进行大体积处理。大气压冷等离子体发生模块的供电电源可选用高压正弦电源或高压脉冲电源。利用冷等离子体发生模块对溶液进行活化处理的具体操作可沿用常规的操作方法。首次处理的待处理溶液可以选择去离子水、超纯水、双蒸水、NaOH溶液或含乙醇的超纯水等。

获得的等离子体活化溶液可移入存储容器中进行存储和运输。例如，采用简易的离心管进行保存，当然也可选择其他形式的存储容器，甚至可以将存储容器与盛有待处理溶液的容器相连，生成后自动流入存储容器进行存储。存储容器可选择在避光或低温环境下进行存储和运输。

对于本领域技术人员来说，利用冷等离子体发生模块对溶液进行等离子体活化处理以及保存的具体操作属于常规技术手段，故在此不再赘述。

本实施例特别将保存一段时间后的等离子体活化液再次移入活化液容器中，利用冷等离子体发生装置，进行等离子体活化液的二次活化处理，恢复并增强其化学活性。

二次活化时采用的冷等离子体发生模块、活化液容器及其安装结构可以与一次活化时相同，也可以不同。

二次活化采用的处理条件，例如：待处理溶液体积、放电电压、放电时间、工作气体等，可根据应用需要和实际情况进行不同的选择，以满足不同的临床应用。

这里的二次活化应当作广义理解(或者说，是相对的概念)，即，对于初始的待处理溶液，可以进行两次活化处理，也可以进行更多次的活化处理。相应的，一次活化(首次活化)也不一定是绝对意义上的第一次活化。

图2、图3涉及的实验，放电电压为13kV，放电工作气体为纯空气，待处理溶液为5mL的去离子水，保存环境温度均为室温。

图2、图3所示柱状图中，第一个柱对应待处理溶液在一次处理120秒后的检测结果，第二个柱对应一次处理120秒后并在室温条件下存储24小时后的检测结果，第四、五、六、七个柱分别对应取上述存储24小时后的活化液再处理60秒、90秒、120秒、150秒后的检测结果；第三个柱对应一次连续处理300秒后的检测结果。图中还统计了各种情况下检测结果的相对增长幅度。

从图2、图3可以看出，一次活化处理得到的等离子体活化液，在室温条件下静置保存24小时后，其pH值、ORP值(氧化还原电势)以及液相活性氧氮粒子(RONS)的浓度等指标均有不同程度的衰减。对该等离子体活化液进行二次活化，可进一步降低等离子体活化液的pH值和提高其ORP值，且二次活化时间越长，化学活性越强；同时，可快速增加活性粒子的浓度，当二次活化的处理时间大于首次处理时间的1/2时，活性粒子浓度接近于存储前的浓度；当二次活化的处理时间大于首次处理时间的3/4时，活性粒子浓度就已经超过存储前的浓度，且随着二次活化的处理时间增长而大幅度提升。

由于已有实验表明，即便第一次活化处理时间更长，通常在室温保存24小时后，液相活性氧氮粒子(RONS)的浓度也基本趋于稳定，达到同一水平。因此，本实施例提出的二次活化的方案不仅有助于临床上将活化液快速恢复甚至超过保存前的活性，而且可以在生产线制备活化液时允许一定程度上缩短活化处理时间(一次活化的时间)。

还值得注意的是，相比一次连续处理300秒的处理模式，一次活化(120秒)+二次活化(150秒)的处理模式在总计时间更短的情况下ORP值(氧化还原电势)以及液相活性氧氮粒子(RONS)的浓度更高。我们分析认为，产生这一现象的原因(机理)是：

(1)待处理溶液从去离子水(一次活化)变为了等离子体活化水(二次活化)，其中溶液的物化性质已经发生了改变，例如：更加酸化的液体环境和溶液拥有更高的氧化还原电势，上述液体环境可能更有利于活化液化学活性的提升；

(2)存储过后的等离子体活化水中依旧存在部分残余的活性氧氮粒子，这部分残余的粒子在与低温等离子体碰撞接触时，更易触发链式化学反应。

经实验表明，一次活化处理后静置很短时间就可以进行二次活化处理，例如间隔半小时，就足以体现出与一次连续活化处理的更优效果。

从图4可以看出，在室温条件下，静置不同的天数，对二次活化处理后溶液的物化性质影响不大。从图5可以看出，在室温条件下，静置1、3、5天，对二次活化处理后溶液中不同液相活性氧氮粒子的浓度大小影响不大；但当静置时间达到7天后，二次活化处理对溶液中不同液相活性氧氮粒子浓度的提升程度有所降低。因此，建议在二次活化处理时所取的待处理活化液，其已存储时间最好不要超过7天。

当然，如果在更低温的条件下保存，则允许间隔的时间可以更长。从一次活化处理到二次活化处理的过程中，可以转移等离子体活化液(如图1)，也可以使等离子体活化液在原位一直静置。从等离子体活化液的参数指标来讲，建议其ORP值在550mV以上时进行二次活化处理。

基于以上结论，在全自动或半自动的生产线上，可以按照以下步骤制备等离子体活化液：

相应的，对于全自动的生产线，一种用于制备等离子体活化液的控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有程序，所述程序被处理器加载运行时实现以下步骤：

Claims

1.一种恢复/增强临床应用等离子体活化溶液化学活性的方法，其特征在于，取待处理溶液，进行二次活化处理；所述待处理溶液为保存的活性已出现衰减的进行过一次或多次活化处理的等离子体活化液，使其与保存前相比，具有更低的pH值、更高的ORP值、以及含有更高浓度的液相活性氧氮粒子；所述保存的活性已出现衰减的等离子体活化液，其ORP值在550mV以上；所述二次活化处理的处理条件低于待处理溶液此前的活化处理条件，更低的处理条件包括更低的放电电压、更短的放电时间、更廉价的工作气体和/或结构更简易的冷等离子体发生装置；若一次活化处理后在常温密封条件下保存等离子体活化液，则一次活化处理与二次活化处理之间的间隔时间为半小时以上且不超过7天。

2.根据权利要求1所述的一种恢复/增强临床应用等离子体活化溶液化学活性的方法，其特征在于，所述保存的活性已出现衰减的等离子体活化液，为一次活化处理后在常温密封条件下保存1天的等离子体活化液。

3.根据权利要求1所述的一种恢复/增强临床应用等离子体活化溶液化学活性的方法，其特征在于，所述结构更简易的冷等离子体发生装置采用沿面放电装置、射流装置或液相放电等离子体发生装置。

4.根据权利要求3所述的一种恢复/增强临床应用等离子体活化溶液化学活性的方法，其特征在于，使用同一种冷等离子体发生装置，在13 kV的放电电压下，二次活化放电时间为一次活化放电时间的3/4。

5.一种应用于临床的等离子体活化液的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1）利用冷等离子体发生装置对待处理溶液进行一次活化处理；

步骤2）在一次活化停止后，将得到的活化液密封保存；若在常温条件下保存，则保存时间不超过7天；

步骤3）利用冷等离子体发生装置对保存的活化液进行二次活化处理，得到理化特性和活性氧氮粒子浓度相比一次活化处理后更优的活化液；

所述二次活化处理的处理条件低于一次活化处理条件，更低的处理条件包括更低的放电电压、更短的放电时间、更廉价的工作气体和/或结构更简易的冷等离子体发生装置。

6.一种用于制备应用于临床的等离子体活化液的控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器加载运行时实现以下步骤：

步骤1）控制冷等离子体发生装置对待处理溶液进行一次活化处理；

步骤2）控制冷等离子体发生装置停止工作，等待设定的间隔时间；

步骤3）在所述设定的间隔时间到时后，控制冷等离子体发生装置对经过一次活化处理后的溶液进行二次活化处理，得到理化特性和活性氧氮粒子浓度相比一次活化处理后更优的活化液；步骤1）中一次活化处理的时间为100-200秒，步骤2）中设定的间隔时间为1-6天，步骤3）中二次活化处理的时间为90-150秒。