CN114513890A - 一种高能量利用率的等离子体杀菌装置和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及等离子体消毒技术领域，具体为一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，包括产生等离子体射流部分和等离子体射流特性参数检测部分；产生等离子体射流部分包括AC电源、变压器、氩气瓶、氩气管路、管路接头和石英管，所述氩气管路安装在管路接头的一端，所述管路接头的另一端设置有不锈钢针，所述石英管的侧壁安装有接地铜线，且所述不锈钢针一端位于石英管的内部位置，所述氩气管路用于输送所需的氩气，所述管路接头一端不锈钢针与氩气瓶气路连接的同时与AC电源正极连接；本发明保证使用简易的石英管及钢针搭建等离子体射流装置的放电通道，工艺简单，原料易得，且本发明搭建得到的等离子体射流装置小型化，简便易携带。

Description

一种高能量利用率的等离子体杀菌装置和应用
技术领域
本发明涉及等离子体消毒技术领域，具体为一种高能量利用率的等离子体杀菌装置和应用。
背景技术
慢性伤口是指患者接受超过30天的治疗，无法愈合的伤口。其特征是容易反复感染，耐药性增加，抗生素不能有效清除，还会导致很高的发病率和死亡率。临床上，金黄色葡萄球菌是导致慢性伤口感染的主要病菌之一。金黄色葡萄球菌是最常见的化脓性革兰氏阳性球菌，细菌个体排列成葡萄串状。它是一种致病性菌，其致病性随细菌侵入途径、细菌量、毒力等不同而异，可引起人体局部感染和全身感染，并在人体内分泌多种毒素。此外，该细菌可感染多个系统和器官，导致人体患病如败血症、脑膜炎，局部肿胀、心脏内膜炎，食物中毒及严重肺部感染性疾病。一但人体饮用金黄色葡萄菌污染的水源，则会造成食物中毒，进而引发一些列相关疾病。因而，采用高效的消毒灭菌技术杀灭水中致病细菌具有重要意义。
经文献调研发现，低温等离子体消毒技术可有效杀灭致病微生物，而且具有快捷、低温、简单、高效及安全无污染等优点，是一种非常有前景的临床医学消毒技术。低温等离子体在放电过程中发生多种物理、化学反应后产生：电磁场、热、紫外线、带电粒子、激发态粒子、亚稳态粒子等，这些活性基团蕴含足以破坏细胞组织的能量势，与致病微生物细胞结构产生相互作用，导致失活、结构损伤等细胞层面效果：其中紫外线可通过直接辐射损伤细胞大分子（蛋白质、DNA），导致细胞骨架断裂、蛋白质变性，造成细胞失活；活性氮氧基团可诱导生物体内产生活性氧基团，从细胞内部进行氧化破坏，直至细胞结构完全崩塌。因而，采用该技术灭活致病微生物可获得良好的杀菌效果。
发明内容
本发明的目的在于针对目前临床上患者受金黄色葡萄球菌感染后出现慢性伤口以致无法实现彻底消毒效果的问题，提供一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，包括产生等离子体射流部分和等离子体射流特性参数检测部分；
产生等离子体射流部分包括AC电源、变压器、氩气瓶、氩气管路、管路接头和石英管，所述氩气管路安装在管路接头的一端，所述管路接头的另一端设置有不锈钢针，所述石英管的侧壁安装有接地铜线，且所述不锈钢针一端位于石英管的内部位置，所述氩气管路用于输送所需的氩气，所述管路接头一端不锈钢针与氩气瓶气路连接的同时与AC电源正极连接，所述石英管为射流装置提供了放电通道；
等离子体射流特性参数检测部分主要包括示波器、高压探头、电流传感器、发射光谱和电脑。
可选的，所述AC电源为射流装置提供外接电压，且通过变压器用于调节输入电压参数变化值。
可选的，所述氩气瓶用于提供放电所需的源气体。
可选的，所述不锈钢针一端安装有螺纹柱，且所述不锈钢针通过其一端的螺纹柱匹配安装在管路接头一端。
可选的，所述示波器用于读取放电过程中AC电源的输出电压值、整个放电电路中电流值及计算输出功率所需的李萨茹图形。
可选的，所述高压探头一端与管路接头和AC电源正极相连接，且所述高压探头另一端与示波器连接，用以检测电源的输出电压值。
可选的，所述电流传感器用于检测放电过程中回路中形成的电流值。
可选的，所述发射光谱仪用于检测射流装置放电过程中产生的活性基团峰值分布，并通过电脑读取。
可选的，所述石英管通过管壁厚度的优化，用于获得高能量利用率的等离子体射流放电装置。
可选的，所述的高能量利用率的等离子体杀菌装置在等离子体消毒中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过氩气管路安装在管路接头的一端，管路接头的另一端设置有不锈钢针，石英管的侧壁安装有接地铜线，且不锈钢针一端位于石英管的内部位置，氩气管路用于输送所需的氩气，管路接头一端不锈钢针与氩气瓶气路连接的同时与AC电源正极连接，石英管为射流装置提供了放电通道，保证使用简易的石英管及钢针搭建等离子体射流装置的放电通道，工艺简单，原料易得，且本发明搭建得到的等离子体射流装置小型化，简便易携带；
2、本发明通过该装置对一定浓度的金黄色葡萄球菌具有优异的杀菌消毒性能，如优化后的等离子体射流装置在放电时间7min时对5ml 103（CFU/ml）金黄色葡萄球菌溶液杀菌率达到100%。
附图说明
图1为本发明等离子体射流装置放电通道结构图；
图2为本发明等离子体射流装置放电通道剖视图；
图3为本发明不同浓度的活菌计数分布图；
图4为本发明等离子体射流放电时的发射光谱图；
图5为本发明射流装置处理不同时间后的细菌溶液中羟基自由基的荧光强度图；
图6为本发明不同放电时间条件下，溶液中产生的单线态氧含量图；
图7为本发明不同放电时间处理后金黄色葡萄球菌细胞内ROS水平的流式细胞图；
图8为本发明灭活金黄色葡萄球菌（103个CFU/ml）效果图。
附图标号说明：
1、氩气管路；2、管路接头；3、不锈钢针；4、石英管；5、接地铜线。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图作进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图8，本发明提供一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，包括产生等离子体射流部分和等离子体射流特性参数检测部分；
产生等离子体射流部分包括AC电源、变压器、氩气瓶、氩气管路1、管路接头2和石英管4，氩气管路1安装在管路接头2的一端，管路接头2的另一端设置有不锈钢针3，石英管4的侧壁安装有接地铜线5，且不锈钢针3一端位于石英管4的内部位置，氩气管路1用于输送所需的氩气，管路接头2一端不锈钢针3与氩气瓶气路连接的同时与AC电源正极连接，石英管4为射流装置提供了放电通道；AC电源为射流装置提供外接电压，且通过变压器用于调节输入电压参数变化值，氩气瓶用于提供放电所需的源气体，不锈钢针3一端安装有螺纹柱，且不锈钢针3通过其一端的螺纹柱匹配安装在管路接头2一端
等离子体射流特性参数检测部分主要包括示波器、高压探头、电流传感器、发射光谱和电脑；示波器用于读取放电过程中AC电源的输出电压值、整个放电电路中电流值及计算输出功率所需的李萨茹图形，高压探头一端与管路接头2和AC电源正极相连接，且高压探头另一端与示波器连接，用以检测电源的输出电压值，电流传感器用于检测放电过程中回路中形成的电流值，发射光谱仪用于检测射流装置放电过程中产生的活性基团峰值分布，并通过电脑读取。
在实际应用中，将上述设备组装成一体，调节变压器及氩气气体流量，在石英管4管口产生低温等离子体；石英管4通过管壁厚度的优化，用于获得高能量利用率的等离子体射流放电装置。
在一些实施例中，参阅图1-图2，实验过程中等离子体射流放电通道实物图，该部分主要由AC电源、变压器、氩气瓶、氩气管路1、管路接头2和石英管4，以及安装在石英管4侧壁的接地铜线5组成，氩气管路1通过管路接头2和空心不锈钢钢针3连接到一起，接头连接等离子电源正极，石英管4在不锈钢针3外面，接地铜线5缠绕在石英管4表面接地连接，为不锈钢针3口与石英管4喷口中心位置。通过设计并改变石英管4管壁厚度获得不同放电通道，d=2mm时，功耗率（η=29.47%）最低，可获得高能量利用率的等离子体射流装置。
表1不同管壁厚度在放电频率f=13kHz时电学参数值
Figure 386929DEST_PATH_IMAGE001
在一些实施例中，参阅图3，图中：纵坐标为稀释倍数，单位为CFU/ml；横坐标为分组标号，将金黄色葡萄球菌冻干粉接种到液体培养基中，然后放入恒温震荡箱中，37oC培养24h，完成第1代菌悬液的培养。将第1代培养的菌悬液划线接种于固体培养基平板上，置于恒温干燥箱37oC培养18h~24h。挑取一个典型菌落接种于固体培养基表面置于恒温干燥箱37oC培养18h~24h，重复以上步骤，将3~5代菌株接种到液体培养基中隔夜培养12h，离心获得细菌沉淀，将一定浓度菌沉淀用1000ml无菌水稀释，制备成一定浓度的金黄色葡萄球菌悬液。取原液和103、106和109四种稀释倍数下的稀释菌液，取100ul稀释菌液均匀涂布于固体培养基表面，放置与恒温培养箱中37oC培养18h，取出拍照并采用菌落计数器记录菌落数。
在一些实施例中，参阅图4，图中：纵坐标为相对强度，单位为任意单位；横坐标为波长，单位为纳米，射流装置放电产生等离子由石英管4口喷向外部空间阶段，该阶段主要是电子与源气体氩气及空气中少量N2、O2和H2O发生碰撞反应生成短寿命·OH，O，和N等活性基团，如图3中标记出氩气放电等离子体中的主要谱线，包括羟基谱线（·OH：307.64nm），氮分子的第二正带系(
Figure 930168DEST_PATH_IMAGE002
)包括氮气激发态谱线(N2(0，0):337.25nm)和(N2(0，1):357.52nm)；(3)氩气关键谱线，分别699.01nm，761.80nm和826.90nm。
在一些实施例中，参阅图5，图中：纵坐标为相对强度，单位为任意单位；横坐标为放电时间，单位为min，由于对苯二甲酸与·OH特异性结合反应生成的羟基对苯二甲酸具有荧光性质，因而，选择对苯二甲酸作为其捕获剂，应用酶标仪设置激发光波长310nm，检测处理后的细菌悬液在400-450nm的发射光谱，可间接测量·OH含量变化。实验过程中，经测试发现，随着放电时间的增加，细菌溶液的荧光强度不断增强，这表明·OH含量在射流放电过程中出现增加的趋势。
在一些实施例中，参阅图6，图中：纵坐标为相对强度，单位为任意单位；横坐标为衍射角，单位为度，配置100ml浓度为1000μM呋喃甲醇溶液，同时分别配置10ml浓度为500，100，50，20，10，1μM的标准溶液用于绘制标准曲线，将不同处理时间浓度为1000μM呋喃甲醇溶液进行微孔膜过滤，然后采用液相色谱检测样品在219nm处的吸收强度。射流装置/d=2mm放电时间为（1，5，10，15min）时单线态氧含量分别为117.3，571.5，736.2和977.7μM，随着放电时间的增加，溶液中的单线态氧含量呈现递增趋势。
在一些实施例中，参阅图7，图中：纵坐标为计数量，单位无；横坐标为浓度级数，单位为无，取不同剂量的等离子体处理后的金黄色葡萄球菌悬液置于1.5ml的离心管中，离心机8000r/min，离心5min，去掉上清液，采用配置好的PBS缓冲液重悬细胞，进行清洗，然后离心机8000r/min，离心5min，去掉上清液；配置100ｕL浓度为20ｕM的DCFH-DA再次重悬细胞，置于37oC恒温箱中避光孵育35min，然后将染色后的菌悬液离心机8000r/min，离心5min，去掉上清液，再用PBS缓冲液重悬细菌细胞；将样品移至流式管中，调节流式细胞仪参数，选择激发荧光通道，收集的细胞数量不小于20000，采用CytExpert2.0软件分析，在一定剂量等离子体范围内，等离子体射流装置能诱导金黄色葡萄球菌胞内产生大量的ROS，且随着等离子体剂量的增加，胞内ROS出现累积并呈现上升趋势。
在一些实施例中，参阅图8，图中：左上角标记为放电时间，将2~3ml稀释后的细菌悬液置于石英容器中，采用等离子体射流装置进行杀菌实验，实验中采用管壁厚度d=2mm的射流装置随不同放电时间对金黄色葡萄球菌液的杀菌效果。取20ul经等离子体处理完的样品溶液涂布到固体培养基平板上，置于恒温培养箱，37oC，24h，取出，置于菌落计数器上观察菌落生长情况，计数，该装置灭活金黄色葡萄球菌（103个CFU/ml）时，放电时间5min，细菌的杀灭率达到了99.9%，当放电时间增加到7min，细菌被全部杀灭，达到了消毒水平。
以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (10)

1.一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，其特征在于：包括产生等离子体射流部分和等离子体射流特性参数检测部分；
产生等离子体射流部分包括AC电源、变压器、氩气瓶、氩气管路（1）、管路接头（2）和石英管（4），所述氩气管路（1）安装在管路接头（2）的一端，所述管路接头（2）的另一端设置有不锈钢针（3），所述石英管（4）的侧壁安装有接地铜线（5），且所述不锈钢针（3）一端位于石英管（4）的内部位置，所述氩气管路（1）用于输送所需的氩气，所述管路接头（2）一端不锈钢针（3）与氩气瓶气路连接的同时与AC电源正极连接，所述石英管（4）为射流装置提供了放电通道；
等离子体射流特性参数检测部分主要包括示波器、高压探头、电流传感器、发射光谱和电脑。
2.根据权利要求1所述的一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，其特征在于：所述AC电源为射流装置提供外接电压，且通过变压器用于调节输入电压参数变化值。
3.根据权利要求1所述的一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，其特征在于：所述氩气瓶用于提供放电所需的源气体。
4.根据权利要求1所述的一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，其特征在于：所述不锈钢针（3）一端安装有螺纹柱，且所述不锈钢针（3）通过其一端的螺纹柱匹配安装在管路接头（2）一端。
5.根据权利要求1所述的一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，其特征在于：所述示波器用于读取放电过程中AC电源的输出电压值、整个放电电路中电流值及计算输出功率所需的李萨茹图形。
6.根据权利要求1所述的一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，其特征在于：所述高压探头一端与管路接头（2）和AC电源正极相连接，且所述高压探头另一端与示波器连接，用以检测电源的输出电压值。
7.根据权利要求1所述的一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，其特征在于：所述电流传感器用于检测放电过程中回路中形成的电流值。
8.根据权利要求1所述的一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，其特征在于：所述发射光谱仪用于检测射流装置放电过程中产生的活性基团峰值分布，并通过电脑读取。
9.根据权利要求1所述的一种高能量利用率的等离子体杀菌装置，其特征在于：所述石英管（4）通过管壁厚度的优化，用于获得高能量利用率的等离子体射流放电装置。
10.一种权利要求1-9中任一项所述的高能量利用率的等离子体杀菌装置在等离子体消毒中的应用。
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