CN114735783A - 一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置 - Google Patents

一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，包括正弦电源和等离子体产生装置，前方设置的气瓶通过管道与等离子体产生装置连通，等离子体产生装置的下方设置有烧杯，烧杯内放置有溶液；等离子体产生装置包括石英管和不锈钢空心针，不锈钢空心针安装在石英管的内部，石英管的底端伸入到溶液内，不锈钢空心针的底端位于溶液的上部，正弦电源的正极通过电线与不锈钢空心针连接并提供正极高电压，正弦电源的负极通过电线与溶液连接。本发明布局紧凑，连接使用方便快捷，放电稳定、成本低，且采用正弦电源驱动，易于集成，实验时采用石英管导流，等离子体中的活性物质能够直接与水中的细菌发生反应，提高了灭菌效率。

Description

一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置
技术领域
本发明涉及灭菌装置技术领域，尤其涉及一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置。
背景技术
等离子体分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体，由于非热平衡等离子体的温度接近室温，又称为大气压冷等离子体，在实验室中很容易产生，且其中的活性物质能够起到杀菌、治疗癌症、皮肤病等生物效应，因此大气压冷等离子体在生物医学方面的应用受到了国内外学者的广泛的关注。
作为大气压冷等离子体的分支之一，液相尤其是水中放电等离子体的研究也在近几年得到了很大发展。在液体中放电时会形成一个等离子通道，等离子体通道内的粒子主要由自由电子、·OH、·H、·O等自由基，以及H+、H2O+等离子组成。由于气-液界面的存在，这些粒子极易向水中扩散并与水分子以及水中的可溶性物质发生进一步反应。与此同时，等离子体通道通常以每秒数百米至每秒数十公里的速度从一极向另一极延伸，如等离子体未到达另一电极即已熄灭，这种放电形式被称为电晕放电。目前，研究的水中放电等离子体多是采用脉冲电源、直流电源驱动，多在液体上方利用等离子体杀菌，但由于活性粒子存在时间短，容易在还没到达液面时已经消失，从而降低灭菌效率。
因此，如何开发设计一种采用正弦驱动的、高效灭菌的等离子体灭菌装置，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，在等离子体产生处将等离子体及其中的活性粒子直接导向水中，解决现有技术在液体上方杀菌作业，因活性粒子存在时间短导致灭菌效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，包括正弦电源和等离子体产生装置，所述等离子体产生装置的前方设置有气瓶，所述气瓶通过管道与所述等离子体产生装置连通，所述等离子体产生装置的下方设置有烧杯，所述烧杯内放置有溶液；所述等离子体产生装置包括石英管和不锈钢空心针，所述不锈钢空心针安装在所述石英管的内部，所述石英管的底端伸入到所述溶液内，所述不锈钢空心针的底端位于所述溶液的上部，所述正弦电源的正极通过电线与所述不锈钢空心针连接并提供正极高电压，所述正弦电源的负极通过电线与所述溶液连接。
进一步的，所述石英管包括大头端和细管端，所述大头端和细管端一体成型；所述不锈钢空心针与所述石英管的顶端平齐且轴线位于同一条直线上，对齐后所述不锈钢空心针与所述石英管的顶端通过热熔胶固定连接在一起。
进一步的，所述等离子体产生装置的一侧设置有示波器，所述示波器的高压信号接口上连接有高压探头，所述高压探头的另一端与所述正弦电源的正极输出电线连接；所述示波器的电压信号接口上连接有电压探头，所述电压探头的另一端与所述正弦电源的负极输出电线连接，所述正弦电源的负极输出电线和地级之间连接有电阻。
进一步的，所述气瓶与所述等离子体产生装置的连通管道上安装有控制阀和质量流量控制计，所述控制阀靠近所述气瓶一侧放置。
进一步的，所述不锈钢空心针的底部端面距离溶液液面的距离为D，具体的D为0～10mm，所述石英管的底部端面与不锈钢空心针的底部端面距离为H,具体的H为24mm。
进一步的，所述不锈钢空心针的外径尺寸为1.58mm，内径尺寸为0.98mm，长度为50mm；所述石英管的外径尺寸为4mm，内径尺寸为1.87mm,总长度为74mm，此时H为24mm。
进一步的，所述烧杯中的溶液采用去离子水。
进一步的，所述正弦电源的输出电压为0～20kV，频率为20kHz，所述气瓶输出的气流量控制在0.025SLM～3SLM之间。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，包括正弦电源和等离子体产生装置，等离子体产生装置包括石英管和不锈钢空心针；气瓶通过管道与等离子体产生装置连通，等离子体产生装置的下方设置有烧杯，烧杯内放置有溶液，石英管的底端伸入到溶液内，不锈钢空心针的底端位于溶液的上部，正弦电源的正极通过电线与不锈钢空心针连接并提供正极高电压，正弦电源的负极通过电线与溶液连接。
本发明布局紧凑，连接使用方便快捷，放电稳定、成本低，且采用正弦电源驱动，易于集成，实验时采用石英管导流，等离子体中的活性物质能够直接与水中的细菌发生反应，提高了灭菌效率，具有更多的应用前景。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置示意图；
图2为本发明A位置放大图；
图3为本发明工作时的驱动电压、电流变化图；
图4为本发明点火电压时的电流变化图；
图5为本发明稳定放电时的电流变化图；
图6为本发明不同距离D时，放电图像随气流量的变化图；
图7为本发明不同距离D时，放电图像随电压变化图；
图8为本发明活化水中活性粒子的含量随电压的变化图；
图9为本发明活化水中活性粒子的理化性质随电压的变化图；
图10为本发明灭菌(铜绿假单胞菌)效率随电压的变化；
图11为本发明灭菌(铜绿假单胞菌)效率随电压的变化；
图12为本发明灭菌(铜绿假单胞菌)效率随时间的变化；
图13为本发明灭菌(铜绿假单胞菌)效率随时间的变化；
图14为本发明活化水中活性粒子的含量随处理时间的变化；
图15为本发明活化水中活性粒子的理化性质随处理时间的变化；
附图标记说明：1、气瓶；2、控制阀；3、质量流量控制计；4、等离子体产生装置；5、正弦电源；6、高压探头；7、示波器；8、烧杯；9、电压探头；10、电阻；401、石英管；402、不锈钢空心针。
具体实施方式
如图1-2所示，一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，包括正弦电源5和等离子体产生装置4，所述等离子体产生装置4的前方设置有气瓶1，所述气瓶1通过管道与所述等离子体产生装置4连通，所述等离子体产生装置4的下方设置有烧杯8，所述烧杯8内放置有溶液；所述等离子体产生装置4包括石英管401和不锈钢空心针402，所述不锈钢空心针402安装在所述石英管401的内部，所述石英管的底端伸入到所述溶液内，所述不锈钢空心针402的底端位于所述溶液的上部，所述正弦电源5的正极通过电线与所述不锈钢空心针402连接并提供正极高电压，所述正弦电源5的负极通过电线与所述溶液连接。具体的，气瓶1给灭菌装置提供放电气体，等离子体产生装置4通电后产生等离子体，正弦电源5连接后为整个装置提供驱动电压。具体的，如图3所示，根据电压波形图可以得知驱动电压的幅值、频率等信息，由电流波形图可以看出有很多的细丝，结合放电现象，可以推测得出本装置处于丝状放电模式。
具体的，如图2所示，所述石英管401包括大头端和细管端，所述大头端和细管端一体成型；所述不锈钢空心针402与所述石英管401的顶端平齐且轴线位于同一条直线上，对齐后所述不锈钢空心针402与所述石英管401的顶端通过热熔胶固定连接在一起。
具体的，所述等离子体产生装置4的一侧设置有示波器7，所述示波器7的高压信号接口上连接有高压探头6，所述高压探头6的另一端与所述正弦电源5的正极输出电线连接；所述示波器7的电压信号接口上连接有电压探头9，所述电压探头9的另一端与所述正弦电源5的负极输出电线连接，所述正弦电源5的负极输出电线和地级之间连接有电阻10。具体的，高压探头6的设置可以在实验中检测驱动电压的大小并传递至示波器7上，通过电压探头9的设置监测地级附近串接的电阻两端电压来得到电流，电阻10主要是与电压探头9配合检测得到电流。
具体的，所述气瓶1与所述等离子体产生装置4的连通管道上安装有控制阀2和质量流量控制计3，所述控制阀2靠近所述气瓶1一侧放置。质量流量控制计用于对于气体或者液体的质量流量进行精密测量和控制，该部件为现有标准件，质量流量控制计3具体采用型号为Sevenstar CS200系，产品编号为0VCSA14067；其中控制阀2主要控制气瓶1的开关，质量流量控制计3用于控制流入装置的气体流速。
所述不锈钢空心针402的底部端面距离溶液液面的距离为D，具体的D为0～10mm，所述石英管401的底部端面与不锈钢空心针402的底部端面距离为H,具体的H为24mm。
所述不锈钢空心针402的外径尺寸为1.58mm，内径尺寸为0.98mm，长度为50mm；所述石英管401的外径尺寸为4mm，内径尺寸为1.87mm,总长度为74mm，此时H为24mm。
所述烧杯8中的溶液采用去离子水。所述正弦电源5的输出电压为0～20kV，频率为20kHz，所述气瓶1输出的气流量控制在0.025SLM～3SLM之间。
本发明的实验过程如下：
首先，将该装置进行组装连接，按照图2将不锈钢空心针402(高压极)和石英管401的顶端对齐后通过热熔胶固定连接在一起，然后将石英管401插入装有20ml的去离子水的烧杯8中，不锈钢空心针402作为高压极，其底部端面与去离子水液面之间的距离设为D；最后，按照如图1所示的装置图将数据收集显示用的示波器7、高压探头6、电压探头9和电阻10进行连线。该实验进行时，石英管401的上部卡接或定位在一个实验支撑架上，烧杯放置在试验台或桌面上，保证实验过程的稳定性。
具体的，在实验中采用的是铜绿假单胞菌。ATP是指腺苷三磷酸(adenosinetriphosphate)，在细菌代谢中发挥重要作用，因此可以检测ATP含量来得知活细菌的含量；CCK是指cell counting kit,是用来检测细胞增值和细胞毒性的试剂，可以用于革兰氏阴性细菌的检测。
首先，对距离D进行探索，结果如图4、5所示，发现其点火电压与距离关系不是很大，在电压为15kV时，装置能够稳定放电，并且距离D＝0mm时，其电流也明显高于其他距离时的电流值；在放电照片图6中，D＝0mm时等离子体羽的长度也明显大于D＝5mm的长度，因此在后续的测试实验中将D固定为0mm。
其次，研究气流量对该装置产生等离子体的影响，通过质量流量控制计3控制气流量的大小，发现在0.025L/min时就可产生等离子体，如图6所示，该条件下装置会利用水中产生的微小气泡进行放电，在加大气流量至1L/min时，就会出现产生的等离子体不稳定的现象，因此将空气的气流量设置为0.3SLM，保证产生等离子体的长度和稳定性。
下一步研究驱动电压对该装置的影响，如图7所示，采用频率为20kHz的交流电源作为驱动电源，研究电压对所产生等离子体的影响，发现随着电压的升高放电变得更加剧烈，产生的等离子体羽更长，但是随着电压的升高会由等离子体逐渐演变为电火花。因此为选取合适的放电电压，进行了进一步的实验，如图8、9、14和15所示，对该装置所产生的活化水中的活性粒子、理化性质以及杀菌效率进行检测，等离子体活化水中常见的活性粒子包括H2O2,NO2 -等长寿命粒子和ONOO-、O2-、OH等短寿命粒子，对其浓度进行检测，发现在17kV时，PH可以下降到4以下，同时活性粒子浓度也会大幅上升；然后采用该活化水进行杀灭铜绿假单胞菌的实验，然后采用两种检测方法进行测试，结果如图10、11所示，发现在17kV时灭菌效率会达到88％以上。
在得知活化水具有较强的灭菌效率后，下一步对灭菌时间进行测试，选取不同处理时长进行灭菌实验，结果如图12、13所示，发现在4min时可达到86％的灭菌效果。
因此，得出以下结论，该装置在距离D＝0mm，电压为17kV，处理时长为5min左右，气流量为0.3SLM时具有较强的灭菌效果。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，其特征在于：包括正弦电源和等离子体产生装置，所述等离子体产生装置的前方设置有气瓶，所述气瓶通过管道与所述等离子体产生装置连通，所述等离子体产生装置的下方设置有烧杯，所述烧杯内放置有溶液；所述等离子体产生装置包括石英管和不锈钢空心针，所述不锈钢空心针安装在所述石英管的内部，所述石英管的底端伸入到所述溶液内，所述不锈钢空心针的底端位于所述溶液的上部，所述正弦电源的正极通过电线与所述不锈钢空心针连接并提供正极高电压，所述正弦电源的负极通过电线与所述溶液连接。
2.根据权利要求1所述的利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，其特征在于：所述石英管包括大头端和细管端，所述大头端和细管端一体成型；所述不锈钢空心针与所述石英管的顶端平齐且轴线位于同一条直线上，对齐后所述不锈钢空心针与所述石英管的顶端通过热熔胶固定连接在一起。
3.根据权利要求1所述的利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，其特征在于：所述等离子体产生装置的一侧设置有示波器，所述示波器的高压信号接口上连接有高压探头，所述高压探头的另一端与所述正弦电源的正极输出电线连接；所述示波器的电压信号接口上连接有电压探头，所述电压探头的另一端与所述正弦电源的负极输出电线连接，所述正弦电源的负极输出电线和地级之间连接有电阻。
4.根据权利要求1所述的利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，其特征在于：所述气瓶与所述等离子体产生装置的连通管道上安装有控制阀和质量流量控制计，所述控制阀靠近所述气瓶一侧放置。
5.根据权利要求1所述的利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，其特征在于：所述不锈钢空心针的底部端面距离溶液液面的距离为D，具体的D为0～10mm，所述石英管的底部端面与不锈钢空心针的底部端面距离为H,具体的H为24mm。
6.根据权利要求5所述的利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，其特征在于：所述不锈钢空心针的外径尺寸为1.58mm，内径尺寸为0.98mm，长度为50mm；所述石英管的外径尺寸为4mm，内径尺寸为1.87mm,总长度为74mm，此时H为24mm。
7.根据权利要求1所述的利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，其特征在于：所述烧杯中的溶液采用去离子水。
8.根据权利要求1所述的利用石英管导流的空心针液面等离子体灭菌装置，其特征在于：所述正弦电源的输出电压为0～20kV，频率为20kHz，所述气瓶输出的气流量控制在0.025SLM～3SLM之间。
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