CN115461090A - 用于产生等离子体和羟基自由基的灭菌设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适用于例如在人体、医疗设备或医院病床空间上的临床使用的灭菌系统。特别地，提供了一种用于产生羟基自由基流的灭菌装置，该灭菌装置包括：同轴传输线，该同轴传输线在纵向方向上延伸，并且包括内导体和位于内导体周围并与内导体间隔开的外导体；端盖，该端盖安装在同轴传输线的远侧端部上，其中该端盖包括面向远侧的出口孔口；流体导管，该流体导管在纵向方向上从同轴传输线的远侧端部处的流体入口穿过端盖延伸到出口孔口；以及等离子体产生区域，该等离子体产生区域位于出口孔口的近侧端部，其中该等离子体产生区域含有电连接到内导体的第一电极和电连接到外导体的第二电极，其中该流体导管限定穿过装置的与流体能够通过流体入口被接收的馈送方向对准的纵向流体流动路径，并且其中第一电极和第二电极在横跨等离子体产生区域中的纵向流体流动路径的横向方向上彼此相对。

Description

用于产生等离子体和羟基自由基的灭菌设备
技术领域
本发明涉及适用于例如在人体、医疗设备或医院病床空间上的临床使用的灭菌系统。例如，本发明可以提供一种系统，该系统可以用于破坏或处理与人类或动物生物系统和/或周围环境相关联的某些细菌和/或病毒。本发明特别可用于对封闭或部分封闭的空间进行灭菌或去污染。
背景技术
细菌是单细胞生物，它们几乎随处可见，大量存在，并且能够迅速地分裂和繁殖。大多数细菌是无害的，但是存在三类有害群体；即：球菌、螺旋菌和杆菌。球菌细菌是圆形细胞，螺旋菌细菌是螺旋状细胞，并且杆菌细菌是杆状的。有害细菌引起疾病诸如破伤风和伤寒等。
病毒可仅通过占领其他细胞来生存和繁殖，即它们无法独自存活。病毒引起疾病诸如感冒、流感、腮腺炎和艾滋病。病毒可以通过人与人的接触，或通过与被来自感染者的呼吸道液滴或其他携带病毒的体液污染的区域接触而转移。
真菌孢子和称为原生动物的微小生物可引起疾病。
灭菌是破坏或消除所有生命形式(尤其是微生物)的动作或过程。在等离子体灭菌过程期间，产生活性剂。这些活性剂是高强度紫外光子和自由基，它们是具有化学不成对电子的原子或原子组装体。等离子体灭菌的有吸引力的特征是，可以在相对低的温度诸如体温下实现灭菌。等离子体灭菌还具有对操作者和患者安全的益处。
等离子体通常含有带电电子和离子以及化学活性物质，诸如臭氧、氮氧化物和羟基自由基。羟基自由基在氧化空气中的污染物方面远比臭氧更有效，并且杀菌和杀真菌能力是氯的几倍，这使得它们成为破坏细菌或病毒以及对封闭空间内的物体(例如，与医院环境相关联的物体或物品)执行有效去污染的非常令人感兴趣的候选者。
保持在水的“大分子”(例如，薄雾或雾内的液滴)内的OH基能稳定数秒，并且在相当的浓度下它们比常规消毒剂有效1000倍。
Bai等人的标题为“Experimental studies on elimination of microbialcontamination by hydroxyl radicals produced by strong ionisation discharge”(Plasma Science and Technology，第10卷，第4期，2008年8月)的文章考虑了使用由强电离放电产生的OH自由基来消除微生物污染。在这项研究中，考虑了对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的灭菌效果。制备了浓度为107cfu/ml(cfu＝菌落形成单位)的细菌悬浮液，并且使用微量移液管将10μl该呈流体形式的细菌转移到12mm×12mm无菌不锈钢板上。将细菌流体均匀地散布在板上并让其干燥90分钟。然后将板放入无菌玻璃盘中，并且将具有恒定浓度的OH自由基喷洒到板上。这项实验研究的结果是：
1.OH自由基可被用于对细胞造成不可逆的损伤，并且最终杀死细胞；
2.用于消除微生物的潜在阈值(threshold potential)是国内外使用的消毒剂的万分之一；
3.与OH的生化反应为自由基反应，并且用于消除微生物的生化反应时间为约1秒，这满足快速消除微生物污染的需要，并且致死时间约为目前国内和国际消毒剂的千分之一；
4.OH的致死密度大约是其他消毒剂的喷雾密度的千分之一——这将有助于在大的空间例如床空间区域中有效和快速地消除微生物污染；以及
5.OH薄雾或雾滴将细菌氧化成CO2、H2O和微无机盐。剩余的OH也将分解成H2O和O2，因此这种方法将无污染地消除微生物污染。
WO 2009/060214公开了被布置成可控地产生并发射羟基自由基的灭菌设备。该设备包括在羟基自由基产生区域接收RF或微波能量、气体和水薄雾的施加器(applicator)。羟基自由基产生区域处的阻抗被控制为高，以促进电离放电的产生，电离放电继而在存在水薄雾时产生羟基自由基。该施加器可以是同轴组件或波导。例如集成在施加器中的动态调谐机构可以控制羟基自由基产生区域处的阻抗。用于薄雾、气体和/或能量的递送装置可以彼此集成。
WO 2019/175063公开了一种灭菌设备，该灭菌设备使用热等离子体或非热等离子体对外科观测装置进行灭菌或消毒。在一个实例中，等离子体产生区域形成在同轴传输线的远侧端部，该同轴传输线传送RF或微波能量以激发和维持等离子体。围绕同轴传输线的外表面形成气体通道。该气体通道通过安装在同轴传输线的远侧端部上的圆柱形电极中的凹口与等离子体产生区域流体连通。在一些实例中，水通过在同轴传输线的内导体内形成的通道，水从该通道被喷洒到物体的表面上，然后等离子体经过水。
发明内容
总的来说，本发明提供了一种支承一列式流体馈送器(inline fluid feed)的灭菌装置，该一列式流体馈送器被用于在水的存在下产生热等离子体或非热等离子体，以提供包含羟基自由基的流。该流可以被引导到表面或物体上以执行灭菌。通过将流体馈送器(其可以包括气体馈送器和/或水馈送器)与流被输出的方向成一列地提供给该装置，可以实现更强的羟基自由基流，从而实现更大范围的灭菌。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生羟基自由基流的灭菌装置，该灭菌装置包括：同轴传输线，该同轴传输线用于传送射频(RF)和/或微波频率电磁(EM)能量，该同轴传输线在纵向方向上延伸，并且包括内导体和位于内导体周围并与内导体间隔开的外导体；端盖，该端盖安装在同轴传输线的远侧端部上，其中端盖包括面向远侧的出口孔口；流体导管，该流体导管在纵向方向上从同轴传输线的远侧端部处的流体入口穿过端盖延伸到出口孔口；以及等离子体产生区域，该等离子体产生区域位于出口孔口的近侧端部，其中等离子体产生区域含有电连接到内导体的第一电极和电连接到外导体的第二电极，其中该流体导管限定穿过装置的与流体能够通过流体入口被接收的馈送方向对准的纵向流体流动路径，并且其中第一电极和第二电极在横跨等离子体产生区域中的纵向流体流动路径的横向方向上彼此相对。通过这种布置，流体流可以基本上不间断地通过该装置。
流体导管可以被布置成向等离子体产生区域供应惰性气体和水薄雾的混合物。可替代地，在如下所述的装置的一些实施方案或操作模式中，惰性气体和水可以分开供应到等离子体产生区域。例如，流体导管可以被布置成仅向等离子体产生区域供应惰性气体。
该装置可以被构造为产生和发射羟基自由基。该装置优选地被构造为手持式单元，以使得它可以根据需要容易地被用于对任何表面或物体进行灭菌。特别地，供应到等离子体产生区域的气体可以被用于使用RF和/或微波频率产生热等离子体或非热等离子体。例如，内导体和外导体被布置成从所接收的RF和/或微波频率能量产生穿过流动路径的高电场，以使气体激发并维持热等离子体或非热等离子体。例如，RF能量的短脉冲(例如，具有10ms或更短，例如在1ms和10ms之间的持续时间)可以被用于激发等离子体。更长的微波脉冲可以被用于维持等离子体。还可以使用微波频率能量来激发等离子体，例如通过使用微波谐振器或阻抗变换器，即将低电压变换为更高电压以使用在操作频率下为四分之一波长(或其奇数倍)长的更高阻抗传输线来激发等离子体的四分之一波长变换器。这种高阻抗线可以被接通以激发等离子体，并且一旦等离子体已经被激发并且需要维持等离子体则被断开(即，返回到较低阻抗线)。功率PIN或变容二极管可优选地被用于在该两种状态之间切换，但是可以使用同轴开关或波导开关。所产生的热等离子体或非热等离子体可使水电离，水也(例如，与惰性气体结组合或分开地)被递送到等离子体产生区域，以便产生羟基自由基。羟基自由基被引导到出口孔口之外，以便根据用户的需要对表面或物体进行灭菌。
流体导管可以包括同轴传输线的内导体和外导体之间的通路。这种布置可能有利于形成紧凑的装置。由流体导管传送的惰性气体因此可以形成用于同轴传输线的介电材料。在这种布置中，内导体可以通过安装在同轴传输线内的多个径向辐条(spoke)与外导体分开，例如以由此传送的微波能量的半波长为间隔与外导体分开。
在另一个实施方案中，流体导管可以包括平行于同轴传输线延伸的管道。换句话讲，可以独立于同轴传输线来供应气体。
该装置可以包括例如与流体导管分开的水导管，该水导管被布置成将水递送到等离子体产生区域。该水导管可以包括在同轴传输线的内导体内形成的纵向通道。也就是说，同轴馈送线的内导体可以是中空的，以限定用于将水递送到等离子体产生区域的水导管。因此，流体导管可以被布置成将气体传送到等离子体产生区域。在一个实例中，水可以作为水薄雾通过内导体供应，这可以有助于羟基自由基的产生，因为水滴更容易电离和分散。
水导管还可以包括形成在第一电极内的纵向通道。该装置可以包括位于水导管的远侧端部处的喷雾单元。该喷雾单元可以包括被构造为产生锥形水薄雾喷雾的雾化器。水可以作为水流被传送通过水导管，以通过雾化器在远侧端部处变成水薄雾。水薄雾可以直接喷洒到等离子体产生区域中。优选地，雾化器可以被构造为产生锥形薄雾，以确保水滴被分散在等离子体产生区域的大容积中。例如，雾化器可以包括在水流路径中的许多(例如，一个或多个，优选地两个)激发表面以引起旋转运动，从而产生水的涡流，由于水流激发表面并且还由于涡流中的离心力，该涡流将水流破碎成水滴的薄雾。以这种方式将水流传送通过内导体可以允许以高压递送水，从而提高羟基自由基可被生成的速率，并且还有助于自由基在通过出口孔口离开装置时在更大面积上分散。
水导管可以具有近侧入口，其中水导管限定穿过该装置的与水能够通过近侧入口被接收的馈送方向对准的纵向流动路径。也就是说，水可以平行于内导体的纵向轴线被馈送到水导管，这可以允许水以(例如，与以一定角度连接到内导体的水馈送器相比)更高的压力被递送到该装置。出于同样的原因，特别优选的是，水导管沿其长度基本上是直的。
第一电极可以是从内导体的远侧端部沿纵向方向伸出的导电杆，该杆的直径小于内导体的直径。在第一电极传送水的情况下，水通过水导管的速度可以在到达喷雾单元之前通过杆被加速，这进一步有助于水薄雾和羟基自由基的分散。
等离子体产生区域可以位于出口孔口的近侧区域中。端盖可以包括大致圆柱形的导电元件，该导电元件在其远侧端部表面中具有出口孔口。端盖可以限定内部容积，同轴传输线的内导体伸出超过外导体的远侧端部进入该内部容积。端盖可以电连接到外导体。出口孔口的直径可以小于内部容积的直径。
第二电极可以与端盖一体形成。在一个实例中，第二电极包括从出口孔口的侧壁向内延伸的多个径向突片。
灭菌装置还可以包括在出口孔口中从等离子体产生区域朝向远侧安装(例如在第二电极之外)的绝缘管。绝缘管(例如，由石英等制成)可以防止出口孔口中的不期望的等离子体激发超出等离子体产生区域。
为了给一列式流体馈送器留出空间，可以经由一个或多个横向馈送器将RF和/或微波能量供应到同轴传输线。
例如，该装置可以包括横向同轴馈送器，该横向同轴馈送器被连接成将RF和/或微波能量引入到同轴传输线的近侧区域中。该横向同轴馈送器可以被构造为将微波能量耦合到同轴传输线中，并且其中该横向同轴馈送器连接到同轴传输线上的距同轴传输线的近侧端部
Figure BDA0003911425700000041
距离处的点，其中n是正整数，并且λ是由同轴传输线传送的微波能量的波长。
该装置还可以包括近侧横向同轴馈送器，该近侧横向同轴馈送器被连接成将RF能量直接引入到等离子体生成区域，例如以促进等离子体激发。该近侧横向同轴馈送器可以包括细电极，该细电极伸出到等离子体产生区域中的第一电极和第二电极之间的空间中。
该装置可以包括安装在同轴传输线的近侧端部处的扼流圈(choke)。
另一方面，可以提供一种灭菌设备，该灭菌设备包括：上述灭菌装置；水供应器，该水供应器被连接成向等离子体产生区域供应水；气体供应器，该气体供应器被连接成经由流体导管向等离子体产生区域供应气体；以及发生器，该发生器被连接成向等离子体产生区域供应射频(RF)和/或微波频率电磁能量。RF EM能量可以用于激发等离子体，并且可以作为高压脉冲被接收。微波EM能量可以用于维持等离子体，即，将功率递送到等离子体中以维持电离状态。这也可以作为脉冲被接收。等离子体可以以产生准连续等离子体束的方式被重复激发。由于水被提供到料灭菌装置，该设备不需要使用任何化学清洁剂，并且因此使用本设备灭菌不会产生有害的副产物。
在某些实施方案中，水供应器可以包括泵，以便以高压供应水流。这在手持式灭菌装置包括穿过同轴馈送线的内导体的水导管的情况下可能是特别优选的。
在其他实施方案中，水供应器可以包括薄雾发生器。例如，薄雾发生器可以包括超声波换能器或加热元件。以这种方式，薄雾发生器可以向手持式灭菌装置供应薄雾(例如，湿气或雾)，以用于从水中产生羟基自由基。此种布置可特别优选地用于其中气体和水的混合物将被传送通过形成在同轴馈送线的外导体内的流体导管的布置中。优选地，气体供应器可以被连接成经由薄雾发生器向手持式灭菌装置供应气体。以这种方式，气体供应器可以对通过手持式灭菌装置的薄雾流进行加压，以确保羟基自由基的高产生速率，并且有助于自由基从装置中分散。
气体的流速可以在1.5升/分钟至15升/分钟的范围内，优选地在2升/分钟至6升/分钟之间。水供应器可被布置成产生足够的喷雾或薄雾，以形成至少2体积％的组合气体/水流。气体的流速可以被控制成达到组合流中的气体和水的期望比例。
优选地，气体供应器是氩气的供应器。然而，可以选择任何其他合适的气体，例如二氧化碳、氦气、氮气、空气和这些气体中任何一种的混合物，例如10％空气/90％氦气。
有利的是，发生器可以由电池提供动力，使得发生器是便携式的。优选地，水供应器和气体供应器也是便携式的，以使得用户可以容易地操作灭菌设备，并且可以在任何必要的环境中容易地执行灭菌。
这里，术语“内”意味着径向上更靠近同轴电缆、探针末端和/或施加器的中心(例如，轴线)。术语“外”意味着径向上更远离同轴电缆、探针末端和/或施加器的中心(轴线)。
除非上下文另有指明，否则术语“导电”在本文中用于表示导电性。
在本文中，术语“近侧”和“远侧”是指施加器的端部。在使用时，近侧端部更接近于用于提供RF和/或微波能量的发生器，而远侧端部更远离该发生器。
在本说明书中，“微波”可以广泛地用于指示400MHz至100GHz的频率范围，但是优选地，1GHz至60GHz的范围。已考虑的特定频率是：915MHz、2.45GHz、3.3GHz、5.8GHz、10GHz、14.5GHz和25GHz。相比之下，本说明书使用“射频”或“RF”来指示至少低三个数量级的频率范围，例如，高达300MHz，优选是10kHz至1MHz，并且最优选是400kHz。可以调整微波频率以使得能够优化所递送的微波能量。例如，探针末端可被设计来在某个频率(例如900MHz)下操作，但是在使用时，最有效的频率可以是不同的(例如866MHz)。
附图说明
现在参考附图，在下面给出的本发明实施例的详细描述中解释本发明的特征，在附图其中：
图1是根据本发明的实施方案的灭菌设备的示意图；
图2是根据本发明的实施方案的施加器的横截面视图；并且
图3是根据本发明的另一个实施方案的施加器的横截面视图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于使用羟基自由基执行灭菌的装置，该羟基自由基是通过在水薄雾存在的情况下产生等离子体而生成的。
图1是作为本发明的实施方案的灭菌设备100的示意图。设备100能够产生羟基(OH)自由基，以便对表面或区域进行灭菌。例如，设备100可被用于对医疗设备或医院病床空间进行灭菌。
设备100包括发生器102，该发生器能够可控地将射频(RF)和/或微波电磁(EM)能量递送到灭菌装置(这里称为施加器104)，该灭菌装置优选地为手持式单元。
发生器102可以属于例如WO 2012/076844中公开的类型。发生器102通过同轴电缆106连接到施加器104。同轴电缆106包括内导体、外导体以及将内导体与外导体分开的介电材料。同轴电缆106可以通过QMA连接器等将能量耦合到施加器104中。在一些实例中，发生器102可以被布置成监测从施加器104接收回的反射信号(即，反射功率)，以便确定要传送到施加器104的适当信号。在施加器104处利用射频和/或微波能量来激发和维持热等离子体或非热等离子体，以便以下面更详细解释的方式产生羟基自由基。
在一些实例中，热等离子体或非热等离子体可以从施加器发射，并且能够直接用于对表面进行灭菌。在图1所示的设备中，单个发生器102被布置成供应RF和/或微波频率EM能量。然而，在本发明的一些实施方案中，该设备可以包括作为单独部件的RF EM能量发生器和微波能量EM发生器，它们各自通过相应的同轴电缆连接到施加器104。
设备100还包括水供应器108，该水供应器被布置成将水递送到施加器104。在一个实例中，水可以作为水流供应，该水流可以被布置成形成将从施加器104发射的喷雾(例如，细小水滴的喷淋)。在另一个实例中，水可以作为水薄雾(例如，雾的湿气)供应。水供应器108因此可以包括薄雾发生器。例如，薄雾发生器可以通过超声波换能器产生薄雾。可替代地，薄雾发生器可被布置成加热水以产生待被传递到施加器104的蒸汽或薄雾。薄雾发生器可包括泵或其他流体驱动单元，以使产生的薄雾流向施加器104。水被供应到施加器104，以便通过下面将更详细解释的过程产生羟基自由基。通过以这种方式使用水，设备100可以被用于在不使用任何清洁化学品的情况下对表面或物体进行灭菌，从而降低与灭菌相关联的成本，并且允许在清洁化学品供应不足时执行灭菌。使用羟基自由基进行灭菌还确保没有有害的副产品。
气体供应器110连接到施加器104以供应用于形成等离子体的气体，该等离子体被用于以将在下文解释的方式产生羟基自由基。气体供应器110可以是用于形成非热等离子体或热等离子体的任何适当惰性气体(例如，氩气、氦气、氮气、二氧化碳或它们的组合)的加压式供应器。气体供应器110可以被构造为允许调节被递送到施加器104的气体的流速。气体供应器可以例如每分钟供应1.5升与15升之间的气体。
气体供应器110和水供应器108可以通过共同的馈送线连接到施加器104。也就是说，来自气体供应器110和水供应器108的输出可以在它们到达施加器104之前被组合。这种布置可能特别适合于水供应器108包括薄雾发生器的实例。来自气体供应器110的气体流可夹带来自水供应器108的水薄雾，以产生供应到施加器104的组合薄雾/气体流。组合薄雾/气体流可以通过单个流体导管被递送到施加器104中。可替代地，气体供应器110和水供应器108可以提供用于递送水和气体的分开的流。该分开的流可以在组合导管内提供。例如，用于将气体传送到施加器104的导管可以包括T接合部以允许水被馈送到导管中。可替代地，如图1所示，气体供应器110和水供应器108分开地连接到施加器104。
在本发明的一些实施方案中，设想了发生器102(或多个发生器，如果存在的话)、薄雾发生器108和气体供应器110可以各自是便携式的，并且施加器104可以是手持式施加器，以使得本发明提供一种易于由用户携带的有效的灭菌设备。例如，发生器102可以由电池等提供动力。
在下面的图2和图3中更详细地示出了施加器104的实例。为了对表面进行灭菌，通过将来自发生器102的能量施加到从气体供应器110递送的气体上来在施加器104中产生等离子体。例如，RF能量可被用于激发等离子体，并且微波能量可被用于维持等离子体。例如，可以如WO 2009/060213 A1中公开的那样产生等离子体。在产生等离子体的同时，来自水供应器108的水被传递到施加器104内的羟基自由基产生区域，在该产生区域等离子体使水电离，以产生羟基自由基的喷雾112，该喷雾离开施加器104以被引导到表面或进入用于灭菌的区域。例如，WO 2009/060214 A1中公开了以此方式生成羟基自由基的实例。
施加器104可以以任何合适的规模生产。例如，施加器的尺寸可以被设计成由人手抓握。可替代地，可以制造适合安装在支架上的较大版本。在使用中，由施加器发射的等离子体和/或OH自由基的流可被引导到待灭菌的容积中，例如车辆(例如，救护车)或医院病床或手术间的内部。
图2示出了作为本发明的第一实施方案的施加器200的横截面视图。尽管在图2中未示出，但是施加器200可以包含在大体细长的壳体内，该壳体允许用户容易地使施加器200在表面或物体上通过以进行灭菌。在特别优选的实施方案中，施加器200可以是手持式单元以便于手动控制。
施加器200包括同轴传输线201形式的能量递送结构，以用于传送射频(RF)和/或微波频率电磁(EM)能量。同轴传输线201包括内导体202和外导体204，外导体204与内导体202间隔开以在它们之间限定环形区域219。例如，在优选实施方案中，内导体202可以具有3mm的外径，并且外导体204可以具有7mm的内径，以提供合适的间距。内导体202和外导体204之间的间距可以通过被定位在间隙中的径向延伸的间隔物(未示出)来保持，例如该间隔物可以是由PTFE制成的辐条或辐条盘。
远侧末端203安装在同轴传输线201的远侧端部处。远侧末端203包括圆柱形盖213，该圆柱形盖是电连接到同轴传输线201的外导体204的导电结构。在这个实施方案中，圆柱形盖213包括覆盖并接触外导体204的外表面的近侧区域。圆柱形盖213限定内部容积215。同轴传输线201的内导体202伸出超过外导体204的远侧端部进入内部容积中。圆柱形盖215在其远侧端部处具有出口孔口217。内部容积215通过出口孔口217与外部环境流体连通。在这个实例中，绝缘管214(例如，由石英等形成)安装在出口孔口中，以使得内部容积215通过由绝缘管214形成的通道与外部环境连通。
内导体202是中空的，以形成用于沿着同轴传输线201将水从近侧入口207传送到远侧末端203内的内部容积215的水导管206。水流经由水输入管209被馈送到近侧入口207中，使得水流平行于内导体202的纵向轴线。由于水导管206中没有曲线或弯曲，这种布置允许高的水流量。水输入管209接收来自泵或其他水供应器的水，如上文针对图1所述。
内导体202和外导体204之间的环形区域219形成用于将气体传送到内部容积215的流体导管208。气体通过气体输入管211被递送到流体导管208，该气体输入管连接到如上文针对图1所述的气体供应器。
设想了施加器200也可以通过将气体和水薄雾的混合物传送通过流体导管208来操作。在此种操作中，不需要通过水导管206递送水，但是如果需要，可以通过水导管206同时供应水。
RF和/或微波能量经由横向同轴馈送器220被供应到同轴传输线201。横向同轴馈送器220在朝向同轴传输线201的近侧端部定位的位置处将RF和/或微波能量耦合到同轴传输线201中。为了使RF能量能够被同轴传输线201传送，同轴传输线201在其近侧端部具有开路状态(即，内导体202和外导体204保持彼此隔离)。为了确保微波能量有效地耦合到这种同轴传输线201中，横向同轴馈送器优选地被定位成远离同轴传输线的近侧端部一定距离，该距离等于微波能量在同轴传输线201上传播时的一个或多个半波长。
横向同轴馈送器220具有连接器210，该连接器可拆卸地连接到同轴电缆，该同轴电缆传送来自发生器的RF和/或微波能量，如上面针对图1所述。例如，连接器210可以包括QMA、SMA、N连接器等。
为了防止微波能量流过同轴传输线201的近侧端部，扼流圈212连接在同轴传输线201的近侧端部处。在这个实例中，使用了双扼流圈布置。扼流圈212设置有穿过其中的纵向通路，以接纳水输入管209并提供气体输入管211和环形区域219之间的流体连通。
如上所述，圆柱形盖213在其远侧端部处是开口的，绝缘管214被定位在出口孔口217内。绝缘管214的近侧区域限定等离子体产生区205。电连接到内导体202的第一电极218延伸到等离子体产生区205中。在这个实例中，第一电极218是从内导体202的远侧端部伸出的中空导电杆。该杆的外径小于内导体202的外径。水导管206可与穿过第一电极218的纵向通路流体连通。该纵向通路可以具有比水导管206更小的直径，使得纵向通路中的水流速度相对于水导管206增加，即水朝向等离子体产生区域205加速。
喷雾嘴安装在纵向通路的远侧端部处。喷雾嘴可以包括回旋腔室，该回旋腔室被布置成随着水流离开纵向通路而对该水流施加涡流运动，以使得水滴或水薄雾的锥体被引入到等离子体产生区域205。
第二电极221由在绝缘管214的近侧端部处的出口孔口217的侧表面上形成的一个或多个径向伸出的导电突片提供。供应到同轴传输线201的能量因此可以导致在等离子体产生区205内的第一电极218和第二电极221之间存在高电压条件，使得等离子体可以从通过流体导管208供应的气体中激发。该等离子体可以被RF能量的脉冲激发，然后被随后的一个或多个微波EM脉冲维持。在其他实施方案中，可以使用单独的RF或微波EM能量来激发和/或维持等离子体。
将第二电极形成为分立的突片的好处在于，它对圆柱形盖中的阻抗的影响较小，并且因此有助于通过该设备的能量的有效耦合。
该导电突片可以围绕出口孔口217均匀布置。例如，可以有两个相对的导电突片，或围绕出口孔口以90°间隔布置的四个导电突片。该导电突片提供了其中电弧放电优先发生在连接到同轴传输线的内导体和外导体的导电元件之间的位置。也就是说，电弧放电和由此的等离子体产生优选地发生在第一电极218和第二电极221之间。第一电极218和第二电极221的相对尺寸结合供应给等离子体产生区域的功率来选择，以便实现激发和维持等离子体的电场强度。例如，在气体是氩气的情况下，击穿所需的电场强度可以是600Vmm-1。例如，第一电极218可以具有0.5mm的外径，并且第二电极221可以与第一电极218径向间隔开等于或小于1mm的距离。
绝缘管214覆盖出口孔口217的超出等离子体产生区205的侧表面，以避免在远离第一电极和第二电极的位置中产生不希望的电弧放电。
等离子体可以自然地被来自气体输入管211的气体流的方向引导出绝缘管214的远侧端部。
同时，中空内导体202将水或薄雾经由水导管206传送到第一电极218中的纵向通路，并且作为喷雾向前传送到等离子体产生区205中。这里，等离子体电离水分子以产生羟基自由基，该羟基自由基然后从施加器200流出。绝缘管214可以具有内径，该内径被选择成以增加气体在离开施加器时的速度的方式使出口孔口217变窄。这可以有助于羟基自由基在待灭菌的区域上的分散。例如，绝缘管214可以具有10mm的外径和8mm的内径。
如上所述，在一个实例中，第一电极218本身是形成水导管206的远侧部分的中空管。第一电极可以在其远侧末端具有雾化器，即被构造为从通过水导管206提供的水流产生细小液滴的喷雾头。例如，雾化器可以被构造为产生待被引导到等离子体产生区205中的锥形水薄雾喷雾。
然而，在另一个实施方案中，可通过入口211和通过流体导管208递送气体和水薄雾的混合物来操作施加器200。在这种布置中，内导体202和第一电极218不需要是中空的。当以这种方式操作时，可以在等离子体产生区205产生等离子体，以基本上与如上所述的方式相同的方式使水分子电离并提供羟基自由基。
图3示出了作为本发明的另一个实施方案的施加器300。与上面参考图2讨论的施加器200相对应的施加器300的特征部被赋予相同的附图标记，并且不再被描述。
在施加器300中，能量是利用两个馈送器302、304被耦合到施加器300中，该两个馈送器被安装成横向于同轴传输线201的纵向轴线。第一馈送器302朝向同轴传输线201的近侧端部连接。第一馈送器302是被构造为将微波频率EM能量耦合到同轴传输线201中的同轴馈送线。在这个实例中，同轴传输线201的近侧端部处于短路状态(即，内导体202电连接到外导体204)。第一馈送器302然后被定位在距离同轴传输线201的近侧端部一个四分之一波长距离或奇数倍四分之一波长距离处(在微波频率下)。例如，对于5.8GHz的微波频率，第一馈送器302可以被定位在距离同轴传输线201的近侧端部大约13mm的距离处。
第二馈送器304在施加器300的远侧端部处被设置成穿过圆柱形盖213的侧壁进入等离子体产生区205中。第二馈送器304是被构造为将RF EM能量耦合到等离子体产生区205中的同轴馈送线。为了避免第二馈送器304耦合出微波能量，理想的是将其放置在距离同轴传输线201的近侧端部处的短路状态一个或多个半波长处。
第二馈送器304可以被构造为点火器，该点火器用于递送具有能够在等离子体产生区205中激发热等离子体或非热等离子体的电压的RF脉冲。第二馈送器304包括激发电极314，该激发电极伸出到等离子体产生区205中，以确保等离子体在正确的位置被激发。
第一馈送器302和第二馈送器304可以分别从不同的源接收微波和RF能量，或者经由分开的馈送器从被构造为产生RF和微波信号两者的发生器接收微波和RF能量。
在该实例中，施加器300包括平行于同轴传输线201的气体管道306。如上文参考图1所述，气体(诸如氩气)从气体供应器被馈送到气体管道中。在远侧端部处，气体管道306将气体引导到腔室308中，该腔室在圆柱形盖203的近侧端部处包围同轴传输线201。气体从腔室308通过形成在圆柱形盖203的近侧端部表面中的许多开口310a、310b流入圆柱形盖203的内部容积215中。开口310a、310b围绕同轴传输线201径向间隔开，以确保气体在内部容积215中的均匀分布。
如图2所示的布置，同轴传输线201的内导体202是中空的，以提供水导管206。内导体202伸出超过外导体204的远侧端部进入内部容积215中。内导体202的远侧部分和由圆柱形盖213提供的周围环形导体分别提供了用于将来自同轴传输线201的微波能量耦合到在等离子体产生区205中形成的等离子体中的第一电极和第二电极。因此，可以使用来自第二馈送器304的RF脉冲激发等离子体，并且通过来自第一馈送器302的微波能量来维持该等离子体。
雾化器312设置在内导体202的远侧端部内。雾化器312被构造为在等离子体产生区205中产生锥形水薄雾喷雾。为了产生用于灭菌的羟基自由基，使水传递通过水导管206以产生从雾化器312向外引导的水薄雾。同时，使气体从气体管道306传递到流体导管208中，以确保气体流也通过等离子体产生区205。RF脉冲通过第二馈送器304被递送，以便从气体中激发热等离子体或非热等离子体。使用从第一馈送器302供应到同轴传输线201的微波EM能量的一个或多个脉冲来维持等离子体。以这种方式产生的等离子体使水薄雾中的水分子电离，以产生从等离子体产生区205被引导出来并通过出口216朝向待灭菌的区域的羟基自由基的喷雾。
在前文描述中，或所附权利要求中或附图中公开的特征(其以其特定形式或者根据用于执行所公开的功能的装置，或者用于获得所公开的结果的方法或工艺被表述)在适当时可单独地或以此类特征的任何组合的形式被用于以多样化形式实现本发明。
虽然已经结合上文描述的示例性实施方案描述了本发明，但当给出本公开时，许多等同修改和变型对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，上文阐述的本发明的示例性实施方案应被视为是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对所描述的实施方案作出各种改变。
为了避免任何疑义，本文提供的任何理论解释是出于提高读者的理解的目的而提供的。发明人不希望受到任何这些理论解释的束缚。
在包括所附权利要求的整个说明书中，除非上下文另外要求，否则词语“具有(have)”、“包含(comprise)”和“包括(include)”及变型(诸如“具有(having)”、“包含(comprises/comprising)”和“包括(including)”)将理解为暗示包括陈述的整数或步骤，或整数或步骤的组但不排除任何其它整数或步骤，或整数或步骤的组。
必须注意，除非上下文另有明确指明，否则如在本说明书和所附权利要求中所使用，单数形式“一个/种(a/an)”和“所述”包括复数个提及物。范围在本文中可被表述为从“约”一个特定值和/或到“约”另一个特定值。当表述这种范围时，另一个实施方案包括从该一个特定值和/或到该另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表述为近似值时，应理解，特定值形成另一个实施方案。关于数值的术语“约”是任选的并且表示例如+/-10％。
字词“优选的”和“优选地”在本文中用于指代本发明的在一些情形下可提供某些益处的实施方案。然而，应了解，在相同或不同的情形下，其他实施方案也可为优选的。因此，一个或多个优选的实施方案的叙述并不意味或暗示其他实施方案是无用的，并且不意图将其他实施方案排除在本公开的范围之外，或者权利要求的范围之外。

Claims (25)

1.一种用于产生羟基自由基流的灭菌装置，所述灭菌装置包括：
同轴传输线，所述同轴传输线用于传送射频(RF)和/或微波频率电磁(EM)能量，所述同轴传输线在纵向方向上延伸，并包括内导体和位于所述内导体周围并与所述内导体间隔开的外导体；
端盖，所述端盖安装在所述同轴传输线的远侧端部上，其中所述端盖包括面向远侧的出口孔口；
流体导管，所述流体导管在所述纵向方向上从所述同轴传输线的远侧端部处的流体入口穿过所述端盖延伸到所述出口孔口；以及
等离子体产生区域，所述等离子体产生区域位于所述出口孔口的近侧端部，其中所述等离子体产生区域含有电连接到所述内导体的第一电极和电连接到所述外导体的第二电极，
其中所述流体导管限定穿过所述装置的与流体能够通过所述流体入口被接收的馈送方向对准的纵向流体流动路径，并且
其中所述第一电极和所述第二电极在横跨所述等离子体产生区域中的所述纵向流体流动路径的横向方向上彼此相对。
2.如权利要求1所述的灭菌装置，其中所述流体导管包括所述同轴传输线的所述内导体和所述外导体之间的通路。
3.如权利要求1所述的灭菌装置，其中所述流体导管包括平行于所述同轴传输线延伸的管道。
4.如任一前述权利要求所述的灭菌装置，其还包括被布置成将水递送到所述等离子体产生区域的水导管。
5.如权利要求4所述的灭菌装置，其中所述水导管包括在所述同轴传输线的所述内导体内形成的纵向通道。
6.如权利要求4或5所述的灭菌装置，其中所述水导管包括形成在所述第一电极内的纵向通道。
7.如权利要求4至6中任一项所述的灭菌装置，其还包括位于所述水导管的远侧端部处的喷雾单元。
8.如权利要求7所述的灭菌装置，其中所述喷雾单元包括被构造为产生锥形水薄雾喷雾的雾化器。
9.如权利要求4至8中任一项所述的灭菌装置，其中所述水导管具有近侧入口，并且其中所述水导管限定穿过所述装置的与水能够通过所述近侧入口被接收的馈送方向对准的纵向流动路径。
10.如任一前述权利要求所述的灭菌装置，其中所述第一电极是从所述内导体的远侧端部沿所述纵向方向伸出的杆，所述杆的直径小于所述内导体的直径。
11.如任一前述权利要求所述的灭菌装置，其中所述等离子体产生区域位于所述出口孔口的近侧区域中。
12.如权利要求11所述的灭菌装置，其中所述第二电极包括从所述出口孔口的侧壁向内延伸的多个径向突片。
13.如任一前述权利要求所述的灭菌装置，其还包括在所述出口孔口中从所述等离子体产生区域朝远侧安装的绝缘管。
14.如任一前述权利要求所述的灭菌装置，其还包括横向同轴馈送器，所述横向同轴馈送器被连接成将RF和/或微波能量引入到所述同轴传输线的近侧区域。
15.如权利要求14所述的灭菌装置，其中所述横向同轴馈送器被构造为将微波能量耦合到所述同轴传输线中，并且其中所述横向同轴馈送器连接到所述同轴传输线上的距同轴传输线的近侧端部
Figure FDA0003911425690000021
距离处的点，其中n是正整数，并且λ是由所述同轴传输线传送的所述微波能量的波长。
16.如权利要求14或15所述的灭菌装置，其还包括近侧横向同轴馈送器，所述近侧横向同轴馈送器被连接成将RF能量直接引入到所述等离子体产生区域。
17.如任一前述权利要求所述的灭菌装置，其还包括安装在所述同轴传输线的近侧端部处的扼流圈。
18.如任一前述权利要求所述的灭菌装置，所述灭菌装置被构造为手持式单元。
19.一种灭菌设备，其包括：
如任一前述权利要求所述的灭菌装置；
水供应器，所述水供应器被连接成向所述等离子体产生区域供应水；
气体供应器，所述气体供应器被连接成经由所述流体导管向所述等离子体产生区域供应气体；以及
发生器，所述发生器被连接成向所述等离子体产生区域供应射频(RF)和/或微波频率电磁能量。
20.如权利要求19所述的灭菌设备，其中所述水供应器包括泵。
21.如权利要求19所述的灭菌设备，其中所述水供应器包括薄雾发生器。
22.如权利要求21所述的灭菌设备，其中所述薄雾发生器包括：
超声波换能器，或
加热元件。
23.如权利要求21或22所述的灭菌设备，其中所述气体供应器被连接成经由所述薄雾发生器向手持式灭菌装置供应气体。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的灭菌设备，其中所述气体供应器是氩气的供应器。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的灭菌设备，其中所述发生器由电池提供动力。
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