用等離子體射流處理乙醇水溶液，對(duì)傷口刺激性小，滅菌效率高

原創(chuàng)2021-05-11 06:58·電氣技術(shù)

團(tuán)隊(duì)介紹

劉定新，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)副主任。主要從事氣體放電等離子體理論與技術(shù)、等離子體生物醫(yī)學(xué)技術(shù)等研究工作，以第一或通訊作者發(fā)表SCI論文100余篇，被SCI引用2000余次。

作為主要完成人獲得省部級(jí)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)3次，在本領(lǐng)域主要學(xué)術(shù)會(huì)議做特邀報(bào)告10余次。指導(dǎo)學(xué)生多次獲得各項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì),包括I0P中國(guó)區(qū)高被引作者獎(jiǎng)、國(guó)際權(quán)威期刊亮點(diǎn)論文獎(jiǎng)、“挑戰(zhàn)杯”科技競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)等。

夏文杰，河北工業(yè)大學(xué)講師，主要從事氣體放電等離子體及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、生物電磁技術(shù)等研究工作，發(fā)表論文10余篇，其中在Appl. Phys. Lett.和Plasma Sources Sci. Technol.等頂級(jí)期刊發(fā)表論文3篇。

大氣壓等離子體射流可以將等離子體中的短壽命活性粒子和帶電粒子直接作用于微生物并誘導(dǎo)滅菌效應(yīng)，但由于放電功率和處理面積較小，其在短時(shí)間內(nèi)難以滅活水溶液中的多重耐藥微生物。

 

而乙醇是一種醫(yī)療上常用的消毒劑，但高濃度乙醇對(duì)傷口刺激性較強(qiáng)，低濃度乙醇對(duì)耐藥微生物的滅活效果又較差。理論上等離子射流與乙醇溶液相互作用可以產(chǎn)生協(xié)同滅菌效應(yīng)。

 

基于此，本文研究了被處理水溶液中少量乙醇摻雜對(duì)Ar等離子體射流放電特性和滅菌效應(yīng)的影響規(guī)律，制備出一種對(duì)傷口刺激性小且滅菌效率高的Ar射流等離子體活化乙醇溶液，并闡述了其滅菌機(jī)理。

研究背景

在等離子體射流滅菌應(yīng)用中，微生物往往處于傷口滲出液等液體環(huán)境中，使得等離子體與水溶液的相互作用不可避免。一般認(rèn)為，液相活性氧粒子和活性氮粒子在滅菌效應(yīng)中起著最關(guān)鍵作用。

然而，由于放電功率和處理面積較小，等離子體射流與水溶液在較短時(shí)間內(nèi)相互作用產(chǎn)生的液相活性氧粒子和活性氮粒子濃度往往較低，使得對(duì)水溶液中的微生物尤其是多重耐藥微生物的滅活效果較差。

值得注意的是，乙醇是一種醫(yī)療上常用的消毒劑，但是高濃度的乙醇對(duì)傷口具有強(qiáng)烈的刺激性，而低濃度的乙醇對(duì)耐藥微生物的滅活效果較差。理論上等離子射流與乙醇溶液相互作用可以產(chǎn)生協(xié)同滅菌效應(yīng)。同時(shí)，相比于價(jià)格昂貴的氦氣，氬氣（Ar）是一種較為便宜的稀有氣體，在工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用中Ar常作為工作氣體來(lái)產(chǎn)生等離子體。

為了制備一種對(duì)傷口刺激性小且滅菌效率高的Ar射流等離子體活化乙醇溶液，有必要研究被處理水溶液中少量乙醇摻雜對(duì)Ar等離子體射流放電特性和滅菌效應(yīng)的影響。

論文所解決的問(wèn)題及意義

針對(duì)等離子體射流在短時(shí)間內(nèi)難以滅活水溶液中的多重耐藥微生物、高濃度乙醇對(duì)傷口刺激性較強(qiáng)等問(wèn)題，本文提出了在Ar等離子體射流處理的水溶液中摻雜少量乙醇以增強(qiáng)滅菌效果的方法，制備出一種對(duì)傷口刺激性小且滅菌效率高的Ar射流等離子體活化乙醇溶液，并闡述了其滅菌機(jī)理，對(duì)等離子體射流滅菌應(yīng)用的發(fā)展具有重要意義。

圖1 Ar等離子體射流處理乙醇溶液

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

首先，對(duì)比了放電和不放電兩種情況下Ar射流等離子體活化乙醇溶液（Plasma-activated Ethanol Solution，簡(jiǎn)稱PAES）和乙醇溶液對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的滅活效果，發(fā)現(xiàn)在被處理的水溶液中摻雜20%乙醇可使PAES的滅菌效果提高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

為了增強(qiáng)PAES的滅菌效果，同時(shí)降低乙醇對(duì)傷口的刺激性，進(jìn)一步研究了低乙醇濃度下工作氣體中不同O2或N2摻雜濃度對(duì)滅菌效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作氣體中摻雜0.2%N2時(shí)，只需在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇，即可提高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上的滅菌效果。

再次，提出在屏蔽罩中通入Ar+O2以優(yōu)化PAES滅菌效果的方法，通過(guò)放電特性和發(fā)射光譜分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)屏蔽罩中摻雜1%O2時(shí)，只需在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇，即可提高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上的滅菌效果；同時(shí)發(fā)現(xiàn)2%乙醇摻雜可使等離子體中多個(gè)放電通道交疊，原因可能是亞穩(wěn)態(tài)Ar*和乙醇?xì)怏w分子在氣液界面的彭寧電離作用。

最后，通過(guò)液相活性粒子檢測(cè)分析，闡述了過(guò)氧乙酸可能在滅菌過(guò)程中起主導(dǎo)作用，而過(guò)氧亞硝酸和過(guò)氧乙酸可能協(xié)同作用增強(qiáng)了滅菌效果。

結(jié)論

本文提出了一種Ar等離子體射流和乙醇溶液協(xié)同滅菌的方法，揭示了被處理的水溶液中少量乙醇摻雜對(duì)Ar等離子體射流放電特性和滅菌效應(yīng)的影響規(guī)律：

（1）在被處理的水溶液中摻雜20%乙醇溶液可使等離子體活化水的滅菌效果提高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

（2）無(wú)屏蔽罩時(shí)，當(dāng)工作氣體Ar中摻雜0.2%N2時(shí)，只需在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇，即可使等離子體活化水的滅菌效果提高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

（3）當(dāng)屏蔽罩中摻雜1%O2時(shí)，在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇即可提高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上的滅菌效果。同時(shí)，2%乙醇摻雜可使等離子體中多個(gè)放電通道交疊，原因可能是亞穩(wěn)態(tài)Ar*和乙醇?xì)怏w分子在氣液界面的彭寧電離作用。

（4）闡述了等離子體活化乙醇溶液中過(guò)氧乙酸可能在滅菌過(guò)程中起主導(dǎo)作用，而過(guò)氧亞硝酸和過(guò)氧乙酸可能協(xié)同作用增強(qiáng)滅菌效果。

引用本文

夏文杰， 劉定新. Ar等離子體射流處理乙醇水溶液的放電特性及滅菌效應(yīng)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(4): 765-776. Xia Wenjie, Liu Dingxin. Discharge Characteristics and Bactericidal Effect of Ar Plasma Jet Treating Ethanol Aqueous Solution. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(4): 765-776.