用等離子體射流處理乙醇水溶液，對傷口刺激性小，滅菌效率高

原創2021-05-11 06:58·電氣技術

團隊介紹

劉定新，西安交通大學電氣工程學院教授，博士生導師，國家自然科學基金優秀青年基金獲得者，中國電工技術學會青年工作委員會副主任。主要從事氣體放電等離子體理論與技術、等離子體生物醫學技術等研究工作，以第一或通訊作者發表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科學技術一等獎3次，在本領域主要學術會議做特邀報告10余次。指導學生多次獲得各項獎勵,包括I0P中國區高被引作者獎、國際權威期刊亮點論文獎、“挑戰杯”科技競賽全國一等獎等。

夏文杰，河北工業大學講師，主要從事氣體放電等離子體及其生物醫學應用、生物電磁技術等研究工作，發表論文10余篇，其中在Appl. Phys. Lett.和Plasma Sources Sci. Technol.等頂級期刊發表論文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滅菌效應，但由于放電功率和處理面積較小，其在短時間內難以滅活水溶液中的多重耐藥微生物。

 

而乙醇是一種醫療上常用的消毒劑，但高濃度乙醇對傷口刺激性較強，低濃度乙醇對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生協同滅菌效應。

 

基于此，本文研究了被處理水溶液中少量乙醇摻雜對Ar等離子體射流放電特性和滅菌效應的影響規律，制備出一種對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，并闡述了其滅菌機理。

研究背景

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

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間內相互作用產生的液相活性氧粒子和活性氮粒子濃度往往較低，使得對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，乙醇是一種醫療上常用的消毒劑，但是高濃度的乙醇對傷口具有強烈的刺激性，而低濃度的乙醇對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生協同滅菌效應。同時，相比于價格昂貴的氦氣，氬氣（Ar）是一種較為便宜的稀有氣體，在工業大規模應用中Ar常作為工作氣體來產生等離子體。

為了制備一種對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Ar等離子體射流放電特性和滅菌效應的影響。

論文所解決的問題及意義

針對等離子體射流在短時間內難以滅活水溶液中的多重耐藥微生物、高濃度乙醇對傷口刺激性較強等問題，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滅菌效果的方法，制備出一種對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，并闡述了其滅菌機理，對等離子體射流滅菌應用的發展具有重要意義。

圖1 Ar等離子體射流處理乙醇溶液

論文方法及創新點

首先，對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，簡稱PAES）和乙醇溶液對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的滅活效果，發現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個數量級以上。

為了增強PAES的滅菌效果，同時降低乙醇對傷口的刺激性，進一步研究了低乙醇濃度下工作氣體中不同O2或N2摻雜濃度對滅菌效果的影響，發現當工作氣體中摻雜0.2%N2時，只需在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇，即可提高5個數量級以上的滅菌效果。

再次，提出在屏蔽罩中通入Ar+O2以優化PAES滅菌效果的方法，通過放電特性和發射光譜分析，發現當屏蔽罩中摻雜1%O2時，只需在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇，即可提高5個數量級以上的滅菌效果；同時發現2%乙醇摻雜可使等離子體中多個放電通道交疊，原因可能是亞穩態Ar*和乙醇氣體分子在氣液界面的彭寧電離作用。

最后，通過液相活性粒子檢測分析，闡述了過氧乙酸可能在滅菌過程中起主導作用，而過氧亞硝酸和過氧乙酸可能協同作用增強了滅菌效果。

結論

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

（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個數量級以上。

（2）無屏蔽罩時，當工作氣體Ar中摻雜0.2%N2時，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個數量級以上。

（3）當屏蔽罩中摻雜1%O2時，在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇即可提高5個數量級以上的滅菌效果。同時，2%乙醇摻雜可使等離子體中多個放電通道交疊，原因可能是亞穩態Ar*和乙醇氣體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氧乙酸可能在滅菌過程中起主導作用，而過氧亞硝酸和過氧乙酸可能協同作用增強滅菌效果。

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[J]. 電工技術學報， 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.