針—菌液電暈放電與輝光放電實現(xiàn)等離子體滅菌*

賀珍珍， 蔣林秀， 陳彥伶， 鄧敏超， 蔣永榮， 李 華

(桂林電子科技大學 生命與環(huán)境科學學院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

常規(guī)的醫(yī)療器械消毒滅菌方法存在溫度高、時間長、有殘留、危害環(huán)境等缺陷[1，2]。因此，需要研究新的滅菌方法。等離子體消毒滅菌技術能克服傳統(tǒng)滅菌方法的一些局限性和不足，提高消毒滅菌效果，其突出特點是作用快速、滅菌效率高、作用溫度低和清潔無殘留[3]。

1996年,美國的Laroussi M課題組[4]在世界上首次將大氣壓低溫等離子體技術應用于滅菌消毒。韓國Ku Y B等人[5]研究發(fā)現(xiàn)空氣等離子射流在水環(huán)境下會使pH值降低，較低pH溶液對某些微生物的滅活效率有了很大提高。加拿大Lerouge S等人[6]研究了等離子體滅菌器中不同氣體組分對細菌芽孢的蝕刻和殺滅作用，發(fā)現(xiàn)蝕刻速率越高滅菌效率越高。法國Terrier O等人[7]利用氧氣等離子體殺滅空氣中病毒，發(fā)現(xiàn)在空氣流速為0.9 m/s，停留時間為0.44 s時，副流感病毒、合胞病毒和流感病毒分別下降了6.5，3.8，4 個對數(shù)。國內(nèi)，華中科技大學盧新培等人[8]利用高壓脈沖電源通入氦氣及1 %氧氣混合氣體產(chǎn)生大氣壓室溫等離子體射流，分析發(fā)現(xiàn)該射流中產(chǎn)生的活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)和活性氮簇(reactive nitrogen species,RNS)對HepG2肝癌細胞的生理作用和細胞凋亡有很大影響。浙江大學鄭超等人[9]采用沿水面的火花放電殺滅水中的大腸桿菌，當細菌密度低于106 cfu/mL時，僅數(shù)秒即可殺滅水中所有的細胞。

本文在大量實驗的基礎上，經(jīng)過深入分析，研制了一種針—菌液等離子體裝置，克服了目前大多等離子體產(chǎn)生設備體積龐大、功率消耗高等缺點，只需在正常大氣壓條件下、不需要外接惰性氣體即可實現(xiàn)滅菌。設備體積小、易攜帶、效能好，可廣泛應用于殺菌消毒的多種場合。

1 實驗裝置

圖1為設計的實驗裝置，由0～-20 000 V可調(diào)的直流負高壓電源、針—菌液放電裝置、放電回路、測試系統(tǒng)等組成。針—菌液放電裝置由1 mm的鎢針和菌液構成，針接負高壓，菌液接地。放電回路由直流負高壓電源、12 MΩ鎮(zhèn)流電阻器和1 kΩ測試電阻器構成，前者用于保護整個電路及實驗的安全并且抑制放電過程中的電弧放電，后者用于使示波器讀取的放電電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，便于觀察波形[10，11]。測試系統(tǒng)由示波器和萬用表組成，萬用表通過測量測試電阻器兩端電壓，獲取電路電流，通過觀察示波器波形判斷電暈放電或輝光放電。

圖1 整體實驗裝置

2 實驗結(jié)果與分析

在鎮(zhèn)流電阻值為12 MΩ，測試電阻值為1 kΩ，大氣壓環(huán)境、室溫、無外部通入氣流時進行等離子體滅菌實驗。在針和菌液兩端加電壓，當施加的電壓為-5 kV時，電流為幾十微安(μA)，示波器出現(xiàn)如圖2(a)所示的波形(特里切爾脈沖波)，即形成電暈放電。隨著電壓的增加，特里切爾脈沖波的頻率增加，如圖2(b)、圖2(c)。當電壓增加到-9.6 kV時，電流為幾百微安，此時放電脈沖消失，波形為直流電壓信號，如圖2(d)，即進入輝光放電階段，該放電波形演變?yōu)榈湫偷碾姇灧烹娺^渡到輝光放電的過程[12]。

圖2 電暈放電到輝光放電過程的放電波形

采用尼康D7000及Sigma 150 mm f/2.8 EX DG HSM微距鏡頭對針—菌液的放電圖像進行拍攝。當所加電壓為-5 kV時，形成了電暈放電，此時放電主要集中在針尖處，針尖處出現(xiàn)了紫色的光芒，說明針尖處的場強最高。隨著電壓加大，發(fā)光的區(qū)域由針尖逐漸擴展到了菌液以及針與菌液之間的區(qū)域，當電壓加到-9.6 kV時，形成輝光放電，有紫色的亮光，形狀類似圓錐形，圓錐的頂部位于針尖附近，圓錐的底部位于菌液上[13]。

實驗時,將菌液稀釋104倍,并取100 μL置于培養(yǎng)皿與高壓電源的地相連，采用直接滅菌方式對大腸桿菌(革蘭氏陰性菌)和金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性菌)進行60 s滅菌。滅菌后再將該100 μL菌液涂抹于培養(yǎng)基并置于37 ℃的生化培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h。實驗中設置了一組未經(jīng)過等離子體處理的對照組以比較不同的滅菌效果，且為每個實驗培養(yǎng)了兩個培養(yǎng)皿樣品以獲得更為準確的實驗結(jié)果。實驗結(jié)果如圖3所示，培養(yǎng)皿內(nèi)襯底為培養(yǎng)基，斑點為菌落。

圖3 針—菌液放電對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺滅效果

由圖3可以看出：當處理時間相同，輝光放電產(chǎn)生的等離子體的殺滅效果優(yōu)于電暈放電。可能與放電電壓有關，放電電壓增高過程中，滅活效果增加[14]。從實驗可以看出：等離子體對細菌有高效的殺滅效果，這可能是因為空氣中大氣壓放電會產(chǎn)生化學活性物質(zhì)：氧離子和其他帶電物質(zhì)如N+,NO+,NO-，羥基和氫過氧基(OH和HO2)，氫過氧化物(H2O2)，一氧化二氮(N2O)和其他氮氧化物(NO,NO2,N2O4,N2O5)和中性物質(zhì)，包括原子氧，臭氧和氧氣單態(tài)的分子[15，16]。且有研究指出活性粒子(如 O，OH，NO2)在滅菌中起了最主要的作用[17]。當處理物中含有水分子時，等離子體即產(chǎn)生一定量的OH。OH具有較高的活性，與生物體作用時也可能起到重要作用。此外，OH容易溶解于水還會改變?nèi)菀旱膒H值，從而起到間接作用[18]。

實驗中，金黃色葡萄球菌經(jīng)60 s電暈放電處理后殺滅率并未達到100 %。這可能與其細胞結(jié)構有關[19～21]，因大腸桿菌屬于革蘭氏陰性菌，而金黃色葡萄球菌屬于革蘭氏陽性菌。革蘭氏陽性菌的細胞壁比較厚，而革蘭氏陰性菌的細胞壁有兩層膜，脂質(zhì)成分比較高，使得等離子體中的各種活性物質(zhì)更容易與其發(fā)生反應，且更容易在細胞外膜表面的積累帶電粒子，產(chǎn)生了超過細胞膜自身張力的靜電力，使細胞破裂發(fā)生溶解。另一可能的原因是金黃色葡萄球菌等電點(pI)為2～3，低于大腸桿菌等電點(pI)4～5，前者帶更多負電荷[22]，而實驗中加的電壓為負電壓，所以,與大腸桿菌相比，金黃色葡萄球菌的細胞內(nèi)環(huán)境更難被破壞，更難殺滅。但輝光放電對金黃色葡萄球菌殺滅效果更好。

3 結(jié) 論

通過設計等離子體滅菌裝置及其實驗研究探討了對醫(yī)療器械進行滅菌消毒的方法。實驗結(jié)果表明：等離子體滅菌效果好、速度快。革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌對2個實驗變量的敏感性有較大差異，且輝光放電滅菌效果好于電暈放電。后續(xù)可根據(jù)前述影響及實驗數(shù)據(jù)優(yōu)化實驗裝置，如設計多針式裝置，改變針間及針與培養(yǎng)皿中培養(yǎng)基表面的距離等。