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)

夏文杰1,2劉定新2

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130 2. 西安交通大學(xué)等離子體生物醫(yī)學(xué)研究中心 西安 710049）

乙醇是一種醫(yī)療上常用的消毒劑，理論上在Ar等離子體射流處理的水溶液中摻雜乙醇可以增強(qiáng)滅菌效果。通過對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的滅活實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在被處理的水溶液中摻雜20%乙醇可使Ar射流等離子體活化水的滅菌效果提高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。進(jìn)一步地，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作氣體中摻雜0.2%N2或在屏蔽罩中摻雜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，通過對(duì)液相活性粒子的檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)等離子體活化乙醇溶液中的過氧乙酸可能在滅菌過程中起主導(dǎo)作用，而過氧亞硝酸和過氧乙酸可能協(xié)同作用增強(qiáng)了滅菌效果。

Ar等離子體射流 乙醇 放電特性 滅菌效應(yīng)

0 引言

近年來，大氣壓等離子體射流由于可以直接將等離子體中的短壽命活性粒子和帶電粒子作用于生命體并誘導(dǎo)生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)，在癌癥治療、傷口愈合、消毒與滅菌等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用得到了快速發(fā) 展[1-5]。在這些應(yīng)用中，被處理的生物物質(zhì)往往處于潮濕或液體環(huán)境中，使得等離子體與水溶液的相互作用不可避免[6-7]。同時(shí)，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)等離子體產(chǎn)生的紫外輻射、局部熱場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)、帶電粒子以及活性粒子等可通過改變細(xì)胞所處液相環(huán)境（主要是液相活性粒子的改變）而產(chǎn)生生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)[2]。一般認(rèn)為，等離子體與水溶液相互作用產(chǎn)生的活性氧粒子（Reactive Oxygen Species, ROS）和活性氮粒子（Reactive Nitrogen Species, RNS）在生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)中起著最關(guān)鍵作用[8-10]。這些ROS和RNS可分為長(zhǎng)壽命活性粒子，如過氧化氫（H2O2）、臭氧（O3）、硝酸（HNO3/NO3-）、亞硝酸（HNO2/NO2-）等，以及短壽命活性粒子，如羥基（·OH）、超氧陰離子（O2·-/HOO·）、過氧亞硝酸（ONOOH/·ONOO-）、過氧硝酸（O2NOOH/O2NOO-）等[11-17]。

然而，等離子體射流由于放電功率和處理面積較小，在較短時(shí)間內(nèi)與水溶液相互作用產(chǎn)生的液相ROS和RNS濃度往往較低。在一些對(duì)化學(xué)活性要求較高的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，如微生物滅活，等離子體射流很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的處理效果，尤其是對(duì)水溶液中多重耐藥微生物的滅活。例如：Ma Ruonan等采用Ar+2%O2等離子體射流處理去離子水10min，再用生成的等離子體活化水處理金黃色葡萄球菌15min，發(fā)現(xiàn)只能使其細(xì)菌菌落數(shù)（Colony- Forming Unit, CFU）降低1.9個(gè)數(shù)量級(jí)[18]；Xu Yingyin等采用Ar+2%O2等離子體射流處理去離子水20min，再用等離子體活化水處理好氧嗜常溫菌5min，發(fā)現(xiàn)只能取得0.22個(gè)數(shù)量級(jí)的滅菌效果[19]；Xia Wenjie等分別采用Ar和Ar+0.08%O2等離子體射流處理耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（Methicillin- Resistant, MRSA）懸液5min，發(fā)現(xiàn)都沒有滅菌效果[20]。因此，如何提升等離子體射流與水溶液相互作用產(chǎn)生的液相ROS和RNS的成分和濃度，以增強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用效果，是等離子體射流在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵問題。

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[21-23]。因此，在工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用中，Ar常作為工作氣體來產(chǎn)生等離子體[24-26]。本文針對(duì)Ar等離子體射流處理水溶液，研究了被處理的水溶液中少量乙醇摻雜對(duì)放電特性和滅菌效應(yīng)的影響。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, PAES）和乙醇溶液對(duì)MRSA的滅活效果。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。通過放電特性和發(fā)射光譜分析，提出在屏蔽罩中通入Ar+O2以優(yōu)化PAES滅菌效果的方法。最后，通過液相活性粒子檢測(cè)分析，闡述PAES的滅菌機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

圖1展示了Ar等離子體射流處理乙醇溶液以及PAES用于滅菌處理的實(shí)驗(yàn)裝置。等離子體射流源采用針-環(huán)電極結(jié)構(gòu)，高壓電極采用石英帽包裹的鎢針電極，與高壓納秒脈沖電源相連；環(huán)形接地電極則由10mm寬的銅箔包裹在石英管外構(gòu)成，位于氣流下游端。高壓針電極與環(huán)形接地電極、環(huán)形接地電極與石英管管口的間距都為5mm。石英管的內(nèi)徑為4.0mm，外徑為6.0mm。工作氣體通路包含Ar、O2和N2三條氣體支路。通過質(zhì)量流量控制器分別產(chǎn)生Ar、Ar+O2混合氣體和Ar+N2混合氣體三種工作氣體，并通入等離子體射流源中，總氣體流量都為5L/min。其中，O2或N2摻雜比控制為0.08%、0.2%、0.5%、1%。為了保證Ar等離子體射流能作用到乙醇溶液的液面，高壓納秒脈沖電源的電壓幅值選定為8.0kV，頻率選定為23kHz，脈寬選定為6.0ms。待處理的乙醇溶液（體積為1.0mL）置于直徑為15mm的石英圓皿中，液面和石英管管口的間距為15mm。

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，采用高壓電壓探頭Tektronix P6015A和電流探頭Pearson 2877分別測(cè)量電壓幅值和流經(jīng)地電極的電流。通過泰克示波器Tektronix MDO3054（帶寬為500MHz，采樣頻率為2.5GS/s）對(duì)電壓和電流波形進(jìn)行采集。放電圖像由數(shù)碼相機(jī)Nikon D7000拍攝，曝光時(shí)間為1.0s。等離子體時(shí)空演化過程的圖像由型號(hào)為PI-MAX3的增強(qiáng)型電荷耦合裝置（Intensified Charge-Coupled Device, ICCD）相機(jī)拍攝，曝光時(shí)間為20ns。同時(shí)，采用型號(hào)為SR750的Andor光學(xué)發(fā)射光譜儀對(duì)石英管管口處的輻射激發(fā)態(tài)粒子進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射光譜檢測(cè)范圍為300～800nm，分辨率0.015nm。此外，采用型號(hào)為SQD2的Waters H-Class UPLC液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和型號(hào)為EXM+的Bruker電子自旋共振波譜儀對(duì)等離子體活化乙醇溶液中的活性粒子進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中采用捕捉劑TEMPONE-H與等離子體活化乙醇溶液中的·ONOO-/O2·-反應(yīng)生成自旋加合物TEMPONE·。自旋加合物譜線通過電子自旋共振波譜儀測(cè)得，并通過SpinFit軟件進(jìn)行擬合排除噪聲干擾，再通過雙積分值與自由基濃度的線性關(guān)系換算得到樣品中加合物的濃度。濃度換算的線性關(guān)系采用TEMPONE˙標(biāo)準(zhǔn)曲線的換算公式。

圖1 Ar等離子體射流處理乙醇溶液及PAES滅菌裝置

在PAES滅菌實(shí)驗(yàn)中，采用微生物滅活實(shí)驗(yàn)中常用的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。具體過程如下：

（1）MRSA懸液制備。首先，將MRSA在4mL的胰蛋白胨大豆肉湯（Tryptone Soybean Broth, TSB）液體培養(yǎng)基中37℃過夜培養(yǎng)。然后，將300mL培養(yǎng)液轉(zhuǎn)移到30mL的TSB液體培養(yǎng)基中進(jìn)一步37℃培養(yǎng)3h，再以4 000r/min的速度離心2min，接著在生理鹽水溶液中重懸MRSA。通過紫外-可見分光光度計(jì)檢測(cè)MRSA懸浮液的吸光度，也即光密度（Optical Density, OD）。其在波長(zhǎng)max= 600nm處有最大吸收強(qiáng)度，從而制備OD600=1的MRSA懸液，其濃度約為1×109CFU·mL-1。

（2）PAES滅活MRSA。首先，在等離子體射流活化1mL乙醇溶液5min后，立即攪拌石英皿中的PAES 5s。然后，用移液槍將450mL的PAES轉(zhuǎn)移到含有50mL MRSA懸液的離心管中，孵化5min。

（3）細(xì)菌存活菌落數(shù)統(tǒng)計(jì)。采用10倍梯度稀釋法在磷酸緩沖鹽溶液中對(duì)處理后的MRSA懸液（5× 107CFU·mL-1）進(jìn)行稀釋，然后在TSB瓊脂板上進(jìn)行涂布，每個(gè)稀釋濃度取3個(gè)10mL的樣品，培養(yǎng)24h后統(tǒng)計(jì)細(xì)菌菌落數(shù)即可計(jì)算出每毫升處理后的細(xì)菌懸浮液中存活的細(xì)菌菌落總數(shù)。

2 滅菌效果的對(duì)比分析

2.1 放電與不放電兩種情況下滅菌效果的對(duì)比

圖2 放電和不放電兩種情況下PAES和乙醇溶液對(duì)MRSA的滅活效果

2.2 Ar中摻雜O2/N2的滅菌效果分析

由于20%乙醇對(duì)于傷口的刺激性仍較大，為了降低乙醇對(duì)傷口的刺激性，同時(shí)增強(qiáng)PAES的滅菌效果，本小節(jié)進(jìn)一步研究了工作氣體中不同O2或N2摻雜濃度對(duì)滅菌效果的影響。

工作氣體Ar中不同O2或N2摻雜濃度下PAES對(duì)MRSA的滅活效果如圖3所示。當(dāng)工作氣體Ar中摻雜O2后，PAES反而失去對(duì)MRSA的滅活效果，如圖3a所示。原因可能是電負(fù)性氧氣大量吸附等離子體中的電子，從而影響等離子體射流與乙醇溶液的相互作用。當(dāng)工作氣體Ar中摻雜N2時(shí)，PAES的滅菌效果隨著乙醇濃度的增加逐漸增強(qiáng)，隨著N2濃度的增加先增強(qiáng)后減弱，如圖3b所示。其中，當(dāng)N2摻雜濃度為0.2%時(shí)，PAES的滅菌效果最佳，此時(shí)在2%乙醇濃度條件下就能實(shí)現(xiàn)5個(gè)數(shù)量級(jí)以上滅菌效果的增強(qiáng)。原因可能是少量的N2摻雜可以促進(jìn)RNS的產(chǎn)生，而較高濃度的N2摻雜使得電子與N2的碰撞電離加劇，對(duì)放電特性產(chǎn)生較大影響，從而影響等離子體射流與水溶液的相互作用。

3 放電特性及發(fā)射光譜的分析

3.1 電壓電流特性的分析

圖4展示了Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的電壓電流波形。在電壓波形上升沿和下降沿處，電流波形的放大圖像為多條抖動(dòng)的曲線（此處用三條曲線進(jìn)行示意）。這表明即使在納秒脈沖電壓的激勵(lì)下，Ar等離子體射流的電流波形仍不穩(wěn)定，即Ar等離子體射流仍處于絲狀放電模式。隨著工作氣體Ar中O2摻雜濃度的增加（0～1%），電流波形變得更加不穩(wěn)定，這說明O2的摻雜不利于Ar等離子體射流的彌散化。隨著工作氣體Ar中N2摻雜濃度的增加（0～1%），電流波形仍不穩(wěn)定（由于摻雜O2或N2后Ar等離子體射流的電流波形都不穩(wěn)定，且和圖4相似，沒有給出它們的電壓電流波形）。

圖4 Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的電壓電流波形

3.2 放電圖像的分析

圖5展示了工作氣體Ar中不同O2或N2摻雜濃度下等離子體射流處理2%乙醇溶液的放電圖像。隨著工作氣體Ar中O2摻雜濃度的逐漸增加（0～1%），Ar+O2等離子體羽流的長(zhǎng)度逐漸變短。甚至當(dāng)O2摻雜濃度為1%時(shí)，等離子體羽流不能噴出石英管的管口。而隨著工作氣體Ar中N2摻雜濃度的逐漸增加（0～1%），Ar+N2等離子體羽流的形態(tài)沒有發(fā)生明顯改變，且都能作用于乙醇溶液。原因是電負(fù)性的O2具有較高的電子親和勢(shì)（0.45eV），吸附了大量電子，從而阻礙了等離子體羽流向前傳播，導(dǎo)致等離子體羽流長(zhǎng)度變短。而摻雜O2和N2后等離子羽流長(zhǎng)度的差異可能導(dǎo)致PAES滅菌效果的不同。

3.3 等離子體時(shí)空演化特性的分析

為了研究Ar+O2/N2等離子體射流與乙醇溶液相互作用的動(dòng)態(tài)過程，通過ICCD相機(jī)拍攝了Ar+ O2/N2等離子體射流處理2%乙醇溶液的短時(shí)間曝光圖像。

圖5 工作氣體Ar中摻雜不同O2或N2濃度時(shí)等離子體射流處理2%乙醇溶液的放電圖像

圖6a展示了Ar+O2等離子體射流處理2%乙醇溶液的等離子體時(shí)空演化過程。隨著O2摻雜濃度的升高，等離子體持續(xù)時(shí)間逐漸變短；當(dāng)O2濃度為0.2%時(shí)，等離子體不能作用到液面；當(dāng)O2濃度為1%時(shí)，等離子體不能噴出石英管管口。結(jié)合圖3a滅菌效果，分析認(rèn)為，等離子體射流作用到液面的持續(xù)時(shí)間可能是影響滅菌效果的重要因素。圖6b展示了Ar+N2等離子體射流處理2%乙醇溶液的等離子體時(shí)空演化過程。隨著N2摻雜濃度的增加（0～1%），等離子體在空氣中傳播的持續(xù)時(shí)間稍微變短（1 250ns→1 050ns），且仍一直能作用到液面。

3.4 氣液界面發(fā)射光譜的分析

由于液相活性粒子可以通過氣相活性粒子傳質(zhì)到水溶液中，并與水分子、有機(jī)溶質(zhì)（主要是乙醇）、無機(jī)溶質(zhì)（溶解O2、N2等）等反應(yīng)產(chǎn)生，本節(jié)對(duì)氣液界面激發(fā)態(tài)粒子的發(fā)射光譜進(jìn)行了檢測(cè)與分析。

圖6 Ar+O2/N2等離子體射流處理2%乙醇溶液的等離子體時(shí)空演化圖像

式中，hv為光子。Ar原子譜線則集中在690～800nm這一范圍內(nèi)，都是屬于4p→3s的躍遷。其中，波長(zhǎng)為696.5nm的Ar原子譜線，即Ar原子從2P2激發(fā)態(tài)躍遷到1S5亞穩(wěn)態(tài)的譜線，具有最大的發(fā)射強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，研究了氣液界面處激發(fā)態(tài)粒子OH（309nm）、N2（337nm）、Ar（696.5nm）的發(fā)射強(qiáng)度隨工作氣體Ar中O2和N2摻雜濃度的變化。隨著O2摻雜濃度的升高，OH（309nm）、N2（337nm）、Ar（696.5nm）的發(fā)射強(qiáng)度都逐漸降低，如圖8a所示。隨著N2摻雜濃度的升高，Ar（696.5nm）和OH（309nm）的發(fā)射強(qiáng)度都逐漸降低，而N2（337nm）的發(fā)射強(qiáng)度逐漸升高，如圖8b所示。

4 滅菌效果的優(yōu)化

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化

當(dāng)工作氣體Ar中摻雜O2后，PAES反而失去了對(duì)MRSA的滅活效果。通過放電特性和發(fā)射光譜分析發(fā)現(xiàn)，工作氣體Ar中O2的摻雜使得等離子體作用不到液面，同時(shí)氣液界面各種激發(fā)態(tài)粒子的發(fā)射強(qiáng)度也降低。由于工作氣體中摻雜電負(fù)性O(shè)2對(duì)放電特性和激發(fā)態(tài)粒子的負(fù)面影響較大，同時(shí)O2對(duì)液相ROS和RNS的生成又不可或缺，本節(jié)通過在石英屏蔽罩中通入Ar+O2，研究了環(huán)境氣體中不同O2濃度對(duì)Ar等離子射流活化乙醇溶液滅菌效果的影響，實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。石英屏蔽罩置于聚四氟乙烯膠墊上，體積為5cm×5cm×5cm。通入石英屏蔽罩的Ar+O2流速為5L/min。

圖8 氣液界面處激發(fā)態(tài)粒子的發(fā)射強(qiáng)度隨工作氣體Ar中不同O2或N2摻雜濃度的變化

4.2 屏蔽罩中通入Ar+O2時(shí)的放電圖像

屏蔽罩中通入Ar+O2時(shí)Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的放電圖像如圖10所示。當(dāng)石英屏蔽罩中通入Ar+O2后，隨著環(huán)境氣體中O2摻雜濃度的升高（0～1%），Ar等離子體射流的羽流形態(tài)變化不大，且等離子體羽流都能作用到液面。相比于在工作氣體中摻雜O2（見圖5a），環(huán)境氣體中相同濃度的O2摻雜對(duì)等離子體羽流的影響較小。

圖9 Ar等離子體射流處理乙醇溶液且石英屏蔽罩中通入Ar+O2的實(shí)驗(yàn)裝置

圖10 屏蔽罩中通入Ar+O2時(shí)Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的放電圖像

4.3 屏蔽罩中通入Ar+O2時(shí)的等離子體時(shí)空演化特性

圖11展示了在屏蔽罩中通入Ar+O2后，不同O2摻雜濃度下Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的時(shí)空演化過程。結(jié)果表明，隨著O2摻雜濃度的升高（0～1%），Ar等離子體都能作用到液面，且Ar等離子體射流作用到液面的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于未添加屏蔽罩的情況（見圖6a）。特別是當(dāng)O2摻雜濃度為1%時(shí)，在屏蔽罩中通入Ar+O2情況下，Ar等離子體射流作用到液面的持續(xù)時(shí)間約為400ns，而不加屏蔽罩情況下，Ar+O2等離子體射流不能從管口噴出。

值得注意的是，在添加屏蔽罩的情況下，等離子體中出現(xiàn)多個(gè)放電通道交疊的現(xiàn)象，如=850ns時(shí)Ar等離子體的圖像。由于亞穩(wěn)態(tài)Ar*（43P20）的勢(shì)能為11.56eV，而氣液界面的乙醇?xì)怏w分子的電離能只有10.47eV，Ar*和乙醇?xì)怏w分子在氣液界面發(fā)生彭寧電離的概率很大[27-29]，有

圖11 屏蔽罩中通入Ar+O2時(shí)Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的等離子體時(shí)空演化圖像

式中，PI+為正離子；NS為中性粒子；e為電子。因此，Ar*和乙醇?xì)怏w分子在氣液界面的彭寧電離可能導(dǎo)致了等離子體中多個(gè)放電通道的交疊。

4.4 屏蔽罩中通入Ar+O2時(shí)的發(fā)射光譜

圖12展示了氣液界面處激發(fā)態(tài)粒子OH（309nm）、N2（337nm）、Ar（696.5nm）的發(fā)射強(qiáng)度隨屏蔽罩中O2摻雜濃度的變化。隨著O2摻雜濃度的升高，Ar（696.5nm）發(fā)射強(qiáng)度略微下降，OH（309nm）的發(fā)射強(qiáng)度逐漸下降，此時(shí)基本檢測(cè)不到N2（337nm）的發(fā)射強(qiáng)度。

4.5 屏蔽罩中通入Ar+O2時(shí)的滅菌效果

圖13展示了當(dāng)屏蔽罩中不同O2摻雜濃度時(shí)Ar射流等離子體活化乙醇溶液對(duì)MRSA的滅活效果。隨著屏蔽罩中O2摻雜濃度的增加（0～1%），PAES的滅菌效果逐漸增加，且當(dāng)屏蔽罩中O2摻雜濃度為1%時(shí)，被處理的水溶液中摻雜2%乙醇濃度就能實(shí)現(xiàn)5個(gè)數(shù)量級(jí)以上的滅菌效果增強(qiáng)。值得注意的是，隨著通入屏蔽罩中的O2濃度從0增加到1%，Ar（696.5nm）的發(fā)射強(qiáng)度從4.5×104(au)降為3.9×104(au)（電負(fù)性O(shè)2摻雜濃度增加導(dǎo)致其含量稍微降低），而滅菌效果卻從無滅活效果增加到5個(gè)數(shù)量級(jí)以上的滅活效果。由于只有O2濃度發(fā)生較大改變，這說明O2是影響滅菌效果的關(guān)鍵因素。

圖12 氣液界面處激發(fā)態(tài)粒子的發(fā)射強(qiáng)度隨屏蔽罩中O2摻雜濃度的變化

圖13 屏蔽罩中不同O2摻雜濃度下PAES對(duì)MRSA的滅活效果

5 滅菌機(jī)理分析

由于滅菌實(shí)驗(yàn)中采用的是PAES間接滅活MRSA，等離子體活化乙醇溶液中可能存在一種或幾種起關(guān)鍵滅菌作用的長(zhǎng)壽命活性粒子。圖14展示了PAES中活性粒子的色譜和負(fù)離子質(zhì)譜。結(jié)果表明，PAES中主要包括/分別為62、73、75和89的負(fù)離子。對(duì)于/=62的負(fù)離子，其可能是NO3-和·ONOO-。·ONOO-本身是一種短壽命的活性粒子，在液相中的半衰期僅1s左右，但是在酸性條件下可以通過H2O2與NO2-/HNO2反應(yīng)生成。雖然這個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率系數(shù)較低（0.56M-1s-1），但是由于其來源于溶液中兩種能夠穩(wěn)定存在的長(zhǎng)壽命粒子，因此這個(gè)反應(yīng)存在較高的發(fā)生可能性。Chen Chen等[30]和P. Lukes等[31]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一過程的存在。對(duì)于/=75的負(fù)離子，其可能包含CH3COOO-。Xia Wenjie等的研究結(jié)果[20]表明，等離子體活化水中壽命為3～10min的過氧乙酸（CH3COOOH）可能是關(guān)鍵的滅菌物質(zhì)。

圖14 PAES中活性粒子的色譜和負(fù)離子質(zhì)譜

將PAES靜置30min后，發(fā)現(xiàn)PAES對(duì)MRSA基本沒有滅活效果，推測(cè)PAES中起關(guān)鍵滅菌作用的液相粒子可能是一種或幾種較長(zhǎng)壽命的不穩(wěn)定粒子。圖15比較了PAES未靜置和靜置30min后/分別為62、73、75和89的負(fù)離子色譜。

結(jié)果表明，在靜置30min后，/＝62的色譜峰強(qiáng)度增加。原因可能是亞硝酸通過反應(yīng)式（3）和式（4）轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛醄32]，有

還可能是過氧化亞硝酸通過反應(yīng)式（5）分解為高化學(xué)活性的·OH和NO2·自由基，再通過反應(yīng)式（4）轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛醄31]，有

圖15 未靜置和靜置30min后PAES中不同m/z負(fù)離子的色譜

P. Lukes等認(rèn)為反應(yīng)式（5）產(chǎn)生的·OH和NO2·自由基在細(xì)菌滅活中起著關(guān)鍵的作用[33]。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在靜置30min后，/＝75的色譜峰強(qiáng)度降低。這進(jìn)一步表明PAES中可能存在過氧乙酸。研究表明，過氧乙酸主要通過過氧化物基團(tuán)攻擊細(xì)胞膜、氧化氨基酸、損傷核酸等方式對(duì)微生物進(jìn)行滅活[34]。

圖16展示了三種處理情況下等離子體活化2%乙醇溶液中TEMPONE·濃度、/=75的色譜峰面積以及細(xì)菌存活菌落數(shù)隨O2/N2摻雜濃度的變化。由于捕捉劑TEMPONE-H是在等離子體射流處理乙醇溶液之后加入，TEMPONE-H主要與PAES中的·ONOO-反應(yīng)生成自旋加合物TEMPONE·，即TEMPONE·濃度主要指的是過氧亞硝酸的濃度。/＝75的色譜峰面積用來表征質(zhì)荷比為75的負(fù)離子濃度，一定程度上反映了過氧乙酸的濃度。不同于Ar+O2等離子體射流處理乙醇溶液，在屏蔽罩中通入Ar+O2后PAES中的TEMPONE·濃度隨著O2摻雜濃度升高先緩慢增加，之后維持在5mM左右；而/=75的色譜峰面積隨著O2摻雜濃度升高逐漸增大，此時(shí)滅菌效果也逐漸增加（見圖16a和圖16c）。這表明Ar等離子體射流處理乙醇溶液且屏蔽罩中通Ar+O2時(shí)，過氧乙酸可能在滅菌過程中起主導(dǎo)作用。對(duì)于Ar+N2等離子體射流處理乙醇溶液，TEMPONE·濃度隨著N2摻雜濃度升高先增后減，且在0.08%N2摻雜濃度條件下有最大值約為22mM；/=75的色譜峰面積也隨著N2摻雜濃度升高先增后減，但在0.2%N2摻雜濃度條件下有最大值；而滅菌效果也隨著N2摻雜濃度升高先增后減，且在0.2%N2摻雜濃度條件下最強(qiáng)（見圖16b）。這進(jìn)一步說明過氧乙酸可能在滅菌中起著關(guān)鍵作用，而過氧亞硝酸和過氧乙酸可能具有協(xié)同滅菌作用。

6 結(jié)論

本文研究了Ar等離子體射流處理水溶液中少量乙醇摻雜對(duì)放電特性和滅菌效應(yīng)的影響規(guī)律。首先，發(fā)現(xiàn)Ar等離子體射流和乙醇溶液具有協(xié)同滅菌效應(yīng)，且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。其次，發(fā)現(xiàn)在工作氣體中摻雜O2不利于滅菌效果的提升；而當(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。通過放電特性和發(fā)射光譜的分析，發(fā)現(xiàn)等離子體作用于液面的持續(xù)時(shí)間和氣液界面激發(fā)態(tài)粒子的發(fā)射強(qiáng)度是影響滅菌效果的重要因素。進(jìn)而提出了在屏蔽罩中通入Ar+O2以優(yōu)化Ar射流等離子體活化乙醇溶液滅菌效果的方法，發(fā)現(xiàn)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)，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，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(dǎo)作用，而過氧亞硝酸和過氧乙酸可能協(xié)同作用增強(qiáng)滅菌效果。

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Discharge Characteristics and Bactericidal Effect of Ar Plasma Jet Treating Ethanol Aqueous Solution

1,22

（1. State Key Lab of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Centre for Plasma Biomedicine Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

Ethanol is a kind of commonly used disinfectant in medical treatment. Theoretically, doping ethanol into aqueous solution treated by Ar plasma jet can enhance the bactericidal effect. Through the inactivation experiment of Methicillin-resistant, it was found that the bactericidal effect of Ar jet plasma-activated water was increased by more than 5 orders of magnitude by doping 20% ethanol. Furthermore, when 0.2% N2was mixed into the working gas or 1% O2was added into the shield, the bactericidal effect can be improved by more than 5 orders of magnitude by doping 2% ethanol. At the same time, 2% ethanol doping can cause the overlapping of multiple discharge channels in the plasma, which may be due to Penning ionization of metastable Ar*and ethanol gas molecules at the gas-liquid interface. Finally, the analysis of reactive species in liquid phase show that peracetic acid in ethanol solution activated by plasma may play a leading role in the sterilization process, and peroxynitrite and peracetic acid may synergistically enhance the bactericidal effect.

Ar plasma jet, ethanol, discharge characteristics, bactericidal effect

TM89

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201227

2020-09-17

2020-10-10

夏文杰 男，1991年生，博士，研究方向?yàn)榇髿鈮豪涞入x子體射流及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。E-mail: 690726712@qq.com

劉定新 男，1982年生，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇髿鈮豪涞入x子體技術(shù)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、放電設(shè)備故障診斷等。E-mail: liudingxin@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）