大气压介质阻挡放电灭菌实验及机理研究

发布时间：2020-04-19 07:25

【摘要】：近年来,大气压低温等离子体的研究一直是等离子体科学和技术应用的热点,而生物灭菌是其重要的应用之一。研究将等离子体应用于灭菌领域是应对抗药性越来越强的致病细菌的有效方法。本文旨在研制大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharges,DBD)灭菌装置并分析其灭菌机理,首先研究了低温等离子体应用于灭菌领域的各种装置,其次改变了DBD装置的各种实验参数,分析了其对灭菌效果的影响,并找出较优的装置和参数。最后通过改变反应气体流速和类型来探究DBD装置的灭菌因子和灭菌机理。具体内容如下:基于针-介质-环结构研制了小型DBD试管处理装置,并应用于液体灭菌,分析了该装置是通过破坏细菌内蛋白质使细菌失活。设计了平板DBD放电装置,通过改变电源类型、电压大小、介质材料和间隙大小等,研究实验参数对灭菌效果的影响。结果表明:同功率条件下的脉冲电源比交流电源灭菌效率更高,这是由于脉冲电源的电子能量较高,粒子浓度和活性更好;高电压和小间隙条件下的灭菌效率更高,因为此时的场强更高;玻璃和多孔陶瓷作为介质材料的灭菌效果比普通陶瓷好。提出了一套较优的灭菌实验装置,首次在90s内实现了6个数量级的枯草芽孢杆菌灭活,实验条件为:平板DBD灭菌装置,脉冲电源驱动,主放电上升沿为140ns,电压峰峰值为45kV,介质材料采用多孔陶瓷或玻璃,间隙大小为2mm。将平板DBD应用于液体灭菌,通过扫描电镜和傅里叶红外光谱揭示了细菌死亡的机理:放电破坏了大肠杆菌的细胞结构和内部蛋白质等物质。反应气体对DBD灭菌影响的研究及机理分析。增大空气灭菌流速至0.4slm发现灭菌效果消失,分析得出一方面流速增大会降低击穿电压,从而使得放电产生的粒子能量较低;另一方面流速增大会使较多的反应活性粒子发生移动,从而无法覆盖菌落。改变气体类型为氦气,发现灭菌效果(相对静止空气)变差,分析得出不同气体类型产生的活性粒子类型和数量不同是造成灭菌效果变差的原因。比较1slm流速的空气和静止的氦气可知,增大流速使较多的反应活性粒子发生移动,降低了灭菌效果。大量增加气体中水蒸气的含量发现灭菌效果变好,通过实验测量并分析得出此时并非是增加了OH的浓度,而是增加了除OH外其余的活性氧粒子和活性氮粒子等活性粒子浓度。最终给出了平板DBD的灭菌因子和灭菌机理:灭菌因子并非紫外线和温度。带电粒子和活性化学粒子是主要灭菌因子,并且两者的作用是并列的,其中一项达到一定的量即可。带电粒子主要通过静电破坏作用破坏细胞膜等细胞结构使得内部物质流出;活性化学粒子主要通过破坏细胞结构上的蛋白质、脂类以及DNA和RNA等遗传物质从而使得细胞失去活性和繁殖能力。本文提出了高效的灭菌装置并分析了其灭菌机理,为研制出更多具有安全性和高效性的DBD灭菌装置提供了参考,使DBD在灭菌领域得到更广泛的应用,为应对各种较强致病菌提供新的思路。这不仅有利于促进DBD的发展,而且具有重要的等离子体科学应用价值。
【图文】：

ｃｍ图１－１常见各种等离子体逡逑子体普遍存在于我们的生活中，大到天体宇宙，小到日常生体的踪迹。根据等离子体的存在分类，等离子体可分为天然存。天然存在的：在宇宙中，最常见的等离子体现象是闪电、极

等离子体的电子密度和温度特性会发生变化，通过这两个参数的不同，可以将等逡逑离子体按热力学平衡分类，即分为完全热平衡等离子体、非热力平衡等离子体和逡逑局部热力学平衡等离子体［４＇５］。根据以上分类，可以得到如图１－丨所示的各种常逡逑见等离子体，其中横纵坐标轴分别是等离子体粒子的密度和温度。逡逑生物医学逦环境治理逡逑ｓｉ邋意逡逑ＨYj恱匿逡逑流动控制逦材料改性逡逑Ｖ逦逦ｙ逡逑图１－２等离子体的应用领域逡逑近年来，等离子体的应用领域越来越广泛，涵盖／生物医学、环境治理、流逡逑动控制和材料改性等多个应川领域［６］。生物丨欠学领域：等离子体４：物医学是近年逡逑来等离子体应用的重点。由于生物体对温度极其敏感，因此应⑴在生物医学领域逡逑的等离子体主要是低温等离子体，可分为等离子体农业育种［７￣、等离子体灭菌逡逑消毒和等离子体临床治疗［１４１７］三方面。这三个应用均是通过将等离子体作用逡逑在被处理物的表面，，造成蛋白质及ＤＮＡ的状态发生变化从而实现基因突变，或逡逑造成有害的细胞破裂消亡。环境治理领域：在环境改善方面，等离子体主要用于逡逑废气［１８＇｜９］和废水［２ａ２ｌ］处理。等离子体废气和废水处理一般是通过等离子体中的高逡逑能电子及活性物质与废气废水分子发生反应，降解和转化废气废水等有害物，目逡逑前等离子体废气处理的研究关键是挥发性有机化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ邋Ｏｒｇａｎｉｃ逡逑Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318

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本文编号：2633087