大气压低温等离子体联合光催化灭活大肠杆菌实验研究

发布时间：2020-10-18 10:28

　　 大气压低温等离子体(Atmospheric Pressure Cryogenic Plasma,APCP)凭借其较低的宏观温度、较高的反应活性在灭菌领域受到了广泛的关注与研究。但是,大气压低温等离子体的灭菌时间从几十秒到十几分钟,灭菌的效率仍旧有提高的空间;同时,大气压低温等离子体中的部分能量通过光子的形式散失,其对于能量的利用率仍有待提高。光催化技术可以利用大气压低温等离子体中的光子作为激发光源,进而产生大量的活性氧基团来增强大气压低温等离子体的灭菌效率,将光能转化为活性氧基团的化学能,提高灭菌效率的同时提高大气压低温等离子体的能量的利用率。大气压低温等离子体联合光催化(Atmospheric Pressure Cryogenic Plasma Combined with Photocatalysis,APCPCP)的在灭菌领域的应用亟待研究。本文搭建了大气压低温等离子体联合光催化灭菌实验平台,对大气压低温等离子体射流的物理特性进行诊断,探究了大气压低温等离子体联合光催化对大肠杆菌的灭活效果和灭菌机理,具体工作内容和结果如下:(1)探究了电压、频率、流速和光催化对于射流长度的影响。结果显示射流长度随着电压升高而变长,随着流速的升高先变长后变短,频率和光催化对于射流长度无影响;探测了大气压低温等离子体射流的光谱,检测出OH,N2,He,单线态氧原子和三线态氧原子等特征谱线;光催化产生的活性氧基团是由光催化剂表面的电荷转移导致的,并非发光的过程,因此光催化过程并不影响大气压低温等离子体的发射光谱。利用结晶紫分光光度法检测了 APCP和APCPCP中的活性氧含量,结果显示光催化的加入可以有效提高APCP中活性氧的含量。(2)开展了APCP和APCPCP灭活大肠杆菌的实验研究。通过菌落计数法,探究了不同电压、频率、流速和催化剂对APCP和APCPCP灭菌效果的影响,结果显示光催化过程对于APCP的灭菌效果有增强作用,随着电压、频率和流速的升高,APCP和APCPCP处理后的大肠杆菌存活率均不断下降;通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)检测,探究了APCP和APCPCP作用下大肠杆菌微观形貌的变化,结果表明,经过APCP处理的大肠杆菌进入存活但不可培养状态,而相同条件下的APCPCP处理后的大肠杆菌外结构破裂,APCPCP对于与大肠杆菌杀灭效果更加彻底。(3)检测APCP和APCPCP处理后的大肠杆菌泄漏蛋白、新陈代谢能力异同,探究了 APCPCP灭菌的机理。实验结果表明,18 kV的APCPCP处理15 s后大肠杆菌菌液中的泄漏蛋白的浓度有0.115 μg/μL和19 kV的APCP处理30 s后的效果相似,相同条件下的APCPCP造成更多的蛋白质泄漏。APCP处理后,具有新陈代谢能力的大肠杆菌多于增殖菌落,而APCPCP处理后仍有新陈代谢能力的细菌与增殖菌落数量大致相同,说明APCP处理会导致部分大肠杆菌进入VBNC状态,而APCPCP处理对于大肠杆菌的灭活更加彻底。本文的研究工作与成果进一步提高了低温等离子体灭菌效率和能量的利用率,验证了大气压低温等离子体联合光催化的可行性,为大气压低温等离子体联合光催化在灭菌领域的运用提供了实验和理论基础。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R187
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景及研究意义
    1.2 大气压低温等离子体及光催化技术
        1.2.1 大气压低温等离子体
        1.2.2 光催化技术
        1.2.3 大气压等离子体联合光催化构想的提出
    1.3 研究现状
        1.3.1 大气压低温等离子体灭菌应用
        1.3.2 大气压低温等离子体灭菌机理
        1.3.3 大气压低温等离子联合光催化灭菌研究现状
    1.4 本文主要研究内容
第二章 灭菌实验平台与等离子体射流特性诊断
    2.1 灭菌实验平台搭建
        2.1.1 射流发生装置
        2.1.2 射流诊断平台
    2.2 电学特性检测
        2.2.1 电压电流波形
        2.2.2 射流功率的测量
    2.3 光学特性检测
        2.3.1 不同因素对于射流长度的影响
        2.3.2 射流发射光谱诊断
    2.4 结晶紫分光光度法测量活性氧
        2.4.1 研究方法
        2.4.2 实验步骤
        2.4.3 实验结果与分析
    2.5 本章小结
第三章 大气压低温等离子体联合光催化灭菌效果研究
    3.1 研究方法
        3.1.1 菌落计数法表征灭菌效果
        3.1.2 扫描电镜表征灭菌效果
    3.2 实验材料
        3.2.1 实验菌种及菌种的接种培养
        3.2.2 实验试剂和设备
        3.2.3 实验数据统计方法
    3.3 实验步骤
        3.3.1 菌落计数法表征等离子体灭菌效果
        3.3.2 扫描电镜表征等离子体处理后大肠杆菌微观形貌
    3.4 实验结果分析
        3.4.1 处理时间对于灭菌效果的影响
        3.4.2 外施电压对于灭菌效果的影响
        3.4.3 电源频率对于灭菌效果的影响
        3.4.4 气体流速对于灭菌效果的影响
        3.4.5 不同催化对于灭菌效果的影响
        3.4.6 等离子体处理细菌扫描电镜表征结果
    3.5 本章小结
第四章 大气压低温等离子体联合光催化灭菌机理探究
    4.1 研究方法
        4.1.1 BCA法测细菌胞外蛋白质浓度
        4.1.2 大肠杆菌新陈代谢能力测定
    4.2 实验材料
        4.2.1 实验试剂
        4.2.2 实验所需设备
    4.3 实验步骤
        4.3.1 BCA法测细菌胞外蛋白质浓度
        4.3.2 大肠杆菌新陈代谢能力测定
    4.4 实验结果分析
        4.4.1 联合光催化对于大肠杆菌胞外蛋白质浓度的影响
        4.4.2 联合光催化对于大肠杆菌的新陈代谢能力的影响
    4.5 本章小结
第五章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2846181