等离子体活化水装置的开发与灭菌效果研究文献综述

 2022-10-31 11:21:33
  • 文献综述

从1928年郎缪尔引入等离子体的名词以来，伴随着气体放电、天体物理、受热核聚变以及低温等离子体技术的广泛研究，作为它们实验和理论基础的等离子体物理学迅速发展，逐渐成为一门独立的学科。等离子体是完全电离或者部分电离的物质聚态，包括正离子、负离子、电子等带电粒子和原子、分子、自由基和活性基团等各种中性粒子组成的集合体，宏观上呈现电中性，被称为继固态、液态和气态之后的物质的第四态。低温等离子体具有许多独特的优势和广泛的应用范围，其研究现在已经成为具有全球影响的重要课题，并不断在新的领域得到应用。

文献[1]对等离子体处理的氯化钠溶液对大肠杆菌的灭活作用的可能机制进行了评估，在此研究中使用沿面介质阻挡放电分为三种情况对大肠杆菌悬浊液进行了处理，结果发现1和2中的大肠杆菌被完全灭活，而3中杀菌效果不显著，表明等离子体产生的灭菌组分中某些成分存活时间有限，如NO·、NO2·等。此外使用AgNO3排出了Cl-杀菌的可能性，使用FTIR对各种组分进行了测量，研究了NO3-、NO2-、和H2O2在中性和酸性条件下杀菌作用中的角色，结果显示，在单独加入上述组分时都不足以杀菌，只有在酸性条件下的NO2-、H2O2组合显示出了一定的杀菌效果，且效果显著不如等离子体处理液，表明等离子体处理伴随着更强杀菌作用物质的产生。根据各种物质的化学性质，对这些物质可能的化学反应进行了推测。最后提出了造成酸性的物质可能为HNO2而不是假设的HNO3。文献[4]研究了间接空气介质阻挡放电中臭氧的抗菌效果，在试验中，分别研究了功率强度和曝露时间对杀菌效果和臭氧生成的影响，结果表明了大肠杆菌的杀菌效果和臭氧浓度相关性很强，表明臭氧是主要杀菌组分，还发现O3的杀菌效果不需要酸性环境，这与以前的研究不相符，但在有些试验中发现臭氧并不是主要的杀菌物质。对此，作者认为大气等离子体装置的复杂性和敏感性是造成这种机制差异的原因。文献[6]在研究大气冷等离子体对大肠杆菌的灭活作用时，针对高浓度的大肠杆菌灭活作用不明显这一现象，建立了适当的模型阐述了这一现象产生的可能机制，定量地分析了等离子体杀菌的作用。此外，还发现使用ROS清除剂时并没有显著地影响杀菌效果，表明CAP的杀菌效果为ROS和RNS的相互作用。文献[12]和[13]对沿面型介质阻挡放电的放电特性进行了研究，推导了放电功率的计算公式，研究了外加电压对放电功率的影响以及频率对放电的影响。文献[14]研究了不同的大气压冷等离子体装置的基本放电特性，包括电晕放电、大气压介质阻挡放电，探究了大气压冷等离子体在癌细胞处理，口腔生物膜和细菌的灭活，种子处理方面的应用。在对肺癌A549细胞灭活机制的研究中，作者根据等离子体发射光谱，推测出在癌细胞的灭活中，等离子体的活性粒子如羟基和氧自由基起到了主要的作用。而在其诱导人肺鳞癌H520细胞凋亡中，发现通入适量的氧气可以加速细胞的凋亡。利用其灭活变形链球菌生物膜时，发现活性粒子O和OH能够穿透生物膜，杀死深层的生物膜细菌。利用其处理茄子种子时，发现等离子体中的ROS能够有效灭活黄萎病病菌和其他病菌，导致茄子的产量增加。文献[15]研究了ROS和RNS与癌细胞相互作用的本质，超氧阴离子（O2minus;）和过氧化氢（H2O2）是在等离子体中呈现的两种主要组分，但是当单独使用时，它们各自的贡献都不足以导致细胞死亡。然而，当呈现铁时，两种组分都增强了细胞的死亡-等离子体的诱导效应。作者提出，细胞中的含铁蛋白质催化超氧阴离子和过氧化氢变为可以诱导细胞死亡的高度活性的OH基团。

文献[1][2]和[4]都研究了酸性条件在灭菌效果的作用，但在研究结果上存在较大的差异，[1][2]肯定了酸性条件在灭菌中的作用，而[4]则认为酸性条件不是必须的。在等离子体产生方法中，文献[1-11]采用的都是沿面介质阻挡放电，文献[15]采用的是等离子体射流装置。

  • 参考文献

[1] Katrin Oehmigen, Jorn Winter, Marcel Ha hnel, Christian Wilke,

R. Brandenburg, et al. Estimation of Possible Mechanisms of Escherichia coliInactivation by Plasma Treated Sodium Chloride Solution[J].Plasm a Process. Polym.2011,8 ,904–913

[2] K. Oehmigen, M. Hauml;hnel, R. Brandenburg, Ch. Wilke, K.-D. et al. The Role of Acidification for Antimicrobial Activity of Atmospheric Pressure Plasma in Liquids[J]. Plasma Process. Polym. 2010, 7, 250–257

[3] K. OehmigenP, C. WilkeUP, K.-D. Weltmann, Th. von Woedtke. Identification of antibacterial species in plasma treated liquids[J]. 2011, Belfast, Northern Ireland, UK

[4] Matthew J Pavlovich, Hung-Wen Chang, Yukinori Sakiyama, et al. Ozone correlates with antibacterial effects from indirect air dielectric barrier discharge treatment of water[J]. 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 145202

[5] Z C Liu, D X Liu, C Chen, D Li, A J Yang, M Z Rong, H L Chen and M G Kong. Physicochemical processes in the indirect interaction between surface air plasma and deionized water[J]. 2015 J. Phys. D: Appl. Phys. 48 495201

[6] V Boxhammer, G E Morfill, J R Jokipii, T Shimizu, et al. Bactericidal action of cold atmospheric plasma in solution[J]. 2012 New J. Phys. 14 113042

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