針—菌液電暈放電與輝光放電實(shí)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(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)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(shí)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(shù)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(diǎn)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(shù)應(yīng)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(huì)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(xì)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(shí)間為0.44 s時(shí)，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(gè)對數(shù)。國內(nèi)，華中科技大學(xué)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(xì)胞的生理作用和細(xì)胞凋亡有很大影響。浙江大學(xué)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(dāng)細(xì)菌密度低于106 cfu/mL時(shí)，僅數(shù)秒即可殺滅水中所有的細(xì)胞。

本文在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(shè)備體積龐大、功率消耗高等缺點(diǎn)，只需在正常大氣壓條件下、不需要外接惰性氣體即可實(shí)現(xiàn)滅菌。設(shè)備體積小、易攜帶、效能好，可廣泛應(yīng)用于殺菌消毒的多種場合。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，由0～-20 000 V可調(diào)的直流負(fù)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(gòu)成，針接負(fù)高壓，菌液接地。放電回路由直流負(fù)高壓電源、12 MΩ鎮(zhèn)流電阻器和1 kΩ測試電阻器構(gòu)成，前者用于保護(hù)整個(gè)電路及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)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(shí)進(jìn)行等離子體滅菌實(shí)驗(yàn)。在針和菌液兩端加電壓，當(dāng)施加的電壓為-5 kV時(shí)，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(dāng)電壓增加到-9.6 kV時(shí)，電流為幾百微安，此時(shí)放電脈沖消失，波形為直流電壓信號，如圖2(d)，即進(jìn)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(jìn)行拍攝。當(dāng)所加電壓為-5 kV時(shí)，形成了電暈放電，此時(shí)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(qiáng)最高。隨著電壓加大，發(fā)光的區(qū)域由針尖逐漸擴(kuò)展到了菌液以及針與菌液之間的區(qū)域，當(dāng)電壓加到-9.6 kV時(shí)，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(shí)驗(yàn)時(shí),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(jìn)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(shí)驗(yàn)中設(shè)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(gè)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了兩個(gè)培養(yǎng)皿樣品以獲得更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，培養(yǎng)皿內(nèi)襯底為培養(yǎng)基，斑點(diǎn)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(dāng)處理時(shí)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?？赡芘c放電電壓有關(guān)，放電電壓增高過程中，滅活效果增加[14]。從實(shí)驗(yàn)可以看出：等離子體對細(xì)菌有高效的殺滅效果，這可能是因?yàn)榭諝庵写髿鈮悍烹姇?huì)產(chǎn)生化學(xué)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(dāng)處理物中含有水分子時(shí)，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(shí)也可能起到重要作用。此外，OH容易溶解于水還會(huì)改變?nèi)菀旱膒H值，從而起到間接作用[18]。

實(shí)驗(yàn)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(dá)到100 %。這可能與其細(xì)胞結(jié)構(gòu)有關(guān)[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(xì)胞壁比較厚，而革蘭氏陰性菌的細(xì)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(yīng)，且更容易在細(xì)胞外膜表面的積累帶電粒子，產(chǎn)生了超過細(xì)胞膜自身張力的靜電力，使細(xì)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(diǎn)(pI)為2～3，低于大腸桿菌等電點(diǎn)(pI)4～5，前者帶更多負(fù)電荷[22]，而實(shí)驗(yàn)中加的電壓為負(fù)電壓，所以,與大腸桿菌相比，金黃色葡萄球菌的細(xì)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(shè)計(jì)等離子體滅菌裝置及其實(shí)驗(yàn)研究探討了對醫(yī)療器械進(jìn)行滅菌消毒的方法。實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置，如設(shè)計(jì)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。