電暈放電的殺菌機理研究

歐陽吉庭，張晨陽，張宇，劉思含，繆勁松

(1.北京理工大學 物理學院；北京 100081; 2.北京東方計量測試研究所；北京 100094)

有害細菌和病菌的殺滅控制是室內空氣凈化治理工程的重要組成部分，新型的材料和精密儀器等對綠色環(huán)保的滅菌技術提出了更高的要求. 自1996年Laroussi[1]發(fā)表第1篇關于大氣壓非平衡等離子體應用于滅菌方面的文章后，低溫等離子體滅菌技術受到了廣泛關注. 相比較于傳統(tǒng)的滅菌技術，大氣壓低溫等離子體具有溫度低、滲透性好、快速高效、無污染等優(yōu)勢[2-4]. 低溫等離子體的滅菌作用主要源于其產生的各種活性物質如紫外線、臭氧、電磁場、帶電粒子、活性基團等，研究人員分別對其作用進行了研究. 如Deng等[5-7]闡述了等離子體中紫外效應的作用. 等離子體產生的帶電粒子和活性粒子對生命體有著復雜的生物化學效應，帶電粒子和活性自由基的刻蝕作用、活性氧和活性氮的作用都與滅菌效率息息相關[8-13]. 同時，外界條件也影響滅菌效率，Dobrynin 等[14]闡述了濕度對殺菌機制的影響，Ching等[15]說明了初始菌液濃度對滅菌效率也有一定的影響. 由于產生等離子體的放電方式不同、放電條件各異，具體放電結構中的殺菌主體是什么還存在很大爭議.

基于上述問題和分析，本文使用針-環(huán)結構的負電暈放電裝置，以金黃色葡萄球菌為代表菌株，分別研究電暈放電中不同活性物質(紫外線、臭氧、帶電粒子、中性物質)對細菌的滅活效率，分析滅活機理. 由于等離子體與液體接觸反應后產生的活性粒子和空氣中有較大差別[23]，故本文采取先涂平板，待其干燥后做再殺菌處理的方法，使處理環(huán)境更接近于室內實際情況.

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗中采用的電暈放電裝置及其測試系統(tǒng)的示意圖如圖1所示.

實驗采取針-環(huán)放電結構. 針尖曲率半徑為80 μm，針尖到地電極的垂直距離為5 mm，地電極環(huán)的內徑為4 cm，驅動電壓Vs由直流電源(DW-P203/N203)提供. 實驗中使用示波器(Tektronik，DPO4104B)以及高壓探頭(Tektronik，P6105A)來測試電源的輸出電壓；通過微安表(HM數(shù)顯直流微安表)檢測平均放電電流；實驗中同時采用低壓探頭(Tektronix,TPP1000)通過采樣電阻R來檢測電流的實時波形(I=VR/R)，值得注意的是，由于帶電粒子可能分散在大氣中，檢測到的電流并不是電暈電流的全部. 實驗中在平臺下方置一z軸微調位移平臺，保證培養(yǎng)基到地電極的距離d可以精確調整.

1.2 實驗步驟

1.2.1電暈放電的活性成分

實驗首先對電暈放電可能產生的各種活性成分進行分析. 采用臭氧檢測儀(XLA-BX-03)檢測放電產生的臭氧濃度(地電極外4 mm處約為10×10-6). 采取負離子濃度計(KT-401)檢測放電產生的帶電粒子濃度(實驗中負離子濃度>107cm-3). 實驗還采取光譜儀(Zolix Omni λ-5008)進行發(fā)射光譜診斷，其中光纖探頭距離針尖的距離為1 cm，通過對發(fā)射光譜的分析，確定電暈放電產生的紫外線和各種可能的活性粒子.

1.2.2紫外線的殺菌作用

為確定紫外線的殺菌效應，采取醫(yī)用紫外燈直接對接種在LB固體培養(yǎng)基上的金黃色葡萄球菌進行不同時間的處理. 紫外燈功率為30 W，中心波長為253.7 nm. 燈管與金黃色葡萄球菌的距離分別為25，50 cm.

1.2.3臭氧的殺菌作用

利用商用臭氧發(fā)生器產生的臭氧，對金黃色葡萄球菌進行不同時長的直接處理. 臭氧產率為10 g/h，發(fā)生器與培養(yǎng)基的距離為5 cm，該處的臭氧濃度約為20×10-6. 在單獨研究臭氧的滅菌效率時，使用的臭氧濃度與后文電暈產生的臭氧濃度略有不同，雖然不同濃度臭氧的滅菌效率不同，但其滅菌曲線的趨勢和殺菌機理是一致的.

1.2.4紫外線和臭氧的聯(lián)合殺菌作用

為研究紫外線和臭氧的聯(lián)合殺菌作用，在空氣環(huán)境下同時開啟紫外燈和臭氧發(fā)生器對金黃色葡萄球菌進行殺滅處理. 保持紫外燈與培養(yǎng)基的垂直距離為50 cm，臭氧發(fā)生器與培養(yǎng)基的距離為5 cm.

1.2.5中性活性粒子的殺菌作用

為研究電暈放電產生的中性活性物質的作用，采取兩種方式去除放電產生的帶電粒子. 第一種方式為在培養(yǎng)基下方另加一銅電極并分別置不同偏置電壓Vb=0，1500和-1500 V，在其附加電場的作用下帶電粒子加速(正偏壓)或者不能(負偏壓)運動到細菌表面；第二種方式為在培養(yǎng)基上方加一接地電極金屬網(wǎng)，在其作用下帶電粒子被大量吸附,從而不能到達細菌表面. 保持培養(yǎng)基與地電極距離d=4 mm不變.

1.2.6帶電粒子的殺菌作用

為研究電暈放電地電極外帶電粒子的殺菌作用，在放電區(qū)內距針尖1 cm處施加一風速于約為10 m/s的橫向抽氣氣流，該氣流由一小型真空泵(GM-0.33A)提供. 該風速大于本實驗條件下的離子風風速(1 m/s)，遠小于帶電粒子在強電場的作用下運動的速度. 風速皆由熱線風速儀(DT-8880)測量. 可以認為，帶電粒子不受此橫向風的影響，而中性的活性物質在氣流的作用下被抽離放電區(qū). 因此在離子風區(qū)的中性活性物質也大大減少，而帶電粒子則可在強電場的作用下向下運動，從而得到離子風中單獨帶電粒子的殺菌作用. 采用負離子濃度檢測計檢測抽氣時地電極外d=4 mm處的負離子濃度，應高于106cm-3，保證有足夠的負離子作用在細菌樣品表面.

1.3 菌落計數(shù)方法

本文采用的菌株為ATCC 22004金黃色葡萄球菌株(北京索萊寶科技有限公司). 首先將保存菌種配制成濃度約為108cfu/mL的菌懸液，稀釋105倍后涂平板，然后在常溫常壓下經過殺菌處理，處理之后再在37℃恒溫培養(yǎng)過夜后計數(shù). 殺菌效率計算方法如下

Q=(1-NA/NB)×100%，

式中：NA為經過處理的樣品在計數(shù)區(qū)域內生長出的菌落數(shù)；NB為對照組的菌落數(shù)；Q為殺菌效率. 進行單獨紫外、臭氧滅菌實驗時，計數(shù)區(qū)域為整個培養(yǎng)基表面；進行電暈放電殺菌效率實驗時，以地電極環(huán)在培養(yǎng)基表面的投影為計數(shù)區(qū)域(即電暈放電的直接殺菌區(qū)域).

2 實驗結果與分析

基于上述實驗方法，首先研究了本實驗中電暈放電的伏安特性曲線、電流脈沖波形和發(fā)射光譜. 明確負電暈放電的放電特性后，進行系統(tǒng)的滅菌效果研究.

2.1 電暈放電特性和活性成分診斷

2.1.1伏安特性曲線與電流波形圖

本實驗結構下針-環(huán)負電暈放電的伏安特性曲線如圖2所示. 其擊穿電壓約為-5 kV；平均電流隨電壓呈二次關系，滿足靜電Townsend關系.

放電電壓為Vs=-13 kV時的電流波形如圖3所示. 這是典型的Trichel脈沖，脈沖頻率約為167 kHz，幅值Imax約為170 μA. 說明電暈放電未進入穩(wěn)定正常輝光階段.

2.1.2活性成分

本實驗采用發(fā)射光譜法對電暈放電產生的活性物質進行診斷. 圖4為電壓Vs=-13 kV、平均電流Id=100 μA時的發(fā)射光譜.

可以看到，空氣環(huán)境下直流負電暈放電的發(fā)射光譜主要分布在300～500 nm范圍內，其中以氮的譜線為主. 強度最大的譜線出現(xiàn)在337.1 nm，對應氮分子第二正帶系中的Δv=v″-v′=0譜線；紫外線主要在UVA波段. 由于是在大氣壓空氣放電，還產生了O，O3，NO等活性氧和活性氮，以及氧負離子(O-，O2-等).

值得注意的是，由于空氣中水蒸氣的存在，在光譜中還出現(xiàn)了較強的OH自由基譜線，分別為315.1 nm和308.8 nm，其高強活性可導致細胞膜脂質功能(控制離子和極性物質進出細胞)受到損傷,而在細菌滅活中可能起重要作用[24].

2.2 幾種活性成分的殺菌效率

根據(jù)上面的實驗，對電暈放電中各種活性粒子的殺菌作用進行逐一試驗，分別采用紫外線、臭氧、中性活性物質、帶電粒子等對金黃色葡萄球菌進行殺滅，得到其滅菌效率，進一步分析其滅活原理.

2.2.1紫外線的殺菌效率

圖5為單獨的紫外線的殺菌效率.

可以看到，單獨的紫外線有很好的殺菌效率,30 s內滅菌效率可達100%. 但較近距離(25 cm)的殺菌效率在30 s之前高于較遠距離(50 cm). 紫外線的殺菌效果主要源自對微生物細胞核中的DNA的破壞作用，殺菌效率與波長相關，其中200～300 nm波長的紫外線具有最高的殺菌效率. 本文使用的是253.7 nm醫(yī)用紫外燈，對于金黃色葡萄球菌具有很強的殺菌效果. 但電暈的的紫外波段一般在300 nm以上，殺菌效果將比較弱. 實際上本文也利用在培養(yǎng)基上方加入紫外可透過的石英玻璃板來隔離除紫外線外的其他活性物質，進行電暈放電產生的紫外效應的殺菌效率研究，結果發(fā)現(xiàn)單純的放電紫外效應并不足以在短時間內起到殺菌作用.

2.2.2臭氧的殺菌效率

圖6為單獨臭氧的殺菌效率.

由圖6可知，單獨的臭氧也有較好的殺菌效果，在100 s時滅菌效率可達100%. 臭氧的殺菌作用來自其自身及其產生的氧原子的強氧化作用. 臭氧能破壞細菌的細胞壁和細胞膜，改變細胞通透性，進一步作用于蛋白和脂多糖，分解細菌內部的酶，導致細菌死亡.

2.2.3紫外線與臭氧的共同作用

臭氧與紫外線共同作用的殺菌效果如圖7所示，也給出單獨紫外線、臭氧的結果(為體現(xiàn)二者聯(lián)合滅菌與單獨滅菌的效率差異，此處的處理時間與圖5及圖6中略有不同).

可以看出，紫外線和臭氧共同作用的殺菌效率明顯低于純紫外線的殺菌效率. 純紫外燈在20 s時的殺菌效率基本達到99%，而紫外和臭氧的共同殺菌效率僅有57%；在30 s時，殺菌效率也僅有78%. 在誤差范圍內，共同作用的殺菌效率基本與臭氧的相當. 說明紫外線和臭氧同時加載時，并不改善滅菌效果.

2.2.4中性活性粒子的殺菌效率

分別在培養(yǎng)皿下方加偏壓和在培養(yǎng)基上方加地電極網(wǎng)后，帶電粒子被阻擋，進入培養(yǎng)皿的只有中性粒子，它們的滅菌效果如圖8和圖9所示.

圖8表明，在培養(yǎng)皿底部加不同偏壓對殺菌效率有影響. 在誤差范圍內，當加正偏壓與不加偏壓時的殺菌效率基本一致；但當加負偏壓時，負電暈放電的殺菌效率明顯低于不加偏壓時的值(如8 min時約減少15%). 圖9中表明，當在培養(yǎng)基上方加入接地電極網(wǎng)時，殺菌效率略有減少(如8 min時約減少10%). 接入地電極網(wǎng)時的殺菌效率與在培養(yǎng)皿底部置負偏壓的殺菌效率趨勢類似.

放電產生的中性活性物有很好的殺菌效果，利用不同方式去除帶電粒子后，8 min的殺菌效率仍可達到80%. 其中起主要作用的應為O，O3，OH，NO等中性活性粒子. 這些基團具有很高的活性，與細菌表面和內部的各種成分發(fā)生了復雜的生物化學反應，改變了細胞膜的成分，影響細菌的正常生命活動，使細菌失活. 另外，高濃度的活性物質會影響細胞正常的分裂過程，細胞周期停滯或凋亡. 去除帶電粒子后，殺菌效率有所降低，說明帶電粒子在放電過程中可能起到了輔助殺菌的作用.

2.2.5帶電粒子的殺菌效率

在針尖附近加載抽氣裝置后，中性活性粒子在橫向風力的作用下運動，地電極外中性粒子大大減少，離子風中主要是帶電粒子，其殺菌效率曲線如圖10所示.

可以看到，在誤差范圍內，去除中性活性粒子后的電暈風中單獨的帶電粒子殺菌效率幾乎為0，亦即單純的電暈風離子的殺菌效應很小. 這可能是電暈風中帶電粒子的能量較低，不足以產生對細菌的刻蝕作用而使其死亡；同時，帶電粒子密度也不夠高，即使產生一定的生物電效應，但由于沒有其他活性粒子的參與，也難以有效凋亡細菌.

3 討 論

可以看到，電暈放電產生的不同活性成分對細菌的殺滅效應不同. 其中最受關注的幾種殺菌因素(即臭氧、紫外線、帶電粒子、其他活性氧化劑)的耦合作用并非都是正效應.

3.1 紫外線與臭氧的聯(lián)合作用

本實驗證實，較高濃度的臭氧與較高強度的紫外線共同處理細菌時，殺滅效率相對單獨作用反而下降，表明臭氧和紫外線的聯(lián)合作用非常復雜. 事實上，臭氧對253.7 nm附近波長的紫外線吸收強烈，這導致臭氧和紫外線的雙重損失，使臭氧和紫外線的聯(lián)合殺滅效率降低. 但另一方面，更短波長的紫外線(200 nm以下)有利于空氣中臭氧的形成. 部分紫外殺菌機也正是利用了該原理，實際上是紫外線產生的臭氧的殺菌作用[25].

在較弱的電暈放電中，紫外線主要集中在300～400 nm波段，300 nm以下波段輻射并不強. 這一波段的紫外線進行殺菌時一般需要足夠的功率密度才能實現(xiàn). 大氣壓低溫等離子體的紫外線功率密度本身較低(一般低于50 μW/cm-2)，故較遠距離處的電暈紫外殺菌效應很小[26].

3.2 中性粒子的作用

無論是臭氧還是其他中性活性氧化劑，對細菌的殺滅作用是顯而易見的，這也是以往眾多研究所確定的事實[27-29]. 本實驗也證實，在電暈放電消除了帶電粒子后的放電產物對細菌的殺滅作用非常強. 雖然帶電粒子本身的殺菌效應較弱，但其產生的電效應可以加強中性活性粒子的殺滅效果. 這也是本實驗發(fā)現(xiàn)的特別效應.

3.3 電暈風帶電粒子的作用

獨立的電暈風中帶電粒子并不是殺菌的主要因素. 帶電粒子可以產生2個效應，一是動能效應，這與電暈風速度有關. 只有足夠速度的帶電粒子才能直接刺穿細胞，導致細菌凋亡. 電暈風的速度小(～1 m/s量級)，離子動能小，對細菌的殺滅作用很小. 帶電粒子在細胞表面沉積的生物電效應，這與離子密度有關. 但這一效應是輔助的，它可以加強其他效應，如促進中性活性粒子的滲透作用，提高殺滅效果[30].

當然，在電暈區(qū)(特別是電暈電極附近)的電場非常強，可能引起與電暈離子風區(qū)不同的效果，但在通常的電暈殺菌裝置中，細菌基本不會接觸放電電極，因此電暈放電的帶電粒子的殺菌作用是輔助的.

3.4 電暈放電的殺菌機制和優(yōu)化建議

綜合上面信息，可以推測負電暈放電的殺菌機制如下：電暈放電產生的中性活性物質(如O，O3，OH，NO等)在滅菌過程中起到了關鍵作用，其高活性使得細菌失活死亡；單獨的電暈風帶電粒子殺菌作用很弱，但帶電粒子的電效應可以加強中性活性粒子的滅菌效果，具有輔助殺菌的作用；電暈放電產生的紫外效應本身的殺菌作用可以忽略，但紫外線與其他活性物質(如O3)的相互作用可能會影響放電整體的殺菌效率，需要具體考慮.

據(jù)此可以建議：對于電暈放電殺菌裝置來說，在保證安全性的前提下，應當通過提高放電強度、增加放電尺度等方式來盡可能提高活性粒子的產率和產量，減小紫外激發(fā)；同時OH等含氫的自由基對滅菌有較大貢獻，適當增加空氣濕度可以有效提高滅菌效率；負離子的產生對滅菌具有輔助作用，對空氣起到凈化作用，故采用負電暈的形式更有利于室內空氣殺菌和凈化.

4 結 論

本文選取了金黃色葡萄球菌作為實驗菌種，使用負電暈放電對其進行殺菌處理，統(tǒng)計殺菌效率，分析滅活機理，主要結論如下：

① 單獨的紫外線、臭氧和負電暈放電均有較好的殺菌效果，在較短的時間內殺菌效率均可達到100%. 但紫外線和臭氧的聯(lián)合并不是簡單的協(xié)同作用. 在電暈放電條件下，紫外殺菌效應不是主要機制.

② 電暈放電中起主要殺菌作用的是包括O，O3，OH，NO在內的中性活性粒子，其強氧化性導致細菌凋亡.

③ 電暈風中單獨帶電粒子本身的殺菌作用不明顯，但帶電粒子具有輔助殺菌作用，它促進中性活性物質的滲透，加強殺菌效果.