手持式低溫等離子體射流滅菌裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

覃 思，范鎧源，李 虎，王閏寧，黃時(shí)海

（1.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

食品及食品包裝的殺菌消毒是一直以來(lái)困擾人們的難題。尤其對(duì)于生鮮果蔬類食品而言，在包裝前進(jìn)行有效的殺菌消毒，不僅能夠保持其營(yíng)養(yǎng)、風(fēng)味和性狀，更能延長(zhǎng)貨架期，提高食品品質(zhì)［1］。LAROUSSI等［2］率先使用常壓冷等離子體實(shí)現(xiàn)細(xì)菌滅活，為殺菌消毒提供了新的思路與技術(shù)方法。低溫等離子體在滅菌作用、安全性、藥物殘留和滅菌時(shí)間等關(guān)鍵因素方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)，從而使得這項(xiàng)技術(shù)在食品加工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［3］。目前我國(guó)已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體對(duì)食物進(jìn)行相關(guān)的滅菌試驗(yàn)研究，且效果顯著［4-5］。

大氣壓等離子體射流（Atmospheric Pressure Plasma Jet，簡(jiǎn)稱APPJ）技術(shù)是近年來(lái)新興的大氣壓氣體放電技術(shù)，并且已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外等離子體科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［6］。大氣壓等離子體射流能夠?qū)a(chǎn)生的低溫等離子體引入開(kāi)放的空間中處理具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體，使得被處理物體與高壓電極分離，提高使用的安全性，且射流溫度接近室溫。迄今為止，有許多團(tuán)隊(duì)使用APPJ技術(shù)進(jìn)行抗菌研究并探索相關(guān)的滅菌機(jī)制［7-8］。這些研究中所使用的等離子體射流裝置均使用惰性氣體作為工作氣體，如氦氣、氬氣、惰性氣體與少量空氣的混合物等。然而這些工作氣體并不能夠脫離復(fù)雜的儲(chǔ)氣裝置或高壓氣瓶，導(dǎo)致利用惰性氣體為工作介質(zhì)的等離子體射流裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高昂，限制在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和多功能性。同時(shí)目前對(duì)此類設(shè)備的合規(guī)性考評(píng)標(biāo)準(zhǔn)的研究也是困擾人們的難題［9］。

本文旨在開(kāi)發(fā)一種手持便攜式APPJ裝置，以環(huán)境空氣為工作介質(zhì)，采用高頻交流電源驅(qū)動(dòng)，使用介質(zhì)管中的高壓電極與介質(zhì)管外的環(huán)狀電極配置以產(chǎn)生空氣等離子體射流，用于在較短的工作時(shí)間內(nèi)減少待處理物品表面的細(xì)菌數(shù)量。通過(guò)改變裝置的外加電壓來(lái)研究所開(kāi)發(fā)設(shè)備的電氣特性以及對(duì)等離子體射流的影響。通過(guò)對(duì)APPJ裝置的運(yùn)行溫度與等離子體射流溫度的測(cè)量，進(jìn)行驗(yàn)證性滅菌試驗(yàn)，測(cè)量對(duì)酵母菌的滅活效果，評(píng)估裝置的殺菌性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 空氣等離子體射流裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并制作一種使用環(huán)境空氣為工作介質(zhì)，由高壓交流電源驅(qū)動(dòng)的手持等離子體射流裝置，如圖1（a）所示。裝置由2部分組成：外殼和等離子體激發(fā)腔體。射流裝置外殼采用絕緣性能較好的尼龍材料［10］，采用3D打印技術(shù)一體成形（整體尺寸長(zhǎng)150 mm，寬60 mm，高100 mm）。等離子體激發(fā)腔體如圖1（b）所示，采用針-環(huán)同軸電極結(jié)構(gòu)的介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體，激發(fā)腔體內(nèi)部平均電場(chǎng)強(qiáng)度［11］：

圖1 手持空氣等離子體射流裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of hand-held air plasma jet device

式中 Eavg——激發(fā)腔體內(nèi)平均電場(chǎng)強(qiáng)度，kV/mm；

Upp——外加電壓峰-峰值（幅值），kV；

dc——介質(zhì)管厚度，mm；

dg——?dú)庀堕g距，mm。

由式（1）可知，為了使得激發(fā)腔體內(nèi)部電場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度，內(nèi)外電極的間距不宜過(guò)大。因此，由石英制成的介質(zhì)管，內(nèi)徑為6 mm，外徑為8 mm，長(zhǎng)為120 mm。在介質(zhì)管外鍍有寬度為10 mm銅膜作為接地電極，距管口5 mm。在介質(zhì)管的軸心位置裝有直徑為2 mm的鎢棒作為高壓電極。高壓電極與介質(zhì)管之間采用絕緣體連接，高壓電極前端與介質(zhì)管噴嘴之間的距離為5 mm，噴嘴直徑為3 mm。高壓電極與介質(zhì)管之間的環(huán)形腔室作為氣體通道，允許工作氣體通過(guò)。通過(guò)電離高壓電極與介質(zhì)管之間的空氣產(chǎn)生等離子體，在氣流的作用下從介質(zhì)管口噴出，形成等離子體射流。

1.2 APPJ處理系統(tǒng)的搭建

為了研究所開(kāi)發(fā)器件的電氣特性、裝置穩(wěn)定運(yùn)行溫度、等離子體射流溫度并進(jìn)行驗(yàn)證性滅菌試驗(yàn)，搭建一個(gè)APPJ處理系統(tǒng)，如圖2所示。環(huán)境空氣由D50H-42H型無(wú)刷隔膜氣泵（成都海霖科技有限公司）通過(guò)硅膠管從與絕緣層相鄰的管道注入激發(fā)腔體；采用MF5706-25型質(zhì)量流量計(jì)（成都矽翔微機(jī)電系統(tǒng)有限公司）控制與計(jì)量氣體流速，保證空氣均勻進(jìn)入介質(zhì)管；使用電壓探頭（Tektronix P6015A）測(cè)量高壓交流電源的輸出電壓，電流探頭（Tektronix P6021A）測(cè)量輸出電流，示波器（Tektronix TDS 2024C）記錄實(shí)時(shí)電壓和電流波形；等離子體射流裝置穩(wěn)定運(yùn)行溫度與射流溫度使用UTi120S型熱成像儀（優(yōu)利德科技股份有限公司）和TES-1310型熱電偶測(cè)溫儀（臺(tái)灣泰仕有限公司）進(jìn)行熱成像監(jiān)測(cè)與溫度測(cè)量；使用EOS 60D型數(shù)碼相機(jī)（佳能公司）捕捉空氣電離圖像；裝置放電功率利用Q-V Lissajous圖形法測(cè)量［12］，直接用電流探頭測(cè)量放電裝置的電流信號(hào)，將所得電流信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，從而得到轉(zhuǎn)移的電荷量Q，最后得到Q-V Lissajous圖形進(jìn)行分析。

圖2 APPJ處理系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of APPJ processing system

1.3 細(xì)胞培養(yǎng)與滅菌試驗(yàn)方法

利用酵母菌水溶液作為試驗(yàn)樣本，進(jìn)行驗(yàn)證性滅菌試驗(yàn)。按照1：2：2的質(zhì)量配比將酵母粉、蛋白胨和葡萄糖混合，制作YPD（Yeast Peptone Dextrose）培養(yǎng)液，另將酵母粉、蛋白胨、葡萄糖和瓊脂按照1：2：2：2的質(zhì)量配比混合制作固體培養(yǎng)基。將制作好的YPD培養(yǎng)液置于25 ℃的恒溫?fù)u床中，以200 r/min的轉(zhuǎn)數(shù)培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)好的酵母菌溶液的平均含菌濃度為106～107CFU/mL。

在實(shí)際生產(chǎn)生活中，食品表面的細(xì)菌并不是單個(gè)存在，而是多個(gè)細(xì)菌聚集在一起形成的生物膜。為了最大程度還原真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，將培養(yǎng)好的酵母菌溶液不經(jīng)過(guò)稀釋，直接均勻涂于YPD固體培養(yǎng)基上，厚度約為1.5 mm；然后將其放置在距離射流管口10 mm的位置，分別在12，14 kV外加電壓條件下進(jìn)行10，20，30，40，50，60，90 s的滅菌試驗(yàn)，對(duì)照組為將涂有酵母菌溶液的固體培養(yǎng)基放置在距射流管口10 mm位置進(jìn)行30 s無(wú)外加電壓的空氣氣流處理，以上試驗(yàn)流速均為3.5 L/min。試驗(yàn)結(jié)束后將所有培養(yǎng)基置于30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)24 h，APPJ裝置的滅菌性能即可通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)組和對(duì)照組培養(yǎng)基上的菌落區(qū)域來(lái)進(jìn)行評(píng)估。

2 結(jié)果與分析

2.1 電氣特性

圖3為在外加電壓幅值分別為10，12，14 kV，頻率為13.3 kHz時(shí)，測(cè)量得到的電壓電流波形和Q-V Lissajous圖形。

圖3 電壓電流波形圖和Q-V Lissajous圖Fig.3 Voltage and current waveform diagram and Q-V Lissajous diagram

介質(zhì)阻擋放電是一個(gè)放電、熄滅和重新放電的暫態(tài)過(guò)程，絲狀放電回路隨機(jī)分布在放電空間內(nèi)且持續(xù)時(shí)間非常短暫［13］。電流波形為許多微小的快速脈沖，分別對(duì)應(yīng)在放電空間出現(xiàn)的放電細(xì)絲，體現(xiàn)電荷在放電空間內(nèi)的傳輸遷移。外加電壓為10 kV時(shí)，放電電流峰-峰值為11 mA；當(dāng)外加電壓升高為12 kV時(shí)，為19.8 mA；當(dāng)外加電壓升高為14 kV時(shí)，則為28 mA。放電電流的峰-峰值隨著外加電壓的增大而升高，且每半個(gè)周期內(nèi)電流脈沖數(shù)量呈遞增趨勢(shì)。電流方向（正或負(fù)）和幅度在升壓和降壓半周期內(nèi)不同，可能是由石英管內(nèi)外表面電子和離子遷移率的差異引起［14］。

通過(guò)使用Q-V Lissajous圖形來(lái)確定裝置所消耗的平均功率：

其中，P為放電功率；T為放電周期；U為外加電壓；f為放電頻率；A為L(zhǎng)issajous圖形面積［15］。

由式（2）計(jì)算得到，在外加電壓為10 kV時(shí)，設(shè)備的放電功率為5.3 W；當(dāng)外加電壓為14 kV時(shí)，為7.6 W。放電功率隨著外加電壓的增加而增大，這是因?yàn)樽杂呻娮釉陔妶?chǎng)中獲得的能量與外加電壓成正比，外加電壓的增大可以使電子獲得更大的能量，從而增強(qiáng)等離子體激發(fā)區(qū)域的粒子碰撞。放電空間內(nèi)的絲狀放電通道增多、半徑增大，從而提高裝置的放電功率。

不同外加電壓條件下測(cè)量得到的Lissajous圖形表現(xiàn)出不同的特征。隨著外加電壓的增大，Lissajous圖形的面積不斷增大，同時(shí)圖形形狀逐漸表現(xiàn)為平行四邊形，說(shuō)明隨著外加電壓的增大，正負(fù)半周期的放電電流對(duì)稱性越來(lái)越好［16］。

2.2 外加電壓對(duì)于等離子體射流的影響

圖4顯示了外加不同等級(jí)電壓時(shí)空氣的電離圖像。將拍攝得到的照片經(jīng)過(guò)峰值對(duì)焦處理，可知在9 kV時(shí)，空氣發(fā)生電離產(chǎn)生的等離子體在氣流的作用下形成等離子體射流。隨著外加電壓的升高，放電區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加，空氣電離程度逐漸上升，產(chǎn)生的等離子體射流長(zhǎng)度和等離子體形成的藍(lán)紫色光的亮度隨著電壓的增加而增強(qiáng)，并充滿整個(gè)激發(fā)區(qū)域，形成的等離子體射流均一性較好。此現(xiàn)象與圖3測(cè)量得到的電壓電流波形圖相符合。對(duì)產(chǎn)生的空氣等離子體進(jìn)行OES檢測(cè)分析可知，射流的主要產(chǎn)物是O3，NO2，以及少量的N2O，HNO3和N2O5［17］。隨著外加電壓的增加，發(fā)射光譜的峰值更高，但是基本輪廓保持相似，即等離子體射流中的活性粒子種類基本上不變，濃度隨著外加電壓的升高而升高。外加電壓的幅值是影響空氣電離產(chǎn)生等離子體的重要因素，外加電壓越高，空氣電離程度越強(qiáng)，空氣等離子體射流中的活性粒子含量越高。

圖4 空氣等離子體射流（F=3.5 L/min）Fig.4 Air plasma jet（F=3.5 L/min）

2.3 等離子體裝置穩(wěn)定運(yùn)行溫度分析

APPJ裝置在穩(wěn)定工作10 min后的熱成像照片如圖5所示。在溫度變化區(qū)域之間的紫色部分為地電極的位置。地電極保持較低的溫度，約為室溫。當(dāng)外加電壓從10 kV增加至14 kV時(shí)，介質(zhì)管中的溫度逐漸升高，地電極上方溫度逐漸分層且區(qū)域有所擴(kuò)張。位于地電極下方的紅色部分為高溫區(qū)域，隨著外加電壓的增加，高溫區(qū)域有所增大，這一現(xiàn)象與圖4相符。高溫區(qū)域中的白色部分為裝置的最高溫度區(qū)域，溫度隨著外加電壓的增大而升高。裝置的最高溫度由10 kV時(shí)的37.9 ℃逐漸升高至14 kV時(shí)的85.4 ℃，但是遠(yuǎn)低于裝置主要結(jié)構(gòu)的熔點(diǎn)［18］，不會(huì)對(duì)裝置的使用和安全造成影響。地電極下方高溫區(qū)域的出現(xiàn)可能是因?yàn)樯淞餮b置的孔口較?。ㄖ睆街挥? mm），電離空氣產(chǎn)生的大量等離子體不能及時(shí)跟隨氣流流出而聚集形成。在外加電壓分別為10，11 kV時(shí)，地電極下方的最高溫度區(qū)域并不在中心位置，而是靠向介質(zhì)管的右側(cè)。隨著外加電壓的升高，最高溫區(qū)域逐漸移動(dòng)至中心位置，可能是因?yàn)楦邏弘姌O沒(méi)有完全放置在介質(zhì)管的軸心位置，而是向右偏移導(dǎo)致。

圖5 不同電壓下的裝置溫度分布（F=3.5 L/min）Fig.5 Temperature distribution of the device under different voltages（F=3.5 L/min）

2.4 等離子體射流溫度分析

等離子體射流的溫度是等離子體應(yīng)用中的一個(gè)重要因素，為避免對(duì)處理食品造成熱損傷或破壞待處理食品的活性組織，處理溫度一般不應(yīng)超過(guò)45 ℃的閾值［19］?？諝獾入x子體射流溫度通過(guò)接觸式熱電偶測(cè)溫儀沿軸向測(cè)量噴嘴外的射流而得到，分別在不同外加電壓等級(jí)和不同空氣流速下，將探針?lè)胖迷诰嚯x介質(zhì)管出口10，20 mm的2個(gè)位置，連續(xù)暴露于等離子體射流中30 s，以獲得儀表的穩(wěn)態(tài)讀數(shù)。

等離子體射流溫度變化曲線如圖6所示。在空氣流速和測(cè)量位置相同的情況下，等離子體射流溫度隨著外加電壓的升高而升高。在距管口10 mm且外加電壓為14 kV時(shí)，射流溫度達(dá)到最大值39.6 ℃。在外加電壓等級(jí)和測(cè)量位置相同的情況下，等離子體射流溫度隨著空氣流速的增大而降低。同時(shí)等離子體射流溫度和與管口的距離也有較大關(guān)系，距管口20 mm位置的等離子體射流溫度在相同條件下普遍低于10 mm處。

圖6 距管口10，20 mm等離子體射流溫度Fig.6 Plasma jet temperature at a distance of 10 and 20 mm from the nozzle

使空氣等離子體射流裝置產(chǎn)生的等離子體射流與人體直接接觸，僅感受到氣體吹動(dòng)，無(wú)任何電擊或灼燒感，設(shè)備放電穩(wěn)定。

2.5 滅菌結(jié)果及分析

為評(píng)估設(shè)備的滅菌性能，在不同處理?xiàng)l件下對(duì)酵母菌菌落膜的形成進(jìn)行等離子體射流處理試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。對(duì)比試驗(yàn)組和對(duì)照組可知，每個(gè)樣品中經(jīng)過(guò)等離子體射流處理的區(qū)域均產(chǎn)生了酵母菌生長(zhǎng)抑制區(qū)，而在對(duì)照組中則未發(fā)現(xiàn)。表明酵母菌被等離子體射流中的活性物質(zhì)通過(guò)一系列化學(xué)和物理反應(yīng)所殺滅，與XIAO等［20］所述結(jié)果相吻合。

圖7 不同處理?xiàng)l件下的酵母菌生長(zhǎng)抑制區(qū)面積Fig.7 Area of yeast growth inhibition zone under different treatment conditions

在相同電壓強(qiáng)度下，生長(zhǎng)抑制區(qū)面積隨著等離子體射流處理時(shí)間的增加而增大。在外加電壓為12 kV時(shí)，生長(zhǎng)抑制區(qū)面積從61.7 mm2逐步增大至128.5 mm2；在外加電壓為14 kV時(shí)，生長(zhǎng)抑制區(qū)面積從68.3 mm2逐步增大至198.2 mm2。生長(zhǎng)抑制區(qū)面積與電壓強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)。在經(jīng)過(guò)相同時(shí)間的等離子體射流處理后，外加電壓為14 kV所形成的酵母菌生長(zhǎng)抑制區(qū)面積普遍大于外加電壓為12 kV的面積。

無(wú)論外加電壓為12 kV還是14 kV，在經(jīng)過(guò)20 s的等離子體射流處理后，所形成的酵母菌生長(zhǎng)抑制區(qū)面積均已遠(yuǎn)大于射流裝置噴口的面積，表明等離子體射流中的活性粒子在氣流的擴(kuò)散作用下有所外溢，與ZHU等［21］所報(bào)告的研究結(jié)論相符。試驗(yàn)結(jié)果表明，等離子體射流中的活性粒子對(duì)酵母菌的殺滅快速有效，不僅能夠作用于菌落膜的表面，更能深入酵母菌菌落膜基中，同時(shí)不會(huì)對(duì)待處理物品的理化性質(zhì)造成影響，而傳統(tǒng)抗菌技術(shù)不能做到，證明了使用大氣壓空氣低溫等離子體射流技術(shù)對(duì)食品及食品包裝進(jìn)行殺菌消毒的可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)制作的空氣APPJ裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便，可產(chǎn)生安全、穩(wěn)定的低溫等離子體射流，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)食品及食品包裝進(jìn)行有效的殺菌消毒，為殺菌消毒提供新的技術(shù)方法。不僅探討設(shè)計(jì)制作的APPJ裝置的各項(xiàng)性能參數(shù)，還有望為此類設(shè)備的合規(guī)性評(píng)價(jià)體系的制定做出一定貢獻(xiàn)。

APPJ裝置的重要參量（電壓電流波形、放電功率、裝置溫度、等離子體射流溫度、滅菌能力）之間存在一定的表征關(guān)系，在后續(xù)的研究中，應(yīng)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以提高滅菌效率。同時(shí)也應(yīng)將裝置與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，根據(jù)不同的工作環(huán)境，增加空氣過(guò)濾裝置等結(jié)構(gòu)，完成符合規(guī)?；⑸虡I(yè)化運(yùn)行的以環(huán)境空氣作為工作介質(zhì)的APPJ處理系統(tǒng)，將大氣壓空氣低溫等離子體射流技術(shù)推廣到實(shí)際的食品生產(chǎn)中。