河北工业大学、西安交通大学 夏文杰、刘定新：Ar等离子体射流处理乙醇水溶液的放电特性及灭菌效应

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团队介绍

刘定新，西安交通大学电气工程学院教授，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，中国电工技术学会青年工作委员会副主任。主要从事气体放电等离子体理论与技术、等离子体生物医学技术等研究工作，以第一或通讯作者发表SCI论文100余篇，被SCI引用2000余次。

作为主要完成人获得省部级科学技术一等奖3次，在本领域主要学术会议做特邀报告10余次。指导学生多次获得各项奖励,包括I0P中国区高被引作者奖、国际权威期刊亮点论文奖、“挑战杯”科技竞赛全国一等奖等。

夏文杰，河北工业大学讲师，主要从事气体放电等离子体及其生物医学应用、生物电磁技术等研究工作，发表论文10余篇，其中在Appl. Phys. Lett.和Plasma Sources Sci. Technol.等顶级期刊发表论文3篇。

大气压等离子体射流可以将等离子体中的短寿命活性粒子和带电粒子直接作用于微生物并诱导灭菌效应，但由于放电功率和处理面积较小，其在短时间内难以灭活水溶液中的多重耐药微生物。

而乙醇是一种医疗上常用的消毒剂，但高浓度乙醇对伤口刺激性较强，低浓度乙醇对耐药微生物的灭活效果又较差。理论上等离子射流与乙醇溶液相互作用可以产生协同灭菌效应。

基于此，本文研究了被处理水溶液中少量乙醇掺杂对Ar等离子体射流放电特性和灭菌效应的影响规律，制备出一种对伤口刺激性小且灭菌效率高的Ar射流等离子体活化乙醇溶液，并阐述了其灭菌机理。

研究背景

在等离子体射流灭菌应用中，微生物往往处于伤口渗出液等液体环境中，使得等离子体与水溶液的相互作用不可避免。一般认为，液相活性氧粒子和活性氮粒子在灭菌效应中起着最关键作用。

然而，由于放电功率和处理面积较小，等离子体射流与水溶液在较短时间内相互作用产生的液相活性氧粒子和活性氮粒子浓度往往较低，使得对水溶液中的微生物尤其是多重耐药微生物的灭活效果较差。

值得注意的是，乙醇是一种医疗上常用的消毒剂，但是高浓度的乙醇对伤口具有强烈的刺激性，而低浓度的乙醇对耐药微生物的灭活效果较差。理论上等离子射流与乙醇溶液相互作用可以产生协同灭菌效应。同时，相比于价格昂贵的氦气，氩气（Ar）是一种较为便宜的稀有气体，在工业大规模应用中Ar常作为工作气体来产生等离子体。

为了制备一种对伤口刺激性小且灭菌效率高的Ar射流等离子体活化乙醇溶液，有必要研究被处理水溶液中少量乙醇掺杂对Ar等离子体射流放电特性和灭菌效应的影响。

论文所解决的问题及意义

针对等离子体射流在短时间内难以灭活水溶液中的多重耐药微生物、高浓度乙醇对伤口刺激性较强等问题，本文提出了在Ar等离子体射流处理的水溶液中掺杂少量乙醇以增强灭菌效果的方法，制备出一种对伤口刺激性小且灭菌效率高的Ar射流等离子体活化乙醇溶液，并阐述了其灭菌机理，对等离子体射流灭菌应用的发展具有重要意义。

图1 Ar等离子体射流处理乙醇溶液及PAES灭菌装置

论文方法及创新点

首先，对比了放电和不放电两种情况下Ar射流等离子体活化乙醇溶液（Plasma-activated Ethanol Solution，简称PAES）和乙醇溶液对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的灭活效果，发现在被处理的水溶液中掺杂20%乙醇可使PAES的灭菌效果提高5个数量级以上。

为了增强PAES的灭菌效果，同时降低乙醇对伤口的刺激性，进一步研究了低乙醇浓度下工作气体中不同O₂或N₂掺杂浓度对灭菌效果的影响，发现当工作气体中掺杂0.2%N₂时，只需在被处理的水溶液中掺杂2%乙醇，即可提高5个数量级以上的灭菌效果。

再次，提出在屏蔽罩中通入Ar+O₂以优化PAES灭菌效果的方法，通过放电特性和发射光谱分析，发现当屏蔽罩中掺杂1%O₂时，只需在被处理的水溶液中掺杂2%乙醇，即可提高5个数量级以上的灭菌效果；同时发现2%乙醇掺杂可使等离子体中多个放电通道交叠，原因可能是亚稳态Ar^*和乙醇气体分子在气液界面的彭宁电离作用。

最后，通过液相活性粒子检测分析，阐述了过氧乙酸可能在灭菌过程中起主导作用，而过氧亚硝酸和过氧乙酸可能协同作用增强了灭菌效果。

结论

本文提出了一种Ar等离子体射流和乙醇溶液协同灭菌的方法，揭示了被处理的水溶液中少量乙醇掺杂对Ar等离子体射流放电特性和灭菌效应的影响规律：

（1）在被处理的水溶液中掺杂20%乙醇溶液可使等离子体活化水的灭菌效果提高5个数量级以上。

（2）无屏蔽罩时，当工作气体Ar中掺杂0.2%N₂时，只需在被处理的水溶液中掺杂2%乙醇，即可使等离子体活化水的灭菌效果提高5个数量级以上。

（3）当屏蔽罩中掺杂1%O₂时，在被处理的水溶液中掺杂2%乙醇即可提高5个数量级以上的灭菌效果。同时，2%乙醇掺杂可使等离子体中多个放电通道交叠，原因可能是亚稳态Ar^*和乙醇气体分子在气液界面的彭宁电离作用。

（4）阐述了等离子体活化乙醇溶液中过氧乙酸可能在灭菌过程中起主导作用，而过氧亚硝酸和过氧乙酸可能协同作用增强灭菌效果。

引用本文

夏文杰, 刘定新. Ar等离子体射流处理乙醇水溶液的放电特性及灭菌效应[J]. 电工技术学报, 2021, 36(4): 765-776. Xia Wenjie, Liu Dingxin. Discharge Characteristics and Bactericidal Effect of Ar Plasma Jet Treating Ethanol Aqueous Solution. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(4): 765-776.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201227

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