实现微米级灭菌范围控制的微细等离子体射流装置

实现微米级灭菌范围控制的微细等离子体射流装置 Micro plasma jet devices for micron sterilization range control first-author 张雨晗（1997-），女，吉林长春人，硕士研究生，主要从事微细等离子体灭菌的研究。E-mail： 2504901871@qq.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460872&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460874&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460873&type= 22.01332855 32.00399017 张雨晗 （1997-），女，吉林长春人，硕士研究生，主要从事微细等离子体灭菌的研究。E-mail： 2504901871@qq.com 2504901871@qq.com corresp E-mail： lihua@guet.edu.cn E-mail： lihua@guet.edu.cn 李　华（1978-），男，湖南郴州人，博士，教授，博士生导师，2001年、2004年于中北大学分别获得学士和硕士学位，2007年于北京理工大学获得博士学位，2010年于清华大学仪器科学与技术博士后流动站出站，主要从事等离子体医学、MEMS等的研究。E-mail：lihua@guet.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460875&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460877&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460876&type= 22.01332855 32.00400543 李　华 （1978-），男，湖南郴州人，博士，教授，博士生导师，2001年、2004年于中北大学分别获得学士和硕士学位，2007年于北京理工大学获得博士学位，2010年于清华大学仪器科学与技术博士后流动站出站，主要从事等离子体医学、MEMS等的研究。E-mail： lihua@guet.edu.cn lihua@guet.edu.cn 桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004 桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004 School of Life and Environmental Sciences， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China School of Life and Environmental Sciences， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China 为了实现微细等离子体的精准灭菌，设计了新型微细等离子体射流装置，并对该装置产生的含氧活性粒子（Reactive Oxygen Species， ROS）和含氮活性粒子（Reactive Nitrogen Species， RNS）分布范围及其灭菌范围进行研究。淀粉碘化钾混合溶液里的碘离子可以被微细等离子体射流产生的ROS，RNS氧化成碘单质，根据淀粉遇碘变蓝的显色原理，使用含有淀粉碘化钾混合溶液的琼脂培养基表征该装置射流中ROS，RNS的分布范围。将菌液涂布在琼脂培养基上，使用微细等离子体射流装置在相同的条件下处理不同的时间，于生化培养箱中37 ℃培养以进行灭菌范围的表征。最后在Ts2FL尼康倒置荧光显微镜下进行观察。实验结果表明，在交流电压幅值为5 kV，中心频率为10 kHz，作用时间为10，20和30 s时，灭菌范围分别控制在30，65和75 μm的直径内。等离子体射流与处理物体表面不直接接触和等离子体与物体表面直接接触两种作用方式相比，前者的灭菌范围更小，更容易实现精准控制。该装置将目前毫米量级的灭菌范围提高到了微米量级，对等离子体医学研究具有重要意义。 In order to achieve precise sterilization using micro plasma， a novel micro plasma jet device was designed， and the distribution range of the reactive oxygen species （ROS） and reactive nitrogen species （RNS） generated by the device and the sterilization range of the device were investigated. First， iodine ions （I - ） in a potassium starch iodide mixture were oxidized to iodine monomers （I 2 ） by the ROS and RNS generated by microplasma jets. The range of distribution of the ROS and RNS in the jet of the device was characterized using an agar medium containing the starch-potassium iodide mixture， based on the color development principle of starch， which turns blue when exposed to iodine. Next， a bacterial solution was coated on an agar medium and incubated overnight at 37 °C in a biochemical incubator using a micro plasma jet device for different times under the same conditions for characterization of the sterilization range. Finally， the sterilization ranges were observed under a Ts2FL Nikon inverted fluorescence microscope. The experimental results indicate that the sterilization range can be controlled within diameters of 30， 65， and 75 μm at an AC voltage amplitude of 5 kV， a center frequency of 10 kHz， and an action time of 10， 20， and 30 s， respectively. A plasma jet does not directly contact the surface of the object， whereas plasma directly contacts the surface of the object； the former has a smaller sterilization range， and it is easier to achieve accurate control. This device improves the current millimeter-scale sterilization range accuracy to the micron scale， which is of great significance for plasma medical research. 微细等离子体 灭菌 淀粉碘化钾混合溶液 微米级 micro plasma sterilization starch-potassium iodide mixture micron scale 1 引　言 1 现代医学技术的发展对细菌检测以及灭菌消毒技术的要求越来越高，其应用领域也越来越广。医疗器械的消毒、皮肤表面的伤口处理、牙齿根管治疗、癌细胞的杀灭等大量临床治疗都需要进行高精度的灭菌消毒。在细菌检测方面，近几年已经做到了高精度快速定量的检测 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。目前，灭菌方式主要有物理法、化学法和生物法等 ［ 3 3 ］ 。物理法灭菌主要是通过施加高温高压、紫外线等进行灭菌，包括热力灭菌、辐射灭菌等，容易破坏不耐高温高压的医疗器械及人体组织，且大量的紫外线对人体皮肤、免疫系统、呼吸系统等均会造成一定的损伤；化学法灭菌主要是通过投加化学药物进行灭菌，常用的灭菌剂有戊二醛、邻苯二甲醛和二溴海因等，极易残留化学试剂并对人体及生态环境造成不可逆转的损害；生物法灭菌主要是利用各种生物酶以达到消灭微生物及其排泄物的目的，虽然更加生态环保，但降解率低，且易受到外界环境的影响，使用范围有限 ［ 4 4 ］ 。相比之下，低温等离子体射流因具有低温、高效、无残留的特点，可以在高精度医疗器械消毒和空气净化等技术领域弥补传统灭菌方式的不足 ［ 5 5 ］ 。继1996年Laroussi课题组在世界上首次将大气压低温等离子体技术应用于灭菌消毒以来 ［ 6 6 ］ ，在学术界迅速掀起了大气压低温等离子体灭菌消毒技术的研究热潮，各种新型等离子体如介质阻挡放电等离子体（DBD）、电晕放电等离子体（corona discharge）、辉光放电等离子体（glow discharge）等相继被提出 ［ 7 7 - 9 9 7-9 ］ 。 将等离子体应用于临床，除了要考虑生物安全性、灭菌效果等因素外，还应着重考虑是否会对周围正常组织产生损伤，是否可以做到对处理区域的范围及剂量的精确控制。此外，等离子体在细菌灭活方向的科学研究也迫切需要在细胞大小层面（微米量级）开展原理性研究。因此，等离子体射流对灭菌区域的精准定位作用近年来成为研究热点。卢新培课题组采用针电极电晕放电实现了对单个细胞的精准灭活控制 ［ 10 10 ］ 。Sun等研究了2×7的微细等离子体射流阵列对中耳炎的治疗效果 ［ 11 11 ］ 。Shinya等以硅片为基底制作出一种等离子体芯片（Plasma-on-Chip），将等离子体放电电极和细菌培养皿集成设计，可对特定区域的小球藻细胞进行等离子体处理 ［ 12 12 - 15 15 12-15 ］ 。上述装置采用针电极或光纤材质产生微细等离子体射流。裸露的针电极上有高压，使用不方便且带来一定的安全隐患，而光纤材料做工精细，容易破碎，实际应用中具有一定的难度；微细等离子体射流作用的实际范围未见描述，不利于实际应用。目前，微细等离子体作用的灭菌范围还在毫米量级，如上海交通大学采用的微细等离子体射流装置，灭菌范围在0.4~2 mm之间 ［ 16 16 ］ 。本课题组在前期研究中，微细等离子体的作用精度也只停留在直径为2 mm的圆形区域 ［ 17 17 ］ ，还不能满足等离子体医学研究的需求。 针对目前研究的不足与实际的临床应用，本文设计了一种新型的微细等离子体装置。一方面，该装置会限制ROS，RNS向四周扩散，缩小处理范围，减少了无关ROS，RNS的损耗；另一方面，等离子体处理剂量主要依赖射流时间的长短和ROS，RNS的剂量，在保证时间恒定的情况下，可提高ROS，RNS变化的精度，从而精确控制灭菌范围及其效果，为细胞层面的等离子体生物医学研究提供了科学依据和技术手段。 2 实　验 1 2.1　实验装置 2 如 图1 图1 所示，微细等离子体由载气流速控制装置、交流电源、微细等离子体射流产生装置以及数据采集和存储装置4部分组成。气体流速控制部分主要由高压气瓶、D08-1F型流量显示仪和CS200A数字式气体质量流量控制器（北京七星华创电子股份有限公司）组成。交流电源为低温等离子体电源CTP-2000K（南京苏曼电子有限公司，中心频率10 kHz）。微细等离子体射流产生装置采用内径为0.2 mm、外径为0.49 mm、长度为60 mm的中空金属毛细管作为单电极，在单电极上施加交流电压电离氦气产生低温等离子体射流。一个内径为75 μm、涂层厚度为20 μm、长度为40 mm的弹性石英毛细管 （YN-标准聚酰胺涂层毛细管，锐沛色谱器件有限公司，人工合成的高纯度石英玻璃，其金属粒子总含量≤30、OH含量≤100；抗张拉力 > 300 Kpsi；工作温度为350 ℃，最高可达400 ℃）通过石英管（内径为2 mm，外径为3 mm，长度为2.5 mm）与金属毛细管连接。微细等离子体射流产生的ROS，RNS在氦气的作用下从弹性石英毛细管口吹出到达被处理物体表面，从而起到灭菌作用。放电电压波形由衰减1 000倍的P6015A高压探头测量获得，并通过TDS1002B-SC泰克示波器显示和存储。放电图像由NIKON D300S相机进行拍摄，光谱信息由AvaSpec-ULS3648-USB2光谱仪进行采集，Ts2FL尼康倒置荧光显微镜用来观察经微细等离子体处理过后的培养基。 2.2　菌株与培养 2 本实验用到的菌种为大肠杆菌（ATCC 25922）。将一定数量的大肠杆菌接种于75 mL无菌Luria-Bertani（LB）培养基并放置于恒温震荡摇床中孵育16 h，设置参数180 rmp、37 ℃。之后，取100 μL已完成一次活化的菌液加入到75 mL的LB培养基中，放置于恒温震荡摇床中孵育6 h以使其菌种活性达到最佳，其余参数与第一次活化时设置相同。 2.3　实验方法 2 在微细等离子体ROS，RNS浓度测量实验中，主要采用分光光度法测量等离子体ROS，RNS中H 2 O 2 ，HNO 3 /HNO 2 的浓度，基于Beer-Lambert定律进行物质浓度含量的测量： <math display="block" id="M1"><mi>A</mi><mo>=</mo><mi>ε</mi><mi>b</mi><mi>c</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460885&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460884&type= 12.44600010 2.79399991 ， 式中： A 表示吸光度， ε 表示吸光系数， b 表示吸收层的厚度， c 表示吸光物质的浓度 ［ 18 18 ］ 。吸光度是被测等离子体ROS，RNS在紫外分光光度计特定波长处或一定波长范围内产生的，可以对该物质进行定性、定量分析。同时结合显色法测量O 3 的浓度。通过绘制标准溶液的浓度与吸光度的标准曲线，将同一操作下经等离子体处理过的水溶液中ROS，RNS在特定波长处的吸光度带入前述所得的标准曲线中，最后得出等离子体中ROS，RNS的实际浓度。 在微细等离子体ROS，RNS分布范围表征实验中，直接用微细等离子体射流装置处理已配制好的含有淀粉碘化钾混合溶液的培养基，然后拿到显微镜下观察其显色范围。所用培养基由淀粉碘化钾混合溶液和琼脂平板按1∶1的体积比混合配制，其中淀粉碘化钾混合溶液由10%碘化钾和10%淀粉混合于超纯水中制备而成；琼脂平板由每升超纯水中加入16 g琼脂配备而成。含有淀粉碘化钾混合溶液的琼脂培养基可以可视化ROS和RNS如过氧化氢（H 2 O 2 ）、羟自由基（OH）、氧原子（O）和臭氧（O 3 ）等的二维分布。其原因如下：淀粉碘化钾混合溶液里的I - 被ROS（以H 2 O 2 为例）氧化成I 2 ，见反应式（1）。I 2 和过量的I - 反应生成 <math id="M2"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460888&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460886&type= 3.04800010 3.89466691 ，见反应式（2）， <math id="M3"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460891&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460889&type= 3.04800010 3.89466691 最终被捕获到淀粉中。这里所述的淀粉是具有螺旋结构的直链淀粉，然后在酸性条件下I 3 - 与淀粉反应生成蓝紫色的碘-淀粉络合物，见反应式（3） ［ 19 19 ］ 。 <math display="block" id="M4"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">H</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi mathvariant="normal">O</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><msup><mrow><mi mathvariant="normal">I</mi></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msup><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><msup><mrow><mi mathvariant="normal">H</mi></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msup><mo>→</mo><msub><mrow><mi mathvariant="normal">I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><msub><mrow><mi mathvariant="normal">H</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">O</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460893&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460892&type= 50.46133423 4.06400013 ， <math display="block" id="M5"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msup><mrow><mi mathvariant="normal">I</mi></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msup><mo>→</mo><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460895&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460894&type= 18.11866570 4.06400013 ， <math display="block" id="M6"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msubsup><mo>+</mo><msub><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="normal">C</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi mathvariant="normal">H</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi mathvariant="normal">O</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></msub><mo>→</mo><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msubsup><mo>·</mo><msub><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="normal">C</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi mathvariant="normal">H</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi mathvariant="normal">O</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460897&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460896&type= 53.25533295 5.92666674 . 在微细等离子体灭菌范围表征实验中，取100 μL活化好的菌液涂布到琼脂培养基上。本次实验所用的琼脂培养基每升超纯水中含有如下成分：16 g琼脂，10 g胰蛋白胨，5 g氯化钠和5 g酵母提取物。涂布有菌液的琼脂培养基经微细等离子体射流装置灭菌后放在生化培养箱中培养10 h。最后在显微镜下观察并测量灭菌范围，并与未处理的对照组进行对比以分析其灭菌效果。实验共进行三组以减小误差。 3 结论与分析 1 3.1　放电特性分析 2 实验装置中，电源的中心频率固定在10 kHz，氦气流速在0~0.3 slm（standard liter per minute，每分钟标准升） 可调，电压幅值在0~9 kV内变化。放电方式为单电极模式，即交流高压加载在金属毛细管上，等离子体射流末端相当于虚地。当加载的交流电压幅值为5 kV，氦气流速为0.1 L/min时，放电图像如 图2 图2 所示。金属毛细管两端的等离子体射流从管口喷出，呈淡紫色。当放电电压幅值从5 kV增加到9 kV时，等离子体射流的长度和强度逐渐增大，且发出不断增强的“嗡嗡”音。 1,2;3,4; 根据气体放电理论，等离子体以子弹的形式在空气中传播，本质上是流光传播过程。由于只有一个电极，因此放电在金属毛细管高压电极和周围的氦气中产生，类似于正电晕放电，且放电呈现周期性的脉冲形式，放电稳定，能够持续工作。等离子体射流只在金属毛细管两端产生，金属毛细管不仅起到放电装置的作用，也是气体通路的一部分。ROS，RNS在氦气流速的带动下进入微细弹性石英毛细管，并排出管口进行灭菌。 实验采用发射光谱法对大气压低温等离子体射流的放电参数进行诊断。实验前，由厂家进行发射光谱特征谱线波长和强度的校准及定标，因此可直接对氦气进行放电发射谱线的测量。本文测量的发射光谱谱线波段在200~825 nm，完全覆盖氦气的放电特征谱线。对氦气放电电离过程中产生的等离子体射流进行分析，测量及分析的谱线主要有3类：一是羟基谱线（OH：315.71 nm）；二是氮气第一负带系B 2 Σu + - X 2 Σu + ，包括氮离子（ <math id="M7"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">N</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460913&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460912&type= 4.65666676 4.06400013 （0，0）：390.25 nm）、（ <math id="M8"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">N</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460915&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460914&type= 4.65666676 4.06400013 （0，1）：427.65 nm）、（ <math id="M9"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">N</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460917&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460916&type= 4.65666676 4.06400013 （0，2）：470.82 nm）；三是氦气关键谱线，分别为（He 3 3 D — 2 3 P）587.50 nm、（He 3 1 D — 2 1 P）667.76 nm以及（He 3 3 S — 2 3 P）706.83 nm氦气谱线 ［ 20 20 ］ 。 由于在氦气电离放电时，电子与氦中性气体相撞的概率很小，通常氦原子只能够电离激发到亚稳态，无法完全电离，而且自然状态下空气中氮分子电离所需的能量低于氦原子电离为亚稳态所需要的能量，因此在电子与氦原子发生碰撞后，生成的亚稳态氦原子极大可能还会与氮分子发生二次碰撞激发。如此，氦亚稳态原子便将本身存在的能量传导给了氮分子，该过程中进一步碰撞激发，而激发所产生的能量可以通过氮分子离子退激过程中产生的光子来进行释放，因此可以在氦气的发射光谱中明显看到氮气第一负带系的谱线，且对于氦气等离子体射流的温度测量也是选择氮气第一负带系来进行计算 ［ 20 20 - 21 21 20-21 ］ 。 图3 图3 显示了由大气压氦气低温等离子体单管射流装置生成的氦气等离子体射流的发射光谱图，标记了羟基谱线、氮气第二正带系、氮气第一负带系、氦气关键谱线及氧的谱线，具体如 表1 表1 所示。 Spectral lines Transition Wavelength/ nm OH A 2 Σ + —X 2 Π（V'， V''）=（0，0） 315.71 N 2 （SPS） C 3 Π G —B 3 Π G （V'， V''）=（0，0） 336.92 C 3 Π G —B 3 Π G （V'， V''）=（0，1） 357.63 C 3 Π G —B 3 Π G （V'， V''）=（0，2） 380.36 N 2 + （FNS） B 2 <math id="M10"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">Σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460929&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460928&type= 3.47133350 3.21733332 —X 2 <math id="M11"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">Σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460929&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460928&type= 3.47133350 3.21733332 （V'， V''）=（0，0） 390.25 B 2 <math id="M12"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">Σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460929&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460928&type= 3.47133350 3.21733332 —X 2 <math id="M13"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">Σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460929&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460928&type= 3.47133350 3.21733332 （V'， V''）=（0，1） 427.65 B 2 <math id="M14"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">Σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460933&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460932&type= 3.47133350 3.21733332 —X 2 <math id="M15"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">Σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi></mrow><mrow><mo>+</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460933&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460932&type= 3.47133350 3.21733332 （V'，V''）=（0，2） 470.82 He 3 3 D—2 3 P 587.50 3 1 D—2 1 P 667.76 3 3 S—2 3 P 706.83 O （3 P 5 P—3 s 5 S） 2 777.64 3.2　ROS，RNS浓度测量及分布范围表征 2 等离子体产生的ROS，RNS在生物医学、污水处理等领域中发挥着重要作用。其中，ROS被认为在细菌灭活中起主导作用，还有RNS以及氢原子的协同作用，同时也可以增加水溶液的酸性，增强了细菌灭活的效果 ［ 22 22 - 23 23 22-23 ］ 。ROS有H 2 O 2 ，O 3 ，OH，O， <math id="M16"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">O</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460944&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460942&type= 4.57200003 3.97933316 ，过氧羟基自由基（HOO - ）等，RNS主要有HNO 3 /HNO 2 ，NO，过氧亚硝酸（ONOOH）等，氢粒子主要包括H + 和H原子，其中H 2 O 2 ，O 3 ，HNO 3 ，HNO 2 是长寿命粒子，而OH，O， <math id="M17"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">O</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460944&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460942&type= 4.57200003 3.97933316 等为短寿命自由基团。以短寿命的 <math id="M18"><msubsup><mrow><mi mathvariant="normal">O</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mo>-</mo></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460949&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24460946&type= 4.57200003 3.97933316 和HOO - 为例，其半衰期小于10 s ［ 24 24 ］ ，可能在还未检测出浓度之前就已超过其半衰期，因此可进行浓度测量的ROS，RNS主要为HNO 3 /HNO 2 ，H 2 O 2 ，O 3 等长寿命粒子。 3 . 2 . 1　HNO 3 浓度检测及结果 3 硝酸根在紫外分光光度计中有最大吸收波长 ［ 25 25 ］ ，因此本文以氢氧化钠和硝酸反应生成硝酸钠来反映等离子体ROS，RNS中硝酸的浓度。然而，氢氧化钠浓度过高会对吸光值产生影响，故实验所用的氢氧化钠浓度为450 μmol/L。在标准曲线的绘制过程中，取浓硝酸347 μL定容至500 mL配置成0.01 mol/L的硝酸溶液，随后将0.01 mol/L的硝酸溶液稀释成一系列梯度浓度后，与450 μmol/L氢氧化钠溶液各500 μL混合反应定容至3.5 mL，测其吸光度值，最后绘制标准曲线。在测量等离子体ROS，RNS中硝酸浓度的过程中，各取500 μL等离子体处理的超纯水和450 μmol/L 氢氧化钠溶液加入比色皿中定容至3.5 mL，测量其吸光度。具体结果如 图4 图4 和 表2 表2 所示。 1,2; Treatment time/s Abosorption Concentration/ （μmol·L -1 ） 10 20 30 0.044 0.056 0.083 5.15 6.36 9.09 3 . 2 . 2　H 2 O 2 浓度检测及结果 3 在酸性条件下，H 2 O 2 与钼酸铵反应生成稳定且呈黄色的过氧钼酸化合物，利用这个原理对H 2 O 2 浓度进行测量 ［ 26 26 ］ 。采用碘化钾作为显色剂，通过显色剂与活性物质反应生成新的长寿命粒子，在紫外分光光度计设定的波长超过300 nm时，碘单质和碘离子基本没有吸收波长，碘三离子在350 nm处有最大吸收波长 ［ 27 27 ］ ，检测结果的灵敏度更高。分别配制检测液A和B，A液由2 g邻苯二甲酸氢钾定容至100 mL配制而成，B液由0.02 g钼酸铵、6.6 g碘化钾以及0.2 g氢氧化钠混合后定容至100 mL制得，最后将A，B液等体积混合得到最终的检测液。在标准曲线的绘制中，将100 μL 30%的过氧化氢溶液加入99.6 mL超纯水配制成0.01 mol/L的过氧化氢标准溶液，随后将0.01 mol/L的过氧化氢标准溶液稀释成一系列梯度浓度的过氧化氢标准液，随后取不同浓度的过氧化氢标准溶液与检测液各1 mL于3.5 mL石英比色皿中混合，再加超纯水稀释至3 mL，充分反应10 min后，进行吸光度检测。选取吸收波长为350 nm处绘制标准曲线。对于H 2 O 2 浓度的测量，各取1 mL经等离子体处理不同时间的超纯水与检测液后稀释到3 mL，充分反应10 min后测量吸光度，结果如 图5 图5 和 表3 表3 所示。 1,2; Treatment time/s Abosorption Concentration/ （μmol·L -1 ） 10 20 30 0.055 0.065 0.075 5.10 6.08 7.02 3 . 2 . 3　O 3 浓度检测及结果 3 2014年，Patil等检测到等离子体ROS，RNS中存在O 3 ［ 28 28 ］ 。气相臭氧溶解于水溶液中产生了液相臭氧，但是半衰期较短，本文采用碘量法测量液相臭氧的浓度。根据臭氧具有氧化性，可以将碘离子氧化成碘单质，具体反应如下： O 3 +2KI+H 2 O→O 2 +I 2 +2KOH， I 2 +2Na 2 S 2 O 3 →2NaI+Na 2 S 4 O 6， 臭氧的浓度可以通过硫代硫酸钠溶液的体积间接计算得出： c （O 3 ）= V Na × B × <math display="block" id="M19"><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mtext> </mtext><mn mathvariant="normal">400</mn></mrow><mrow><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24461002&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24461000&type= 8.97466660 8.80533314 ， 其中： V Na 为硫代硫酸钠标液的体积， B 为硫代硫酸钠标液的浓度， V 0 代表所含臭氧的溶液体积。 在检测液的配制过程中，取20 g碘化钾定容至100 mL得到20%的碘化钾溶液，避光保存一天后使用；将1 g可溶性淀粉加热溶解于200 mL超纯水中获得淀粉指示剂，随后放于4 ℃冰箱中隔夜沉淀，第二日取上清液使用；（1+5）硫酸溶液由2 mL浓硫酸和10 mL超纯水混合制得；0.05 mol/L硫代硫酸钠溶液由1.24 g硫代硫酸钠溶液加超纯水定容至100 mL。在臭氧浓度的测量过程中，将500 μL 20%的碘化钾溶液和125 μL（1+5）硫酸溶液加入500 μL等离子体刚处理完的超纯水中，并用保鲜膜密封避光保存5 min。取0.05 mol/L硫代硫酸钠溶液滴定检测液直到呈现淡黄色，随后滴加2.5 μL配置好的淀粉指示剂，此时溶液呈蓝色，继续滴定同时摇匀溶液，直到蓝色恰好消失且30 s内不变颜色为止，此为滴定终点。记录消耗的硫代硫酸钠溶液的量，利用 式（6） 式（6） 计算并得出臭氧的浓度。具体结果见 表4 表4 。 Treatment time/s Dosage of sodium thiosulfate/μL Concentration/（mg·L -1 ） 10 20 30 2.5 4 7 0.075 0.12 0.21 如 图6 图6 所示，在处理距离为（处理距离为含有淀粉碘化钾混合溶液的培养基平面和内径75 μm的弹性石英毛细管末端的距离）1 mm、电源电压为5 kV、气流量为0.1 L/min的条件下，按照不同时间进行处理，随后拿到显微镜下观察处理区域。可以明显看到，ROS，RNS的分布范围随着时间的增加而增大。当处理时间为10 s时，ROS，RNS的作用范围呈圆形，直径为30 μm。处理时间增大到20 s和30 s时，ROS，RNS的作用范围分别增大到40 μm和63 μm，颜色逐渐加深，表明ROS，RNS浓度越大，作用范围越宽。这是因为在电压和气流量一定的情况下，随着处理时间的延长，微细等离子体射流产生的ROS和RNS的含量不断增加，其可以氧化含有淀粉碘化钾混合溶液琼脂培养基里I - 形成I 2 的含量就越多，故而形成的颜色就会越深。 为了进一步验证含有淀粉碘化钾混合溶液的琼脂培养基显色是微细等离子体的作用而与载气无关，将琼脂培养基放到只通载气的弹性石英毛细管下处理30 s，随后拿到显微镜下观察处理的区域，结果如 图7 图7 所示。视野范围内标注的处理区域未见明显的深色区域，即淀粉碘化钾混合溶液显色区域。由此可以得出结论，含有淀粉碘化钾混合溶液的琼脂培养基显色是微细等离子体射流的作用，即微细等离子体射流产生的ROS和RNS具有将I - 氧化成I 2 的性质。 3.3　灭菌范围表征 2 虽然没有从弹性石英毛细管末端观察到射流，但在载气的作用下，确实会把射流产生的ROS，RNS吹出弹性石英毛细管并与含有淀粉碘化钾混合溶液的琼脂培养基里的I - 发生氧化还原反应而显色。同样将装置电压控制在5 kV、气流量控制在0.1 L/min，可以明显观察到处理区域内有一形状改变区域，且随着时间的增大，其范围明显增大，如 图8 图8 所示。可以明显看到，灭菌范围随着时间的增加而增大。当处理时间为10 s时，灭菌作用范围呈圆形分布，直径为30 μm。处理时间增大到20 s和30 s时，灭菌作用范围分别增大到65 μm和75 μm。其灭菌范围较上述ROS，RNS的分布范围相比偏大，其原因是能够使含淀粉碘化钾混合溶液的琼脂培养基显色的ROS，RNS都是具有强氧化性的，然而一些不具有氧化性的ROS，RNS均具有灭菌效果。以上实验均进行3组，结果取平均值。 为了进一步验证上文所述的灭菌作用是微细等离子体射流产生的，将涂布有菌液的琼脂培养基放在弹性石英毛细管末端，不施加电压仅通入流速为0.1 slm的氦气，在显微镜下的观察结果如 图9 图9 所示。可以明显观察到，虽然气流会使琼脂培养基产生凹陷，但不会改变其涂布的菌液的形状，无灭菌效果，即灭菌效应与所通载气无关。 3.4　温度和湿度对实验的影响 2 为了研究环境温度对实验的影响，对培养基局部进行加热，模拟环境温度的改变，在3组不同温度下测量淀粉碘化钾的显色范围。实验过程中发现，将培养基加热到50 ℃以上时，培养基存在融化的可能，故温度控制在50 ℃以下。观察数据可知，随着温度的升高，显色区域（如 图10 图10 中各图标出的黑色圆圈部分）逐渐变大。这是因为样品加热到较高温度时，其表面附近的气体温度也升高，导致气体密度降低。气体密度的降低会降低周围气体与等离子体羽的碰撞，等离子体膨胀过程中等离子体压力降低，这会直接增加等离子体羽的大小。根据上述内容，样品温度的提高会影响等离子体羽的膨胀动力学，进而可以增大等离子体的尺寸 ［ 29 29 ］ ，所以随着实验环境温度的提高，显色范围逐渐增大。具体结果如 图10 图10 所示。 1,2,3; 为了研究环境湿度对实验的影响，通过将空调调至抽湿模式的方式，模拟环境湿度的变化，实验测了两组淀粉碘化钾的显色范围，其中实验室的标准湿度为50% RH。从实验数据观察，随着环境湿度的增大，显色区域也逐渐增大。主要原因为，低湿度的情况下，大量的高能电子直接作用于处理物体表面，但是由于水分子的数量较少，产生的OH自由基（由高能电子与水分子发生非弹性碰撞产生）等ROS的数量也比较少，随着湿度的增加，高能电子直接作用于处理物体的自由电子数量减少，但是产生了更多的OH自由基，使得OH自由基与处理物表面的碰撞概率加大 ［ 30 30 ］ ，故显色范围随着湿度的增加而变大。具体结果如 图11 图11 所示。 1,2,3; 3.5　机理分析 2 本文中微细等离子体射流实现灭菌采用的等离子体射流与处理物体表面不直接接触的方式，其物理过程与另一种等离子体射流与处理物体表面直接接触的方式不同。为了观察两者的不同，分别采用内径为20 μm（ 图12 图12 （a））和100 μm（ 图12 图12 （b））的毛细管进行实验。当等离子体射流与处理物体表面（玻璃平板和含有淀粉碘化钾混合溶液的培养基）直接接触时，在接触面都有一个显著的明亮斑点，说明在接触面等离子体射流明显增强，等离子体射流覆盖的作用区域面积明显增大。一方面，处理物体表面对氦气起到了阻挡作用，使氦气碰到物体表面后沿着物体表面向周围扩展；另一方面，空间电荷在物体表面更加容易沉积。以上两方面因素会导致电离更容易发生，从而使等离子体射流变大变强，特别是在接触点放电更加强烈。此外，等离子体射流与处理物体接触，ROS，RNS运动距离更小，短寿命和长寿命的ROS，RNS存活性更高，浓度更大，从而灭菌效能也相应提高。 1,2;3,4; 使用 图12 图12 （a）所示的等离子体射流装置将涂布了菌液的琼脂培养基处理30 s，之后于生化培养箱培养10 h，如 图12 图12 （c）所示，圆形区域为灭菌区域，直径为6.7 mm。其显微结构如 图12 图12 （d）所示，左上角为未处理的对照区域，右下角为处理过的灭菌区域。可见经等离子体射流装置灭菌过后的琼脂培养基在显微镜下的结构与本实验微细装置灭菌的性状一致。在微细等离子体射流作用的过程中，ROS，RNS的分布沿轴向呈现依次递减的趋势，故而灭菌区域与对照区域交界处明显可见部分白色的条纹。灭菌区域内的透明小气泡，为培养基制作过程中搅拌时产生的气泡。 实验结果表明，直接接触的等离子体射流相比不接触的作用方式，产生的灭菌范围更大，直径在毫米量级。因此，为得到精度更高的灭菌范围，本文采用的等离子体射流与物体表面不直接接触的作用方式更有效。 4 结　论 1 本文为了实现微细等离子体的精准灭菌，设计了一套直径为75 μm的微细等离子体射流装置。该装置不同于传统直接接触的作用方式，在等离子体射流尾羽的末端通过石英管与内径75 μm的弹性石英毛细管相连接，在氦气流速的推动下，将等离子体产生的ROS，RNS经弹性石英毛细管间接作用到处理物体的表面。内径75 μm的弹性石英毛细管不同于传统的光纤材料，触碰不易破碎，因此可以缩短对比于传统装置的处理距离，更好地抑制了ROS，RNS的扩散；同时也不容易堵塞管口，提高了装置的利用率。 射流装置在交流电压和He气流的共同作用下，通过对该装置的ROS，RNS分布范围和灭菌范围进行表征。结果表明，在交流电压幅值为5 kV，中心频率为10 kHz，作用时间分别为10，20和30 s时，灭菌范围可分别控制在30，65和75 μm的直径范围内，均实现了微米级别圆形的精准射流以及灭菌。该装置可以满足精准灭菌的需求，对等离子体医学研究具有重要意义。 在后续的研究中，将进一步优化装置的控制精度。一方面，设计精密测控装置，使等离子体射流出口与作用物体表面的距离可以精确控制；另一方面，通过三自由度运动平台和摄像头模块相互配合，从而实现基于机器视觉的等离子体精准灭菌。 参考文献 陈李 ， 李丹阳 ， 杨峰 ， 等 . 阵列式柔性纸基SERS细菌检测芯片的制备 ［J］. 光学 精密工程 ， 2020 ， 28 （ 1 ）： 110 - 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