实现微米级灭菌范围控制的微细等离子体射流装置

张雨晗; 朱鸿成; 杜晓霞; 肖文香; 李华

doi:10.37188/OPE.20223003.0296

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

实现微米级灭菌范围控制的微细等离子体射流装置

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-02-17

- 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
- 光学精密工程 2022年30卷第3期页码：296-309
- 作者机构：
  
  桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林 541004
- 作者简介：
  
  [ "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" ]
  [ "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" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(61864001;62163009);广西自然科学基金重点项目(2021GXNSFDA196005);广西自动检测技术与仪器重点实验室主任基金资助项目(YQ21111);广西研究生教育创新计划项目(YCSW2021181)
- DOI：10.37188/OPE.20223003.0296
  中图分类号： TM213
- 收稿日期：2021-09-02，
  
  修回日期：2021-10-29，
  
  纸质出版日期：2022-02-15
- 稿件说明：
移动端阅览
张雨晗,朱鸿成,杜晓霞等.实现微米级灭菌范围控制的微细等离子体射流装置[J].光学精密工程,2022,30(03):296-309.

ZHANG Yuhan,ZHU Hongcheng,DU Xiaoxia,et al.Micro plasma jet devices for micron sterilization range control[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(03):296-309.
张雨晗,朱鸿成,杜晓霞等.实现微米级灭菌范围控制的微细等离子体射流装置[J].光学精密工程,2022,30(03):296-309. DOI： 10.37188/OPE.20223003.0296.

ZHANG Yuhan,ZHU Hongcheng,DU Xiaoxia,et al.Micro plasma jet devices for micron sterilization range control[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(03):296-309. DOI： 10.37188/OPE.20223003.0296.

摘要

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。

Abstract

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

） 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.

关键词

Keywords

references

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 - 118 . doi: 10.3788/ope.20202801.0110 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0110

CHEN L ， LI D Y ， YANG F ， et al . Fabrication of array flexible paper-based SERS microarray for bacterial detection ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 1 ）： 110 - 118 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20202801.0110 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0110

严心涛，王策，裴智果，等 . 快速定量检测细菌的FCM系统研制及性能评估［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1245 - 1254 . doi: 10.3788/ope.20192706.1245 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192706.1245

YAN X T ， WANG C ， PEI ZH G ， et al . Development and performance evaluation of flow cytometry for rapid quantitative detection of bacteria ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1245 - 1254 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192706.1245 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192706.1245

袁洽劻 . 实用消毒灭菌技术［M］. 北京：化学工业出版社， 2002 .

YUAN Q K . Practical Disinfection and Sterilization Technology ［M］. Beijing ： Chemical Industry Press ， 2002 . （in Chinese）

薛广波 . 现代消毒学及其研究进展［J］. 上海预防医学， 2004 ， 16 （ 7 ）： 355 - 358 . doi: 10.3969/j.issn.1004-9231.2004.07.030 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-9231.2004.07.030

XUE G B . Modern disinfection and its research progress ［J］. Shanghai Journal of Preventive Medicine ， 2004 ， 16 （ 7 ）： 355 - 358 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1004-9231.2004.07.030 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-9231.2004.07.030

冯颖 . 非热等离子体灭菌领域专利技术分析［J］. 科技经济导刊， 2021 ， 29 （ 21 ）： 18 - 19，64 .

FENG Y . Analysis of patent technology in non-thermal plasma sterilization field ［J］. Technology and Economic Guide ， 2021 ， 29 （ 21 ）： 18 - 19，64 . （in Chinese）

LAROUSSI M . Sterilization of contaminated matter with an atmospheric pressure plasma ［J］. IEEE Transactions on Plasma Science ， 1996 ， 24 （ 3 ）： 1188 - 1191 . doi: 10.1109/27.533129 http://dx.doi.org/10.1109/27.533129

RODRÍGUEZ-MÉNDEZ B G ， LÓPEZ-CALLEJAS R ， OLGUÍN M T ， et al . Bacterial inactivation in water by means of a combined process of pulsed dielectric barrier discharge and silver-modified natural zeolite ［J］. Journal of Physics D： Applied Physics ， 2014 ， 47 （ 23 ）： 235401 . doi: 10.1088/0022-3727/47/23/235401 http://dx.doi.org/10.1088/0022-3727/47/23/235401

CHUA B ， SON A . Sterilization of Escherichia coli O157： H7 using micro corona ionizer ［J］. Biomedical Microdevices ， 2014 ， 16 （ 3 ）： 355 - 363 . doi: 10.1007/s10544-014-9838-4 http://dx.doi.org/10.1007/s10544-014-9838-4

BAGRA B ， PIMPLISKAR P ， AGRAWAL N K . Bio-compatibility， surface & chemical characterization of glow discharge plasma modified ZnO nanocomposite polycarbonate ［J］. AIP Conference Proceedings ， 2014 ， 1591 （ 1 ）： 189 - 191 . doi: 10.1063/1.4872539 http://dx.doi.org/10.1063/1.4872539

TAN X ， ZHAO S ， LEI Q ， et al . Single-cell-precision microplasma-induced cancer cell apoptosis ［J］. PLoS One ， 2014 ， 9 （ 6 ）： e101299 . doi: 10.1371/journal.pone.0101299 http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0101299

SUN P P ， WON J ， CHOO-KANG G ， et al . Inactivation and sensitization of Pseudomonas aeruginosa by microplasma jet array for treating otitis media ［J］. Npj Biofilms and Microbiomes ， 2021 ， 7 ： 48 . doi: 10.1038/s41522-021-00219-2 http://dx.doi.org/10.1038/s41522-021-00219-2

CHANG C Y ， SASAKI M ， KUMAGAI S ， et al . Design of microplasma electrodes for plasma-on-chip devices ［J］. Journal of Physics D： Applied Physics ， 2016 ， 49 （ 15 ）： 155203 . doi: 10.1088/0022-3727/49/15/155203 http://dx.doi.org/10.1088/0022-3727/49/15/155203

OH J S ， KOJIMA S ， SASAKI M ， et al . Plasma cell treatment device Plasma-on-Chip： Monitoring plasma-generated reactive species in microwells ［J］. Scientific Reports ， 2017 ， 7 ： 41953 . doi: 10.1038/srep41953 http://dx.doi.org/10.1038/srep41953

OKADA T ， CHANG C Y ， KOBAYASHI M ， et al . Plasma-on-chip device for stable irradiation of cells cultured in media with a low-temperature atmospheric pressure plasma ［J］. Archives of Biochemistry and Biophysics ， 2016 ， 605 ： 11 - 18 . doi: 10.1016/j.abb.2016.04.001 http://dx.doi.org/10.1016/j.abb.2016.04.001

KUMAGAI S ， CHANG C Y ， JEONG J ， et al . Development of plasma-on-chip： Plasma treatment for individual cells cultured in media ［J］. Japanese Journal of Applied Physics ， 2016 ， 55 （ 1S ）： 01 AF01. doi: 10.7567/jjap.55.01af01 http://dx.doi.org/10.7567/jjap.55.01af01

WANG T ， HU M S ， YANG B ， et al . Long， biocompatible and highly flexible cold atmospheric microplasma jet device for precise endoscopic therapies ［C］. 2018 IEEE Micro Electro Mechanical Systems （MEMS）. 2125，2018 ， Belfast， UK. IEEE ， 2018 ： 365 - 368 . doi: 10.1109/memsys.2018.8346563 http://dx.doi.org/10.1109/memsys.2018.8346563

朱鸿成，陈彦伶，游占华，等 . 实现精准细菌灭活的微型等离子体射流装置设计与实验研究［J］. 真空科学与技术学报， 2020 ， 40 （ 12 ）： 1143 - 1151 . doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2020.12.06 http://dx.doi.org/10.13922/j.cnki.cjovst.2020.12.06

ZHU H CH ， CHEN Y L ， YOU ZH H ， et al . Precise bacteria sterilization with self-designed micro plasma plume jet： an instrumentation study ［J］. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology ， 2020 ， 40 （ 12 ）： 1143 - 1151 . （in Chinese） . doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2020.12.06 http://dx.doi.org/10.13922/j.cnki.cjovst.2020.12.06

孔刚玉，刘定新 . 气体等离子体与水溶液的相互作用研究：意义、挑战与新进展［J］. 高电压技术， 2014 ， 40 （ 10 ）： 2956 - 2965 . doi: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.10.002 http://dx.doi.org/10.13336/j.1003-6520.hve.2014.10.002

KONG G Y ， LIU D X . Researches on the interaction between gas plasmas and aqueous solutions： significance， challenges and new progresses ［J］. High Voltage Engineering ， 2014 ， 40 （ 10 ）： 2956 - 2965 . （in Chinese） . doi: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.10.002 http://dx.doi.org/10.13336/j.1003-6520.hve.2014.10.002

STEIN R S ， RUNDLE R E . On the nature of the interaction between starch and iodine ［J］. The Journal of Chemical Physics ， 1948 ， 16 （ 3 ）： 195 - 207 . doi: 10.1063/1.1746834 http://dx.doi.org/10.1063/1.1746834

牛俊博 . 阵列型大气压冷等离子体射流均匀性控制及特性实验研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2018 .

NIU J B . Bacterial Inactivation in Water by Means of a Combined Process of Pulsed Dielectric Barrier Discharge and Silver-modified Natural Zeolite ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2018 . （in Chinese）

王海，夏小品，周荣荻 . 微小等离子体反应器的制作及性能测试［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 4 ）： 811 - 817 . doi: 10.3788/OPE.20122004.0811 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20122004.0811

WANG H ， XIA X P ， ZHOU R D . Machining and functional testing of microplasma reactors ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 4 ）： 811 - 817 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20122004.0811 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20122004.0811

LUKES P ， DOLEZALOVA E ， SISROVA I ， et al . Aqueous-phase chemistry and bactericidal effects from an air discharge plasma in contact with water： evidence for the formation of peroxynitrite through a pseudo-second-order post-discharge reaction of H 2 O 2 and HNO 2 ［J］. Plasma Sources Science and Technology ， 2014 ， 23 （ 1 ）： 015019 . doi: 10.1088/0963-0252/23/1/015019 http://dx.doi.org/10.1088/0963-0252/23/1/015019

徐晗，陈泽煜，刘定新 . 大气压冷等离子体处理水溶液：液相活性粒子检测方法综述［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 17 ）： 3561 - 3582 .

XU H ， CHEN Z Y ， LIU D X . Aqueous solutions treated by cold atmospheric plasmas： a review of the detection methods of aqueous reactive species ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 17 ）： 3561 - 3582 . （in Chinese）

MARKLUND S . Spectrophotometric study of spontaneous disproportionation of superoxide anion radical and sensitive direct assay for superoxide dismutase ［J］. The Journal of Biological Chemistry ， 1976 ， 251 （ 23 ）： 7504 - 7507 . doi: 10.1016/s0021-9258(17)32878-8 http://dx.doi.org/10.1016/s0021-9258(17)32878-8

赵杰 . 紫外可见分光光度法测定白菜中硝酸盐含量［J］. 安徽农业科学， 2014 ， 42 （ 27 ）： 9553 - 9554 . doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2014.27.105 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0517-6611.2014.27.105

ZHAO J . Determination of nitrate in vegetables by ultraviolet spectrophotometry method ［J］. Journal of Anhui Agricultural Sciences ， 2014 ， 42 （ 27 ）： 9553 - 9554 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2014.27.105 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0517-6611.2014.27.105

张薇薇，杨怡，陈培超，等 . 钼酸铵分光光度法测定水发产品中过氧化氢残留量［J］. 现代预防医学， 2008 ， 35 （ 8 ）： 1556 ， 1558 . doi: 10.3969/j.issn.1003-8507.2008.08.066 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1003-8507.2008.08.066

ZHANG W W ， YANG Y ， CHEN P CH ， et al . Determination of hydrogen peroxide residue in aqueous hair products by ammonium molybdate spectrophotometry ［J］. Modern Preventive Medicine ， 2008 ， 35 （ 8 ）： 1556 ， 1558 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1003-8507.2008.08.066 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1003-8507.2008.08.066

魏永巨，刘翠格，默丽萍 . 碘、碘离子和碘三离子的紫外吸收光谱［J］. 光谱学与光谱分析， 2005 ， 25 （ 1 ）： 86 - 88 . doi: 10.3321/j.issn:1000-0593.2005.01.027 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-0593.2005.01.027

WEI Y J ， LIU C G ， MO L P . Ultraviolet absorption spectra of iodine，iodide ion and triiodide ion ［J］. Spectroscopy and Spectral Analysis ， 2005 ， 25 （ 1 ）： 86 - 88 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1000-0593.2005.01.027 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-0593.2005.01.027

PATIL S ， MOISEEV T ， MISRA N N ， et al . Influence of high voltage atmospheric cold plasma process parameters and role of relative humidity on inactivation of Bacillus atrophaeus spores inside a sealed package ［J］. Journal of Hospital Infection ， 2014 ， 88 （ 3 ）： 162 - 169 . doi: 10.1016/j.jhin.2014.08.009 http://dx.doi.org/10.1016/j.jhin.2014.08.009

徐万鹏 . 样品温度和空间约束的结合对激光诱导铝等离子体的影响研究［D］. 长春：吉林大学， 2021 . doi: 10.52601/bpr.2021.200046 http://dx.doi.org/10.52601/bpr.2021.200046

XU W P . Influence of the Combination of Sample Temperature and Spatial Confinement on Laser-Induced Al Plasma ［D］. Changchun ： Jilin University ， 2021 . （in Chinese） . doi: 10.52601/bpr.2021.200046 http://dx.doi.org/10.52601/bpr.2021.200046

程高举 . 气体湿度影响等离子体反应器介质阻挡放电的实验研究［D］. 西安：西安建筑科技大学， 2009 . doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.705.157 http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.705.157

CHENG G J . Experimental Study of Gas Humidity on the Dielectric Barrier Discharge of Plasma Reactor ［D］. Xi'an ： Xi'an University of Architecture and Technology ， 2009 . （in Chinese） . doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.705.157 http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.705.157

浏览量

772

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

暂无数据