不同气体放电对应的杀菌效率与含氧自由基含量的对应关系

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'不同气体放电对应的杀菌效率与含氧自由基含量的对应关系'
摘要大气压低温等离子体生物材料表而处理技术,不需要复杂的真空设备,具冇 低成本、低能耗、高效率等特点,放电气体温度低,容易操控,在薄膜沉积、表 面改性、杀菌消毒、环境净化、食品安全控制等方面均有重要应用。木文主要针 对射流式介质阻扌半放电产生的等离子体针和阵列式介质阻扌当放电产生的大面积 低温等离子体与冇害病菌相互作用进行研究和探讨,通过对放电的物理特性和产 生的化学活性物质进行分析,检测自rti基等活性物种的相对浓度,分析处理后细 菌表面的结构变化,阐述等离了体杀菌的机制。木论文主要研究内容如下:1?利用交流高压驱动产生大气压射流放电等离子体,与传统方法屮的双氧水 和臭氧消毒对比,对人肠杆菌展开杀菌实验研究。研究结果表明,在交流峰值电 压4.5 kV,频率7 kHz,利用He放电产生的射流等离子体在30 s内可对大肠杆 菌冇效杀除,大肠杆菌失活效率达到99%。同时利用X射线光电子能谱技术(XPS) 分析不同方法处理后细菌表面的结构变化,发现经该射流等离子体处理过的人肠 杆菌细胞表面的?C?O和?C=O官能团含量明显上升,表明等离子体产生的活性氧 粒子在杀菌过程屮起主要作用。2. 在交流电源驱动匚利用光纤毛细微结构特性在空气中产生大面积均匀等 离了体,并利用该装置对大肠杆菌展开大面积均匀杀菌实验研究。通过电压同步 触发ICCD快速相机,在频率为5 kHz条件下研究了放电峰值电压对沿面扩散放 电等离子形成过程的影响。研究结果表明,放电电荷在介质表面积累形成的反向 屯场有助于形成稳定均匀的大面积空气介质阻挡放电。放电峰值电压为14 kV, 该放电装置产生的等离子体在2 min内能够冇效地使大肠杆菌大而积地失活。3. 在交流电源驱动匚利用光纤毛细微结构特性在水溶液中产生大面积均匀 等离子体放电,在不同气体成分(N2、He. Air、O?)下利用该装置放电产生的等 离子体进行杀菌实验研究。研究结果表明,相较于N2和He水中放电,Air和 02放电等离子体与水溶液相互作用过程屮产生大量的活性氧,与大肠杆菌相互 作用导致细胞脂质过氧化而失活。同吋放电峰值电压的提高,可以产生高能态的 活性物种,提高等离子体密度,其在溶液屮大肠杆菌失活过程屮亦起这重要作用。本论文的主要成杲是:1、建立了含氧白由基等活性物种的相对浓度和细菌 失活率的对应关系,分析处理后细菌表面的结构变化,阐述了等离子体杀菌的机 制。2、成功地利用等离子体列阵技术产生了大面积均匀放电的等离子休,并利 用ICCD快速相机成功捕获了等离子的传播机制。3、成功地实现了在水屮稳定 放屯,并研究了不同气体放电对应的杀菌效率与含氧自曲基含量的对应关系。关键字:大气压等离子体;犬肠杆菌;失活效率;活性含氧自由基AbstractAtmospheric pressure cold plasmas have been widely studied for film deposition, surface modification, bacterial inactivation, environment purification and food safety due to their potential properties? Because of its unique advantages such as low power consumption, high energy efficiency and low gas temperature without complicated vacuum system, the atmospheric pressure non-equilibrium plasma has attracted much interest in the biomedical applications in recent years. In this paper, atmospheric pressure plasma jet and the well-aligned plasma generated by DBD discharge are investigated with the electrical and optical characteristics, respectively. In addition, The relative concentrations of relative oxygen species, structure modification of bacteria surface arecompared and analyzedto elucidate the mechanism of plasma inactivation. The main investigation contents arc described as follow:1. An atmospheric pressure cold plasma jet was generated for inactivation research of E. coll cells, compared with traditional inactivation methods such as H2O2 and O3 treatment.At the applied voltage of 4.5 kV, with a repetition frequency of 7 kHz, E. coli cells in direct contact with the He plasma jet can be completely killed up to 99% within the treatment time of 30s. In addition, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis shows that the C-0 or C=O contents of the inactivated E. coli cells surface by plasma are predominantly increased, indicating the oxygen-containing species in plasma are more than other two methods, and can break the C-C or C-H bonds, causing the inactivation of E. coli cells.2. A microstructure arrays composed of well-aligned and microns-thick hollow quartz fibers was used to generate homogeneous air cold plasmas by using an AC power with the repetition frequency of 5 kHz at atmospheric pres
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