【摘要】：近年來,大氣壓低溫等離子體的研究一直是等離子體科學和技術應用的熱點,而生物滅菌是其重要的應用之一。研究將等離子體應用于滅菌領域是應對抗藥性越來越強的致病細菌的有效方法。本文旨在研制大氣壓介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharges,DBD)滅菌裝置并分析其滅菌機理,首先研究了低溫等離子體應用于滅菌領域的各種裝置,其次改變了DBD裝置的各種實驗參數(shù),分析了其對滅菌效果的影響,并找出較優(yōu)的裝置和參數(shù)。最后通過改變反應氣體流速和類型來探究DBD裝置的滅菌因子和滅菌機理。具體內容如下:基于針-介質-環(huán)結構研制了小型DBD試管處理裝置,并應用于液體滅菌,分析了該裝置是通過破壞細菌內蛋白質使細菌失活。設計了平板DBD放電裝置,通過改變電源類型、電壓大小、介質材料和間隙大小等,研究實驗參數(shù)對滅菌效果的影響。結果表明:同功率條件下的脈沖電源比交流電源滅菌效率更高,這是由于脈沖電源的電子能量較高,粒子濃度和活性更好;高電壓和小間隙條件下的滅菌效率更高,因為此時的場強更高;玻璃和多孔陶瓷作為介質材料的滅菌效果比普通陶瓷好。提出了一套較優(yōu)的滅菌實驗裝置,首次在90s內實現(xiàn)了6個數(shù)量級的枯草芽孢桿菌滅活,實驗條件為:平板DBD滅菌裝置,脈沖電源驅動,主放電上升沿為140ns,電壓峰峰值為45kV,介質材料采用多孔陶瓷或玻璃,間隙大小為2mm。將平板DBD應用于液體滅菌,通過掃描電鏡和傅里葉紅外光譜揭示了細菌死亡的機理:放電破壞了大腸桿菌的細胞結構和內部蛋白質等物質。反應氣體對DBD滅菌影響的研究及機理分析。增大空氣滅菌流速至0.4slm發(fā)現(xiàn)滅菌效果消失,分析得出一方面流速增大會降低擊穿電壓,從而使得放電產生的粒子能量較低;另一方面流速增大會使較多的反應活性粒子發(fā)生移動,從而無法覆蓋菌落。改變氣體類型為氦氣,發(fā)現(xiàn)滅菌效果(相對靜止空氣)變差,分析得出不同氣體類型產生的活性粒子類型和數(shù)量不同是造成滅菌效果變差的原因。比較1slm流速的空氣和靜止的氦氣可知,增大流速使較多的反應活性粒子發(fā)生移動,降低了滅菌效果。大量增加氣體中水蒸氣的含量發(fā)現(xiàn)滅菌效果變好,通過實驗測量并分析得出此時并非是增加了OH的濃度,而是增加了除OH外其余的活性氧粒子和活性氮粒子等活性粒子濃度。最終給出了平板DBD的滅菌因子和滅菌機理:滅菌因子并非紫外線和溫度。帶電粒子和活性化學粒子是主要滅菌因子,并且兩者的作用是并列的,其中一項達到一定的量即可。帶電粒子主要通過靜電破壞作用破壞細胞膜等細胞結構使得內部物質流出;活性化學粒子主要通過破壞細胞結構上的蛋白質、脂類以及DNA和RNA等遺傳物質從而使得細胞失去活性和繁殖能力。本文提出了高效的滅菌裝置并分析了其滅菌機理,為研制出更多具有安全性和高效性的DBD滅菌裝置提供了參考,使DBD在滅菌領域得到更廣泛的應用,為應對各種較強致病菌提供新的思路。這不僅有利于促進DBD的發(fā)展,而且具有重要的等離子體科學應用價值。
【圖文】：

ｃｍ圖１－１常見各種等離子體逡逑子體普遍存在于我們的生活中，大到天體宇宙，小到日常生體的蹤跡。根據等離子體的存在分類，等離子體可分為天然存。天然存在的：在宇宙中，最常見的等離子體現(xiàn)象是閃電、極

等離子體的電子密度和溫度特性會發(fā)生變化，通過這兩個參數(shù)的不同，可以將等逡逑離子體按熱力學平衡分類，即分為完全熱平衡等離子體、非熱力平衡等離子體和逡逑局部熱力學平衡等離子體［４＇５］。根據以上分類，可以得到如圖１－丨所示的各種常逡逑見等離子體，其中橫縱坐標軸分別是等離子體粒子的密度和溫度。逡逑生物醫(yī)學邐環(huán)境治理逡逑ｓｉ邋意逡逑ＨYj恱匿逡逑流動控制邐材料改性逡逑Ｖ邐邐ｙ逡逑圖１－２等離子體的應用領域逡逑近年來，等離子體的應用領域越來越廣泛，涵蓋／生物醫(yī)學、環(huán)境治理、流逡逑動控制和材料改性等多個應川領域［６］。生物丨欠學領域：等離子體４：物醫(yī)學是近年逡逑來等離子體應用的重點。由于生物體對溫度極其敏感，因此應⑴在生物醫(yī)學領域逡逑的等離子體主要是低溫等離子體，可分為等離子體農業(yè)育種［７￣、等離子體滅菌逡逑消毒和等離子體臨床治療［１４１７］三方面。這三個應用均是通過將等離子體作用逡逑在被處理物的表面，，造成蛋白質及ＤＮＡ的狀態(tài)發(fā)生變化從而實現(xiàn)基因突變，或逡逑造成有害的細胞破裂消亡。環(huán)境治理領域：在環(huán)境改善方面，等離子體主要用于逡逑廢氣［１８＇｜９］和廢水［２ａ２ｌ］處理。等離子體廢氣和廢水處理一般是通過等離子體中的高逡逑能電子及活性物質與廢氣廢水分子發(fā)生反應，降解和轉化廢氣廢水等有害物，目逡逑前等離子體廢氣處理的研究關鍵是揮發(fā)性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ邋Ｏｒｇａｎｉｃ逡逑Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R318

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本文編號：2633087