大气压下低温等离子体灭菌消毒技术的研究

大气压下低温等离子体灭菌消毒技术的研究贾建平l ，刘克富l ，朱业湘2，周蓬蓬3，胡 琼l（l.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074；2.华中科技大学同济医学院，武汉430030；3.华中科技大学生命科学与技术学院资源与环境生物研究所，武汉430074）摘 要：传统灭菌方法存在的各种弊端限制了其应用范围，为研究新的灭菌技术，能够在短时间内完成灭菌效果而又不损伤医疗器械，并且要降低对医务人员以及环境的损害，在介绍了大气压下低温等离子体灭菌消毒的优点后，设计了等离子体灭菌用高频高压电源和等离子体发生器，实现了大气压下均匀的介质阻挡放电。

研究发现：纯Ar 放电等离子的灭菌效果远差于!（02）=5%的Ar 混合气体放电的灭菌效果，而且等离子体灭菌的效果与细菌的种类有关。

基于实验结果以及实验所用等离子发生器的特殊结构，可知等离子体灭菌机理主要是细菌与等离子中所含的活性成分发生作用。

关键词：低温等离子体消毒；高频高压电源；等离子发生器；介质阻挡放电；灭菌中图分类号：TM89文献标识码：A文章编号：l003-6520（2007）02-0ll6-04Sterilization by Non-thermal Plasma at an Atmospheric PressureJIA Jianping l ，LIU Kefu l ，ZHU Yexiang 2，ZH0U Pengpeng 3，HU Oiong l（l.SchooI of EIectricaI Engineering ，Huazhong University of Science and TechnoIogy ，Wuhan 430074，China ；2.Tongji MedicaI CoIIege of Huazhong University of Science and TechnoIogy ，Wuhan 430030，China ；3.Huazhong University of Science and TechnoIogy ，Wuhan 430074，China ）Abstract ：Most of conventionaI steriIization technigues have some disadvantages which may Iimit their appIication exten-sions ，Whereas ，steriIization by non-thermaI pIasma does not have these probIems ，and it has its own advantages ，which wiII make its appIication in the steriIization fieId very wide .This articIe introduces the advantages of the non-thermaI pIasma steriIization.It introduces the high freguency and high voItage source and the non-thermaI pIasma reactor that have been de-signed ，and the uniformity dieIectric barrier discharge （DBD ）at an atmospheric pressure is reaIized.The dieIectric barrier discharge uses the !%02and Ar mixture gas as working gas ，where the x%percent does not exceed 5%.In the steriIization experiment ，the Escherichia coiI ，staphyIococcus and microzyme are choosed.The steriIization experiment resuIt is that the kiII rate of Escherichia coiI using pure Ar discharge pIasma is worse than that using the 5%02and Ar mixture gas discharge pIasma and that the steriIization effect reIates with the microorganism kinds.Because the structure of the non-thermaI pIas-ma reactor is coaxiaI ，and the microorganism that is kiIIed does not directIy contact with the eIectric fieId ，but is far away from it and just contact with the after-fIow pIasma ，the possibIe kiIIing mechanism is that the microorganism reacts with the active particIes of the non-thermaI pIasma directIy.Key words ：the non-thermaI pIasma steriIization ；the high freguency and high voItage source ；the non-thermaI pIasma re-actor ；DBD ；steriIization0 引 言随着社会的发展，医疗事业发展迅速，医疗器械的灭菌消毒问题提到了紧要位置。

传统的灭菌消毒存在很多弊病［l ］，如灭菌温度高、时间长、存在化学残留物、污染环境等。

因此，需要研究新的灭菌技术，能够在短时间内完成灭菌效果，同时又不损伤医疗器械，还要降低对人员及环境的损害，这就促使了低温等离子灭菌消毒技术的产生。

该技术具有传统灭菌方式无可比拟的优点，主要表现为［l ，2］：!等离子体灭菌的温度低，对待处理物品的灭菌处于室温状态下，因此可以对不适于高温高压消毒的材料和物品进行灭菌处理，其应用具有广普性。

"灭菌过程短且无毒性，通常在几十min 内即可完成灭菌消毒过程，克服了蒸汽、化学或核辐射等方法使用中的不足。

#切断电源后产生的各种活性粒子能够在数ms 内消失，所以无需通风，不会对操作人员构成伤害，安全可靠。

此外，等离子灭菌还有操作简单安全、实用经济、灭菌品质好、无环境污染等优点。

因此，等离子灭菌消毒技术在很多方面可以克服传统灭菌方法的不足，其发展前景十分广阔，具有深远的实际应用价值。

·6l l ·第33卷第2期2007年 2月高 电 压 技 术High VoItage EngineeringVoI.33No.2Feb. 20071 低温等离子体的产生给物质施加显著的高温或通过加速电子、离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离解成电子、离子和自由基。

不断地从外部施加能量使物质被离解成阴、阳荷电粒子的状态称为等离子体［2］。

物质的状态从低能到高能按顺序排列为固体、液体、气体、等离子体。

等离子体是具有化学反应性的，表现出与其他物质状态不同的特异性能气体，也称为物质的第4态。

等离子的产生主要采用电场、光、高能射线或高温的作用方法，通过加速电子、离子，或高能中性粒子的碰撞作用而产生气体电离。

气体电离产生等离子体主要有弧光放电、电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电（DBD）和大气压下辉光放电（APGD）等几种［2，3］。

其中，弧光放电产生的等离子温度很高；电晕放电产生的低温等离子体主要分布在极不均匀电场中且这种放电较弱，产生等离子体及活性粒子的效率太低；辉光放电一般在低气压下进行，需要真空系统。

基于这些因素，以上几种放电均不适合实际应用。

因此，可实际应用的是介质阻挡放电和大气压的辉光放电。

本文采用大气压下的介质阻挡放电［4，5］（APDBD），因其产生等离子体，具有功率小，放电产生的低温等离子体均匀地充满放电气体间隙，且无需抽真空设备等优点，对实际应用中利用其所产生的等离子体十分有利。

2 等离子发生器用高频电源最常用的等离子体发生器电源有直流和高频两种。

和直流电源相比，高频电源在产生等离子体方面具有显著的优点：在相同条件下高频放电的电离率远比直流放电高；高频法工作电压低、不易产生电极溅射、被处理物品不易污染；高频法的工作气压比直流法高，这对于安全使用等离子体灭菌系统，提高系统的利用率非常重要。

故这里采用高频电源［6，7］，其结构见图l。

该高频电源系统由充电回路、脉冲形成回路、驱动回路及保护回路［8，9］几个部分组成。

其工作原理为：输入工频并整流后对储能电容进行充电，通过控制IGBT通断形成高频脉冲，再通过变压器升压即可实现高频高压输出。

3 等离子体灭菌消毒系统等离子体灭菌消毒系统见图2。

该系统由4个部分构成：高频高压电源、等离子体发生器、气体工作质供给以及灭菌处理腔。

常用的等离子体发生器有两种：!平板式，平板式等离子发生器易于观察放图1 高频高压电源Fig.1 High freguency and high voltagesource图2 等离子体灭菌消毒系统图Fig.2 Plasma sterilizationsystem图3 等离子体发生器Fig.3 Plasma reactor电现象，但是在利用等离子体方面比较困难；"同轴式，同轴式则可较为容易的利用放电所产生的等离子体。

故这里采用同轴式等离子体发生器，阻挡介质为石英玻璃，内电极为与石英玻璃管同轴的铜电极，外电级为绕在石英玻璃管外的金属丝（见图3）。

该等离子体发生器在内外电极间采用石英玻璃作为介质层，通以氩气作为载体工作质来实现大气压下均匀放电产生等离子体。

之所以采用石英玻璃作为介质，是因为石英玻璃的耐热强度高而且易于观察放电现象。

而采用氩气作为载体工作质则是根据巴申定律［l0］，氩气的击穿电压与空气相比要低得多，易于在常压下形成均匀放电。

·7ll·2007年2月高电压技术第33卷第2期图4 大气压下介质阻挡放电Fig.4 Uniformity dielectric barrier dischargeunder airpressure图5 放电波形Fig.5 Discharge wave4 放电实验参数实验所用石英玻璃厚1mm ；气体间隙8.5mm ；实验时淡蓝色，等离子体充满整个玻璃管。