大气压介质阻挡放电等离子体在生物灭菌中的应用研究-毕业论文

-PAGEVI--PAGEXX-大气压介质阻挡放电等离子体在生物灭菌中的应用研究Atmosphericpressuredielectricbarrierdischargeplasmasoninactivationapplications作者姓名：学科、专业：等离子体物理学号：11102021指导教师：完成日期：2014年5月大连理工大学DalianUniversityofTechnology大气压介质阻挡放电等离子体在生物灭菌中的应用研究论文作者签名：指导教师签名：论文评阅人1：评阅人2：评阅人3：评阅人4：评阅人5：答辩委员会主席：委员1：委员2：委员3：委员4：答辩日期：AtmosphericpressuredielectricbarrierdischargeplasmasoninactivationapplicationsAuthor’sSignature:Supervisor’ssignature:Reviewers：ExaminingCommitteeChairman：ExaminingCommitteeMembers:Dateoforaldefense:大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：大气介质阻挡放电等离子体在生物灭菌中的应用研究作者签名：日期：年月日摘要大气压低温等离子体技术具有低能耗、高效率、气体温度接近室温、无需复杂的真空系统等优点，可应用于薄膜沉积、材料表面改性、杀菌消毒、环境净化、食品安全等多个领域。近年来，大气压低温等离子体在生物医学方面的应用研究不断掀起热潮。本文通过交流电源和脉冲电源驱动，利用共面介质阻挡放电和阵列式微结构介质阻挡放电，在大气压条件下产生大面积低温均匀等离子体，并对白色念珠菌、大肠杆菌进行杀菌消毒处理。同时利用射流放电实现了动物和植物病害的应用研究。主要结果如下：利用介质阻挡放电在共面平行交替排列的高压电极与地电极的介质板表面上放置的塑封袋内成功地实现了大面积均匀放电等离子体。在不同的等离子体参数处理条件下对白色念珠菌的失活效率进行了研究，研究结果表明：在峰值电压9kV、频率11kHz条件下，经过等离子体处理5min后，99%He与1%O2混合条件下白色念珠菌失活效率高达99%。在该研究中电荷的的轰击与放电过程中活性氧原子的含量对白色念珠菌失活效率起主要作用。利用交流介质阻挡放电在石英体凹槽内（高压电极和地电极等间距放置在石英体内，高压电极和地电极非共面平行交替排列）成功地实现了大体积空间多槽式均匀放电等离子体。通过同步触发ICCD成像技术，对9kHz和不同峰值电压下的凹槽内等离子体形成过程进行了研究，放电电荷在介质层表面积累形成的反馈通道有助于形成稳定的大面积空气均匀放电。利用该等离子体在3min内可有效的失活筷子表面粘附的大肠杆菌和白色念珠菌，失活效率高达99.999%。微结构毛细管分别作为高压电极与地电极平行交替排列，白色念珠菌放置在微结构毛细管表面上，利用脉冲电源驱动成功地在微结构毛细管表面形成了大面积空气均匀放电等离子体。研究结果表明：在峰值电压30kV和频率150Hz情况下，在微结构毛细管表面上方白色念珠菌的失活效率随着距微结构毛细管表面不同高度处（即对白色念珠菌处理深度）呈现出三个阶段的下降趋势：平缓下降、急剧下降、有一定陡度的平缓下降。在一端为盲孔的光纤内嵌入铜丝并形成阵列式微结构作为高压电极放置在一石英腔内，板电极作为地电极。白色念珠菌放置在阵列式微结构高压电极下方的地电极表面上，石英腔内的放电气体由石英腔吹向地电极，在高压电极与地电极之间形成了大气压大面积阵列式微结构交流介质阻挡刷状均匀放电等离子体。在不同放电参数下，对刷状放电等离子体的均匀性和白色念珠菌的失活效率进行了研究。研究结果表明：在放电峰值电压、放电频率和放电间距相同条件下，在He和O2混合气体中，当O2含量超过4%或者放电间距超过4mm时，放电则由均匀放电转变为丝状放电。白色念珠菌的失活效率结果表明：在99%He与1%O2混合气体放电处理180s、放电间隙3mm时白色念珠菌失活效率高达99%，而且白色念珠菌的失活效率在与地电极表面平行方向没有明显的差异。利用大气压射流放电等离子体对动物（柞蚕微粒子）和植物（番茄褐孢霉）病害开展了应用研究。在峰值电压6kV，频率9kHz，99%氦气与1%氧气混合气放电下，产生1cm射流均匀放电低温等离子体，通过染色、活体感染等手段对柞蚕微粒子病害进行了失活研究。研究结果表明：该射流等离子体在5min内可对柞蚕微粒子病害有效杀除，在该过程中电荷与活性氧在微粒子病害失活过程中起主导作用；在峰值电压6kV，频率9kHz条件下，利用99%Ar与1%O2混合气体射流放电对番茄褐孢霉的失活效率进行研究，研究结果表明：放电电荷在细胞表面积累形成静电张力破坏了细胞的完整性而导致褐孢霉失活。此外，利用99.5%Ar与0.5%O2混合气体在水溶液中产生射流放电等离子体活化水，研究结果表明：该等离子体活化水对白色念珠菌具有较好的杀菌效果。关键词：等离子体杀菌；真菌死亡；介质阻挡放电；发射光谱；大气压AtmosphericpressuredielectricbarrierdischargeplasmasoninactivationapplicationsAbstractAtmosphericpressurecoldplasmahasbeenwidelystudiedforfilmdeposition,surfacemodification,bacterialinactivation,environmentpurificationandfoodsafetyduetotheirpotentialproperties.Becauseofitsuniqueadvantagessuchaslowpowerconsumption,highenergyefficiencyandlowgastemperaturewithoutcomplicatedvacuumsystem,theatmosphericpressurenon-equilibriumplasmahasattractedmuchinterestinthebiomedicalapplicationsinrecentyears.Inthispaper,bothACpowersupplyandnanosecondpulsepowersupplyareemployedtogenerateatmosphericpressureuniformdischargeontheCandidaalbicanscellsandEscherichiacolicellsinactivationapplicationsbyusingcoplanarsurfacedischargedeviceandarraymicrostructuraldischargedevice.Bothanimaldiseasesandplantdiseasesaresuccessfullycontrolledbyusingatmosphericpressurecoldplasmajet.Themaininvestigationcontentsaredescribedasfollow:Byusingcoplanarsurfacedielectricbarrierdischarge,avisuallyalmostuniformplasmainthesealedplasticbagissuccessfullyobtained.Theelectrodearrangementisconsistingofalternanthighvoltageelectrodesandgroundelectrodesembeddedinaspeciallydesignedquartzplate.TheinactivationefficiencyofCandidaalbicansisinvestigatedundervariousconditions.Theresultsshowedthatattheappliedvoltageof9kVwiththefrequencyof11kHz,theHeplasmacontainingabout1%O2wasabletoentirelykillresistantCandidaalbicanswithatreatmenttimeof5min.Measurementsindicatethatplasma-inducedspeciessuchasOradicalsandchargedspeciesplayamajorroleintheinactivationprocess.Withtheevenlyspacedarrangementofalternanthighvoltageelectrodesandgroundelectrodesembeddedinamultiple-groovequartzplate,avisiblelarge-areauniformdischargewasachievedinthemultiple-grooveatatmosphericpressure.Theplasmapropagationmechanismwascarefullystudiedbyusingintensifiedchargecoupleddevice(ICCD)imagingundervariousappliedvoltage.Theresultsindicatedthatdielectricsurface-chargeaccumulationmaybeassociatedwiththeformingoftheuniformdischarge.Moreover,thevisibleuniformmultiple-groovedischargeplasmawasfoundtobeveryefficientintheinavtivationofCandidaalbicansandEscherichiacolionthechopsticks.Theinactivationefficiencycouldreachashighas99.999%.Amicrostructurecoplanarsurfacedielectricbarrierdischargedevicecomposedofwell-alignedandmicrons-thickhollowquartzfiberswithalternanthighvoltageelectrodesandgroundelectrodesembeddedinisusedtogeneratehomogeneouscoldplasmasbyusingapulsehigh-voltagesourcewiththerepetitionfrequencyof150Hzatatmosphericpressure.TheresultsindicatedthattheinactivationefficiencyoftheCandidaalbicansasafunctionoftheprocessingdepthfromsurfaceplasmawasdividedintothreestages:firstgentlyfallingtrend,secondsharplyfallingtrend,thirdcertaingradientgentlefallingtrend.Themicrons-thickhollowquartzfiberswithcopperwiresembeddedinformingakindofwell-alignedmicrostructurewasfixedinaquartzchamberashighvoltageelectrode.Plateelectrodecoveredwithquartzbarrierwasconnectedtotheground.Workinggaswasflowingfromthequartztothegroundelectrode.Candidaalbicanssamplesarefixedbelowthewell-alignedmicrostructuralhighvoltageelectrodeandonthesurfaceofthegroundelectrode.Anatmosphericpressurehomogeneousbrush-shapedcoldplasmawassuccessfullyachievedbetweenhighvoltageelectrodeandgroundelectrode.Theuniformityofthebrush-shapeplasmaandtheinactivationefficiencywerediscussedundervariousconditions.Measurementsshowedthatwhentheappliedvoltageandfrequencywereunderthesameconditions,eithertheconcentrationof

O2wasover4%(dischargegap3mm),orthedischargegapwasover4mm(workinggasHe),theuniformityofthebrush-shapeddischargemaybreakintofilamentstate.Forfungicellinactivationapplication,theefficiencycanreachashighas99%withthetreatmenttimeof180sbyusing99%He/1%O2discharge.Andtheinactivationefficiencykeptstillalongitstransversedirection.Anatmosphericpressurecoldplasmajetwasusedforthecontrolofanimal(Nosemabombycis)andplant(tomatofulvum)disease.Attheappliedvoltageof6kVwiththefrequencyof9kHz,a1cmlonghomogeneouscoldplasmajetcanbegeneratedbyusing99%He/1%O2discharge.TheinactivationresearchesofTussahPebrinediseaseresultingfromNosemabombycis(NB)sporeswasinvestigated.BothGiemsadyeingmeasurementandtussahbreedingexperimentshowthattheatmosphericpressureHeplasmajetcontaining1%O2killsalltheNBsporeswithinanexposuretimeof5min.Measurementsindicatedthatplasma-createdreactiveparticlessuchasOandaccompaniedchargedspeciescanplayanimportantroleintheinactivationprocessing.Atthesameappliedvoltageandfrequencyconditions,theplasmajetwasemployedfortomatofulvuminactivationbyusing99%Ar/1%O2discharge.Measurementsindicatedthattheelectrostaticforcefromthechargeaccumulationontheoutersurfaceofthecellmembranecausedtheruptureoftheoutermembraneofcellsandleadthetomatofulvumtodeath.Plasmaactivatedwaterwasgeneratedbyusing99.5%Ar/0.5%O2dischargeunderwater.Anditwasfoundtobeeffectiveonfungicellinactivation.Therefore,thisAtmosphericpressurecoldplasmajetcanprovideanovelbiotechnologicalapproachtothecontrolofagriculturaldiseases.KeyWords：Plasmainactivation,Fungideath,Dielectricbarrierdischarge,Opticalemissionspectra,Atmosphericpressure目录1绪论 11.1引言 11.2大气压低温等离子体灭菌技术 21.2.1大气压低温等离子体基本概念 21.2.2大气压低温等离子体的产生方法 31.2.3大气压低温等离子体的灭菌机制 71.3等离子体杀菌技术的研究现状和存在的难点 81.3.1等离子体杀菌技术的研究现状 81.3.2等离子体杀菌技术存在的难点 91.4本论文选题目的及主要研究思路 102有害病菌的培养及检测方法 122.1引言 122.2白色念珠菌 122.2.1白色念珠菌培养基配置及培养方法 122.2.2白色念珠菌实验样品制备 132.3大肠杆菌 142.3.1大肠杆菌培养基配置及培养方法 142.3.2大肠杆菌实验样品制备 152.4有害病菌失活检测方法 152.4.1平板菌落计数法 152.4.2 光学显微镜染色镜检 152.4.3 扫描电子显微镜 152.4.4 能谱分析仪 172.4.5 紫外-可见吸收光谱法 183大气压共面介质阻挡放电等离子的生物医学研究 203.1自封袋内大面积低温等离子体共面介质阻挡放电 203.1.1 不同He、O2比例下放电等离子体的杀菌效率及对比照片 233.1.2 不同He、O2比例下放电等离子体的发射光谱诊断 243.1.3 等离子体直接处理与间接处理的杀菌效率对比 263.1.4 放电频率与峰值电压对等离子体放电功率的影响 273.2 大气压多槽式介质阻挡放电等离子体 283.2.1 大气压多槽式介质阻挡放电放电形成机理研究 303.2.2 放电峰值电压对大气压多槽形式沿面放电功率的影响 333.2.3 峰值电压对大气压多槽式介质阻挡放电气体温度的影响 343.2.4 峰值电压对大肠杆菌和白色念珠菌失活效率的影响 363.3 双极性纳秒脉冲驱动大气压微结构共面介质阻挡放电 383.3.1 峰值电压对沿面放电等离子体转动温度和表面温度的影响 403.3.2 不同峰值电压下等离子体放电的杀菌效率及对比照片 413.3.3 不同峰值电压下等离子体放电的杀菌效率随处理深度的变化 423.3.4 白色念珠菌染色镜检 443.3.5 断面放电强度ICCD分析及放电照片 453.3.6 白色念珠菌紫外吸收光谱 463.4 小结 474大面积阵列式微结构介质阻挡放电 484.1 大面积阵列式微结构刷状介质阻挡放电 484.1.1 峰值电压对大气压阵列式微结构刷状放电等离子体伏安特性的影响 494.1.2 He、O2比例对大气压阵列式微结构刷状放电等离子体伏安特性的影响 504.1.3 放电间隙对大气压阵列式微结构刷状放电等离子均匀性的影响 524.1.4 峰值电压对大气压阵列式微结构刷状放电等离子功率的影响 534.1.5 大气压等离子体刷发射光谱诊断及放电振动转动温度拟合 544.1.6 大气压阵列式微结构刷状放电等离子体杀菌效率横向均匀性 554.2 小结 585大气压低温等离子体射流对动植物病害防控 595.1 大气压低温等离子体射流对柞蚕微粒子病的防控 595.1.1 柞蚕微粒子 595.1.2 柞蚕微粒子的感染途径 605.1.3 柞蚕微粒子的检测方法及防御手段 605.1.4 大气压低温射流等离子体 615.1.5 放电峰值电压的ICCD特性分析 635.1.6 大气压射流等离子体光谱诊断及振动转动温度拟合 655.1.7 大气压射流等离子体对柞蚕微粒子的杀除及吉姆斯染色镜检 665.1.8 柞蚕微粒子SEM和EDS分析 675.1.9 大气压射流等离子体处理柞蚕微粒子实时监控 685.1.10 等离子体处理后微粒子侵染活体及体液镜检 695.2 大气压低温射流等离子体对番茄褐苞酶病害的防控研究 715.2.1 峰值电压和频率对番茄褐苞酶杀菌效率的影响 715.2.2 放电对番茄褐苞酶表面形貌影响 725.3 大气压低温射流等离子体活化水杀菌研究 735.3.1 放电对水溶液pH值的影响 745.3.2 等离子体活化水对白色念珠菌失活效率的研究 765.4 小结 776 结论与展望 786.1 结论 786.2 创新点摘要 796.3 展望 80参考文献 81致谢 91作者简介 92TABLEOFCONTENTS1Introduction 11.1Introduction 11.2Atmosphericpressurecoldplasmasterilizationtechnology 21.2.1Basicconceptsofatmosphericpressurecoldplasma 21.2.2Generationsofatmosphericpressurecoldplasma 31.2.3SterilizationmechanismAtmosphericpressurecoldplasma 71.3Researchstatusandexistingdifficultiesofplasmasterilizationtechnology 81.3.1Researchstatusofplasmasterilizationtechnology 81.3.2Existingdifficultiesofplasmasterilizationtechnology 91.4Thepurposeofselectedtopicandthemainresearchtrain 102Thecultivationofharmfulbacteriaandtestingmethods 122.1Introduction 122.2Candidaalbicans 122.2.1Candidaalbicansmediumconfigurationandculturemethods 122.2.2Candidaalbicanstestsamplepreparation 132.3EscherichiaColi 142.3.1EscherichiaColimediumconfigurationandculturemethods 142.3.2EscherichiaColitestsamplepreparation 152.4Harmfulbacteriainactivationtestmethods 152.4.1Platecountingmethod 152.4.2 Opticalmicroscopestainingmicroscopy 152.4.3 Scanningelectronmicroscope 152.4.4 Energydispersivespectrometer 172.4.5 Ultraviolet-visibleabsorptionspectromtry 183AtmosphericpressurecoplanarDBDplasmainbiomedicalapplication 203.1 CoplanarDBDcoldplasmadischargeinsealedbags 203.1.1 Inactivationefficiencyandphotosundervariousheliumandoxygenratiodischargecondition 233.1.2 Emissionspectrumdiagnosisundervariousheliumandoxygenratiodischargecondition 243.1.3 Comparisonofinactivationefficiencyunderdirectplasmatreatmentandindirectplasmatreatment 263.1.4 Dischargefrequencyandvoltageontheinfluenceofplasmadischargepower 273.2 Atmosphericpressuremulty-groovecoplanarDBDplasma 283.2.1Atmosphericpressuremulty-groovecoplanarDBDmechanism 303.2.2 Dischargevoltageontheinfluenceofatmosphericpressuremulty-groovecoplanarplasmadischargepower 333.2.3 Dischargevoltageontheinfluenceofatmosphericpressuremulty-groovecoplanarDBDplasmatemperature 343.2.4 DischargevoltageontheinfluenceofinacivationefficiencyofCandidaalbicansandEscherichiaColi 363.4 BipolarnanosecondpulsedrivenatmosphericpressuremicrostructurecoplanarDBD 383.4.1 Dischargevoltageontheinfluenceofvibrationaltemperaturerotationaltemperatureandsurfaceofthedischargeplasma 403.4.2Dischargevoltageontheinfluenceofinactivationefficiencyandcomparisonofthetreatedimages 413.4.3 Dischargevoltageontheinfluenceofinactivationefficiencyasthefunctionofthetreatmentdepth 423.4.4 Candidaalbicansstainingmicroscopy 443.4.5 Cross-sectiondischargeintensityofICCDanalysisanddischargeimages 453.4.6 Candidaalbicansultravioletabsorptionspectrum 463.5 Conculsion 474Largeareaarraymicro-structureDBD 484.1 Largeareaarraybrush-shapedDBD 484.1.1 Dischargevoltageontheinfluenceofvolt-amperecharacteristicsofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasma 494.1.2 Volt-amperecharacteristicsofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasmaundervariousheliumandoxygenratio 504.1.3 Dischargegapsontheinfluenceofuniformityofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasma 524.1.4 Dischargevoltageontheinfluenceofatmosphericpressurebrush-shapedplasmadischargepower 534.1.5 Emissionspectrumdiagnosisandvibrationaltemperaturerotationaltemperatureofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasma 544.1.6Inactivationefficiencyuniformityontransversedirectionofatmosphericpressurebrush-shapedDBDplasma 554.2 Conculsion 585Atmosphericpressureplasmajetonthecontrolofplantandanimaldisease 595.1 Atmosphericpressureplasmajetonthecontrolofsilkwormdisease 595.1.1 Nosemabombycis 595.1.2 InfectionoftussahNosemabombycis 605.1.3 DetectionmethodanddefenseoftussahNosemabombycis 605.1.4 Atmosphericpressurecoldplasmajet 615.1.5 ICCDcharacteristicsanalysisundervariousdischargevoltage 635.1.6 Vibrationaltemperatureandrotationaltemperatureofatmosphericpressureplasmajet 655.1.7 InactivationresearchandJamesstainingmicroscopyoftussahNosemabombycisbyusingatmosphericpressureplasmajet 665.1.8 SEMandEDSanalysisoftussahNosemabombycis 675.1.9 Real-timemonitoringoftussahNosemabombycisinactivationprocessing 685.1.10BreedingresearchandMicroscopicexaminationofthebodyfluids 695.2 Atmosphericpressureplasmajetonthecontrolofcladosporiumflulvum 715.2.1 Dischargefrequencyandvoltageontheinfluenceofinactivationefficiencyofcladosporiumflulvum 715.2.2 Dischargetreatmentontheinfluenceofsurfaceappearanceofcladosporiumflulvum 725.3 Inactivationresearchbyusingatmosphericpressureplasmajetactivatedwater 735.3.1 DischargetreatmentontheinfluenceofpHvalue 745.3.2 Candidaalbicansinactivationefficiencybyusingplasmaactivatedwater 765.4 Conculsion 776 ConclusionandOutlook 786.1 Conclusion 786.2 Outlook 80Reference 81Thanks 91AboutTheAuthor 92图目录TOC\h\z\c"图表"图11电晕放电基本形式 3图12介质阻挡放电基本形式 4图13介质阻挡放电微放电丝状通道照片 5图14射频放电基本形式 5图15滑动弧放电基本形式 6图16射流放电基本形式 7图21白色念珠菌的培养过程 13图22扫描电镜的工作原理 16图23X射线能量色散谱分析的工作原理 18图24紫外-可见吸收光谱原理 19图31a高压交流电源结构示意图;b高压交流电压、电流波形 20图32a共面介质阻挡放电等离子体发生装置;b共面介质阻挡放电等离子体图片 21图33共面介质阻挡放电等离子体李萨如图形 22图34a白色念珠菌样品照片：(i)未处理；(ii)100%He等离子体处理；(iii)99%He+1%O2等离子体处理；(iv)96%He+4%O2等离子体处理；(v)93%He+7%O2等离子体处理，处理时间5min。b白色念珠菌在不同O2/He比例下随等离子体处理时间变化的失活曲线。 24图35在不同O2/He比例下塑封袋内放电的发射光谱 25图36在99%He+1%O2等离子体处理条件下白色念珠菌失活效率随时间的变化白色念珠菌玻片或面向等离子区域或背对等离子体区域 27图37a放电功率随频率变化的曲线，峰值电压保持11kV不变；b放电功率随电压变化的曲线，放电频率保持7kHz不变。 28图38a常见筷子消毒机;b筷子消毒剂内的臭氧发生装置 29图39a筷子消毒机消毒大肠杆菌的效果图；b筷子消毒机消毒白色念珠菌的效果图 29图310a大气压多槽式介质阻挡放电装置；b大气压多槽式介质阻挡放电照片 30图311a大气压多槽式介质阻挡放电电流电压曲线；b大气压多槽式介质阻挡放电传播过程(voltage:14kV;frequency:9kHz) 31图312a大气压多槽式介质阻挡放电电流电压曲线；b大气压多槽式介质阻挡放电传播过程(voltage:18kV;frequency:9kHz) 32图313a大气压多槽式介质阻挡放电电流电