介质阻挡放电在杀菌及薄膜沉积中的光谱分析和机理研究

摘要

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)等离子体是大气压非平衡等离子体(冷等离子体)的一种常见形式。DBD等离子体的特点在于其放电结构多样，工作气压范围宽，等离子体温度低接近于室温，可以根据实际的实验及生产需要改变其装置尺寸。因此在生物医学应用方面具有很广的应用前景。在本论文中，我们研制出了新型的面等离子体发生装置。采用石英玻璃作为阻挡介质，有效的避免了弧放电的生成。此外我们还对不同等离子体装置的基本放电特性进行了研究。在实验中利用单色仪及光纤光谱仪对不同气体的放电发射光谱进行了分析研究，确定关键作用粒子。本论文中主要取得了以下的成果及创新：
　　(1)研制出了能在大气压下产生面等离子体的新型实验装置。该装置可以根据实验需求扩大或缩小实验装置的尺寸。采用空气作为工作气体，在常温常压下产生的厚度为2mm的面等离子体。面等离子体的温度在28℃左右，人的手指直接触碰等离子体没有任何刺痛感和灼热感。
　　利用该装置对大肠杆菌(E.coli)进行杀灭实验。通过调整放电参数得出最佳处理效果。大肠杆菌在空气等离子体处理后存活率降至4％，而采用氧气作为工作气体，细菌的存活率进一步降低至1％。采用单色仪对放电进行检测得到其原子发射光谱。我们发现空气等离子体中含有大量活性含氧粒子如：O，OH和O3等。通过分析处理后的细菌电泳图，进一步的验证了O和OH是主要的作用粒子。并且得出细菌杀灭的机理。
　　(2)通过改良现有的等离子体针装置，对黑色素瘤细胞(MeWo)进行杀灭处理。等离子体针可以在常温常压下通过类辉光放电产生长度在2cm左右的等离子体羽。由于等离子体羽温度接近室温，采用惰性气体He气作为工作气体，所以对正常细胞没有任何危害。当处理时间为60s时，黑色素瘤细胞的存活率降低至8％。
　　利用高倍光学显微镜观察处理前后细胞的形态学变化。在等离子体处理的圆斑上，细胞都处于萎缩凋亡状态。在等离子体照射到的圆斑周围看不到黑色素瘤细胞，这可能是由于在针等离子体喷口处，只有喷口周围会跟空气接触，空气中的氧原子受到等离子体内的He亚稳态粒子激发产生跃迁，形成OⅠ、OⅡ等具有强氧化性的粒子，进而这些粒子与细胞壁作用，破坏其细胞结构。而在针等离子体中心处，主要是HeI粒子和电子为主，其氧化性较弱，但具有高能量的电子依然可以对细胞产生破坏作用，因此在喷口中心处轴方向的细胞仍然有部分残留，但其也都处于萎缩状态。光学显微镜局部放大图进一步验证，细胞的死亡是由于处理的细胞其细胞结构遭到了破坏，致使细胞内的物质流露到细胞外，导致细胞枯萎凋亡。
　　(3)利用平板DBD等离子体装置对青霉(Penicillium SHZK-15)进行诱变，以提高布雷菲德菌素A(BFA)的产率，实验过程中通过实时在线检测等离子体光谱，并利用光谱分析，确定作用粒子为氮气的激发态粒子。在处理时间为5秒时，BFA的产率最高，在空气等离子体处理后产率提高了将近三倍，氮气等离子体处理后产率提高了将近五倍。
　　最后利用DBD微电极放电装置，在内径为：30-300μm的空心石英光纤管内壁沉积氟碳(FC)薄膜。通过分析电流-电压波形图可以看出放电形式为辉光放电。实验时采集的发射光谱中含有CF2、CN、C2等多种粒子，这些物质有助于氟碳薄膜的增长。利用扫描电镜对沉积薄膜的石英管横截面进行观察可以看出在内壁均匀的生长出FC聚合薄膜。此种方法可以在任意长度、任意内径的光纤内壁均匀镀膜，更有利于实际的生产应用。