不同电源激励下针水等离子体活化水产物特性及灭菌应用研究

摘要

针电极对板放电结构是一种经典的等离子体发生结构，因其放电产物丰富、能量利用率高、放电一致性强、易于阵列化等特点使得其吸引了众多学者。尤其是当水溶液充当地电极时产生的等离子体活化水具有优异的灭菌和水处理效用，因而被广泛应用于生物科学、医疗卫生和食品安全等多个领域。　　为了研究在不同激励电源、放电参数以及气流参数下的活化水产物特性和灭菌特性，本实验自主设计并搭建了一套多针对水等离子体放电装置。实验中分别使用高压直流电源、高压交流电源和高压脉冲电源驱动针水装置，在不同的放电参数下对等离子体活化水产物特性进行探究。实验中利用示波器、高压探头对放电电压电流波形进行监测、紫外可见分光光度计对活化水产物浓度进行检测，并使用显微镜对青霉菌孢子形态进行观察，以判断其生长状况。　　首先，在直流电源激励下，选择1kV作为电压步长，通过示波器上反映出的电流波形来控制放电模式的转化；通过质量流量计和洗气瓶对气流和洗气方式进行控制。实验研究了放电模式和气流条件对于活化水产物浓度和灭菌效率的影响，并通过分析活化水内部的反应方程对其机理进行探究。　　其次，在交流电源激励下对产物特性和灭菌机理进行了研究。实验中分别使用水溶液和PBS缓冲液作为工作液体，通过对比活化水和活化PBS中产物浓度与灭菌效率随时间的变化规律对灭菌机理进行分析研究。结果发现，活化水中H2O2可以和 2NO?在酸性条件下生成ONOO-，而以ONOO-为核心形成的化学反应体系是活化水高效灭菌性的主要原因。　　最后，在脉冲电源激励下，研究了脉宽、频率以及电压等电源参数和气流参数对活化水的影响，结果表明，随着脉宽、频率和电压的升高，活化水灭菌能力均提高，且通过控制气流量的大小，可以人为的将放电产生的H2O2和 2NO?分离开来，在放电腔体和洗气瓶中各自形成以H2O2和酸性物质为主体的活化水。实验发现，将两者混合得到的活化水具有更强的灭菌能力，且混合液中H2O2的比例越高，灭菌效果越好。当MH2O2∶MNO2-为3∶1时，活化水具有最高的灭菌效率，其对应的萌发抑制率为82.3%。为研究活化水灭菌的优异性，实验配置了与混合活化水浓度相同的HNO3、HNO2和H2O2的混合液，发现其灭菌效率低于活化水。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 等离子体活化水国内外研究现状

1.2.2 针板放电研究现状

1.3 本文研究的目的及研究内容

2 等离子体活化水产物诊断及生物应用方法

2.1 引言

2.2 化学成分诊断方法

2.2.1 NO3-与NO2-浓度检测

2.2.2 H2O2浓度检测

2.2.3 O3浓度检测

2.3.1 青霉菌简介

2.3.2 青霉菌孢子悬浮液的制备

2.3.3 青霉菌萌发抑制率的计算

3 直流针水等离子体活化水产物特性及灭菌效率研究

3.1 引言

3.2 直流针水放电系统

3.3 直流针水放电模式转化研究

3.3.1 O3浓度和pH的检测

3.3.2 放电模式对活化水产物浓度的影响

3.3.3 气流对活化水产物浓度的影响

3.4 直流针水活化水灭菌特性研究

3.4.1 放电模式对青霉菌孢子萌发抑制率影响的研究

3.4.2 气流对青霉菌孢子萌发抑制率影响的研究

3.5 本章小结

4 交流针水等离子体活化水产物特性及灭菌机理研究

4.1 引言

4.2.1 装置系统结构介绍

4.2.2 交流针水放电特性研究及放电功率计算

4.3.1 气流对活化水中产物浓度的影响

4.3.2 静置时间对活化水中产物浓度的影响

4.4.1 活化水对青霉菌孢子萌发抑制率的研究

4.4.2 活化水灭菌机理的研究

4.5 本章小结

5 脉冲针水等离子体活化水产物特性及灭菌机理研究

5.1 引言

5.2.1 脉冲针水放电及测量系统

5.2.2 脉冲针水放电特性及能量注入效率计算

5.3 脉冲针水等离子体活化水产物特性研究

5.3.1 电源参数对等离子体活化水产物浓度的影响

5.3.2 气流对活化水产物浓度的影响

5.4.1 电源参数对青霉菌萌发抑制率的影响

5.4.2 气流对青霉菌萌发抑制率的影响

5.4.3 灭菌结果讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文的主要结论

6.2 后续工作与展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目目录

C 学位论文数据集

致谢