Ar等離子體射流處理乙醇水溶液的放電特性及滅菌效應

夏文杰 劉定新

Ar等離子體射流處理乙醇水溶液的放電特性及滅菌效應

夏文杰1,2劉定新2

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學） 天津 300130 2. 西安交通大學等離子體生物醫學研究中心 西安 710049）

乙醇是一種醫療上常用的消毒劑，理論上在Ar等離子體射流處理的水溶液中摻雜乙醇可以增強滅菌效果。通過對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的滅活實驗，發現在被處理的水溶液中摻雜20%乙醇可使Ar射流等離子體活化水的滅菌效果提高5個數量級以上。進一步地，發現當工作氣體中摻雜0.2%N2或在屏蔽罩中摻雜1%O2時，只需在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇，即可提高5個數量級以上的滅菌效果。同時發現，2%乙醇摻雜可使等離子體中多個放電通道交疊，原因可能是亞穩態Ar*和乙醇氣體分子在氣液界面的彭寧電離作用。最后，通過對液相活性粒子的檢測分析，發現等離子體活化乙醇溶液中的過氧乙酸可能在滅菌過程中起主導作用，而過氧亞硝酸和過氧乙酸可能協同作用增強了滅菌效果。

Ar等離子體射流 乙醇 放電特性 滅菌效應

0 引言

近年來，大氣壓等離子體射流由于可以直接將等離子體中的短壽命活性粒子和帶電粒子作用于生命體并誘導生物醫學效應，在癌癥治療、傷口愈合、消毒與滅菌等領域的研究和應用得到了快速發 展[1-5]。在這些應用中，被處理的生物物質往往處于潮濕或液體環境中，使得等離子體與水溶液的相互作用不可避免[6-7]。同時，國內外學者發現等離子體產生的紫外輻射、局部熱場、強電場、帶電粒子以及活性粒子等可通過改變細胞所處液相環境（主要是液相活性粒子的改變）而產生生物醫學效應[2]。一般認為，等離子體與水溶液相互作用產生的活性氧粒子（Reactive Oxygen Species, ROS）和活性氮粒子（Reactive Nitrogen Species, RNS）在生物醫學效應中起著最關鍵作用[8-10]。這些ROS和RNS可分為長壽命活性粒子，如過氧化氫（H2O2）、臭氧（O3）、硝酸（HNO3/NO3-）、亞硝酸（HNO2/NO2-）等，以及短壽命活性粒子，如羥基（·OH）、超氧陰離子（O2·-/HOO·）、過氧亞硝酸（ONOOH/·ONOO-）、過氧硝酸（O2NOOH/O2NOO-）等[11-17]。

然而，等離子體射流由于放電功率和處理面積較小，在較短時間內與水溶液相互作用產生的液相ROS和RNS濃度往往較低。在一些對化學活性要求較高的生物醫學應用中，如微生物滅活，等離子體射流很難在短時間內達到理想的處理效果，尤其是對水溶液中多重耐藥微生物的滅活。例如：Ma Ruonan等采用Ar+2%O2等離子體射流處理去離子水10min，再用生成的等離子體活化水處理金黃色葡萄球菌15min，發現只能使其細菌菌落數（Colony- Forming Unit, CFU）降低1.9個數量級[18]；Xu Yingyin等采用Ar+2%O2等離子體射流處理去離子水20min，再用等離子體活化水處理好氧嗜常溫菌5min，發現只能取得0.22個數量級的滅菌效果[19]；Xia Wenjie等分別采用Ar和Ar+0.08%O2等離子體射流處理耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（Methicillin- Resistant, MRSA）懸液5min，發現都沒有滅菌效果[20]。因此，如何提升等離子體射流與水溶液相互作用產生的液相ROS和RNS的成分和濃度，以增強生物醫學應用效果，是等離子體射流在生物醫學領域應用和發展的關鍵問題。

值得注意的是，乙醇是一種醫療上常用的消毒劑，但是高濃度的乙醇對傷口具有強烈的刺激性，而低濃度的乙醇對耐藥微生物的滅活效果較差。理論上，等離子射流與乙醇溶液相互作用可以產生協同滅菌效應。同時，相比于價格昂貴的氦氣，氬氣（Ar）是一種較為便宜的稀有氣體[21-23]。因此，在工業大規模應用中，Ar常作為工作氣體來產生等離子體[24-26]。本文針對Ar等離子體射流處理水溶液，研究了被處理的水溶液中少量乙醇摻雜對放電特性和滅菌效應的影響。首先，對比了放電和不放電兩種情況下Ar射流等離子體活化乙醇溶液（Plasma- activated Ethanol Solution, PAES）和乙醇溶液對MRSA的滅活效果。為了增強PAES的滅菌效果，同時降低乙醇對傷口的刺激性，進一步研究了低乙醇濃度下工作氣體中不同O2或N2摻雜濃度對滅菌效果的影響。通過放電特性和發射光譜分析，提出在屏蔽罩中通入Ar+O2以優化PAES滅菌效果的方法。最后，通過液相活性粒子檢測分析，闡述PAES的滅菌機理。

1 實驗裝置與方法

圖1展示了Ar等離子體射流處理乙醇溶液以及PAES用于滅菌處理的實驗裝置。等離子體射流源采用針-環電極結構，高壓電極采用石英帽包裹的鎢針電極，與高壓納秒脈沖電源相連；環形接地電極則由10mm寬的銅箔包裹在石英管外構成，位于氣流下游端。高壓針電極與環形接地電極、環形接地電極與石英管管口的間距都為5mm。石英管的內徑為4.0mm，外徑為6.0mm。工作氣體通路包含Ar、O2和N2三條氣體支路。通過質量流量控制器分別產生Ar、Ar+O2混合氣體和Ar+N2混合氣體三種工作氣體，并通入等離子體射流源中，總氣體流量都為5L/min。其中，O2或N2摻雜比控制為0.08%、0.2%、0.5%、1%。為了保證Ar等離子體射流能作用到乙醇溶液的液面，高壓納秒脈沖電源的電壓幅值選定為8.0kV，頻率選定為23kHz，脈寬選定為6.0ms。待處理的乙醇溶液（體積為1.0mL）置于直徑為15mm的石英圓皿中，液面和石英管管口的間距為15mm。

在實驗測量中，采用高壓電壓探頭Tektronix P6015A和電流探頭Pearson 2877分別測量電壓幅值和流經地電極的電流。通過泰克示波器Tektronix MDO3054（帶寬為500MHz，采樣頻率為2.5GS/s）對電壓和電流波形進行采集。放電圖像由數碼相機Nikon D7000拍攝，曝光時間為1.0s。等離子體時空演化過程的圖像由型號為PI-MAX3的增強型電荷耦合裝置（Intensified Charge-Coupled Device, ICCD）相機拍攝，曝光時間為20ns。同時，采用型號為SR750的Andor光學發射光譜儀對石英管管口處的輻射激發態粒子進行檢測，發射光譜檢測范圍為300～800nm，分辨率0.015nm。此外，采用型號為SQD2的Waters H-Class UPLC液相色譜-質譜聯用儀和型號為EXM+的Bruker電子自旋共振波譜儀對等離子體活化乙醇溶液中的活性粒子進行檢測。實驗中采用捕捉劑TEMPONE-H與等離子體活化乙醇溶液中的·ONOO-/O2·-反應生成自旋加合物TEMPONE·。自旋加合物譜線通過電子自旋共振波譜儀測得，并通過SpinFit軟件進行擬合排除噪聲干擾，再通過雙積分值與自由基濃度的線性關系換算得到樣品中加合物的濃度。濃度換算的線性關系采用TEMPONE˙標準曲線的換算公式。

圖1 Ar等離子體射流處理乙醇溶液及PAES滅菌裝置

在PAES滅菌實驗中，采用微生物滅活實驗中常用的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌作為研究對象，實驗重復3次。具體過程如下：

（1）MRSA懸液制備。首先，將MRSA在4mL的胰蛋白胨大豆肉湯（Tryptone Soybean Broth, TSB）液體培養基中37℃過夜培養。然后，將300mL培養液轉移到30mL的TSB液體培養基中進一步37℃培養3h，再以4 000r/min的速度離心2min，接著在生理鹽水溶液中重懸MRSA。通過紫外-可見分光光度計檢測MRSA懸浮液的吸光度，也即光密度（Optical Density, OD）。其在波長max= 600nm處有最大吸收強度，從而制備OD600=1的MRSA懸液，其濃度約為1×109CFU·mL-1。

（2）PAES滅活MRSA。首先，在等離子體射流活化1mL乙醇溶液5min后，立即攪拌石英皿中的PAES 5s。然后，用移液槍將450mL的PAES轉移到含有50mL MRSA懸液的離心管中，孵化5min。

（3）細菌存活菌落數統計。采用10倍梯度稀釋法在磷酸緩沖鹽溶液中對處理后的MRSA懸液（5× 107CFU·mL-1）進行稀釋，然后在TSB瓊脂板上進行涂布，每個稀釋濃度取3個10mL的樣品，培養24h后統計細菌菌落數即可計算出每毫升處理后的細菌懸浮液中存活的細菌菌落總數。

2 滅菌效果的對比分析

2.1 放電與不放電兩種情況下滅菌效果的對比

圖2 放電和不放電兩種情況下PAES和乙醇溶液對MRSA的滅活效果

2.2 Ar中摻雜O2/N2的滅菌效果分析

由于20%乙醇對于傷口的刺激性仍較大，為了降低乙醇對傷口的刺激性，同時增強PAES的滅菌效果，本小節進一步研究了工作氣體中不同O2或N2摻雜濃度對滅菌效果的影響。

工作氣體Ar中不同O2或N2摻雜濃度下PAES對MRSA的滅活效果如圖3所示。當工作氣體Ar中摻雜O2后，PAES反而失去對MRSA的滅活效果，如圖3a所示。原因可能是電負性氧氣大量吸附等離子體中的電子，從而影響等離子體射流與乙醇溶液的相互作用。當工作氣體Ar中摻雜N2時，PAES的滅菌效果隨著乙醇濃度的增加逐漸增強，隨著N2濃度的增加先增強后減弱，如圖3b所示。其中，當N2摻雜濃度為0.2%時，PAES的滅菌效果最佳，此時在2%乙醇濃度條件下就能實現5個數量級以上滅菌效果的增強。原因可能是少量的N2摻雜可以促進RNS的產生，而較高濃度的N2摻雜使得電子與N2的碰撞電離加劇，對放電特性產生較大影響，從而影響等離子體射流與水溶液的相互作用。

3 放電特性及發射光譜的分析

3.1 電壓電流特性的分析

圖4展示了Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的電壓電流波形。在電壓波形上升沿和下降沿處，電流波形的放大圖像為多條抖動的曲線（此處用三條曲線進行示意）。這表明即使在納秒脈沖電壓的激勵下，Ar等離子體射流的電流波形仍不穩定，即Ar等離子體射流仍處于絲狀放電模式。隨著工作氣體Ar中O2摻雜濃度的增加（0～1%），電流波形變得更加不穩定，這說明O2的摻雜不利于Ar等離子體射流的彌散化。隨著工作氣體Ar中N2摻雜濃度的增加（0～1%），電流波形仍不穩定（由于摻雜O2或N2后Ar等離子體射流的電流波形都不穩定，且和圖4相似，沒有給出它們的電壓電流波形）。

圖4 Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的電壓電流波形

3.2 放電圖像的分析

圖5展示了工作氣體Ar中不同O2或N2摻雜濃度下等離子體射流處理2%乙醇溶液的放電圖像。隨著工作氣體Ar中O2摻雜濃度的逐漸增加（0～1%），Ar+O2等離子體羽流的長度逐漸變短。甚至當O2摻雜濃度為1%時，等離子體羽流不能噴出石英管的管口。而隨著工作氣體Ar中N2摻雜濃度的逐漸增加（0～1%），Ar+N2等離子體羽流的形態沒有發生明顯改變，且都能作用于乙醇溶液。原因是電負性的O2具有較高的電子親和勢（0.45eV），吸附了大量電子，從而阻礙了等離子體羽流向前傳播，導致等離子體羽流長度變短。而摻雜O2和N2后等離子羽流長度的差異可能導致PAES滅菌效果的不同。

3.3 等離子體時空演化特性的分析

為了研究Ar+O2/N2等離子體射流與乙醇溶液相互作用的動態過程，通過ICCD相機拍攝了Ar+ O2/N2等離子體射流處理2%乙醇溶液的短時間曝光圖像。

圖5 工作氣體Ar中摻雜不同O2或N2濃度時等離子體射流處理2%乙醇溶液的放電圖像

圖6a展示了Ar+O2等離子體射流處理2%乙醇溶液的等離子體時空演化過程。隨著O2摻雜濃度的升高，等離子體持續時間逐漸變短；當O2濃度為0.2%時，等離子體不能作用到液面；當O2濃度為1%時，等離子體不能噴出石英管管口。結合圖3a滅菌效果，分析認為，等離子體射流作用到液面的持續時間可能是影響滅菌效果的重要因素。圖6b展示了Ar+N2等離子體射流處理2%乙醇溶液的等離子體時空演化過程。隨著N2摻雜濃度的增加（0～1%），等離子體在空氣中傳播的持續時間稍微變短（1 250ns→1 050ns），且仍一直能作用到液面。

3.4 氣液界面發射光譜的分析

由于液相活性粒子可以通過氣相活性粒子傳質到水溶液中，并與水分子、有機溶質（主要是乙醇）、無機溶質（溶解O2、N2等）等反應產生，本節對氣液界面激發態粒子的發射光譜進行了檢測與分析。

圖6 Ar+O2/N2等離子體射流處理2%乙醇溶液的等離子體時空演化圖像

式中，hv為光子。Ar原子譜線則集中在690～800nm這一范圍內，都是屬于4p→3s的躍遷。其中，波長為696.5nm的Ar原子譜線，即Ar原子從2P2激發態躍遷到1S5亞穩態的譜線，具有最大的發射強度。

進一步地，研究了氣液界面處激發態粒子OH（309nm）、N2（337nm）、Ar（696.5nm）的發射強度隨工作氣體Ar中O2和N2摻雜濃度的變化。隨著O2摻雜濃度的升高，OH（309nm）、N2（337nm）、Ar（696.5nm）的發射強度都逐漸降低，如圖8a所示。隨著N2摻雜濃度的升高，Ar（696.5nm）和OH（309nm）的發射強度都逐漸降低，而N2（337nm）的發射強度逐漸升高，如圖8b所示。

4 滅菌效果的優化

4.1 實驗裝置的優化

當工作氣體Ar中摻雜O2后，PAES反而失去了對MRSA的滅活效果。通過放電特性和發射光譜分析發現，工作氣體Ar中O2的摻雜使得等離子體作用不到液面，同時氣液界面各種激發態粒子的發射強度也降低。由于工作氣體中摻雜電負性O2對放電特性和激發態粒子的負面影響較大，同時O2對液相ROS和RNS的生成又不可或缺，本節通過在石英屏蔽罩中通入Ar+O2，研究了環境氣體中不同O2濃度對Ar等離子射流活化乙醇溶液滅菌效果的影響，實驗裝置如圖9所示。石英屏蔽罩置于聚四氟乙烯膠墊上，體積為5cm×5cm×5cm。通入石英屏蔽罩的Ar+O2流速為5L/min。

圖8 氣液界面處激發態粒子的發射強度隨工作氣體Ar中不同O2或N2摻雜濃度的變化

4.2 屏蔽罩中通入Ar+O2時的放電圖像

屏蔽罩中通入Ar+O2時Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的放電圖像如圖10所示。當石英屏蔽罩中通入Ar+O2后，隨著環境氣體中O2摻雜濃度的升高（0～1%），Ar等離子體射流的羽流形態變化不大，且等離子體羽流都能作用到液面。相比于在工作氣體中摻雜O2（見圖5a），環境氣體中相同濃度的O2摻雜對等離子體羽流的影響較小。

圖9 Ar等離子體射流處理乙醇溶液且石英屏蔽罩中通入Ar+O2的實驗裝置

圖10 屏蔽罩中通入Ar+O2時Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的放電圖像

4.3 屏蔽罩中通入Ar+O2時的等離子體時空演化特性

圖11展示了在屏蔽罩中通入Ar+O2后，不同O2摻雜濃度下Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的時空演化過程。結果表明，隨著O2摻雜濃度的升高（0～1%），Ar等離子體都能作用到液面，且Ar等離子體射流作用到液面的持續時間遠大于未添加屏蔽罩的情況（見圖6a）。特別是當O2摻雜濃度為1%時，在屏蔽罩中通入Ar+O2情況下，Ar等離子體射流作用到液面的持續時間約為400ns，而不加屏蔽罩情況下，Ar+O2等離子體射流不能從管口噴出。

值得注意的是，在添加屏蔽罩的情況下，等離子體中出現多個放電通道交疊的現象，如=850ns時Ar等離子體的圖像。由于亞穩態Ar*（43P20）的勢能為11.56eV，而氣液界面的乙醇氣體分子的電離能只有10.47eV，Ar*和乙醇氣體分子在氣液界面發生彭寧電離的概率很大[27-29]，有

圖11 屏蔽罩中通入Ar+O2時Ar等離子體射流處理2%乙醇溶液的等離子體時空演化圖像

式中，PI+為正離子；NS為中性粒子；e為電子。因此，Ar*和乙醇氣體分子在氣液界面的彭寧電離可能導致了等離子體中多個放電通道的交疊。

4.4 屏蔽罩中通入Ar+O2時的發射光譜

圖12展示了氣液界面處激發態粒子OH（309nm）、N2（337nm）、Ar（696.5nm）的發射強度隨屏蔽罩中O2摻雜濃度的變化。隨著O2摻雜濃度的升高，Ar（696.5nm）發射強度略微下降，OH（309nm）的發射強度逐漸下降，此時基本檢測不到N2（337nm）的發射強度。

4.5 屏蔽罩中通入Ar+O2時的滅菌效果

圖13展示了當屏蔽罩中不同O2摻雜濃度時Ar射流等離子體活化乙醇溶液對MRSA的滅活效果。隨著屏蔽罩中O2摻雜濃度的增加（0～1%），PAES的滅菌效果逐漸增加，且當屏蔽罩中O2摻雜濃度為1%時，被處理的水溶液中摻雜2%乙醇濃度就能實現5個數量級以上的滅菌效果增強。值得注意的是，隨著通入屏蔽罩中的O2濃度從0增加到1%，Ar（696.5nm）的發射強度從4.5×104(au)降為3.9×104(au)（電負性O2摻雜濃度增加導致其含量稍微降低），而滅菌效果卻從無滅活效果增加到5個數量級以上的滅活效果。由于只有O2濃度發生較大改變，這說明O2是影響滅菌效果的關鍵因素。

圖12 氣液界面處激發態粒子的發射強度隨屏蔽罩中O2摻雜濃度的變化

圖13 屏蔽罩中不同O2摻雜濃度下PAES對MRSA的滅活效果

5 滅菌機理分析

由于滅菌實驗中采用的是PAES間接滅活MRSA，等離子體活化乙醇溶液中可能存在一種或幾種起關鍵滅菌作用的長壽命活性粒子。圖14展示了PAES中活性粒子的色譜和負離子質譜。結果表明，PAES中主要包括/分別為62、73、75和89的負離子。對于/=62的負離子，其可能是NO3-和·ONOO-。·ONOO-本身是一種短壽命的活性粒子，在液相中的半衰期僅1s左右，但是在酸性條件下可以通過H2O2與NO2-/HNO2反應生成。雖然這個反應的反應速率系數較低（0.56M-1s-1），但是由于其來源于溶液中兩種能夠穩定存在的長壽命粒子，因此這個反應存在較高的發生可能性。Chen Chen等[30]和P. Lukes等[31]的實驗結果也驗證了這一過程的存在。對于/=75的負離子，其可能包含CH3COOO-。Xia Wenjie等的研究結果[20]表明，等離子體活化水中壽命為3～10min的過氧乙酸（CH3COOOH）可能是關鍵的滅菌物質。

圖14 PAES中活性粒子的色譜和負離子質譜

將PAES靜置30min后，發現PAES對MRSA基本沒有滅活效果，推測PAES中起關鍵滅菌作用的液相粒子可能是一種或幾種較長壽命的不穩定粒子。圖15比較了PAES未靜置和靜置30min后/分別為62、73、75和89的負離子色譜。

結果表明，在靜置30min后，/＝62的色譜峰強度增加。原因可能是亞硝酸通過反應式（3）和式（4）轉變為硝酸[32]，有

還可能是過氧化亞硝酸通過反應式（5）分解為高化學活性的·OH和NO2·自由基，再通過反應式（4）轉變為硝酸[31]，有

圖15 未靜置和靜置30min后PAES中不同m/z負離子的色譜

P. Lukes等認為反應式（5）產生的·OH和NO2·自由基在細菌滅活中起著關鍵的作用[33]。同時，實驗結果發現，在靜置30min后，/＝75的色譜峰強度降低。這進一步表明PAES中可能存在過氧乙酸。研究表明，過氧乙酸主要通過過氧化物基團攻擊細胞膜、氧化氨基酸、損傷核酸等方式對微生物進行滅活[34]。

圖16展示了三種處理情況下等離子體活化2%乙醇溶液中TEMPONE·濃度、/=75的色譜峰面積以及細菌存活菌落數隨O2/N2摻雜濃度的變化。由于捕捉劑TEMPONE-H是在等離子體射流處理乙醇溶液之后加入，TEMPONE-H主要與PAES中的·ONOO-反應生成自旋加合物TEMPONE·，即TEMPONE·濃度主要指的是過氧亞硝酸的濃度。/＝75的色譜峰面積用來表征質荷比為75的負離子濃度，一定程度上反映了過氧乙酸的濃度。不同于Ar+O2等離子體射流處理乙醇溶液，在屏蔽罩中通入Ar+O2后PAES中的TEMPONE·濃度隨著O2摻雜濃度升高先緩慢增加，之后維持在5mM左右；而/=75的色譜峰面積隨著O2摻雜濃度升高逐漸增大，此時滅菌效果也逐漸增加（見圖16a和圖16c）。這表明Ar等離子體射流處理乙醇溶液且屏蔽罩中通Ar+O2時，過氧乙酸可能在滅菌過程中起主導作用。對于Ar+N2等離子體射流處理乙醇溶液，TEMPONE·濃度隨著N2摻雜濃度升高先增后減，且在0.08%N2摻雜濃度條件下有最大值約為22mM；/=75的色譜峰面積也隨著N2摻雜濃度升高先增后減，但在0.2%N2摻雜濃度條件下有最大值；而滅菌效果也隨著N2摻雜濃度升高先增后減，且在0.2%N2摻雜濃度條件下最強（見圖16b）。這進一步說明過氧乙酸可能在滅菌中起著關鍵作用，而過氧亞硝酸和過氧乙酸可能具有協同滅菌作用。

6 結論

本文研究了Ar等離子體射流處理水溶液中少量乙醇摻雜對放電特性和滅菌效應的影響規律。首先，發現Ar等離子體射流和乙醇溶液具有協同滅菌效應，且在被處理的水溶液中摻雜20%乙醇溶液可使等離子體活化水的滅菌效果提高5個數量級以上。其次，發現在工作氣體中摻雜O2不利于滅菌效果的提升；而當工作氣體Ar中摻雜0.2%N2時，只需在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇，即可使等離子體活化水的滅菌效果提高5個數量級以上。通過放電特性和發射光譜的分析，發現等離子體作用于液面的持續時間和氣液界面激發態粒子的發射強度是影響滅菌效果的重要因素。進而提出了在屏蔽罩中通入Ar+O2以優化Ar射流等離子體活化乙醇溶液滅菌效果的方法，發現當屏蔽罩中摻雜1%O2時，在被處理的水溶液中摻雜2%乙醇即可提高5個數量級以上的滅菌效果。同時，發現2%乙醇摻雜可使等離子體中多個放電通道交疊，原因可能是亞穩態Ar*和乙醇氣體分子在氣液界面的彭寧電離作用。最后，闡述了等離子體活化乙醇溶液中過氧乙酸可能在滅菌過程中起主導作用，而過氧亞硝酸和過氧乙酸可能協同作用增強滅菌效果。

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Discharge Characteristics and Bactericidal Effect of Ar Plasma Jet Treating Ethanol Aqueous Solution

1,22

（1. State Key Lab of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Centre for Plasma Biomedicine Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

Ethanol is a kind of commonly used disinfectant in medical treatment. Theoretically, doping ethanol into aqueous solution treated by Ar plasma jet can enhance the bactericidal effect. Through the inactivation experiment of Methicillin-resistant, it was found that the bactericidal effect of Ar jet plasma-activated water was increased by more than 5 orders of magnitude by doping 20% ethanol. Furthermore, when 0.2% N2was mixed into the working gas or 1% O2was added into the shield, the bactericidal effect can be improved by more than 5 orders of magnitude by doping 2% ethanol. At the same time, 2% ethanol doping can cause the overlapping of multiple discharge channels in the plasma, which may be due to Penning ionization of metastable Ar*and ethanol gas molecules at the gas-liquid interface. Finally, the analysis of reactive species in liquid phase show that peracetic acid in ethanol solution activated by plasma may play a leading role in the sterilization process, and peroxynitrite and peracetic acid may synergistically enhance the bactericidal effect.

Ar plasma jet, ethanol, discharge characteristics, bactericidal effect

TM89

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201227

2020-09-17

2020-10-10

夏文杰 男，1991年生，博士，研究方向為大氣壓冷等離子體射流及其生物醫學應用。E-mail: 690726712@qq.com

劉定新 男，1982年生，博士，博士生導師，研究方向為大氣壓冷等離子體技術及其生物醫學應用、放電設備故障診斷等。E-mail: liudingxin@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）