自冷凝水电极等离子体的放电特性与杀菌效果研究

《Plasma》：Discharge Characteristics and Bactericidal Effects of a Self-Condensing Water-Electrode Plasma

　　

摘要翻译：
本研究提出一种自冷凝水电极等离子体装置，在该装置中，环境水蒸气在强电场区域内的冷却针尖电极表面发生冷凝，形成持续更新的水滴、泰勒锥或水膜界面，并参与放电过程。研究人员考察了环境湿度、针尖温度和施加电压对自冷凝行为的影响，并分析了不同施加电压和放电间距下的放电模式、活性物种的产生以及针对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的灭活效果。结果表明，提高环境湿度、降低针尖温度以及增大施加电压均能促进针尖处的水分冷凝。电场缩短了液滴形成时间，并减小了液滴脱离尺寸。随着施加电压的升高，装置依次经历水冷凝、电喷雾、稳定泰勒锥、水膜放电和裸露电极放电阶段，且各阶段的边界电压随放电间距的增大而升高。在自冷凝水电极放电期间，臭氧浓度低于仪器的检出限，而羟基自由基（·OH）的产生显著增强。与传统金属电极相比，在相同施加电压下，自冷凝水电极对金黄色葡萄球菌表现出更强的灭活能力，且在低电压条件下的优势更为显著。这些发现表明，引入自冷凝水界面能够调控局部放电形态和活性物种组成，为开发低臭氧产生、高杀菌活性的低温等离子体灭菌技术提供了一种新策略。

论文解读文章：

一、研究背景与问题提出

低温等离子体因其能够在接近环境温度的条件下产生多种活性物种，已被广泛应用于微生物灭活、表面消毒和水处理等领域。等离子体放电过程中产生的活性氧氮物种（RONS）、带电粒子、局部电场和紫外辐射可协同作用于细菌细胞壁、细胞膜、蛋白质和核酸，进而诱导膜破裂、氧化损伤和代谢失活。与传统的热灭菌和化学消毒方法相比，低温等离子体具有处理温度低、耗时短、适用性广等优点，在食品安全、医疗消毒和公共卫生领域展现出较大的应用潜力。

近年来，等离子体活化水和等离子体活化化学溶液引起了广泛关注。气液界面处的等离子体反应可将气相活性物种转化为液相中的长寿命或中寿命物种，包括H₂O₂、NO₂^?、NO₃^?和ONOO^?，从而通过多种活性物种的协同作用增强杀菌效果。然而，现有的空气等离子体和金属电极放电系统仍面临两个显著挑战：其一，空气放电中的氧分子易通过电子碰撞反应及后续的三体反应生成臭氧。尽管臭氧具有强氧化性和杀菌特性，但其刺激性和潜在的生物安全风险限制了等离子体装置在开放环境及人员密切接触场景中的应用。其二，羟基自由基（·OH）具有极高的氧化电位，能够快速攻击膜脂、蛋白质和DNA，是等离子体介导细菌灭活中最重要的短寿命活性物种之一。然而，·OH极短的寿命和有限的扩散距离使其难以在间接处理构型或金属电极放电系统中维持局部高浓度。因此，如何在抑制臭氧生成的同时增强·OH的局部产生，成为提高低温等离子体杀菌效率和安全性的关键问题。

电喷雾现象为上述问题提供了新的解决思路。当液-气界面所受电应力足以克服表面张力时，液体会变形为泰勒锥，并从锥尖射出带电射流或细小液滴。已有研究表明，将水作为直接参与放电过程的电极，能够为调控活性物种组成提供新策略。水分子可通过电子碰撞解离、激发态物种反应及等离子体-液体界面反应产生·OH和H₂O₂等含氧活性物种。基于此，本研究提出一种将水蒸气冷凝与等离子体放电耦合的自冷凝水电极放电装置，旨在通过针尖冷却使环境水蒸气在强电场区域冷凝，形成持续更新的水滴、水膜或锥形结构，使其作为放电界面直接参与等离子体反应。该装置无需泵、毛细管或喷嘴向放电电极供给液体，冷凝水也无需表面活性剂或其他添加剂来改变其物理性质。

二、研究内容与主要结论

研究人员开发了一种自冷凝水电极大气压等离子体装置，系统研究了环境湿度、针尖温度和施加电压对针尖自冷凝过程的影响，进而分析了装置在不同施加电压下的放电模式转变、活性物种生成特性及杀菌性能。研究结果表明：冷却的针尖能够在强电场区域内诱导环境水蒸气冷凝，形成水滴、泰勒锥和水膜等动态水界面；随着施加电压升高，装置依次经历水冷凝、电喷雾、稳定泰勒锥、水膜放电和裸露电极放电五个阶段；自冷凝水电极放电期间未检测到臭氧信号，而羟基自由基的产生显著增强；与传统金属电极相比，在相同施加电压下，自冷凝水电极对金黄色葡萄球菌表现出更强的灭活能力，尤其是低电压条件下的改善更为明显。这些发现证明，引入自冷凝水电极能够调控放电形态和活性物种组成，为开发低臭氧、高杀菌活性的等离子体装置提供了可行策略。

该研究成果发表于《Plasma》期刊，为低温等离子体灭菌技术的改进提供了新的设计思路和实验依据。

三、主要关键技术方法

研究人员在本研究中采用了多项关键技术手段。装置核心部分包括针尖温度控制模块（基于热电冷却器TEC1-12708和PID控制板，配合散热片及冷却风扇实现针尖温度的设定与实时监测）、截顶半球形高压电极以及微孔陶瓷加湿模块（孔径0.1 μm，直径88 mm，配合环形PTC加热元件增强局部水蒸气供应）。放电由高压直流电源（SL20PN1200/220，Spellman）驱动，并通过2 MΩ限流电阻连接至截顶半球形高压电极，针尖电极施加负极性直流电压，放电间距标准设定为4 mm。电流测量方面，使用高压探头（P6015A，Tektronix）测量放电电压，通过串联在高压侧的4 kΩ无感电阻和隔离模块，利用示波器（U2702A，Agilent）记录电阻两端电压并换算为电流，进而根据同步采集的电压和电流波形计算平均电功率。放电模式观察采用数字显微镜（Z01，Leyue）记录稳态现象，采用高速相机（SA1.1，Photron）捕捉电喷雾等快速瞬态过程。水冷凝行为通过监测相邻两个液滴下落的时间间隔（定义为单滴冷凝时间）来分析，每个实验条件重复测量七次。化学物种测量中，臭氧浓度采用泵吸式臭氧检测仪（PLT300，Pulitong，量程0–500 ppm，分辨率0.1 ppm）检测；羟基自由基采用苯五甲酸（BA）荧光法间接定量，以20 mmol/L、pH 7.2的BA水溶液作为·OH捕获剂，经等离子体处理后使用荧光酶标仪（Synergy H1，BioTek）在激发波长311 nm、发射波长435 nm处测定羟基苯五甲酸（HBA）的荧光强度。杀菌实验选用金黄色葡萄球菌（S. aureus，菌株CMCC (B) 26003，由华中科技大学生命科学与技术学院提供），采用菌落形成单位（CFU）计数法定量杀菌能力。细菌悬液经活化后调整浓度至1.81×10⁹ CFU/mL，取稀释10⁶倍的菌液0.1 mL涂布于琼脂平板上，放电装置置于培养皿上方，分别选用4.6 kV（稳定泰勒锥放电）和5.7 kV（水膜放电）两个电压条件，每个条件分别使用自冷凝水电极和干燥金属电极进行实验，处理5 min后于37 °C培养24 h并进行CFU计数。

四、研究结果与讨论

3.1 湿度、温度和施加电压对水自冷凝过程的影响：研究结果表明，在环境温度25 °C、针尖温度5 °C条件下，相对湿度从46%升高至93%时，平均液滴冷凝时间从约45 min缩短至约10 min，说明提高相对湿度可显著加速针尖处的水分冷凝。针尖温度方面，在环境温度25 °C、相对湿度70%（露点温度19.2 °C）条件下，针尖温度维持在5 °C时液滴脱离时间约为15 min；升高至15 °C时冷凝时间延长至约30 min且波动增大；当针尖温度接近环境温度25 °C时则几乎观察不到有效冷凝。这表明针尖表面温度必须低于露点温度方能实现稳定冷凝，且表面与露点之间的温差越大，冷凝速率越高。施加电压方面，在2–3.5 kV低电压范围内，液滴脱离时间的测量值较为分散且无明显的单调变化趋势，说明该范围内电场力影响有限；当电压升高至4 kV时，冷凝-脱离时间显著缩短至约5 min，表明电场力的促进效应仅在电场强度达到一定阈值后才显现。此外，施加电压还影响液滴脱离尺寸：在0和2 kV时脱离直径约为1719 μm，3–3.5 kV时减小至约1504 μm，4 kV时进一步减小至约670 μm。

3.2 放电模式转变：在环境温度25 °C、局部相对湿度80%、针尖温度5 °C、放电间距4 mm的标准条件下，施加电压从2 kV逐渐升至7 kV时，装置呈现明显的阶段性放电特征。电压低于4.3 kV时仅发生冷凝，液滴经历冷凝、生长、聚并和脱离的周期性循环，无气体放电现象。电压超过4.3 kV后，液滴在电场作用下发生显著振荡和变形，高速相机捕捉到泰勒锥形成及锥尖破碎喷射细小液丝的过程，此阶段以电喷雾为主要特征，尚未观察到稳定的可见放电。电压进一步升高超过4.6 kV时，电喷雾行为逐渐消失，针尖形成相对稳定的泰勒锥，锥尖附近出现负电晕放电。电压超过5.7 kV后，锥形液滴结构消失，冷凝水以水膜形式覆盖针尖表面，等离子体主要沿水膜表面产生并呈现较均匀的空间分布。电压超过6.7 kV后，针尖表面冷凝水几乎完全消失，裸露的金属针尖成为主要放电区域。放电间距对模式边界电压的影响显示，随着间距从2 mm增加至5 mm，电喷雾起始电压V1、稳定泰勒锥起始电压V2、水膜放电起始电压V3和裸露电极放电起始电压V4均呈上升趋势，表明更大间距需要更高的施加电压才能建立足够强的电场以诱导液滴变形并引发气体放电。

3.3 电流特性：在1–4 kV电压范围内，电流由直流分量叠加不规则的电流尖峰组成，直流分量随电压从约10 μA增至约40 μA，此阶段未观察到等离子体放电。在5–8 kV电压范围内，电流呈直流分量伴随自脉冲特征，脉冲频率随电压增加而增大，脉冲峰值幅度先增后减。重复电流脉冲被识别为特里切尔脉冲（Trichel pulses），这是负直流电晕放电中典型的自脉冲模式。平均放电功率随电压升高而逐渐增大：1 kV时为7 mW，5 kV时为267 mW，8 kV时为982 mW。

3.4 臭氧和羟基自由基测量结果：臭氧测量显示，自冷凝水电极装置放电期间在装置附近未检测到臭氧信号。研究人员提出假设：在高湿度条件下，电子碰撞解离H₂O产生H和OH自由基，激发态氧原子通过O(¹D) + H₂O → 2OH路径转化为OH，从而将活性氧从臭氧生成路径中分流；同时H自由基与O₂反应生成HO₂，OH和HO₂通过消耗原子氧和直接去除已生成的臭氧来竞争臭氧形成。羟基自由基测量方面，采用BA荧光法比较不同电极条件下的·OH捕获信号。自冷凝水电极组的HBA荧光强度在1–5 min处理时间内随处理时间迅速增加，表明·OH衍生产物持续积累；而金属电极组的荧光信号在整个处理期间接近对照组水平，说明相同电压条件下金属电极放电仅产生极少量·OH。以5 kV处理1 min为例，自冷凝水电极组的HBA荧光强度约为25,000 a.u.，对应HBA浓度为4.438 μmol/L，捕获液体积0.5 mL，估算·OH产率为2.219 nmol/min。

3.5 杀菌效果：杀菌实验结果显示，随着施加电压升高，两种电极条件下的细菌灭活率均有所提高，但自冷凝水电极组的杀菌性能始终明显优于金属电极组。在4.6 kV时，自冷凝水电极组细菌灭活率约为62%，而金属电极组仅约为3%，两组差异极为显著（**** p < 0.0001）。当电压升高至5.7 kV时，自冷凝水电极组灭活率进一步提高至约78%，金属电极组也显著上升至约56%。研究人员提出，自冷凝水电极产生的活性物种如·OH可诱导氧化应激，损伤细菌细胞膜或胞内组分，从而实现细菌灭活。对于金属电极在较高电压下杀菌性能的改善，研究人员认为强局部电场可在细菌细胞膜上诱导跨膜电位，当电位超过临界阈值时会在细胞膜上形成不可逆孔洞，导致胞内物质泄漏，即电穿孔效应。研究中还讨论了仅选用革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌作为测试菌株的局限性：革兰氏阴性菌具有较薄的肽聚糖层和含脂外膜，可能对等离子体产生的RONS表现出不同响应，自冷凝水电极产生的RONS可能通过诱导革兰氏阴性菌外膜和胞内组分的氧化损伤来使其灭活。

五、结论与展望

本研究开发了一种自冷凝水电极大气压等离子体装置，证明了通过冷却针尖在强电场区域冷凝环境水蒸气形成动态水界面的可行性。装置随电压升高依次经历水冷凝、电喷雾、稳定泰勒锥、水膜放电和裸露电极放电阶段；自冷凝水电极放电期间未检测到臭氧，而·OH产生显著增强；相比传统金属电极，自冷凝水电极在相同电压下对金黄色葡萄球菌具有更强杀灭效果，尤其在低电压条件下优势显著。研究仍存在若干局限性：未系统检测H₂O₂、NOx、NO₂^?、NO₃^?、¹O₂和ONOO^?等其他活性物种及其协同作用；杀菌实验仅使用一种细菌菌株，对其它革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌和细菌孢子的适用性尚需验证；针尖放电结构的有效处理面积较小，可能限制大面积表面消毒应用；杀菌效果评价主要基于菌落计数结果，缺乏关于细胞膜完整性、胞内泄漏、细胞形态和氧化损伤的直接生物学证据。未来研究拟扩大测试微生物种类和处理面积，结合膜通透性检测、电子显微镜观察和氧化损伤指标系统验证杀菌机制。