低温等离子体灭菌研究与应用进展_刘红霞

现代预防医学2009年第36卷第14期Modern Preventive Medicine ，2009，Vol.36，NO.14

中图分类号：R824.2

文献标识码：A

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文章编号：1003-8507（2009）14-2695-04

【实验技术及其应用】

低温等离子体灭菌研究与应用进展

刘红霞1，2，陈杰瑢1

摘要：低温等离子体灭菌以其快速、低温、体系能量高、无损材料基质、干式无污染等特点被国际科学界认为是新一代最有前途的“绿色”灭菌技术。本文在研究大量文献的基础上，对影响等离子体灭菌效果的诸多因素及灭菌机理进行了总结分析。阐述了近期开发的新一代远程等离子体灭菌技术，给出了低温等离子体中各活性物种在灭菌过程中的作用规律和贡献份额。文章最后描述了等离子体灭菌技术在各个领域的应用情况。

关键词：低温等离子体；灭菌；应用

REVIEW AND PROSPECT OF NONTHERMAL PLASMA STERILIZATION LIU Hong -xia ，CHEN Jie-rong. （Department of Environmental Science and Engineering ，Xi ’an Jiaotong University ，Xi ’an 710049，China ）

Abstract ：Plasma-based sterilization becomes a green technique and is regarded as one of the most promising sterilization techniques by its many merits ，such as low temperature ，fast ，dry and environmentally sound. With large numbers of related literatures reviewed ，the influence factors on germicidal effect and the sterilization mechanisms of nonthermal plasma are sum -marized and analyzed. The paper also presents new remote-plasma sterilization technology ，the respective contribution as well as the action rules of different reactive species in the inactivation process. The application of nonthermal plasma sterilization in vari -ous fields is described in the end.

Key words ：Nonthermal plasma ；Sterilization ；Application

随着医学和生物技术的发展，各种先进医疗器械、物品，尤其是高分子医用设备的大量出现，促使我们寻找针对热敏材料灭菌的新方法。目前对热敏材料灭菌最常用的技术主要是环氧乙烷（ethylene oxide ，EtO ）法，但该法不仅处理周期长（﹥20h ），且灭菌后吸附在材料表面的EtO 残留物有很强的致癌作用［1］。福尔马林、戊二醛也常被用于很多医用设备的灭菌，但这两种方法同样也是有害的［2］。γ辐射是又一个引人注意的低温灭菌技术，但是它成本昂贵、安全操作又需要隔离的空间，并且γ射线还会在一定程度上破坏物体表面，影响高分子材料的整体性质，例如会打断材料内部分子键和交联链［3］。以上方法的局限性促使我们寻找更加新颖的灭菌方法。自

本文首先对影响等离子体灭菌的诸多因素进行了分析，并在研究大量文献的基础上，总结出了3种关于等离子体的灭菌机理假说。文章最后综述了近期开发的新一代远程等离子体灭菌技术，并给出了等离子体灭菌技术在各个领域的应用。

1低温等离子体灭菌的影响因素

为了更好地理解和研究等离子体的灭菌效果，以及找出最

佳的处理条件，了解众多的等离子体参数是十分有用的。如图

1所示，等离子体的内部参数，包括气体的种类、气体流量、

频率、放电功率、时间、真空度以及设备的几何形状等将影响等离子体活性物种的类型、粒子速度以及等离子体的浓度等；同时等离子体与固体（微生物）表面的反应还受表面温度、电势以及表面几何形状的制约，这些都会影响等离子灭菌效果。此外，等离子体灭菌效果还将直接受到医疗器械的几何形状、质量、有机物或盐的残余和表面细菌浓度的影响。

大多数气体都能够放电形成等离子体。20世纪70年代，人们更多地采用惰性气体如氩、氦等来进行杀菌实验，随后，包括氯、溴、碘在内的一些卤素被添加到放电气体中用于增强杀菌消毒功效［6］。随着20世纪80年代乙醛蒸气以及90年代初过氧化氢的加入［7］，逐步证实了单一气体和混合气体都可以激发等离子体用于杀菌消毒［8］。气体类型对灭菌效果有显著的影响。研究表明，在单一气体中，气体对细菌孢子的杀灭作用按杀菌效果强弱排序依次为O 2、CO 2、H 2、Ar 和N 2，利用混合气体激发等离子体，杀菌效果往往比单一中性气体要好［9］。

当有盐或血清等无机或有机物存在时，会在微生物的表面形成一保护层，妨碍等离子体活性粒子与微生物的接触，以致微生物逐渐产生对活性粒子的适应性；其次，有机物还会与活

1968年Menashi ［4］的专利首次报道可用氩低温等离子体杀灭玻

璃瓶表面细菌以来，低温等离子体灭菌技术即以其快速（数秒~十数分钟）、低温（≯50℃）、体系能量高、无损材料基质、干式无污染等特点迅速成为消毒医学领域中的研究热点。

等离子体灭菌技术是利用等离子体中存在的各种活性粒子与菌体细胞发生的各种物理化学反应而进行的，可有效地破坏细菌、病毒及致热物质，如细菌毒素及其他代谢产物等，几乎具备了一种理想灭菌技术的全部条件，不但可以克服传统方法使用中的缺陷，还可同时实现灭菌技术的“绿色化”，被国际科学界认为是新一代最有前途的灭菌技术［5］。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（30571636）；高等学校博士

学科点专项科研基金资助项目（[1**********]）

作者简介：刘红霞（1972-），女，博士，讲师，研究方向：等离子体

化学

作者单位：1. 西安交通大学能动学院环境工程系，西安，710049；2.

西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室

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生的大量活性粒子与胞子中酸性可溶蛋白质相结合导致的。

此外，等离子中的带电粒子也会通过与细菌细胞产生碰撞杀灭细菌，但在高压放电等离子体中，带电粒子不具备较高的能量，故其对细菌细胞的杀灭作用通常忽略不计［17］。Laroussi

［18］

研

究组却指出，由于带电粒子在细胞外膜表面的积累，产生了超过细胞膜自身张力的静电力，从而导致细胞破裂，发生溶解，并预言革兰式阴性菌发生这种破损的可能性较大。

（2）紫外线的作用

在等离子体产生过程中，由于辉光放电，可放出大量紫外线（UV ）。UV 可通过干扰细胞DNA 中胸腺嘧啶的形成来抑止细菌的再繁殖，但是，UV 只有在波长小于280nm 且剂量足够大时才能杀死细菌。如果等离子体产生的UV 不满足这些条件，UV 射线将不能发挥显著的作用，而大多数大气压下混合气体的低温等离子体实验中几乎不会产生任何灭菌波段的UV 射线，这一结论已经得到了证实［19~22］。Laroussi ［23］通过与低压汞灯的UV 射线和大气压下低温等离子体对细菌的杀灭动力学方程相对比，得出UV 并不是主要灭菌剂；Herrmann 等［24］的研究也得出了相同的结论，他将B. globigii 暴露在被石英阻挡的

图1

等离子体各参数的作用

APPJ 等离子体流中，结果发现只有很少的细菌被杀死。Montie

等［25］通过将染菌的聚丙稀直接暴露在等离子体氛围中和用商业包装袋密封后进行等离子体处理相对比发现所需灭菌时间并无多大差异。

（3）温度的作用

在低温等离子体体系中，电子温度很高而气体温度并不高，等离子体灭菌是否存在热效应作用尚缺乏实验数据。

性粒子作用形成不溶性化合物，这些化合物可与细菌周围的其他物质一起对微生物起机械保护作用；有机或无机物还可中和一部分等离子体中的活性粒子，降低对微生物的作用浓度［10］。因此，一般研究者均建议等离子体不能用于被血和盐污染的器械的灭菌，尤其是狭窄腔体，如内窥镜的灭菌。如要使用，应先将器械清洗干净。但他们也同时认为，低温等离子体灭菌系统对有微量有机物残留的器械灭菌依旧能取得良好效果［11］。

一般来说，污染的微生物数量越多，灭菌越困难；就一定数量的微生物，灭菌效果又受载体表面微生物密度的影响，越是较小的灭菌表面越不会有良好的灭菌效果，这可能是由于上层微生物会对下层造成的“遮蔽效应”所致［12］。

Peeples ［26］分别对相同功率的微波场和等离子体作用腔内的玻璃

瓶底部的温度进行测定。作用相同时间（15s ），微波场中的玻璃瓶底温度升到113℃，而等离子体中玻璃瓶底部温度只升到33℃。此外，用扫描电镜还观察到经过等离子体作用的细菌芽孢几乎是完整的，并没有被高温作用后的灰化现象。Larous -

si 等［27］研究了温度在等离子体灭菌过程中的变化，在标准功率

的等离子体下，被观测到的温度增值只有21℃。据此推测，温度不是等离子体灭菌的主要因素。

也有部分学者认为等离子体对细菌具有杀灭作用是上述作用合力的结果，这从一些已被证实的细胞存活曲线图中可以观察到。尽管等离子体对细菌的杀灭机理众说纷纭，但是等离子体处理的确导致了细菌细胞壁破裂，内容物泄漏，残留的表面部分有折叠，并带有斑驳。Joseph ［28］用FEICR 质谱仪与MALDI –MS 探测技术相结合进行研究，结果表明常压低温等离子体处理芽苞后表面泄漏的物质是完整的蛋白质。

综合以上灭菌机理的研究结论，可以看出：等离子体灭菌不是单纯的物理化学过程，而是在微生物外层壁发生的物理溅射、活性物种的化学降解以及紫外线的协同作用过程。但目前有关等离子体灭菌机理的讨论都是以各活性物种（电子、离子、自由基、紫外光）混合存在，同时作用于微生物时的表观反应结果为依据作出的推测，活性粒子在灭菌中各自的作用规律和贡献份额并不清楚，迄今尚未能建立起具有普遍说服力的灭菌机理。

2低温等离子体灭菌机理的研究

关于等离子体的杀菌消毒机理，迄今为止人们还不能够给

出比较圆满的答案。根据早期的实验，相继出现了各种有关机理的假说。纵观各种假说，无论是从物理还是化学方面对杀菌消毒机理进行探索，归根到底不外乎有以下3种：

（1）活性粒子的作用

高频电场或辉光放电产生的等离子体可在真空状态或正常大气压下，产生抗微生物的活性自由基粒子，其中含有大量活性氧粒子（如O 、O 3和O 3*）、含氧自由基基团（例如OH 和

NO ）等活性物质［13］，这些活性粒子可撞击和杀灭微生物，还

极易与微生物体内蛋白质和核酸发生反应，导致细胞外膜破裂，微生物死亡。Chau 等［14］对微波等离子体的杀菌机理进行了研究，发现其灭菌过程类似于等离子体侵蚀，即等离子体中的活性氧自由基和细菌壁或病毒衣壳中的碳氢链反应，从而将细菌或病毒分解从器械表面脱落而将其杀死，且不受紫外辐射的影响。D Vujo 觢evi c 等［15］通过对氧等离子体杀灭大肠杆菌过程中放射的光谱进行测定，发现H 和OH 以及CO 的光谱强烈，由此推断活性氧粒子及含氧基团可单独发挥灭菌作用，是灭菌的主要贡献者。Joseph 等［16］研究了大气压低温等离子体对芽孢的灭活机理，他认为芽胞的死亡是由于等离子体放电过程中产

3远程等离子体灭菌技术的研究

近期开发了远程等离子体灭菌技术。等离子体中的电子、

离子是具有电性的高动能、瞬间存在的活性粒子，而自由基是

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电中性的长寿命气态物质，后者与前者的存活期相差1026倍（电子-离子再结合与自由基-自由基再结合的反应速度常数分别为10-7cm 3／s 和10-33cm 6／s 的数量级）［29］。依据二者寿命的差异，可在距等离子体发生源一定距离处获得电子、离子与自由基的分离，形成较纯的高浓度自由基氛围，使自由基引发的反应占优势，电子、离子的刻蚀作用被抑制，这就是“远程等离子体”的基本思想。图2为远程等离子体的模型示意图。

持产品的鲜度、风味和滋味。自20世纪90年代起，利用等离子体对食品表面进行杀菌消毒就获得了美国食品和药物管理局（FDA ）的批准，并且很快应用于商业。低温等离子体也可用于小包装食品和液体食品的灭菌。Jacquely 等［36］利用过氧化氢等离子体实现了对纸包装、塑料及锡箔包装食品的灭菌，

Baars 等［37］则实现了食品包装材料的在线灭菌。Hongbin 等［38］通

过向液体中鼓泡（通入空气和纯氧），同时将电场直接作用于液体与气体的混合态，成功地杀灭了牛奶与橙汁中的大肠埃希氏菌和沙门菌，处理后的牛奶过氧化值改变甚微，橙汁维生素

C 含量也仅有轻微的下降（约10%～15%），若是氧等离子体处

理，则维生素C 损失更少。Gadri ［39］的实验证明，各类食品表面的大肠杆菌经空气等离子体20s ～90min 的处理后，细菌总数可下降2～7个对数值。

（2）在医疗卫生中的应用

低温等离子体能够有效杀灭不耐高温高压的各类医用热敏

图2

远程等离子体模型示意图

性器械内外表面的细菌病毒［40］。尤其对医用生物材料的表面灭菌，低温等离子体可以在短时内完成，并且通过与材料表面发

远程等离子体实现了活性物种（电子、离子、自由基）的有效分离，在灭菌机理的研究中可阐明各活性物种的作用规律、贡献份额等，是目前有关等离子体灭菌研究中最前沿的课题。作者在近两年的研究中［30，31］，分别通过远程氩、氧等离子体作用于医用聚四氟乙烯（PTFE ）表面的大肠杆菌，结果表明：放电区的灭菌是电子、离子对细菌胞膜快速刻蚀作用的结果，此时等离子体中的自由基及紫外光作用微弱，而在远程

生的聚合、修饰、改性等一系列作用，同时提高生物材料表面的亲水性、透气性、血溶性等，促使人造血管、血液透析薄膜等医用生物材料得到了更广泛的应用［41］。当等离子体技术用于外科手术和牙科诊所中大量金属器械如钢剪、环形锯、冲洗机等的杀菌消毒时，可以解决因灼烧消毒所造成的材料损坏问题；在对带有电子探头的传感器的消毒中也显示了其独特的优势［42］。

低温等离子体杀菌消毒技术除了应用于食品加工和医疗卫生方面外，在空气净化、水体消毒、卫生材料以及纸张的加工生产等多个领域中也显示出了巨大的优势［43］。参考文献：

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30cm 后，自由基对胞膜中多不饱和脂肪酸（PUFA ）的攻击

则成为导致细菌死亡的主要原因。此外，研究还指出在远程等离子体场中，距放电区40cm 以内均可有效杀灭大肠杆菌，并给出了有效灭菌范围内的等离子体灭菌动力学曲线。

远程等离子体在灭菌同时对医用材料表面的改性效果更是值得期待。早在1996年，Yamada 等［32］就已经开始进行远程等离子体改性高分子材料的研究，发现常规等离子体在改善亲水性的同时会严重破坏材料表面形态，而远程等离子体则避免了这一问题。通过XPS 分析，远程氢等离子体对PTFE 表面的去氟效果优于直接等离子体。Gray 等［33］用远程空气等离子体处理生物医用材料聚醚型聚氨酯，高分辨XPS 谱图显示表面的化学成分明显改变，C －O 和C ＝O 成分增加，同时还出现了如醇类、醛类、酮类和亚胺类的新官能团，亲水性提高，而刻蚀微弱。Li ［34］等利用远程氩等离子体对医用PVC 进行了表面改性，其对PVC 表面的脱氟作用强于常规等离子体，引入了更多的含氧基团，因而对材料表面亲水性的改善更好，且没有明显的降解反应。经远程氩等离子体处理的PVC 已作为医用输血袋使用。Wang 等

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也利用远程氩等离子体对医用PTFE 进

行表面改性，得到比常规等离子体更好的改性效果，亲水性更强，经时效应也大大强于常规等离子体的处理效果。远程等离子体灭菌技术的提出，为开发一种可控性的等离子体医学灭菌技术提供了新的思路。

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（收稿日期：2008-09-25）

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