已有文献数据拟合结果大气压非平衡等离子体射流

1.kINPen®的拟合结果

下面首先对kINPen®的BRF 及相应的ETOP进行计算。被处理的细菌有三种，即萎缩芽孢杆菌[65]、空肠弯曲菌[67]和沙门氏菌[66]：对于萎缩芽孢杆菌，BRF 依据kINPen®处理前后的CFU 之差计算；对于空肠弯曲菌和沙门氏菌，BRF 直接从文献中获得。ETOP 根据RONS 密度、对应的氧化势（见表7.1.1）、相互作用面积及处理时间相乘得出。其中，RONS密度是从参考文献[68]中获得的；相互作用面积根据不同的处理间距通过模拟方法获得：对于5mm、8mm 和12mm 的kINPen®处理间距，模拟得到的相互作用面积分别为1.452mm2、1.247mm2和1.057mm2，如图7.3.1（a）所示；kINPen®的处理时间则是在对应的除菌文献中获得的。最终得出，上述三种细菌的BRF 为0.7～3.2，对应的ETOP 范围为3.98×1018～1.6×1020eV。

图7.3.1（b）～（d）给出了BRF 与lgETOP 的最终拟合结果，其中，水平坐标代表lgETOP，垂直坐标代表BRF。BRF 的实测值以不同颜色（对应不同处理间距）的实心圆点表示，蓝色实线表示拟合结果，两边的虚线则表示90%的置信区间。模拟结果初步表明，BRF 与lgETOP 显著相关，随着lgETOP 的增加，BRF 逐渐增加。

统计指标的计算结果进一步表明，对于所考察的三种细菌，RMSE 均小于0.28，R2均大于0.62，因此BRF 与ETOP 呈显著正相关关系。特别是对于萎缩芽孢杆菌，R2达到了0.9057，表明该模型的拟合结果与实验结果高度吻合。90%置信区间计算结果表明拟合的BRF 误差不超过±1lgCFU，这揭示了该模型能够很好地预测实验结果。

接下来进一步对上述三种细菌的敏感度及ETOP 的作用阈值进行分析。这里，细菌的敏感度即拟合直线的斜率，而作用阈值则为BRF=0时所对应的ETOP 值。因此，若ETOP 低于某种细菌的作用阈值，则说明等离子体对该细菌没有灭活作用。计算结果表明，萎缩芽孢杆菌具有最高的ETOP 阈值，其值达到了2.75×1018eV，而沙门氏菌的ETOP 阈值仅为2.57×1017eV。进一步发现，萎缩芽孢杆菌和空肠弯曲菌对ETOP 具有相似的敏感度，而沙门氏菌对ETOP 的敏感度最低，仅为0.7553，这可能是由沙门氏菌的样品接种面积较小所致，较小的接种面积使得在接种相同体量的菌液时细菌分布更为集中，因而导致了沙门氏菌的敏感度最低[77]。

图7.3.1　模拟得到的氩气流分布和三种细菌的实验拟合结果(www.xing528.com)

2.FlatPlaster拟合结果

对于FlatPlaster装置，文献中仅对O3、NO 和NO2三种RONS密度进行了测量，为了更为精确地计算FlatPlaster的ETOP，这里构建了一个全局等离子体模型（78%N2+21%O2+1%H2O），相关反应源自文献[78]。模拟结果如图7.3.2（a）所示，模拟得到的O3、NO 和NO2的密度分别为1.2×1022m-3、3.1×1018m-3和6.4×1019m-3，与实验结果吻合良好。在此基础上，根据模型达到稳态时的RONS密度数据计算出FlatPlaster的ETOP，其中，等离子体与样品的接触面积为2cm×2cm，模拟得到的平均RONS扩散速度约为0.08m/s。等离子体处理时间及细菌的CFU 源自参考文献[75]，该文献利用FlatPlaster处理了金黄色葡萄球菌。计算结果显示，随着ETOP 从1.12×1020eV 增加到5.65×1020eV，BRF 也从0.81提高至6.70。

图7.3.2（b）给出了FlatPlaster的拟合结果。结果表明，该设备的除菌效果也与lgETOP 呈显著正相关，其中SSE、RMSE 和R2分别为4.351、0.7375、0.8896，90%的置信区间表明，BRF 拟合的误差不超过±1.5lgCFU，表明模型可以很好地拟合实验结果。对比kINPen®发现，金黄色葡萄球菌对ETOP 非常敏感，其k=7.585，而利用kINPen®处理的三种细菌对ETOP 的敏感度则很低。由于FlatPlaster产生的ETOP 显著高于kINPen®的，这意味着随着ETOP 的增加，细菌对ETOP 的敏感性可能也会增加[79，80]。这需要将来通过开展kINPen®灭活金黄色葡萄球菌的实验来验证。

图7.3.2　仿真得到的RONS随时间的变化及金黄色葡萄球菌数据拟合结果