大气压等离子体射流仿真结果

1.实验设置

为了进一步验证ETOP 作为等离子体剂量的科学可行性，下面还开展了等离子体杀菌实验。在实验中，采用了四种不同的工作气体（包括纯He、He+0.5%O2、He+1%O2和He+0.2%H2O），以保证各类RONS之间的相对浓度存在显著差异。图7.3.3（a）给出了本实验采用的N-APPJ发生装置。该装置由石英管和细铜环电极制成，管长为10cm，内径为0.3cm。石英管外部接有环形高压电极，其上连接纳秒脉冲电压。其中，电压幅值为8kV，脉冲频率为8kHz，上升时间为84ns。图7.3.3（c）给出了纯He等离子体的外施电压和电流波形。

图7.3.3　等离子体射流装置图和放电特性

对于灭菌实验，首先将10μL的金黄色葡萄球菌溶液（108CFU/mL）均匀地铺在直径7mm 的玻璃片上。然后将样品放在无菌环境中静置20min。待其表面干燥后，实验组将细菌样品置于射流喷嘴处1cm 的位置，并用等离子体处理5min、8min、10min、15min。对照组不接受等离子体处理。此后，将细菌样品置于5mL水中浸泡15min。随之将细菌悬浮液稀释至不同的梯度，然后取100μL均匀涂在琼脂平板（直径为9cm）上，培养48h后统计CFU 并计算得到BRF。

对于RONS测量，由于实验条件限制，仅对NO2、NO、O3、O 和OH 进行了绝对浓度测量。其中，NO2和NO 由气体检测器测量，NO2和NO 的分辨率分别为0.1ppm 和1ppm。O3和NOx测量系统如图7.3.4（a）所示，由一个标准的紫外线光源和一个单色仪组成，其中，单色仪的入口和出口狭缝均设置为10μm，波长设置为254nm。平均O3绝对浓度可以通过以下公式计算[81]：

图7.3.4　O3与NOx的测量系统及在254nm 处的光强测量结果（He+0.5%O2）

式中：T 是气体温度（K）；P 是压强（atm）；f 是254nm 下O3的吸收系数，其值为134cm-1·atm-1；l是吸收长度；It和I0分别为有和无等离子体时在254nm 处的稳定光强。

图7.3.5　OH 和O 激光诱导荧光系统示意图

图7.3.5（a）给出了用于OH 和O 测量的激光诱导荧光（LIF）系统的示意图。激光聚焦在样品上方1mm 的位置。在垂直于激光束（y 方向）的方向，通过ICCD 摄像机捕获荧光信号（镜头前置窄带滤光片，OH 为λ0=309nm，O为λ0=845nm，FWHM=10nm）。OH 的绝对密度采用瑞利散射标定。为了提高结果的准确性，基于6级LIF 模型考虑了OH 转动和振动能级跃迁的影响[82，83]，如图7.3.5（b）所示。O 原子密度则通过双光子吸收激光诱导的荧光（TALIF）进行测量，其中TALIF信号通过Xe气体标定[67]。图7.3.5（c）给出的是OH 和O 的诱导荧光信号。

2.仿真方法

由于受诊断条件的限制，因此下面进一步开发等离子体射流模拟程序来获得其他难以诊断的RONS浓度。该等离子体射流仿真基于流体建模，通过计算Poission方程、粒子传输方程及能量守恒方程来模拟等离子体[58，84]。该模型涉及的粒子数达45种，反应则超过300个，均来自参考文献[78]。通过碰撞截面/Arrhenius公式计算反应速率。对于二维模型，在计算等离子体时耦合了气流，其中，He气流速及空气摩尔分布通过Navier-Stokes方程和对流扩散方程[85，86]计算。

图7.3.6（a）所示的为前6个脉冲周期内的模拟电子密度。峰值电子密度接近1.3×1019m-3，与已发表的实验和模拟结果一致[85，87～88]。图7.3.6（b）给出了长曝光的等离子体照片（曝光时间为1s）与模拟电子密度分布的比较，两者均证实了环状的等离子体通道分布[87]。(www.xing528.com)

图7.3.6　电子密度模拟结果及长曝光（1s）的等离子体射流实验和仿真的对比

3.仿真结果

图7.3.7（a）所示的为不同工作气体组分下的RONS数密度的诊断结果。可以发现，不同工作气体中RONS的浓度存在显著差异。另外，不同于kINPen®和FlatPlaster，对于纳秒脉冲等离子体射流，NO2的密度更高，这主要由NO 与O 的复合导致（模拟反应速率高达3.52×102mol/（m3·s））。较低的气体湿度同样有助于产生更多的NO2。随着O2含量的增加，以O 和O2的复合主导的O3（O+O2+M→O3+M）[89]具有比NO2更快的增长速率。对于He+0.2%H2O 等离子体，与纯He相比，NO2和NO 的密度略有降低，而OH的密度则由于电子分解反应（e+H2O→e+OH+H）显著增加。图7.3.7（b）给出了模拟的RONS密度（He+0.5%O2），其结果不仅与测量结果一致，而且与已发表的文献结果相同[58，90～91]。

图7.3.7　RONS 浓度实验诊断和数值模拟结果

CFU、BRF 及对应的ETOP 的计算结果在表7.3.1中列出。随着等离子体处理时间的增加，培养基上金黄色葡萄球菌菌落数逐渐减少。实验结果进一步表明，纯He和He+0.2%H2O 等离子体具有最佳的杀菌效果，而在He+0.5%O2和He+1%O2这两种条件下，等离子体处理15min后的BRF 仅降低了2.42和1.10个对数单位。有趣的是，上述结果与等离子体处理干蛋壳上细菌的结果近乎一致[66]。因此，为了进一步确认湿度对等离子体灭活的影响，实验时还使用相同的等离子体装置处理15 min 接种了100μL（108 CFU/mL）金黄色葡萄球菌溶液的新鲜培养基，从图7.3.8可发现，He+0.5%O2等离子体具有最大面积的除菌能力，这也与以前研究结果一致[92]。因此，在潮湿条件下，需要进一步对ETOP 进行优化，这是因为此时RONS首先需要溶解到液体中形成新的活性成分才能作用于细胞[93～95]。更多关于如何在液相中定义ETOP 将在“讨论”部分中展开。

表7.3.1　CFU、BRF 及对应的ETOP 计算结果

图7.3.8　等离子体直接处理的涂有100μL金黄色葡萄球菌溶液新鲜培养基的实验结果

图7.3.9　本实验ETOP 与BRF 的拟合结果

根据实验除菌结果及实验和模拟所得的RONS密度，即可计算得到BRF及对应的ETOP。图7.3.9所示为它们之间关系的拟合结果。尽管He+1%O2等离子体的O3和NO2浓度高于其他工作气体下的等离子体，但其等离子体射流直径减小导致等离子体横截面变小，从而导致最终的ETOP 计算结果更小。从图7.3.9可以看出，尽管不同工作气体下的等离子体RONS密度存在差异，然而，BRF 和ETOP 之间的正相关趋势没有变化，统计指标SSE=6.717，RMSE=0.6927，R2=0.6773表明模型误差总体上可以接受。通过与FlatPlaster的拟合结果进行比较，可以发现，对于重叠部分的lgETOP（20至20.5之间），该装置的灭活效率仍在本装置拟合结果的置信区间之内，这再次验证了ETOP 作为剂量的可行性。