逐光IsCMOS像增强相机在空气等离子体活化水消毒领域的应用
在日常清洁和杀菌中，化学消毒剂虽有效但可能危害环境与健康。为此，国家高性能医疗器械创新中心黄月烨等人聚焦于空气等离子体活化水(APAW)技术，一种更环保高效的消毒方法。该技术通过DBD介质阻挡放电装置电离空气，产生强氧化性的活性物质来杀灭病菌，且不留下有害残留。研究过程中，使用了中智科仪逐光IsCMOS像增强型相机，以高时间分辨率捕捉等离子体放电瞬间，助力优化装置设计，提升消毒效果。成果近期以“空气等离子体活化水消毒应用研究”为题发表在“西安交通大学学报(医学版)”期刊上。
研究背景
随着全球对环境保护和可持续发展的日益重视，传统的化学消毒方法因其潜在的环境风险和对人类健康的威胁，正逐渐被更安全、更环保的替代方案所取代。空气等离子体活化水(APAW)作为一种新兴的消毒技术，因其高效、环保的特性而备受关注。APAW 是通过介质阻挡放电(DBD)装置产生的，该装置利用高电压电离空气，产生活性氧(ROS)和活性氮(RNS)等高反应性物质。这些活性物质能够迅速穿透微生物细胞壁，破坏其 DNA 或 RNA 结构，从而实现消毒灭菌的效果。APAW 的用途广泛，包括但不限于：
医疗领域：用于医疗器械的消毒，减少医院感染的风险。
食品加工：用于食品表面的消毒，延长食品的保质期。
环境保护：用于污水处理，降解有机污染物。
公共卫生：用于公共场所的空气和表面消毒，预防传染病的传播。
然而，传统的 DBD 装置通常需要通入惰性气体，导致实验成本较高，限制了其便捷性。因此，本次工作重点研究以空气作为工作气体的DBD装置，并基于此使装置小型化、便捷化，为现实应用提供便利。
实验装置
装置设计：本研究设计并构建了两种空气等离子体 DBD 装置
单层 DBD ：结构简单，成本低，但活性物质生成效率有限
双层 DBD： 通过“接力放电”大幅提升活性物质浓度
装置以空气作为工作气体，核心组件包括带有电绝缘层的 FR4 介质板和两个铜电极。双层 DBD 装置由两片 DBD 电极片按 3 cm 的距离前后摆放，这种设计允许等离子体在两层之间形成动态交互作用，增强等离子体的产生效率，并促进气相活性成分在整个装置中的均匀分布。
核心设备：中智科仪逐光IsCMOS像增强相机(TRC411)：用来捕捉DBD放电全过程
图1 空气等离子体单层与双层 DBD 装置结构及放电状态对比
实验结果和讨论
等离子体的放电特性
图2 时间分辨增强型相机拍摄的单层 DBD装置的放电过程典型图像(等效时间间隔为50ns)
图2展示了DBD在放电时完整产生的等离子体的演化过程。等离子体首先在正极边缘显现为明亮点，随后沿电场线向中心和负极扩散，形成明亮通道。能量集中在通道边缘，随着气体电离和电子加速，亮度增加并扩展至整个中心区域。550纳秒时，等离子体快速扩展覆盖整个电极间隙，实现均匀放电，展示了其快速填充空间的能力，证明了高效能量转换和粒子激发。整个过程中，等离子体亮度变化平滑连续，显示了电源的稳定性和良好的气体流动特性。此装置实现了高效的气体电离及等离子体形成，并保持了全程的稳定性和均匀性。
活性物质检测
图3 空气等离子体 DBD装置处理时间对活性物质浓度的影响
实验中，双层 DBD 装置在放电过程中能够产生更高浓度的 ROS 和 RNS 物质，从而增强了等离子体产生活性物质的效率。随着等离子体处理时间的增加，RNS和 ROS含量均呈现出正相关的趋势。图 3展示了不同处理时间下 APAW 中的 RNS 和 ROS 浓度变化情况，双层 DBD 结构相较于单层 DBD 结构，能够产生更高浓度的活性氧和氮物质，从而提升了活化液的消毒能力。
杀菌效果
图4 APAW 随着制备时间对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效率
图5 不同制备时间的 APAW 与枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别作用2min的灭活实验
图4和图5分别展示了 APAW 随着制备时间对不同微生物的杀菌效率以及不同制备时间的 APAW 与微生物作用的灭活实验结果，可以直观地观察到双层 DBD 装置在杀菌效果上的显著差异，APAW在灭活枯草芽孢杆菌和大肠杆菌(革兰氏阴性菌)方面表现出较强能力，但对金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)效果较弱。这种差异主要与细菌细胞壁结构有关：革兰氏阴性菌的大肠杆菌拥有对外膜活性物质更敏感的脂质外膜，使得APAW能更有效地与其反应并渗透细胞内部，导致细胞溶解。相反，金黄色葡萄球菌由于其厚实的肽聚糖细胞壁作为物理屏障，减少了APAW的有效渗透和接触，降低了灭活效率。此外，不同细菌对APAW中活性成分的敏感性也影响了杀菌效果。APAW还能通过破坏细胞外膜完整性，增加胞内ROS水平，促进细菌失活。
总结
本研究通过开发单层和双层 DBD 装置，成功制备了具有高效消毒能力的空气等离子体活化水(APAW)。双层 DBD 装置在能量转换和粒子激发方面表现出显著优势，能够产生更高浓度的 ROS 和 RNS 物质，从而显著提升了活化液的消毒效果。中智科仪逐光IsCMOS像增强相机在研究中发挥了重要作用，其高时间分辨率成像能力为揭示等离子体放电的动态特性提供了关键支持，助力研究人员深入理解等离子体的物理化学过程，为优化装置设计和提升消毒效率提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索不同等离子体参数对 APAW 消毒效果的影响，以及长期应用 APAW 对环境和人类健康的潜在影响，推动等离子体活化水技术在医疗、食品加工、环境保护等多个领域的广泛应用。
论文链接 DOI：10.7.652/jdyxb202501008
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