随着现代医学技术的迅速发展，对医疗器械的灭菌消毒技术的要求越来越高。现有的医疗器械的常用灭菌方法主要有高压蒸汽灭菌、干热灭菌、环氧乙烷灭菌、戊二醛灭菌、电离辐射灭菌、低温等离子体灭菌，这些灭菌方法有的易损坏热敏性医疗器械，从而缩短器械的使用寿命，有的灭菌周期长、成本高，有的存在化学残留物，对病人和医务人员存在潜在危害，有的易受环境因素影响等[1-2]。而如今在医疗器械灭菌中应用比较普遍的过氧化氢低温等离子体灭菌法也存在一些不足[3-6]，主要表现为：1)对材质有严格限制，对布、纸、油剂、尼龙及粉剂等材质的器械不适用；2)需要庞大的供液系统，不利于系统的微型化，瓶装液体过氧化氢需人工补装、更换，且人体接触液体过氧化氢有化学性烧伤的风险；3)器械必须干燥放入，若灭菌物品未充分干燥会导致抽真空困难，压力无法降至所需指标而造成灭菌过程中断。大气压低温等离子体技术应用于灭菌消毒以来，取得了一定的科研成果。日本的Park等[7]使用正弦交流高压电源氧氩源等离子体射流对金黄色葡萄球菌处理3 min后发现细菌已被杀灭。江南大学范明阳等[8]研究了氮氧源大气压等离子体射流对表面大肠杆菌的灭活作用，发现在放电电压为6.8 kV、气体流量为4 L/min、氮氧比为1∶4的条件下对大肠杆菌处理3 min后，细菌灭活率达到98.4%。虽然上述研究中实现了等离子体射流的激发并实现了细菌灭活，但其等离子体射流放电装置在工作过程中需要有庞大的供气系统，不利于系统的微型化。

针对现有灭菌消毒技术的不足，提出了一种新型的阵列式“多针-网”放电结构。在大气压环境、直流高压、无需载气驱动下，实现稳定的电晕放电，并产生一定气体流速的离子风，可用于电离后离子的驱动和细菌的灭活。为了增大气体流速，采用多级级联阵列式“多针-网”电极结构，通过实验分析阵列式“多针-网”电极的放电特性、离子风风速大小关系以及灭菌效果。本设计的阵列式“多针-网”电极结构不需外接载气，易用于MEMS工艺加工实现[9-10]，为下一步在便携式仪器中的应用奠定基础。

式中：NIR为近红外波段，R为红波波段，NDVI值越大则植被覆盖度越高，NDVI值越小，则植被覆盖度越低。

1 实验装置

图1为设计的实验装置。实验装置采用多级电极并联的方式，由0～-20 kV的直流高压电源、阵列式“多针-网”放电装置、放电回路、测试系统等组成。每级“多针-网”放电装置将4根不锈钢针安装于多针座，铜网电极安装于管状外壳内，管状外壳两端的槽口使得阵列式结构中的前后级能够紧密连接。针尖曲率半径为215 μm，网电极相邻铜丝间距有2 mm，其中针接高压，网接地，“多针-网”电极之间的间距为11 mm。放电回路由直流高压电源、12 MΩ镇流电阻和1 kΩ测试电阻构成。12 MΩ镇流电阻连接不锈钢针，用来保护整个电路及实验的安全，且抑制放电过程中的电弧放电，万用表和示波器分别接在1 kΩ测试电阻的两端，分别进行放电电流的测试和放电波形的观测[11]。放电过程的放电图像采用尼康D7000及Sigma 150 mm f/2.8 EX DG HSM微距镜头拍摄，用TESTO 405-V1风速计测试离子风的风速。

  

图1 实验装置Fig.1 The experiment device

2 实验结果与分析

在针-网间距为11 mm，镇流电阻12 MΩ，测试电阻1 kΩ，大气压环境、室温、直流电压、无外部通入气流时进行放电实验。当电压加至-2.5 kV时，万用表有读数，不对称电极间开始放电。图2为所加电压为-9 kV时的放电电晕图。将手置于出风口可感觉到有低温气体流动。阵列式“多针-网”结构放电时，示波器显示有多个特里切尔脉冲波形叠加，如图3所示。

  

图2 电晕放电图Fig.2 Corona discharge photo

  

图3 放电波形图Fig.3 The discharge waveforms

信息系统建设 经过多年的建设，各高校都已存在数量众多、业务多样的信息系统，但这些系统无论是从功能还是数据上，都是基于各自业务范围的，存在的问题主要是不同业务系统之间的数据整合、服务共享的问题。因此，高校需要建立统一的身份认证中心、门户中心、数据中心，建立面向全校范围的信息化服务大厅，面向用户提供即时服务，屏蔽业务系统和业务逻辑，提供跨平台和多终端的智能化、个性化服务，提升用户体验和使用价值，这是信息系统建设的挑战和重点工作。

用万用表测量电流，多针-网装置的伏安特性曲线如图4所示。从图4可看出，随着放电电压的增加，电流也随之增加。

通过改善设施结构，不断更新品种，认真执行无公害蔬菜生产技术规程等综合配套技术的推广与应用，大幅度提高保护地生产效益，推动保护地建设的发展，保证农民收入持续稳定提高。

  

图4 多针-网装置的伏安特性曲线Fig.4 Volt-ampere characteristic curve of needle-net

从图7可看出，未经离子风灭菌处理的培养基内布满大量大肠杆菌菌落，处理后培养基内菌落数量随灭菌时间的增加而减少。取2个培养基菌落的平均值，由平板菌落计数法计算得到灭菌率。离子风对大肠杆菌的杀灭效果如表1所示。

  

图5 风速与放电电压关系Fig.5 Relationship between wind velocity and voltage

  

图6 风速与装置级数的关系Fig.6 Relationship between wind velocity and stages of device

3 阵列式“多针-网”电极离子风装置的灭菌效果

实验以大肠杆菌(革兰氏阴性菌)为实验对象，分为对照组和实验组。首先将原液稀释10 0000倍，取100 μL稀释后的菌液涂布于对照组的培养基中，不进行灭菌，然后实验组的菌液(每次100 μL)分别装入灭菌后的小容器内，在单级“多针-网”放电结构条件下施加-12 kV灭菌240 s，二级级联“多针-网”放电结构条件下施加-9 kV灭菌240 s，三级级联“多针-网”放电结构条件下施加-9 kV分别以30、60、90、120、150 s对其进行灭菌实验，灭菌后再将这100 μL菌液涂布于培养基，置于37 ℃的生化培养箱培养24 h。三级级联“多针-网”放电结构所产生的离子风的灭菌实验结果如图7所示。每组实验培养2个培养基样品，然后取平均值，以获得更为准确的实验结果。

  

图7 经不同离子风灭菌时间处理的大肠杆菌的对照图Fig.7 Comparison of E.coli under different ionic wind sterilization times

图5为风速与放电电压的对应关系。从图5可看出，随着放电电压的增大，离子风风速也随之增大，离子风风速与放电电压呈近似线性的关系，这与王静等[12]研究结果一致。放电电压增大使得极间电场强度增大，从而有更多的离子被电离，且使得带电粒子的加速度增大，所以风速增大[13]。图6为风速与离子风装置级数的关系。从图6可看出，随着离子风装置级数的增加，离子风风速也随之增大。这是因为在多级阵列式放电结构中，离子可积聚更多的动能，并将其转移给中性气体分子，从而引起离子风速度的增加，但其增加逐渐放缓，增量越来越小。这是由于离子风在管道内流动会同时受到管壁的摩擦力损耗、空气的黏性阻力和集电极对流体的阻塞等因素的影响，因而导致气泵所产生的压力发生损耗。多级阵列式结构的离子风风速是由单级结构的压力、压力损耗率和气泵级数共同决定的[14]。

 

表1 离子风对大肠杆菌的杀灭效果Tab.1 Inactivate efficacy of ionic wind on E.coli

  

时间/s菌落形成单位CFU灭菌率/%01 26803048261.996022182.579010391.88120199.921500100.00

从表1可看出：灭菌30 s，大肠杆菌的灭菌率为61.99%；灭菌120 s，灭菌率已达到99.92%；灭菌150 s，已实现对大肠杆菌的完全灭活。由此可见，离子风能高效杀灭大肠杆菌。

根据表1的数据，大肠杆菌灭菌率与灭菌时间如图8所示。从图8可看出，离子风对大肠杆菌的杀灭作用存在2个阶段：第1阶段折线的斜率很大，离子风对细菌的杀灭作用很明显；第2阶段折线的斜率减小，离子风的灭菌作用减慢。灭菌率增速呈先快后慢的趋势，符合消毒学第四动力学规律。

  

图8 离子风对大肠杆菌的杀灭效果Fig.8 Inactivate efficacy of ionic wind on E.coli

4 结束语

为了探究离子风的灭菌效果，设计了一种新型的阵列式“多针-网”离子风装置。实验结果表明，在针-网之间间距为11 mm、大气压环境、直流高压、无外接载气、镇流电阻12 MΩ、测试电阻1 kΩ条件下，实现了大气压环境下稳定的电晕放电，且随着阵列式级数的增加，放电电流和离子风风速都随之变大，灭菌效果也越明显。一级离子风和二级离子风灭菌240 s，大肠杆菌被完全杀灭，三级级联离子风装置灭菌150 s，大肠杆菌已被完全杀灭，验证了本设计的离子风装置能高效杀灭革兰氏阴性菌。

参考文献:

[1] 赵奕华，周平乐.医疗器械常用灭菌方法综述[J].中西医结合护理(中英文)，2015,1(4):134-138.

[2] 姜皓.手术器械清洗和灭菌方法的研究[D].吉林大学，2012:10-13.

[3] ROGEZ-KREUZ C,YOUSFI R,SOUFFLET C,et al.Inactivation of animal and human prions by hydrogen peroxide gas plasma sterilization[J].Infect Control Hosp Epidemiol,2009,30(8):769-777.

[4] 曾小娟.过氧化氢低温等离子灭菌的优缺点探讨及策略[J].白求恩医学杂志，2017,15(3):372-373.

[5] 姚国平.过氧化氢等离子低温灭菌失败原因分析与对策[J].中外医疗，2009,28(8):9-10.

[6] 吴玉蓉.过氧化氢低温等离子灭菌的优缺点及应对策略[J].中西医结合护理(中英文)，2015,1(3):40-42.

[7] PARK Y O,LEE C M,KIM M S,et al.In vitro bactericidal efficacy of atmospheric-pressure plasma jet on titanium-based implant infected with Staphylococcus aureus[J].Journal of Applied Physics,2017,56:1-5.

[8] 范明阳，赫小龙，等.大气压氮氧等离子体射流灭活表面大肠杆菌及其反射光谱分析研究[J].核聚变与等离子体物理，2017,37(1):118-124.

[9] 刘坤.用于FAIMS系统的微型离子化单元的研究[D].北京：北京交通大学，2010:85-96.

[10] 李华，唐飞，王晓浩，等.方波射频电压幅值对微型高场非对称波形离子迁移谱传感器芯片性能的影响[J].分析化学，2010,31(11):1678-1683.

[11] 齐冰，任春生，马腾才，等.多针电晕增强大气压辉光放电稳定性研究[J].物理学报，2006,55(1):331-336.

[12] 王静，蔡忆昔，包伟伟，等.离子风强化大功率LED散热的实验研究[J].浙江大学学报(工学版)，2016,50(10):1952-1958.

[13] 袁均祥，邱炜，郑程，等.空气放电离子风特性的研究[J].中国电机工程学报，2009,29(13):110-116.

[14] QIU W,XIA L,TAN X,et al.The velocity characteristics of a serial-staged EHD gas pump in air[J].IEEE Transactions on Plasmaence,2010,38(10):2848-2853.