第七节 等离子体

等离子体消毒是近年来得到大量研究的新型消毒灭菌手段。本节将介绍等离子体基本知识及其在消毒学中的应用。

一、等离子体

等离子体（plasma）是物质除固体、液体、气体之外的第四种状态。等离子体可由气体电离得到，其中含有等量未结合的电子与正离子，净电荷量为零。虽然等离子体与气体同样没有固定的形状和体积，但是两者之间存在显著的差异。首先，一般气体电导率很低，是良好的绝缘体，而等离子体电导率极高。其次，气体可认为由单一粒子组成，其行为类似。而等离子体则由电子、正离子、中性粒子等粒子组成，这些粒子具有不同的速度和温度。另外，气体之间的粒子主要通过碰撞作用，而等离子体中的粒子则可在较长距离内通过电磁场作用。

根据电离程度，等离子体可分为未完全电离和完全电离两种。闪电、霓虹灯中的等离子体属于前者。而后者则大量存在于宇宙的星际之间和恒星内部。等离子体还可分为高温等离子体和低温等离子体。在高温等离子体中，电子、正离子、中性粒子温度基本相同，达到热平衡状态。而在低温等离子体中，电子温度较高，而正离子和中性粒子的温度较低。

自19世纪末至20世纪20年代初被发现以来，等离子体得到了大量的研究，有着广泛的应用。例如，科学研究中的等离子体尾场加速技术、工业生产中的等离子体蚀刻技术、生活中的等离子体电视等。

二、消毒学中的等离子体

相比于高温消毒、过滤消毒、紫外线消毒、电离辐射消毒等相对成熟的消毒方法，等离子体消毒起步较晚，早期研究始于20世纪70年代。但由于其巨大的应用潜力，等离子体消毒在近年得到了大量的研究。目前，已有多种等离子体消毒方法和产品存在，但尚未得到大规模应用。需要指出的是，早在十余年前，市场上已经出现了等离子体消毒设备。但是这些设备的消毒原理大多是基于化学方法，等离子体仅用来去除消毒后物品表面残留的有害化学物质。本节讨论的等离子体消毒方法与其不同，仅利用等离子体自身的物理化学特性进行消毒灭菌。根据应用环境的气压，消毒领域应用的低温等离子体可分为低压等离子体和常压等离子体两类。

（一）低压等离子体

低压等离子体是目前研究较为深入彻底的等离子体消毒方法。在这种方法中，待消毒物品首先被放置在密闭容器中。待容器抽真空，气压降至0.1Torr后，注入气体并通过外加强电磁场使其电离形成等离子体。之后等离子体与待消毒物品进行作用，达到消毒灭菌的目的。

低压等离子体的消毒原理一般认为包括三种。第一，等离子体中的电子与正离子发生非弹性碰撞。正离子退激过程可产生紫外线。紫外线辐射可直接对微生物的DNA造成破坏；第二，紫外线的光解作用可以使微生物中的化学键断裂，形成挥发性物质。从而杀灭微生物；第三，等离子体中含有大量的原子或分子自由基，这些自由基通过蚀刻作用杀灭微生物。在蚀刻作用中，自由基与微生物发生化学反应，生成挥发性物质。在某些情况下，紫外线还可加快蚀刻过程。

在消毒灭菌作业中，微生物数量一般随消毒时间、吸收剂量等作用量指数下降。对于加热、紫外线、电离辐射等消毒方法，该指数一般为定值。在对数坐标下，微生物存活曲线表现为一条直线。而在低压等离子体中，一般可观察到如图4-7-1所示的由多条斜率不同的直线所组成的存活曲线。目前认为在不同阶段，等离子体作用原理有所不同。第一阶段微生物数量下降最快。该阶段中，紫外线占主导作用，通过直接破坏DNA而杀灭外层的微生物。在第二阶段中，等离子体通过光解作用及蚀刻作用移除化学物质，逐渐剥离微生物，该阶段微生物数量下降最慢。之后，在第三阶段中，等离子体再通过紫外线杀灭内层的微生物。

图4-7-1　低压等离子体消毒中的微生物存活曲线

低压等离子体消毒具有被消毒物品升温低、无有害物质残留、环保等优点。但是，在消毒时需要真空环境，且受电离气体种类、气体流量、电离程度等因素影响，需要调整的参数较多。

（二）常压等离子体

相比于低压等离子体，常压等离子体不需要真空环境，因此，近年来受到了大量的关注，是目前消毒学领域的研究热点之一。在常压等离子体消毒中，待消毒物品直接放置在大气环境中。外加电磁场通过电离待消毒物品周围的空气或由喷嘴产生的气体形成等离子体进行消毒。常压等离子体具有与低压等离子体相似的优点，同时其结构更加简单、消毒操作时间短，未来有可能广泛应用于医院中对手术器具、卫生用品，甚至医护人员皮肤的消毒灭菌作业中。两种典型的应用如图4-7-2与图4-7-3所示。

图4-7-2　常压环境下气体喷嘴产生的等离子体对玻璃器具进行消毒

图4-7-3　常压环境下由介质阻挡放电产生的等离子体对人体皮肤进行消毒

常压等离子体的消毒机制远复杂于低压等离子体，实验中可观察到多种不同的微生物存活曲线。目前，常压等离子体的消毒机制还存在较多争议，有待进一步研究和讨论。

（邵佳航 编　陈昭斌　审）