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等離子在殺菌消毒中的應用

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殺菌消毒在公共醫療衛生中扮演著重要角色,本次新型冠狀病毒疫情對傳統殺菌消毒技術提出了很大挑戰,暴露出當前缺乏能對口罩、防護服等進行快速、徹底、批量處理的殺菌消毒裝置的突出問題。

傳統的殺菌消毒方式存在局限性

目前醫療行業主要依靠高溫或者化學方式殺菌消毒,存在不同的缺陷或局限性。由于醫療機械中很多材料熱敏感,高溫應用受到很大限制;而化學藥劑如酒精等,浸泡或擦拭不適用于怕濕材料,且穿透力弱易消毒不徹底;低溫熏殺雖然克服了以上缺陷,滅菌時間長且需處理殘留物(如環氧乙烷解析處理長達14天,疫情前期嚴重限制了口罩的產能轉化)。一些新興消殺手段,如輻射滅菌消毒常溫下即可進行,滅菌迅速,短至數十分鐘甚至數分鐘且無殘留,但是輻射屬于直線傳播,射線照不到則滅菌效果大幅下降,結構較復雜或有遮擋的物件無法實現全方位滅菌。

等離子體殺菌消毒無污染、無殘留、更高效

等離子體是宇宙中除氣態、液態、固態之外的物質第四態,當能量足夠高,外層電子擺脫原子核的束縛,“電離”成為自由電子,形成一團由電子、離子、中性原子或基團組成且依然保持電中性的氣體狀物質,即為等離子體,可以分為高溫等離子和低溫等離子。不同粒子質量差異巨大,放電過程中雖然電子溫度很高,但重粒子溫度很低,整個體系呈現低溫狀態,所以稱為低溫等離子體,其具有殺菌消毒作用,并擁有常溫消殺、無殘留無副作用等諸多優勢。目前應用較多為過氧化氫“等離子滅菌器”,然而很多研究表明,過氧化氫等離子體電離過程只是去除殘余過氧化氫,并非真正意義上的等離子殺菌消毒,只能認為是等離子輔助殺菌消毒方法。

此外低溫等離子應用于殺菌消毒的設備則很少,因為傳統等離子技術難以制造出大容積的滅菌殺毒設備。究其原因,還得從等離子體產生機制說起,高壓放電是獲得等離子體的普遍途徑,但在兩個金屬電極之間直接電離氣體,易形成溫度偏高的火花或電弧放電,不利于在生物醫療領域應用。為獲得可應用生物醫療的低溫等離子體,通常采用介質阻擋放電(DBD)、表面放電(surface discharge)、等離子體射流(plasma jet)等方式,其中介質阻擋放電和表面放電,是在電極之間加入絕緣層,防止電極擊穿,但兩個電極之間的工作距離非常小,因此難以做出大容積滅菌消毒設備;等離子體射流噴出的等離子距離很有限,也很難應用于大容積滅菌消毒設備。

費勉儀器低溫等離子除菌凈化設備效果顯著

為滿足公共醫療衛生中對滅菌消毒設備日益增長的需求,特別是此次新冠病毒疫情中時間就是生命,亟需對口罩、防護服等進行快速、徹底、批量殺菌消毒,費勉儀器突破了傳統等離子放電的電極結構和尺寸限制,使用新型遠程低溫等離子技術,研發出新型大容積真空低溫等離子除菌凈化設備。



▲等離子生物處理機

等離子體消殺本身優點在于滅菌溫度低,可應用于熱敏材料醫療器械;無有毒副產物與有毒殘留物,對環境和操作人員友好安全;滅菌消毒能力強,從普通細菌到最難殺滅的芽孢均有很強效果,屬于廣譜殺菌。


▲各種細菌、病毒等對于等離子氣體的抵抗性


在此基礎上,費勉儀器的大容積真空低溫等離子除菌凈化設備還具有以下突出優勢。

該設備可使用多個遠程等離子源組成陣列,理論上不受體積限制,適合批量處理。例如利用此原理制造成功的1立方米儲量的等離子處理裝置,如用于標準的口罩殺菌,單次可處理1萬個口罩,而且無殘留,處理后的口罩可立即投入使用。目前我們正在與相關廠家探討具體的操作工藝及可行性。




殺菌消毒速度快,根據國家相關標準,使用等離子體處理白色葡萄球菌后觀察菌落數量變化,可見平均菌落數迅速下降一個數量級;




我們同時也使用了嗜熱脂肪桿菌芽孢進行了消殺測試。等離子殺菌領域嗜熱脂肪桿菌芽孢是公認的最難殺滅的物種之一,且對人體無害,也用作等離子體殺滅效果指示劑。單個嗜熱脂肪桿菌芽孢菌片含有約106個嗜熱脂肪桿菌,而現實的物品表面細菌數量通常是在102以內。因此,如果能將該指示劑內的芽孢全部殺滅,便可證明該除菌凈化技術具有過量除菌的能力。


▲嗜熱脂肪桿菌芽孢生物指示劑

在適當的功率和氣壓條件下,該等離子除菌凈化技術可以在2~3小時之內,將過量的(106級別)嗜熱脂肪桿菌芽孢全部殺滅,足以應對實際場景。

通過等離子活性粒子彌散消毒,不受醫療器械的結構限制,還可以實現對醫療器械的無死角滅菌消毒;下圖試驗表明,該遠程低溫等離子技術可以讓等離子強度測試紙迅速變色,表明該技術產生的活性粒子可以彌散至很遠,且強度仍足以達到效果。



▲等離子強度測試


如果口罩消毒后再進行封袋,有可能被二次污染,因此先封裝再消毒是一個有效的解決方案,通常使用解析紙保證氣體分子進入,而避免細菌病毒。而要實現封裝消毒,也必須保證等離子中的活性粒子能透過解析紙,試驗表明,該技術產生的活性粒子可以透過解析紙,使封裝在解析紙袋內的測試紙由藍色變成粉色,從而保證解析紙包裝內的口罩實現有效消殺。



▲等離子解析紙透過性測試

此外,該設備可使用不同的氣源作為等離子體工作氣體,如空氣、氧氣、氮氣,惰性氣體等,可實現不同對象達到針對性的殺菌消毒效果。

公司正在和相關檢測機構合作,開展系統的真空等離子滅菌殺毒的測試,以及針對特定產品除菌凈化的等離子工藝技術發展。相關技術有望進一步用在紡織品等大眾生活物品的材料改性、親水、疏水、抗菌以及食品中農藥殘留降解、毒素分解(如黃曲霉素)等方面。



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