本文采用自主研制的可觸摸式低溫等離子體系統，研究了等離子體對硅膠手表面的消毒滅菌效果，以模擬和評估對人手的處理。等離子體處理硅膠手表面的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色葡萄球菌和銅綠假單胞菌時，并無顯著差異。等離子體的消毒滅菌效率隨時間的延長而提高，隨細菌初始密度的增高而降低。細菌初始數量為 1.0×106～1.0×107 CFU 時，滅菌過程主要發生在前 5 s，滅菌率在 99% 以上。本研究為研制可用于人手的新型等離子體設備奠定了基礎。
引用本文： 鄭超, 寇艷芹, 劉振, 姜紅強, 黃逸凡, 閆克平. 可觸摸低溫等離子體對硅膠手的消毒滅菌實驗研究. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(2): 303-307. doi: 10.7507/1001-5515.201605036 復制
引言
低溫等離子體是部分電離的氣體，常由氣體在高壓電場下電離產生，含有帶電離子、高能電子、激發態的活性原子、分子和自由基等多種化學成分，同時伴隨著光輻射和電磁輻射等物理現象。低溫等離子體最典型的應用為材料的表面處理，如半導體集成電路及微電子設備的制造[1]，以及改性生物醫用材料以獲得更佳的生物相容性[2]。在生物醫學領域，消毒滅菌也是最常見的等離子體應用，低氣壓過氧化氫低溫等離子體滅菌器對醫療器材的低溫快速滅菌，在醫院得到廣泛應用，已有二十多年的商業化歷史[3]。近十年來，可直接作用于人體的常壓低溫等離子體成為前沿研究熱點[4-5]，在臨床醫學上的應用包括皮膚消毒滅菌[6]、創傷愈合[7]、快速凝血[8]、癌細胞凋亡[9]、皮膚病治療[10]、齲齒治療[11]和美容整形[12]，等等。
醫務人員手衛生規范 WS/T 313-2009 和醫院消毒衛生標準 GB15982-2012 都指出，衛生手消毒后醫務人員手表面的菌落總數應≤10 CFU/cm2，外科手消毒后醫務人員手表面的菌落總數應≤5 CFU/cm2[13-14]。目前，醫務人員大都采用消毒劑和規范的程序對手進行消毒以減少交叉感染，較新的手消毒技術采用免洗的消毒劑或者噴霧式的消毒器，但都離不開化學消毒劑的使用。手消毒劑衛生要求 GB27950-2011 中指出，衛生手消毒要求作用時間 在1 min 以上，外科手消毒要求作用時間在 3～5 min，殺滅對數值≥3[15]。每天用消毒劑反復多次程序性洗手一方面消耗了大量的時間，另一方面也給手部皮膚造成了損傷。可直接用于人體皮膚的新型等離子體消毒滅菌技術和設備有望緩解這一問題，如低溫等離子體射流（plasma jet）和表面等離子體（surface plasma）。低溫等離子體射流通常由氬氣或氦氣電離產生，長度可達數厘米，其缺點是射流的直徑普遍僅為數毫米，不適合處理較大的物體。等離子體射流以掃描的形式消毒皮膚時，停留時間為 0.3 s，可殺滅 90% 的細菌[16]。表面等離子體可直接采用空氣為介質，其尺寸也容易放大。德國馬普研究所的Morfill等[17]研制了一個上下表面產生等離子體的腔體，將染菌的瓊脂平板放進腔內數秒后，超過 99.9% 的細菌被殺死。這種理念可用于人手，將人手伸進等離子體腔內數秒后取出，有望實現對人手的干式快速消毒，可在醫院、公共場所甚至家庭中推廣。
本文采用自主研制的微秒脈沖表面等離子體系統，研究了等離子體對硅膠手的消毒滅菌效果，以初步模擬對人手的處理，為研制新型等離子體手消毒設備提供依據。
1 實驗材料與方法
1.1 微秒脈沖等離子體系統
自主研制的微秒脈沖等離子體系統包括兩部分，分別是高壓高頻微秒脈沖電源和等離子體反應器。脈沖電源的電氣參數為峰值電壓 6 kV，峰值電流 5.5 A，脈沖寬度 3 μs，脈沖頻率 10 kHz。等離子體反應器及其形貌如圖 1 所示。底板為 5 mm 厚環氧樹脂絕緣板，起安全隔離的作用。底板上為三明治結構的等離子體發生電極，依次是高壓銅片電極（270 mm×170 mm×0.1 mm）、石英片（300 mm×200 mm×1 mm）和接地不銹鋼網電極（270 mm×170 mm×1 mm）。當脈沖電源與等離子體反應器相連時，在接地的不銹鋼網電極表面產生介質阻擋放電等離子體，如圖 1b 所示，等離子體的面積為 459 cm2（27 cm×17 cm），其尺寸足以放置人的雙手。雖然整個電路的脈沖峰值電流高達 5.5 A，但是由于不銹鋼網電極接地，人手直接觸摸時電流直接流入大地而不會流經人體，所以是安全可觸摸的，無任何不適刺激，如圖 1c 所示。其他報道過的類似等離子體系統多采用高壓高頻交流電源，一方面產生的熱量較微秒脈沖電源多，容易導致熱損傷，另一方面產生的等離子體面積多在 200 cm2 以下，難以直接用于人手[17-19]。在前期的研究工作中，我們以瓊脂平板和玻璃片等載體為消毒滅菌對象，都取得了較好的效果。本研究首次采用硅膠手為染菌載體，評價等離子體對硅膠手表面細菌的消毒滅菌效果，如圖 1d 所示，以初步模擬對人手的消毒滅菌過程。
圖1
等離子體反應器及等離子體的形貌 a. 未產生等離子體之前； b. 等離子體發生后； c. 人手可以直接觸摸的低溫等離子體； d. 等離子體處理硅膠手表面的細菌
Figure1.
Plasma reactor and plasma photos a. before plasma generation; b. after plasma generation; c. touchable plasma; d. disinfection of silicone hand
1.2 等離子體滅菌過程
1.2.1 菌種與載體的選擇 根據消毒技術規范，本文選用了金黃色葡萄球菌 ATCC6538、白色葡萄球菌 8032、大腸桿菌 8099和銅綠假單胞菌 ATCC15442 為實驗菌種。采用與人手尺寸接近的硅膠手為染菌載體，以初步評估用于人手的可行性。先單獨采用金黃色葡萄球菌研究了等離子體處理時間和初始細菌密度對滅菌的影響，再比較了等離子體處理四種不同細菌的差異。
1.2.2 菌懸液與染菌載體的制備 將接種后的營養肉湯培養基在 30～37 ℃ 下培養 8～12 h，使細菌濃度為 1.0×109～1.0×1010CFU/mL，用無菌氯化鈉-蛋白胨緩沖液將原始菌液稀釋至合適的濃度備用；在生物安全柜中，用噴霧器將不同濃度或不同種類的菌液均勻地噴在硅膠手表面，正反兩面各噴三次，使硅膠手的手心、手背和手指上都布滿細菌，室溫靜置數分鐘待其晾干，制成染菌載體備用。
1.2.3 載體定量滅菌實驗 將 3 只染菌的硅膠手作為初始陽性對照，另取 3 只染菌的硅膠手作為平行樣，電氣參數固定為 6 kV 和 10 kHz，以圖 1d 的方式依次進行等離子體處理。每個不同的實驗條件都采用 6 只硅膠手進行實驗，包括處理時間、初始細菌密度和細菌種類，再對實驗結果取平均值。在前期的玻璃片滅菌實驗中我們發現，玻璃片染菌的一面朝下放在網電極的等離子體上時滅菌效果極好，染菌的一面朝上放置在網電極上時滅菌效果較差，可能是由于等離子體在網電極的表面產生，等離子體中的活性成分為瞬態存在，穿透和擴散范圍有限所導致的。因此，針對硅膠手的形狀特性，在硅膠手的等離子體消毒滅菌實驗中，先采用手心朝下處理數秒時間，然后手背朝下處理同樣的時間，以加強處理的全面性和均勻性。
1.2.4 消毒滅菌效果的檢測 用 10 mL 無菌蛋白胨-氯化鈉緩沖液和無菌脫脂棉，將陽性對照硅膠手以及等離子體處理后的硅膠手表面的細菌分別沖洗拭擦并收集起來，再將收集液和脫脂棉裝在 15 mL 離心管中并用漩渦混合器充分振蕩使細菌均勻分散，最后取 0.1 mL 收集液進行平板菌落計數。當收集液中的細菌濃度較高時，用無菌蛋白胨-氯化鈉緩沖液進行 10 倍逐級稀釋后再進行平板計數。由于硅膠手的表面積無法準確測量，我們以等離子體處理前后的細菌總數來計算滅菌效率。若平板計數的菌落數為N，稀釋倍數為 10n ，則整個硅膠手表面的細菌總數為N（總）=N×100×10n ，即不稀釋條件下平板菌落計數得到 1 個菌落時硅膠手表面存在 100 個細菌。比較等離子體處理后硅膠手表面的細菌總數N（處理后）和陽性對照硅膠手表面的細菌總數N（處理前），可計算滅菌效率和殺滅細菌對數值。
2 結果與討論
2.1 不同處理時間的等離子體消毒滅菌效果
首先考察了不同處理時間對等離子體消毒滅菌效果的影響，結果如圖 2 所示。以染有金黃色葡萄球菌 ATCC6538 的硅膠手為處理對象，表面的平均初始細菌數量約為 2×107 CFU。考察不同時間的影響時，由于初始條件都一樣，所以選擇了 3 只硅膠手作為陽性對照，另外 12 只硅膠手分為 4 組處理不同的時間，共使用了 15 只硅膠手。等離子體對硅膠手正反兩面的處理時間分別為 2、5、10、20 s。經過正反兩面各 2 s 的短時間處理，平均殘余活菌為 1.25×106 CFU，殺滅對數約為 1.2。等離子體處理 5 s 后平均細菌數量下降到 1.2×105 CFU，殺滅對數約為 2.22。處理時間為 10 s 時，平均殘余活菌為 1.95×104 CFU，殺滅對數約為 3.0。當處理時間為 20 s 時，收集液不做稀釋直接進行平板計數也只有約 30 個殘余菌落，殺滅對數約為 3.8。圖 2 結果表明，等離子體的消毒滅菌效率隨處理時間的延長而提高，但滅菌過程主要集中在前 5 s，滅菌率達 99% 以上。為了更好地識別不同條件下的滅菌效率，后續實驗過程中等離子體處理時間選擇為正反各 5 s。在如此短時間的等離子體處理過程中，等離子體反應器始終處于室溫，人手觸摸無熱感，硅膠手的溫度基本檢測不到變化，整個過程為完全的非熱低溫滅菌。
圖2
不同處理時間的等離子體消毒滅菌效果
Figure2.
Effect of treatment time on plasma disinfection
2.2 不同初始細菌密度的等離子體消毒滅菌效果
不同初始細菌密度下的等離子體消毒滅菌效果如圖 3 所示。細菌采用金黃色葡萄球菌 ATCC6538，將原始菌液稀釋到不同的濃度，再將不同濃度的稀釋液噴霧到不同的硅膠手表面，得到染有不同數量金黃色葡萄球菌的硅膠手。試驗選取了 5 個不同的初始細菌濃度，每個濃度制備 6 個染菌的硅膠手，其中 3 個為陽性對照，3 個做平行試驗。等離子體處理之前，陽性對照硅膠手表面的平均細菌個數分別為 6.0×102、6.0×103、1.8×105、2.0×106、2.0×107 CFU。由圖 3 可知，當硅膠手上的平均細菌總數小于 6.0×103 CFU 時，等離子體處理 5 s 之后所有細菌可被快速殺光，殺滅對數值為 3.78。硅膠手表面的平均初始菌數量為 1.8×105 CFU 時，平板計數的菌落數在零個與數個之間，此時表面的細菌也接近被殺光，殺滅細菌的對數值為 2.95～5.25。平均初始細菌數量為 2.0×106 CFU 和 2.0×107 CFU 時，等離子體處理 5 s 后有部分活菌殘余，對應的平均滅菌對數分別為 2.98 和 2.22。由此可見，當硅膠手表面的細菌密度相對較低時，等離子體有高效快速的滅菌效果。
圖3
不同初始細菌密度的等離子體滅菌效果
Figure3.
Effect of initial bacteria density on plasma disinfection
2.3 不同細菌種類的等離子體消毒滅菌效果
不同細菌種類的等離子體消毒滅菌效果如圖 4 所示。處理對象依次為大腸桿菌 8099（E. Coli）、金黃色葡萄球菌 ATCC6538（S. au）、白色葡萄球菌 8032（S. al）和銅綠假單胞菌 ATCC15442（P. ae）。每種細菌使用 6 個硅膠手，3 個為陽性對照，另 3 個等離子體處理時間都為正反 5 s。等離子體處理前負載 4 種細菌的硅膠手表面的平均初始細菌總數分別為 4.0×106、2.0×106、2.8×106、2.4×106 CFU。等離子體處理 5 s 后，4 種硅膠手表面的細菌數量都顯著下降，但都有少量殘余活菌，在不稀釋的情況下平板計數的平均菌落數分別為 80、21、20、28 CFU，相應的殺滅對數值分別為 2.70、2.98、3.15、2.93。當殘余的細菌數量較少時，平板菌落計數的誤差相對較大，且不同細菌種類的初始濃度有所差異，所以我們認為等離子體處理這 4 種消毒學指示菌的滅菌效率并不存在顯著差異。由此可見，這種等離子體消毒滅菌方法具有一定的廣譜性。
圖4
不同細菌種類的等離子體滅菌效果
Figure4.
Effect of bacteria type on plasma disinfection
3 結論
本文采用自主研制的微秒脈沖低溫等離子體消毒滅菌系統，研究了對硅膠手表面的消毒滅菌實驗效果，以模擬對人手的處理。在 5～20 s 的處理時間內等離子體表現了顯著的消毒滅菌效果，金黃色葡萄球菌的表面密度下降了 2～4 個對數。硅膠手表面的初始細菌密度對滅菌過程有較顯著的影響，細菌密度較低時，5 s 的短時間等離子體處理即可殺光所有細菌，隨著細菌初始密度的增高，硅膠手表面出現部分殘余活菌。同樣的等離子體條件分別處理硅膠手表面的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色葡萄球菌、銅綠假單胞菌時，滅菌效果無顯著差異，2×106～4×106 CFU 的初始細菌都被殺滅 2.70～3.15 個對數，體現了一定的廣譜性。基于當前研制的等離子體系統，將微秒脈沖電源和兩個等離子體反應器整合在一起，制成一種新的腔式等離子體設備，腔的上下表面同時產生等離子體，可同時處理到手心和手背，為人手或其他物品的快速消毒提供了一種新思路。與目前常用的消毒劑相比，等離子體的優勢在于一方面為干式處理，另一方面消毒過程更迅速。本文的研究首次探索了表面等離子體對硅膠手的消毒滅菌過程，以評估用于人手的可行性，然而硅膠手與人手存在較大的差異，比如有機成分、濕度、粗糙度、污染物等等，還需進行更多的實驗研究才能判斷是否符合國家衛生和安全要求，并開發實用的新型等離子體消毒技術和裝備。
引言
低溫等離子體是部分電離的氣體，常由氣體在高壓電場下電離產生，含有帶電離子、高能電子、激發態的活性原子、分子和自由基等多種化學成分，同時伴隨著光輻射和電磁輻射等物理現象。低溫等離子體最典型的應用為材料的表面處理，如半導體集成電路及微電子設備的制造[1]，以及改性生物醫用材料以獲得更佳的生物相容性[2]。在生物醫學領域，消毒滅菌也是最常見的等離子體應用，低氣壓過氧化氫低溫等離子體滅菌器對醫療器材的低溫快速滅菌，在醫院得到廣泛應用，已有二十多年的商業化歷史[3]。近十年來，可直接作用于人體的常壓低溫等離子體成為前沿研究熱點[4-5]，在臨床醫學上的應用包括皮膚消毒滅菌[6]、創傷愈合[7]、快速凝血[8]、癌細胞凋亡[9]、皮膚病治療[10]、齲齒治療[11]和美容整形[12]，等等。
醫務人員手衛生規范 WS/T 313-2009 和醫院消毒衛生標準 GB15982-2012 都指出，衛生手消毒后醫務人員手表面的菌落總數應≤10 CFU/cm2，外科手消毒后醫務人員手表面的菌落總數應≤5 CFU/cm2[13-14]。目前，醫務人員大都采用消毒劑和規范的程序對手進行消毒以減少交叉感染，較新的手消毒技術采用免洗的消毒劑或者噴霧式的消毒器，但都離不開化學消毒劑的使用。手消毒劑衛生要求 GB27950-2011 中指出，衛生手消毒要求作用時間 在1 min 以上，外科手消毒要求作用時間在 3～5 min，殺滅對數值≥3[15]。每天用消毒劑反復多次程序性洗手一方面消耗了大量的時間，另一方面也給手部皮膚造成了損傷。可直接用于人體皮膚的新型等離子體消毒滅菌技術和設備有望緩解這一問題，如低溫等離子體射流（plasma jet）和表面等離子體（surface plasma）。低溫等離子體射流通常由氬氣或氦氣電離產生，長度可達數厘米，其缺點是射流的直徑普遍僅為數毫米，不適合處理較大的物體。等離子體射流以掃描的形式消毒皮膚時，停留時間為 0.3 s，可殺滅 90% 的細菌[16]。表面等離子體可直接采用空氣為介質，其尺寸也容易放大。德國馬普研究所的Morfill等[17]研制了一個上下表面產生等離子體的腔體，將染菌的瓊脂平板放進腔內數秒后，超過 99.9% 的細菌被殺死。這種理念可用于人手，將人手伸進等離子體腔內數秒后取出，有望實現對人手的干式快速消毒，可在醫院、公共場所甚至家庭中推廣。
本文采用自主研制的微秒脈沖表面等離子體系統，研究了等離子體對硅膠手的消毒滅菌效果，以初步模擬對人手的處理，為研制新型等離子體手消毒設備提供依據。
1 實驗材料與方法
1.1 微秒脈沖等離子體系統
自主研制的微秒脈沖等離子體系統包括兩部分，分別是高壓高頻微秒脈沖電源和等離子體反應器。脈沖電源的電氣參數為峰值電壓 6 kV，峰值電流 5.5 A，脈沖寬度 3 μs，脈沖頻率 10 kHz。等離子體反應器及其形貌如圖 1 所示。底板為 5 mm 厚環氧樹脂絕緣板，起安全隔離的作用。底板上為三明治結構的等離子體發生電極，依次是高壓銅片電極（270 mm×170 mm×0.1 mm）、石英片（300 mm×200 mm×1 mm）和接地不銹鋼網電極（270 mm×170 mm×1 mm）。當脈沖電源與等離子體反應器相連時，在接地的不銹鋼網電極表面產生介質阻擋放電等離子體，如圖 1b 所示，等離子體的面積為 459 cm2（27 cm×17 cm），其尺寸足以放置人的雙手。雖然整個電路的脈沖峰值電流高達 5.5 A，但是由于不銹鋼網電極接地，人手直接觸摸時電流直接流入大地而不會流經人體，所以是安全可觸摸的，無任何不適刺激，如圖 1c 所示。其他報道過的類似等離子體系統多采用高壓高頻交流電源，一方面產生的熱量較微秒脈沖電源多，容易導致熱損傷，另一方面產生的等離子體面積多在 200 cm2 以下，難以直接用于人手[17-19]。在前期的研究工作中，我們以瓊脂平板和玻璃片等載體為消毒滅菌對象，都取得了較好的效果。本研究首次采用硅膠手為染菌載體，評價等離子體對硅膠手表面細菌的消毒滅菌效果，如圖 1d 所示，以初步模擬對人手的消毒滅菌過程。
圖1
等離子體反應器及等離子體的形貌 a. 未產生等離子體之前； b. 等離子體發生后； c. 人手可以直接觸摸的低溫等離子體； d. 等離子體處理硅膠手表面的細菌
Figure1.
Plasma reactor and plasma photos a. before plasma generation; b. after plasma generation; c. touchable plasma; d. disinfection of silicone hand
1.2 等離子體滅菌過程
1.2.1 菌種與載體的選擇 根據消毒技術規范，本文選用了金黃色葡萄球菌 ATCC6538、白色葡萄球菌 8032、大腸桿菌 8099和銅綠假單胞菌 ATCC15442 為實驗菌種。采用與人手尺寸接近的硅膠手為染菌載體，以初步評估用于人手的可行性。先單獨采用金黃色葡萄球菌研究了等離子體處理時間和初始細菌密度對滅菌的影響，再比較了等離子體處理四種不同細菌的差異。
1.2.2 菌懸液與染菌載體的制備 將接種后的營養肉湯培養基在 30～37 ℃ 下培養 8～12 h，使細菌濃度為 1.0×109～1.0×1010CFU/mL，用無菌氯化鈉-蛋白胨緩沖液將原始菌液稀釋至合適的濃度備用；在生物安全柜中，用噴霧器將不同濃度或不同種類的菌液均勻地噴在硅膠手表面，正反兩面各噴三次，使硅膠手的手心、手背和手指上都布滿細菌，室溫靜置數分鐘待其晾干，制成染菌載體備用。
1.2.3 載體定量滅菌實驗 將 3 只染菌的硅膠手作為初始陽性對照，另取 3 只染菌的硅膠手作為平行樣，電氣參數固定為 6 kV 和 10 kHz，以圖 1d 的方式依次進行等離子體處理。每個不同的實驗條件都采用 6 只硅膠手進行實驗，包括處理時間、初始細菌密度和細菌種類，再對實驗結果取平均值。在前期的玻璃片滅菌實驗中我們發現，玻璃片染菌的一面朝下放在網電極的等離子體上時滅菌效果極好，染菌的一面朝上放置在網電極上時滅菌效果較差，可能是由于等離子體在網電極的表面產生，等離子體中的活性成分為瞬態存在，穿透和擴散范圍有限所導致的。因此，針對硅膠手的形狀特性，在硅膠手的等離子體消毒滅菌實驗中，先采用手心朝下處理數秒時間，然后手背朝下處理同樣的時間，以加強處理的全面性和均勻性。
1.2.4 消毒滅菌效果的檢測 用 10 mL 無菌蛋白胨-氯化鈉緩沖液和無菌脫脂棉，將陽性對照硅膠手以及等離子體處理后的硅膠手表面的細菌分別沖洗拭擦并收集起來，再將收集液和脫脂棉裝在 15 mL 離心管中并用漩渦混合器充分振蕩使細菌均勻分散，最后取 0.1 mL 收集液進行平板菌落計數。當收集液中的細菌濃度較高時，用無菌蛋白胨-氯化鈉緩沖液進行 10 倍逐級稀釋后再進行平板計數。由于硅膠手的表面積無法準確測量，我們以等離子體處理前后的細菌總數來計算滅菌效率。若平板計數的菌落數為N，稀釋倍數為 10n ，則整個硅膠手表面的細菌總數為N（總）=N×100×10n ，即不稀釋條件下平板菌落計數得到 1 個菌落時硅膠手表面存在 100 個細菌。比較等離子體處理后硅膠手表面的細菌總數N（處理后）和陽性對照硅膠手表面的細菌總數N（處理前），可計算滅菌效率和殺滅細菌對數值。
2 結果與討論
2.1 不同處理時間的等離子體消毒滅菌效果
首先考察了不同處理時間對等離子體消毒滅菌效果的影響，結果如圖 2 所示。以染有金黃色葡萄球菌 ATCC6538 的硅膠手為處理對象，表面的平均初始細菌數量約為 2×107 CFU。考察不同時間的影響時，由于初始條件都一樣，所以選擇了 3 只硅膠手作為陽性對照，另外 12 只硅膠手分為 4 組處理不同的時間，共使用了 15 只硅膠手。等離子體對硅膠手正反兩面的處理時間分別為 2、5、10、20 s。經過正反兩面各 2 s 的短時間處理，平均殘余活菌為 1.25×106 CFU，殺滅對數約為 1.2。等離子體處理 5 s 后平均細菌數量下降到 1.2×105 CFU，殺滅對數約為 2.22。處理時間為 10 s 時，平均殘余活菌為 1.95×104 CFU，殺滅對數約為 3.0。當處理時間為 20 s 時，收集液不做稀釋直接進行平板計數也只有約 30 個殘余菌落，殺滅對數約為 3.8。圖 2 結果表明，等離子體的消毒滅菌效率隨處理時間的延長而提高，但滅菌過程主要集中在前 5 s，滅菌率達 99% 以上。為了更好地識別不同條件下的滅菌效率，后續實驗過程中等離子體處理時間選擇為正反各 5 s。在如此短時間的等離子體處理過程中，等離子體反應器始終處于室溫，人手觸摸無熱感，硅膠手的溫度基本檢測不到變化，整個過程為完全的非熱低溫滅菌。
圖2
不同處理時間的等離子體消毒滅菌效果
Figure2.
Effect of treatment time on plasma disinfection
2.2 不同初始細菌密度的等離子體消毒滅菌效果
不同初始細菌密度下的等離子體消毒滅菌效果如圖 3 所示。細菌采用金黃色葡萄球菌 ATCC6538，將原始菌液稀釋到不同的濃度，再將不同濃度的稀釋液噴霧到不同的硅膠手表面，得到染有不同數量金黃色葡萄球菌的硅膠手。試驗選取了 5 個不同的初始細菌濃度，每個濃度制備 6 個染菌的硅膠手，其中 3 個為陽性對照，3 個做平行試驗。等離子體處理之前，陽性對照硅膠手表面的平均細菌個數分別為 6.0×102、6.0×103、1.8×105、2.0×106、2.0×107 CFU。由圖 3 可知，當硅膠手上的平均細菌總數小于 6.0×103 CFU 時，等離子體處理 5 s 之后所有細菌可被快速殺光，殺滅對數值為 3.78。硅膠手表面的平均初始菌數量為 1.8×105 CFU 時，平板計數的菌落數在零個與數個之間，此時表面的細菌也接近被殺光，殺滅細菌的對數值為 2.95～5.25。平均初始細菌數量為 2.0×106 CFU 和 2.0×107 CFU 時，等離子體處理 5 s 后有部分活菌殘余，對應的平均滅菌對數分別為 2.98 和 2.22。由此可見，當硅膠手表面的細菌密度相對較低時，等離子體有高效快速的滅菌效果。
圖3
不同初始細菌密度的等離子體滅菌效果
Figure3.
Effect of initial bacteria density on plasma disinfection
2.3 不同細菌種類的等離子體消毒滅菌效果
不同細菌種類的等離子體消毒滅菌效果如圖 4 所示。處理對象依次為大腸桿菌 8099（E. Coli）、金黃色葡萄球菌 ATCC6538（S. au）、白色葡萄球菌 8032（S. al）和銅綠假單胞菌 ATCC15442（P. ae）。每種細菌使用 6 個硅膠手，3 個為陽性對照，另 3 個等離子體處理時間都為正反 5 s。等離子體處理前負載 4 種細菌的硅膠手表面的平均初始細菌總數分別為 4.0×106、2.0×106、2.8×106、2.4×106 CFU。等離子體處理 5 s 后，4 種硅膠手表面的細菌數量都顯著下降，但都有少量殘余活菌，在不稀釋的情況下平板計數的平均菌落數分別為 80、21、20、28 CFU，相應的殺滅對數值分別為 2.70、2.98、3.15、2.93。當殘余的細菌數量較少時，平板菌落計數的誤差相對較大，且不同細菌種類的初始濃度有所差異，所以我們認為等離子體處理這 4 種消毒學指示菌的滅菌效率并不存在顯著差異。由此可見，這種等離子體消毒滅菌方法具有一定的廣譜性。
圖4
不同細菌種類的等離子體滅菌效果
Figure4.
Effect of bacteria type on plasma disinfection
3 結論
本文采用自主研制的微秒脈沖低溫等離子體消毒滅菌系統，研究了對硅膠手表面的消毒滅菌實驗效果，以模擬對人手的處理。在 5～20 s 的處理時間內等離子體表現了顯著的消毒滅菌效果，金黃色葡萄球菌的表面密度下降了 2～4 個對數。硅膠手表面的初始細菌密度對滅菌過程有較顯著的影響，細菌密度較低時，5 s 的短時間等離子體處理即可殺光所有細菌，隨著細菌初始密度的增高，硅膠手表面出現部分殘余活菌。同樣的等離子體條件分別處理硅膠手表面的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色葡萄球菌、銅綠假單胞菌時，滅菌效果無顯著差異，2×106～4×106 CFU 的初始細菌都被殺滅 2.70～3.15 個對數，體現了一定的廣譜性。基于當前研制的等離子體系統，將微秒脈沖電源和兩個等離子體反應器整合在一起，制成一種新的腔式等離子體設備，腔的上下表面同時產生等離子體，可同時處理到手心和手背，為人手或其他物品的快速消毒提供了一種新思路。與目前常用的消毒劑相比，等離子體的優勢在于一方面為干式處理，另一方面消毒過程更迅速。本文的研究首次探索了表面等離子體對硅膠手的消毒滅菌過程，以評估用于人手的可行性，然而硅膠手與人手存在較大的差異，比如有機成分、濕度、粗糙度、污染物等等，還需進行更多的實驗研究才能判斷是否符合國家衛生和安全要求，并開發實用的新型等離子體消毒技術和裝備。
