大气压低温等离子体灭活病原微生物的高时空分辨仿真研究.pdf

摘要

大气压低温等离子体（LTP）是一种消杀病原微生物新型技术。相较于传统消杀

方法，LTP消杀技术有着操作简单、杀菌效率高等优势，因此受到广泛关注。但病原

微生物的微纳米结构对于实验精确诊断等离子体的作用过程仍是挑战。为了更好的

推动LTP消杀技术的发展，针对LTP与病原微生物体的作用过程的高时空分辨仿真

研究必不可少。因此，本文分别针对LTP的电穿孔效应，以及LTP产生的高活性氧

氮成分与新冠病毒的作用过程展开仿真研究，以探寻其消杀微生物的作用机理。

在LTP的微尺度电穿孔效应研究方面，本文建立了细胞的二维穿孔模型与对应

的溶解模型还原了电穿孔过程。通过改变放电参数研究了不同条件对电穿孔的影响，

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发现随着电场强度增加，孔径会逐渐增大，最终在10V/cm时达到饱和，而孔密度

则会持续增长。放电频率的增加显著减少了产生稳定纳米孔所需的时间。穿孔形成以

后，活性物质能够在约三秒之内渗入细胞，强化等离子体的杀灭效果。

在LTP产生的高活性氧氮成分与新冠病毒的作用过程研究方面，本文建立了病

毒刺突蛋白模型，加入O反应，探究了它们的反应机理。O原子会利用脱氢反应破

坏分子链的稳定性，从而引发后续的蛋白质裂解。改变O原子数量以探究不同浓度

的影响，发现随着O原子增加，蛋白质裂解效果增加，并在O原子增加至3个时达

到饱和。随后对多种活性物质进行了系统研究。统计了发生脱氢反应的基团概率，发

现甲基概率最大，羟基概率最小。对比裂解效应，发现HO引起的裂解效应最强，

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接着是O、HOONO、O、O，最后是OH。并且增大反应物浓度时，他们均会出现

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饱和效应。裂解速率上，HO、O、HOONO均较快，OH、O、O则较慢。

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上述研究中时间尺度达到皮秒级，空间尺度达到亚纳米级，实现了对等离子体灭

活微生物的高时空分辨仿真研究。该研究成果将为提高LTP消杀病原微生物的效率

提供一定的理论支持，对发展等离子体医学有积极作用。

关键词：大气压低温等离子体；电场；活性物质；电穿孔；分子动力学

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Abstract

Atmosphericpressurelowtemperatureplasma(LTP)isanewtechnologyfor

disinfectingpathogenicmicroorganisms.Comparedwithtraditionalsterilizationmethods,

LTPsterilizationtechnologyhastheadvantagesofsimpleoperationandhighsterilization

efficiency,soithasreceivedwidespreadattention.However,themicro-nanostructureof

pathogenicmicroorganismsisstillachallengefortheprecisediagnosisoftheplasmaaction

process.InordertobetterpromotethedevelopmentofLTPdisinfectingtechnology,itis

necessarytostudytheinteractionprocessbetweenLTPandpathogenicm