基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置及方法

1.本发明属于等离子体医学领域，特别是一种基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置及方法。


背景技术：

2.癌症以及细菌、病毒等感染问题在医学领域一直是重点预防和关注的内容。癌症作为现代社会人类健康的主要威胁之一，传统的手术治疗、化疗和放疗等技术往往存在术后复发和毒副反应等问题，已经很难满足人们对癌症治疗的需求。此外，目前人类主要使用抗生素来对抗细菌，然而大量抗生素类药物的滥用会使细菌产生耐药性从而无法彻底根除，并进一步造成机体二重感染以及严重副作用。因此，寻求新型、安全、有效的抗癌及抗感染方法显得尤为重要。
3.近年来，大气压冷等离子体技术在生物医学、环境治理、食品工业、化工生产和材料加工等领域受到广泛关注和重点研究。特别是在生物医学领域中，等离子体技术已在伤口愈合、消毒杀菌、癌症治疗等方面取得广泛应用。
4.研究发现，放电等离子体产生的大量气相活性粒子通过一系列物理化学反应在水中生成h2o2等液相活性氧ros以及no3-、no2-等液相活性氮rns；此外氯化钠盐水溶液中的cl-经过等离子体放电处理后会转化成活性氯成分rcs，具有极强的氧化能力。这些液相活性粒子作用到癌细胞后，会引起细胞内活性氧水平升高，从而导致细胞受到的氧化压力增大并进一步激活细胞的凋亡信号通路引起癌细胞凋亡；另外一方面，液相ros和rcs的氧化能力能够诱导细胞发生氧化应激反应，破坏细胞膜的完整性及胞内渗透压，改变细菌的表面结构和化学状态，从而导致细菌死亡。在癌症治疗和抗感染方面具有极大的应用前景。
5.现有技术下制备的等离子体活化水通常呈现酸性，而细胞外酸性微环境会诱发细胞突变，对大多数正常细胞是具有危害性的，甚至是致死性的。虽然可以采用额外的试剂调节活化水溶液的ph值，但是存在降低活化水溶液灭活效应、添加试剂剂量的比例调控以及试剂对人体的危害等问题。
6.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在问题，本发明提出一种基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置及方法，通过离子交换膜将反应腔室分隔成阳极腔室和阴极腔室两部分，并在放电处理下分别生成酸性溶液和碱性溶液，按照比例将酸性溶液和碱性溶液混合成弱碱性溶液，再通过等离子体放电实现对弱碱性溶液的酸化，进而提供具有更优抗癌和抗感染效果的等离子体中性水，该中性水不会产生明显副作用。
8.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置包括，
9.反应腔室，其经由用于水溶液中离子交换的离子交换膜分隔为阳极腔室和阴极腔室；
10.水溶液存储箱，其经由单向阀连通所述阳极腔室和阴极腔室；
11.电解电极，其与所述反应腔室形成放电回路，所述电解电极包括，
12.电解阳极，其连接所述阳极腔室以将其中的水溶液在等离子体耦合电解作用下生成酸性溶液，
13.电解阴极，其连接所述阴极腔室以将其中的水溶液在等离子体耦合电解作用下生成碱性溶液，
14.酸性电位水出口，其经由第一蠕动泵连接所述阳极腔室以泵入酸性溶液，
15.混合腔室，其经由第三蠕动泵连接所述阴极腔室以泵入所述碱性溶液以及经由第二蠕动泵连接所述酸性电位水出口以泵入所述酸性溶液，且按比例混合，所述混合腔室设有监测溶液ph值的ph监测器，
16.等离子体发生器，其在高压下生成冷等离子体且连通所述混合腔室，
17.活化水出口，其经由第四蠕动泵连接所述混合腔室，
18.功率控制器，其分别连接所述电解电极和等离子体发生器以调节功率，
19.监测与控制电路，其连接所述功率控制器、ph监测器、单向阀和第一至第四蠕动泵，监测与控制电路发送功率信号到功率控制器以控制所述电解电极和/或等离子体发生器，基于所述ph值，发送水量信号到第二蠕动泵、第三蠕动泵和第四蠕动泵，基于第一蠕动泵和第三蠕动泵的排水量，监测与控制电路发送水量信号到所述单向阀。
20.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置中，所述阳极腔室和阴极腔室均为密闭腔室，其上端分别设有出气口。
21.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置中，所述离子交换膜包括阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、两性离子交换膜和镶嵌离子交换膜。
22.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置中，所述等离子体发生器的放电方式包括介质阻挡放电、射流放电、电晕放电、微波放电或滑动电弧放电。
23.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置中，所述等离子体发生器中的电源包括直流电源、射频电源、脉冲电源或正弦电源。
24.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置中，监测与控制电路包括温度或者功率超过阈值的报警单元以及系统发生故障时自动断电的保护装置。
25.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置中，所述水溶液存储箱容纳不同浓度的氯化钠盐水溶液。
26.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置中，所述等离子体发生器经由用于调节流量的电磁阀连通所述混合腔室。
27.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置中，所述水溶液存储箱分别经由两个独立的单向阀连通所述阳极腔室和阴极腔室。
28.一种利用所述的基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的制备方法包括以下步骤：
29.阳极腔室中的溶液在等离子体耦合电解作用下变成酸性溶液，阴极腔室中的溶液在等离子体耦合电解作用下变成碱性溶液；
30.混合腔室中的溶液由第二蠕动泵和第三蠕动泵分别将酸性电位水出口处的溶液和阴极腔室中的溶液泵出到混合腔室以形成弱碱性溶液，
31.等离子体发生器在高压下生成冷等离子体，所述冷等离子体对所述混合腔室中的溶液进行酸化以形成中性等离子体活化水，其中，监测与控制电路发送功率信号到电解电极和等离子体发生器，基于混合腔室中的ph值，监测与控制电路发送水量信号到第二蠕动泵、第三蠕动泵和第四蠕动泵。
32.有益效果
33.本发明使用离子交换膜将反应腔室分隔成阳极腔室和阴极腔室两部分，从而隔开阳极端和阴极端的反应产物。与传统等离子体放电仅产生酸性溶液不同，本发明能够同时产生酸性溶液和碱性溶液。
34.本发明将产生的酸性和碱性两种溶液混合，再用等离子体发生器处理混合溶液，无需额外的试剂来调节溶液ph值，有效地解决了等离子体活化水溶液呈现酸性的问题，并保证了活化水溶液的活化能力。
35.本发明的中性活化水中存在大量长寿命的液相活性粒子。这些活性粒子能够有效诱导癌细胞凋亡和细菌失活，在抗癌和抗感染应用中起关键作用。与现阶段的等离子体活化水相比，本发明的活化水可安全地应用于病人体内，减少低ph值对正常器官造成的损伤。
36.本发明中产生的酸性溶液具有较强的杀菌消毒能力，最终产物无残留毒性，对环境友好，可直接应用于各场合的消毒处理，溶液利用率提高。
37.本发明中系统启动后，被处理后的阳极、阴极腔室溶液按比例混合成弱碱性溶液，通过等离子体酸化以及系统的循环运作，就能够产生中性活化水溶液，无需人工调控，装置结构简单。
38.通过上述方法产生的中性等离子体活化水溶液对人体无害、安全可靠，在抗癌和抗感染方面可以起到很好的应用效果。
39.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
40.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
41.在附图中：
42.图1为本发明基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的结构示意图；
43.图2为本发明一个实施例的中性等离子体活化水对t24细胞灭活的效果图；
44.图3为本发明一个实施例的中性等离子体活化水对金黄色葡萄球菌灭活的效果图；
45.图4为本发明一个实施例的中性等离子体活化水的ph值的示意图。
46.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
47.下面将参照附图1至图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
48.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
49.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
50.如图1所示，一种基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置包括，
51.反应腔室，其经由用于水溶液中离子交换的离子交换膜分隔为阳极腔室和阴极腔室；
52.水溶液存储箱，其经由单向阀连通所述阳极腔室和阴极腔室；
53.电解电极，其与所述反应腔室形成放电回路，所述电解电极包括，
54.电解阳极，其连接所述阳极腔室以将其中的水溶液在等离子体耦合电解作用下生成酸性溶液，
55.电解阴极，其连接所述阴极腔室以将其中的水溶液在等离子体耦合电解作用下生成碱性溶液，
56.酸性电位水出口，其经由第一蠕动泵连接所述阳极腔室以泵入酸性溶液，
57.混合腔室，其经由第三蠕动泵连接所述阴极腔室以泵入所述碱性溶液以及经由第二蠕动泵连接所述酸性电位水出口以泵入所述酸性溶液，且按比例混合，所述混合腔室设有监测溶液ph值的ph监测器，
58.等离子体发生器，其在高压下生成冷等离子体且连通所述混合腔室，
59.活化水出口，其经由第四蠕动泵连接所述混合腔室，
60.功率控制器，其分别连接所述电解电极和等离子体发生器以调节功率，
61.监测与控制电路，其连接所述功率控制器、ph监测器、单向阀和第一至第四蠕动泵，监测与控制电路发送功率信号到功率控制器以控制所述电解电极和/或等离子体发生器，基于所述ph值，发送水量信号到第二蠕动泵、第三蠕动泵和第四蠕动泵，基于第一蠕动泵和第三蠕动泵的排水量，监测与控制电路发送水量信号到所述单向阀。
62.通过离子交换膜结合等离子体技术，能够产生有效的中性等离子体活化水(中性活化水)溶液，同时解决了溶液ph值低以及等离子体活化水效应降低的问题，保证了活化水
溶液的有效性和无害性。
63.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实施例中，所述阳极腔室和阴极腔室均为密闭腔室，其上端分别设有出气口。
64.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实施例中，所述离子交换膜包括阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、两性离子交换膜和镶嵌离子交换膜。
65.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实施例中，所述等离子体发生器的放电方式包括介质阻挡放电、射流放电、电晕放电、微波放电或滑动电弧放电。
66.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实施例中，所述等离子体发生器中的电源包括直流电源、射频电源、脉冲电源或正弦电源。
67.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实施例中，监测与控制电路包括温度或者功率超过阈值的报警单元以及系统发生故障时自动断电的保护装置。
68.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实施例中，所述水溶液存储箱容纳不同浓度的氯化钠盐水溶液。
69.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实施例中，所述等离子体发生器经由用于调节流量的电磁阀连通所述混合腔室。
70.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实施例中，所述水溶液存储箱分别经由两个独立的单向阀连通所述阳极腔室和阴极腔室。
71.本发明通过离子交换膜对反应腔室进行分隔，突破了等离子体放电产生的水溶液为酸性的局限。本发明通过将同时生成的酸性和碱性水溶液按比例进行混合，进一步通过等离子体放电控制技术，包括功率控制器，ph监测器，实现对等离子体活化水溶液的ph值调控及活化能力的增强，以提供更优的抗癌和抗感染效果。现有的等离子体活化水溶液大多显酸性，在与人体接触的相关应用中有所限制。本发明的活化水溶液ph值在6-8范围，很好地解决了溶液的酸性问题，对人体的损伤较小，且有较好的抗癌和抗感染效果。本发明实现溶液循环产生，可以不断提供活化水溶液用于治疗，使用快速方便。
72.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实例中，所述离子交换膜包括阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、两性离子交换膜和镶嵌离子交换膜。
73.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实例中，所述等离子体发生器的放电方式包括介质阻挡放电、滑动电弧放电、射流放电、电晕放电等非平衡等离子体放电形式。
74.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实例中，所述高压电源包括直流电源、射频电源、脉冲电源或正弦电源。
75.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实例中，所述水溶液存储箱容纳不同浓度的氯化钠盐水溶液。
76.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实例中，监测与控制电路包括功率超过阈值的报警单元以及系统故障时的自动断电保护装置。
77.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实例中，中性等离子体活化水制备装置包括离子交换膜、阳极腔室、阴极腔室、电解电极、等离子体发生器、混合腔室、监测与控制电路、水溶液存储箱，其中离子交换膜用于将反应腔室分隔形成阳极腔室和阴极腔室两部分；通过等离子体耦合电解处理以产生酸性溶液和碱性溶液；按一定比例混
合两种溶液形成弱碱性水溶液，再通过等离子体发生器，对混合水溶液进行进一步的酸化处理形成中性活化水溶液；整个装置的水量、放电功率、ph值等核心技术参数通过电子电路调控，实现性能稳定的中性等离子体活化水制备。
78.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实例中，所述等离子体活化水制备装置采用溶液混合结合等离子体处理方式，提高了活化水溶液的ph，且不会显著减弱活化水溶液的活化能力，无有害化学残留，对环境友好，适用于人体应用。
79.基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的优选实例中，所述混合腔室用于混合两种溶液，并作为反应腔室完成对混合溶液的再处理。
80.本实施例中的电解电极部分采用可选的射流放电形式。放电结构主要由钨钢电极、金属铂电极、无感电阻组成。
81.本实施例中的等离子体发生器的产生方式可选择介质阻挡放电、射流放电、滑动弧放电、电晕放电等能产生非平衡等离子体的放电方式。
82.实施例1
83.通过离子交换膜分隔反应腔室，电解电极通过直流高压电源放电5min，此时阳极、阴极腔室中的溶液分别变成酸性溶液、碱性溶液，根据比例将两种溶液配比成ph值在9-10范围内的弱碱性溶液，并通入到混合腔室中，在等离子体发生器中通入1l/min的空气，在高压作用下产生空气等离子体对混合溶液进行酸化，将最终产生的中性等离子体活化水溶液用于t24细胞和金黄色葡萄球菌灭活。通过图2可以看出，随着细胞处理时间的增加，细胞的灭活效果越好，从图3结果中，中性等离子体活化水表现出较好的灭菌效果。从图4中的结果看出活化水溶液的ph值偏中性。
84.本实施例中，离子交换膜可为阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、两性离子交换膜和镶嵌离子交换膜。
85.本实施例中，水溶液可为不同浓度的氯化钠盐水溶液。
86.一种利用所述的基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的制备方法包括以下步骤：
87.离子交换膜将反应腔室分成阳极腔室和阴极腔室两部分；
88.电解电极将所述阳极腔室和阴极腔室中的溶液变成酸性和碱性溶液，再按酸碱比例，调节阳极腔室和阴极腔室自所述出口的蠕动泵流速，其中监测与控制电路发送功率信号到功率控制器以控制所述电解电极,基于混合腔室中的ph值，监测与控制电路发送水量信号到第二蠕动泵、第三蠕动泵和第四蠕动泵；
89.等离子体发生器作用于混合腔室中的混合溶液，其中监测与控制电路发送功率信号到所述功率控制器以控制所述等离子体发生器。
90.本发明控制产生的等离子体活化水溶液的ph值介于6-8范围，通过放电功率调控，进而控制电解电极和等离子体发生器中的放电电压，并将产生的等离子体分别作用于阳极腔室和阴极腔室中的盐水溶液以及混合腔室中的混合溶液，将生成的中性等离子体活化水用于抗癌和抗感染应用。经过混合、活化后的等离子体活化水溶液偏中性，满足人体直接接触的相关应用需求。
91.一种利用所述的基于离子交换膜的中性等离子体活化水制备装置的制备方法包括以下步骤：
92.阳极腔室中的溶液在等离子体耦合电解作用下变成酸性溶液，阴极腔室中的溶液在等离子体耦合电解作用下变成碱性溶液；
93.混合腔室中的溶液由第二蠕动泵和第三蠕动泵分别将酸性电位水出口处的溶液和阴极腔室中的溶液泵出到混合腔室以形成弱碱性溶液，
94.等离子体发生器在高压下生成冷等离子体，所述冷等离子体对所述混合腔室中的溶液进行酸化以形成中性等离子体活化水，其中，监测与控制电路发送功率信号到电解电极和等离子体发生器，基于混合腔室中的ph值，监测与控制电路发送水量信号到第二蠕动泵、第三蠕动泵和第四蠕动泵。
95.在一个优选实施方式中，制备方法包括以下步骤：通过离子交换膜将反应腔室分成阳极腔室和阴极腔室两部分，在等离子体耦合电解作用下分别产生酸性、碱性溶液，再将这两种溶液进行混合，通过ph监测器监测混合后溶液的ph值，使得ph值范围为9-10；等离子体放电调控中的放电功率控制通过调压器对高压电源输出电压进行调控，等离子体发生器在高压电源作用下完成对混合溶液的酸化，ph监测器监测活化水溶液的ph值。
96.生成的中性等离子体活化水应用于抗癌和抗感染治疗。
97.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。