【《大气压冷等离子体概述》2500字】

大气压冷等离子体概述等离子体（Plasma）是一种电离气体，可由对气体施加强电磁场或持续加热气体作用下而产生。如图1-1所示，随着作用在原子上的能量的增加，固体中原子的热运动加剧，最终克服了固体中原子之间的限制相互作用，如离子键，形成液体。类似的，当作用在气体上的能量逐渐增加，当能量大到足以使电子克服静电势垒时，电子就会被剥离，最终会形成整体成电中性的电离气体。其主要是由电子、离子、分子、自由基、电中性原子以及各种电磁波（紫外线、红外线和可见光）组成。等离子体同我们常见的物质三态“固态，液态，气态”一样，也是一种特殊的物质存在状态，在物理学上被称为物质的第四态“等离子态”。1879年，英国著名物理学家与化学家WilliamCrookes在实验中发现了这种不同与物质三态的新的物质聚集状态[1]。1928年，美国化学家，物理学家IrvingLangmuir首次将生物学领域的“plasma”一词引入物理学[2]。虽然等离子体在日常生活中很少见，但在远离地球的浩瀚宇宙中，大部分物质都处于等离子态，例如雷电，太阳，极光，星云等。图1-1等离子体的物理描述示意图[3]依据等离子体的不同特性，其也有很多种分类方式。常见的，根据等离子体的温度可将其分为高温等离子体（thermalplasma）和低温等离子体（non-thermalplasma）。当等离子体的电子温度等于或接近于重粒子温度，并且温度都很高（109K），我们称其为高温等离子体。高温等离子体的气体基本上处于完全电离的状态，比较典型的高温等离子有太阳以及核聚变。低温等离子体的气体处于一种部分电离的状态，可细分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体。电弧放电就是一种热平衡等离子体，其特点是电子温度和离子温度相等且比较高（104大气压冷等离子体的产生不需要价格昂贵的真空设备[4]，在常温常压下对单一气体或者混合气体施加电场或者磁场而产生的一种部分电离气体。其体系中的化学活性基团主要包括离子、电子、中性粒子、活性氧物种（ReactiveOxygenSpecies,ROS）、活性氮物种（ReactiveNitrogenSpecies,RNS）以及电磁波（UV、电场、可见光）[5-7]。大气压冷等离子体产生的活性物种主要包含ROS和RNS,其中主要有H2O2、NO2−、NO3−、O3、ONOO−、OH和O2−等[8-11]。在20世纪末，大气压冷等离子体已经建立了广泛的技术应用领域，最重要的领域包括低能耗灯泡，聚合物材料的预处理，如油漆和粘合，包装材料的改进，几种表面处理技术，废物和空气污染管理，微电子，平板显示器，等等。由于大气压冷等离子体温度接近于室温，因此可以直接处理细胞或组织而不会造成热损伤[12-14]。如图1-2，等离子体含有丰富的高活性粒子（ROS和RNS），而这些活性粒子在生物医学中起着非常重要的作用，是产生生物效应的主要原因[15-17]。研究表明，在等离子体灭菌以及肿瘤治疗过程中ROS起到关键作用，特别的O2−是灭菌和治疗肿瘤过程中一种关键因素，并且因为等离子体的工作气体不同会产生不同浓度的活性粒子，有文献报道，如果在工作气体中加入少量O2能够使等离子体的灭菌效果大大增加[13,18-20]。另外，RNS在治疗肿瘤细胞方面也扮演者很重要的角色，其中NO和过氧亚硝基ONOO−起到关键作用。图1-2等离子体的活性成分与生物学效应[21]大多数关于大气压冷等离子体在医学上的应用的研究可以分为两大类：直接等离子体治疗和间接等离子体治疗[22]。在直接等离子体治疗中，活体组织或器官起到其中一个等离子体电极的作用。在这种情况下，虽然电压不需要直接连接到该活体组织电极，但一些电流可能以小传导电流、位移电流或两者的形式流经活体组织[12]。因为需要待处理组织作为一端电极，所以一般放电装置距离组织表面不超过1mm，这一特点也限制了其在生物医学中的应用。另外，因为一般大气压冷等离子体的产生需要几千伏至几十千伏的高压，所以使用其在活体组织上，应考虑到放电电流大小应在组织能够接受的范围内，并且放电应该均匀以免引起机体不适。相比之下，间接等离子体装置有两个独立的电极，又叫双电极等离子体[23]，其通常通过流经等离子体区域的气体将活性不带电荷的物质输送到处理物表面。因为间接等离子体有独立的高压电极和地电极，当等离子体设备需要与处理物表面保持相当距离时，间接等离子体处理具有优势，且比较安全。特别的，广泛应用在等离子体生物医学领域的介质阻挡放电等离子体和等离子体射流都属于间接等离子体。介质阻挡放电（DielectricBarrierDischarge,DBD）又被称为无声放电，是一种典型的电源为高压交流电源的非平衡放电体系。其结构主要分为三部分：高压电极、接地电极和绝缘介质（石英玻璃、陶瓷，聚四氟乙烯、橡胶、塑胶等），其中常用的介质阻挡放电结构是平板式的介质阻挡放电和同轴圆柱形介质阻挡放电，电极间产生的一种气体放电。在平板式介质阻挡放电中，绝缘介质可以是一个或者两个，可以贴附在电极表面，也可以悬挂在放电空间中，然后在放电间隙内通入某种气体或者混合气体，就可以产生等离子体[24]，典型结构如图1-3(a)。这里电介质可以使得放电均匀、稳定，从而避免电火花的生成。如图1-4所示是一种典型的大气压冷等离子体表面放电结构，其是介质阻挡放电的一种特殊结构。其的特点是高压电极平板和金属网状地电极紧紧贴附在中间绝缘介质的两侧，等离子体会均匀产生在网状地电极一侧的介质板表面，可以灵活调节等离子体距离被处理物的距离，并且为了得到比较大的放电面积，网状地电极一般设计成等边的六边形形状。(a)平行板式(b)同轴圆柱式图1-3平行板和同轴圆柱式介质阻挡放电示意图图1-4表面放电装置图和等离子体正视图[25,26]大气压冷等离子体射流（Atmosphericpressurecoldplasmajet）是另一种常用在生物医学方面的等离子体源。在放电区域中产生的等离子体在气流和电场的共同作用下会从喷嘴或孔中喷出，且产生的等离子体没有固定的边界，可以朝着工作区域定向喷出。根据其装置结构的不同主要分为环-环型、针-环型、单环型以及单针型等离子体射流。其中环-环型结构的等离子体射流因为其装置简单，产生的等离子体射流比较稳定等优点也被广泛应用在生物医学领域。环-环型等离子体射流装置电源可以是交流或者纳秒脉冲电源，该装置最初是由Teschke等人提出的[27,28]。按照大气压冷等离子体射流产生的区域不同，可以将大