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1、等离子体射流及其医学应用等离子体射流及其医学应用由于大气压非平衡等离子体射流装置能够在开放空间、而不是如传统放电仅在放电间隙内产生等离子体，这个显著优点对于许多应用，特别是近几年来兴起的等离子体医学方面的应用是至关重要的。为此，首先对大气压非平衡等离子体射流的研究现状进行阐述，结合作者课题组所作的研究，以及国内外其他研究者的成果，分别介绍几种以惰性气体、氮气和空气作为工作气体的典型。此外，由于等离子体医学的发展与的发展是紧密联系的，还简要介绍了等离子体医学的发展历史，并对等离子体医学的两个代表性的研究方向，即在口腔医学和诱导癌细胞凋亡这两个研究方向的最新研究成果作了概述。最后对等离子体射流和等
2、离子体医学所面临的一些问题，及未来的研究方向进行了展望。对于低气压放电，由于气体的密度较低，电子与中性粒子的碰撞频率也比较低，因此电子在电场的作用下比较容易获得较高的能量。这就使得电离较为容易发生，导致在低气压条件下比较容易获得较高密度的等离子体，此时活性粒子的浓度也相对较高，同时还能保证气体的温度保持在较低的水平。这就使得低气压非平衡等离子体在工业中具有广泛的应用，如等离子体刻蚀、材料表面改性与清洗、改善材料的生物兼容性、生成纳米材料等。此外，在低气压下比较容易产生均匀的等离子体，这对于许多应用，如表面改性、刻蚀等是至关重要的。然而，低气压下产生等离子体具有一个致命的缺点，即真空系统是不可避
3、免的。这就使得低气压等离子体只能用于那些具有高附加值且适合于真空条件下的应用。为了克服低气压等离子体的缺点，研究者在大气压条件下通过放电产生了非平衡等离子体，从而避免了复杂且昂贵的真空系统。但是在大气压下产生非平衡等离子体，人们面临着诸多困难，其中包括等离子体的气体温度都相对比较高、容易过度到非均匀放电和弧光放电等。在过去的 20 多年里，人们采用了多种手段去克服这些问题，如介质阻挡放电、微放电等，从而使得在大气压下产生均匀的、气体温度较低的非 1416 平衡等离子体变为可能。但是，在大气压下放电，由于气体的击穿电压较高，因此放电间隙通常在几 mm 到几 cm 的量级，这就使得被处理样品的尺寸
4、受到了限制。此外，有的样品放到放电间隙中还会影响放电的稳定性。如果将被处理物放置在放电间隙外，通过气体流动的方法使放电所产生的活性粒子输运到样品表面来达到处理目的，则带电粒子及一些寿命较短的活性粒子在到达样品前就可能已经消失了，从而大大降低了处理效果。为了克服上述缺点，近年来研究者研制出了大气压非平衡等离子体射流。由于大气压非平衡等离子体射流能够在开放的空间、而不是在间隙内产生大气压非平衡等离子体，这就使得许多应用的实现成为可能。正是由于的这个显著优点，近年来在国际上上掀起了 N-APPJ的热潮。为了满足各种特定应用的需要，人们研制出了多种多样的。在射流的研究中取得了诸多突破，射流的长度从几
5、mm 到十几 cm，射流的气体温度从几百到常温，工作气体从以惰性气体为主到完全用周围空气。推动 N-APPJ 研究热潮的非常重要的原因之一是等离子体医学的发展。等离子体医学是近几年发展起来的一门新兴的交叉学科。等离子体医学的发展与 N-APPJ 的发展几乎是同步的。特别是近几年来，研究者希望将大气压非平衡等离子体用于人体和动物的临床应用，这就迫切需要研制出适合于各种具体应用的装置。因为不可能将人体或动物放置到一个放电间隙里，当 N-APPJ 与人体相接触时，必须保证人体的绝对安全。也就是说此时不仅要求的气体温度基本保持在常温，而且要求该等离子体不会对人体造成任何电伤害。幸运的是，通过研究者的不
6、懈努力，人们研制出了多种可用于人体或动物进行直接处理的 N-APPJ。虽然早期人们发表过几篇关于非平衡大气压等离子体射流的综述论文，但由于该研究方向在最近几年的迅速发展，这些早期的论文当然也就没有包含最近几年研究者所取得的最新研究成果。此外，最近这些年人们在 N-APPJ 所取得的研究成果非常多，研制出了多种多样的 N-APPJ 装置，本论文不可能一一介绍。因此，本文将首先对一些典型的 N-APPJ 作简要介绍，以这些射流源的工作气体为主线，先介绍以惰性气体为工作气体的 N-APPJ，然后介绍以氮气为工作气体的 N-APPJ，接着讲述以空气作为工作气体的 N-APPJ。此外，如前所述，等离子体
7、射流的发展与等离子体医学的发展是紧密联系的。因此，本论文的第部分也对等离子体医学的发展历史做个简要的回顾；对 N-APPJ 中的各种活性成份与生物体相互作用中所起的潜在作用进行分析。由于等离子体医学的应用领域非常广泛，本文仅介绍等离子体医学在口腔医学和诱导癌细胞凋亡这两个具有代表性应用方向的最新研究成果。文章最后对当今等离子体射流与等离子体医学的研究现状进行了总结，并对其所面临的问题和研究前景进行了展望。非平衡大气压等离子体射流惰性气体讨论非平衡大气压等离子体射流，就不得不提 1998 年课题组所报道的第 1 个 N-APPJ，其装置如图 1 所示。它的主体结构由 1 个中心不锈钢电极（直径为
8、1.28/cm）和外面的不锈钢圆筒（内径为 1.6cm）组成；该等离子体射流由频率的射频电源驱动；它用 He 或者 Heo2 混合气体作为工作气体。为了获得稳定的放电，He 的体积流量必须25lmin，o2的混合体积比必须3。且输入的功率必须保持在 40500W 之间，相应的等离子体射流的气体温度在 25c 到几百c 之间。最后介绍一个由等研制的可产生长度达 11cm 的常温等离子体射流装置，实验装置示意图如图 4 所示，所采用的高频电压有效值为5KV，频率 40kh2，氦气体积流量 15lmin。该装置的最显著的一个特点是高压电极置于一个单端封口的石英管内；该射流装置的另一个特点是它所产生等
9、离子体的气体温度在所调试的所有参数范围内都保持常温。由于该 N-APPJ 的上述两个特点，人体可与该等离子体射流任何部分任意接触而不会有任何热感或电击感。该特性对于等离子体医学方面的应用是至关重要的。氮气多原子气体由于存在振动和转动能级，且这些能级的激发能都很低，这就导致放电时电子从电场中获得的能量很容易通过与气体的碰撞，将能量转移给多原子气体的振动和转动态上，导致输入到等离子体中的能量用于电离的只占很小一部分，也就是说其电离效率很低。射流的气体温度与空气的流速、放电电流的大小、微孔的直径，以及离喷嘴的距离有关。图给出了射流的气体温度与这些物理量之间的关系。从图中可以看出，其气体温度高于惰性气体射流的气体温度，气体温度随离喷口距离的增大而迅速下降。本文转载自：http:/
