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高电压技术 第３７卷第６期２０１１年６月３０日
，ＶＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎｏｌ．３７，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ３０，２０１１ ｇｇｇｇ
等离子体射流及其医学应用
卢新培
（）华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉４３００７４
摘 要：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，首先对大体，
）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Ｎ－ＡＰＰＪ。此外，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的Ｎ－Ａ由于等离子体医学的发展与成果，ＰＰＪ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Ｎ－ＡＰＰＪ的发展是紧密联系的，
向，即Ｎ－ＡＰＰＪ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。
关键词：大气压等离子体；非平衡等离子体；等离子体射流；等离子体医学；介质阻挡放电；口腔医学；细胞凋亡
中图分类号：ＴＭ８９
文献标志码：Ａ
（）文章编号：１００３６５２０２０１１０６１４１６１０－－－
ＰｌａｓｍａＪｅｔｓａｎｄＴｈｅｉｒＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＡｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｐ
ＬＵ Ｘｉｎｅｉ－ｐ
（，ＳｔａｔｅＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃＥｎｉｎｅｅｒｉｎａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ ｙｙｇｇｇｇｙ
，Ｗｕ）ＨｕａｚｈｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ ｇｙｇｙ
：）ＡｂｓｔｒａｃｔＰｌａｓｍａｄｅｖｉｃｅｓｉｎｏｅｎｓａｃｅ（ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎａｉｒｒａｔｈｅｒｔｈａｎｉｎｃｏｎｆｉｎｅｄｄｉｓｅｔｅｎｅｒａｔｅｌａｓｍａｌｕｍｅｓ －ｐｐｇｊｇｐｐ
，ｃｈａｒｅａｓｏｎｌ．Ｔｈｕｓｔｈｅｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｄｉｒｅｃｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｒｅｉｓｎｏｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｏｂｅｃｔｔｏ ｇｇｐｙｙｊ ，，ｔｒｅａｔｅｄ．Ｔｈｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｓｖｅｒａｔｔｒａｃｔｉｖｅｆｏｒｖａｒｉｏｕｓａｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｌａｓｍａｍｅｄｉｃｉｎｅ．Ｃｏｎｓｅｕｅｎｔｌｂｅ ｙｐｐｑｙｐ
，ｔｈｅｓｔａｔｅｓｏｆａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｎｏｎｅｕｉｌｉｂｒｉｕｍａｒｅｏｖｅｒｖｉｅｗｅｄ．Ｓｅｖｅｒａｌｔｉｃａｌｄｅｖｉｃｅｓｒｅｓｓｕｒｅｌａｓｍａｅｔｓｌａｓｍａｅｔ － ｐｑｙｐｐｐｊｐｊ，，ｗｈｉｃｈｕｓｅｎｏｂｌｅｎｉｔｒｏｅｎａｎｄａｉｒａｓｗｏｒｋｉｎｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｈｉｓｔｏｒｏｆｍｅｄｉｃｉｎｅａｓａｓｅｓｌａｓｍａ ｇｇｐｙｙｇｇｐ
，ｉｓｂｒｉｅｆｌｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｗｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｉｃｓｏｆｌａｓｍａｍｅｄｉｃｉｎｅｉ．ｅ．ｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｏｒａｌｂａｃｔｅｒｉａａｎｄｉｎｄｕｃｉｎａ －ｙｐｐｇｐ ，，ｏｔｏｓｉｓｏｆｃａｎｃｅｒｃｅｌｌｓｂｕｓｉｎａｒｅｆｏｃｕｓｅｄｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｓｏｍｅｓｕｅｓｔｉｏｎｓｏｎａｎｄｌａｓｍａｅｔｓｌａｓｍａｅｔｓｌａｓｍａ ｐｙｇｙｇｇｐｊｐｊｐ ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅｒｅｓｅｎｔｅｄ．ｍｅｄｉｃｉｎｅ ｐ
：；；；；Ｋｅｗｏｒｄｓａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｎｏｎｅｕｉｌｉｂｒｉｕｍｍｅｄｉｃｉｎｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂａｒｒｉｅｒｒｅｓｓｕｒｅｌａｓｍａｌａｓｍａｌａｓｍａｅｔｌａｓｍａ ｐｑｐｐｐｐｊｐｙ ；；ｄｉｓｃｈａｒｅｏｒａｌａｏｔｏｓｉｓｇｐｐ
０ 引言
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
；基金资助项目：国家自然科学基金（高等１０８７５０４８；５１０７７０６３）（；长江学学校博士学科点专项科研基金（ＲＦＤＰ）２０１００１４２１１０００５）者计划。
ＰｒｏｅｃｔＳｕｏｒｔｅｄｂＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆ ｊｐｐｙ （，ＲＣｈｉｎａ１０８７５０４８，５１０７７０６３）ｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｆｏｒｔｈｅＤｏｃｔｏｒａｌＰｒｏ －，ＴｏｆＨｉｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（２０１００１４２１１０００５）ｈｅＣｈａｎｒａｍ ｇｇｇ
ＪｉａｎＳｃｈｏｌａｒｓＰｒｏｒａｍ，ＭｉｎｉｓｔｒｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ． ｇｇｙ
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，这对于许多如表面改性、刻蚀等是至关重要的。然而，低应用，
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，研究者在大从而气压条件下通过放电产生了非平衡等离子体，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，其中包括容易过度到非等离子体的气体温度都相对比较高、
均匀放电和弧光放电等。在过去的２人们０多年里，采用了多种手段去克服这些问题，如介质阻挡放电（，Ｄ、微放电等，从ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂａｒｒｉｅｒｄｉｓｃｈａｒｅＢＤ） ｇ
而使得在大气压下产生均匀的、气体温度较低的非
卢新培．等离子体射流及其医学应用
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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ｃ这ｍ的量级，有的就使得被处理样品的尺寸受到了限制。此外，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（Ｎ－ＡＰＰＪｎｏｎ－
［］１１２－）。ｅｕｉｌｉｂｒｉｕｍａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｒｅｓｓｕｒｅｌａｓｍａｅｔ ｑｐｐｐｊ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Ｎ－
近年来在国际上上掀起了ＡＰＰＪ的这个显著优点，Ｎ－ＡＰＰＪ的热潮。为了满足各种特定应用的需要，
。在射流的研究人们研制出了多种多样的Ｎ－ＡＰＰＪ中取得了诸多突破，射流的长度从几ｍｍ到十几
射流的气体温度从几百工作气体从ｃｍ，°Ｃ到常温，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当Ｎ－Ａ必到一个放电间隙里，ＰＰＪ与人体相接触时，须保证人体的绝对安全。也就是说此时不仅要求而且要求该Ｎ－ＡＰＰＪ的气体温度基本保持在常温，
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－Ａ本论文不可ＰＰＪ装置，能一一介绍。因此，本文将首先对一些典型的Ｎ－
以这些射流源的工作气体为主ＡＰＰＪ作简要介绍，，线，先介绍以惰性气体为工作气体的Ｎ－Ａ然后ＰＰＪ，接着讲述以空介绍以氮气为工作气体的Ｎ－ＡＰＰＪ
。气作为工作气体的Ｎ－ＡＰＰＪ
此外，如前所述，等离子体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３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。
１ 非平衡大气压等离子体射流
１．１ 惰性气体Ｎ－ＡＰＰＪ
讨论非平衡大气压等离子体射流，就不得不提
［］
１９９８年Ｈｉｃｋｓ课题组所报道的第１个Ｎ－ＡＰＰＪ５，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１和外面的不锈钢圆筒（内．２８ｃｍ）径为１组成；该等离子体射流由频率为１．６ｃｍ）３．５６／它用ＨＭＨｚ的射频电源驱动；ｅ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＞２５ＬｍｉｎＯ２的混合体积比必须＜３％。且输入的功率必须保持在４０～５００Ｗ之间，相应的等离子体射流的气体温度在２５°Ｃ到几百°Ｃ之间
。
图１ 第１个Ｎ－ＡＰＰＪ实验装置示意图Ｆｉ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅ１ｓｔＮ－ＡＰＰＪｅｔｓｅｔｕ ｇｊｐ
另１个典型的惰性气体Ｎ－ＡＰＰＪ是由Ｅ．Ｓｔｏｆ－
［］ｆｅｌｓ课题组所报道的６。该Ｎ－ＡＰＰＪ通常叫做射频等离子体针，它的主体结构是由１根直径为０．３
ｍｍ的钨针和１个直径为４ｍｍ的有机玻璃管组
／成，其结构如图２所示。当Ｈｅ以２Ｌｍｉｎ的体积流量流过有机玻璃管，钨针接上频率为１０ＭＨｚ的在钨针尖端形成一直径约为２．射频电源时，５ｍｍ的等离子体。当输入的功率为３Ｗ，离针尖１．５ｍｍ和２．５ｍｍ处等离子体的气体温度分别为９０°Ｃ和５０°Ｃ。
Ｃｏｕｌｏｍｂｅ课题组报道了一种微等离子体射
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高电压技术 ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ ｇｇｇｇ（）２０１１，３７６
８］
，流［该装置如图３所示。它的主体结构由两个同
内／外径分别心圆柱电极组成。中心的毛细管电极（
为０还具有输入活性气体．１７７８ｍｍ和０．３５５６ｍｍ）在两个同心圆柱电极之间是内外径分别是的功能，
在石英管前部形成锥型喷２ｍｍ和４ｍｍ的石英管，口，直管部分的放电间隙为８喷口处减小为２２μｍ，喷嘴的内径是０．７２μｍ，５ｍｍ。该装置的一个显著特点是其活性气体（是在离喷嘴很近的位置注Ｏ２）入的。该装置采用１脉３．５６ＭＨｚ的射频脉冲驱动；。当占空比从１冲频率为１００Ｈｚ０％增加到５０％时，离喷嘴１．５ｍｍ处气体的温度从４０°Ｃ增加到１２０°Ｃ。相应地输入到等离子体的功率从１Ｗ增加
如果将体积流量为到５Ｗ。当取占空比为１０％时，／／１０ｍＬｍｉｎ的Ｏｍｉｎ２直接加入到体积流量为１Ｌ
的Ｈ所产生的等离子体射流的长度＜１ｅ气流中，
／ｍｍ。但通过该方式将体积流量为１０ｍＬｍｉｎ的所产生的射流长度达３ｍｍＯ２在喷嘴附近加入时，
左右。
最后介绍一个由Ｌｕ等研制的可产生长度达１１
［３］
，实验装置示意图ｃｍ的常温等离子体射流装置１
所采用的高频电压有效值为５ｋ频如图４所示，Ｖ，
，／氦气体积流量１率４０ｋＨｚ５Ｌｍｉｎ。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－Ａ人体可与ＰＰＪ的上述两个特点，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。１．２ 氮气Ｎ－ＡＰＰＪ
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，将能量转导致输入到等移给多原子气体的振动和转动态上，
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。在大气压下，由于电子与中性气体的碰撞频率非常高，这个问题尤为突出。这也是在大气压下产生氮气Ｎ－ＡＰＰＪ具有很大的挑战性的原因。幸运的是，经过研究者的不懈努力，人们。其中一种是由韩国的研制出了几种氮气Ｎ－ＡＰＰＪ
［４］
，ＨｏｎａｎｄＵｈｍ课题组所报道的微孔射流装置１ ｇ
其实验装置示意图如图５所示。内置插图是气体体
图２ 另１个典型的惰性气体Ｎ－ＡＰＰＪ装置示意图
及等离子针照片
ａｓＦｉ．２ ＡｎｏｔｈｅｒｔｉｃａｌｉｎｅｒｔＮ－ＡＰＰＪａｎｄ ｇｇｙｐ
ｔｈｅｏｆｔｈｅｎｅｅｄｌ
ｅｈｏｔｏｌａｓｍａ ｐｐ
／积流量为６．３Ｌｍｉｎ时该微等离子体的照片。该装
由直径为２置的两个电极是由圆形的铝片（０ｍｍ，厚度３ｍｍ）组成，这两个铝片电极的中心有一个直径５两个铝片电极由一个圆形的
电００μｍ的圆孔，
图３ 一种微等离子体射流实验装置示意图Ｆｉ．３ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅＡＰＧＤｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ － ｇ
卢新培．等离子体射流及其医学应用
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图４ 常温等离子体射流实验装置示意图和等离子体射流的照片
Ｆｉ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕａｎｄｏｆｔｈｅｈｏｔｏｒａｈｌａｓｍａｌｕｍ
ｅ ｇｐｐｐｇｐｐｐ
图５ 氮气大气压微等离子体射流装置示意图ｌａｓｍａｅｔＦｉ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｎｉｔｒｏｅｎｍｉｃｒｏ ｐｊｇｇ
ｄｅｖｉｃｅｒｅｓｓｕｒｅａｔａｔｍｏｓｈｅｒｉｃ ｐｐ
介质片（厚度为１．隔开，电介质片的中心也５ｍｍ）有一个直径５００μｍ的圆孔。当两电极加载２０ｋＨｚ
／的交流高压，氮气以３Ｌｍｉｎ的体积流量通过电极的微孔时，它能够产生长达６．５ｃｍ的氮气等离子体／，射流。此时气体的流速约为２电压和电流５５ｍｓ的有效值为０．此时它所消耗的功２８ｋＶ和３８ｍＡ，率约为１０Ｗ。离外电极２ｃｍ处气体的温度近似为常温。
另１个氮气Ｎ－ＡＰＰＪ装置是由Ｎｉ等报道
１５］
，的［该装置如图６所示。其高压电极由直径为外电极则是由一个内径为１．３５０μｍ的铜丝构成，９
、约５ｍｍ的铜管制成。当在电极上施加１ｋＨｚ００Ｖ／的电压，气体体积流量在几Ｌ它能产生最ｍｉｎ时，
长约１ｃｍ的等离子体射流。射流的温度与气体的体积流量及输入到等离子体中的功率有关。离喷嘴５ｍｍ左右距离处的气体温度基本上接近常温。１．３ 空气Ｎ－ＡＰＰＪ
上面提到，多原子气体由于存在振动和转动能级导致电离效率较低。对于空气放电，它不但主要是由多原子气体组成，而且因为其中的氧气
对电子
图６ 另１个氮气Ｎ－ＡＰＰＪ实验装置示意图和
该等离子体与手指接触的照片
Ｆｉ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕａｎｄｈｕｍａｎ ｇｐｐ
ｓｋｉｎｃｏｎｔａｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｉｃｒｏｌａｓｍａｗｉｔｈ ｐ
／Ｎｌｏｗｒａｔｅｏｆ１．１Ｌｍｉｎ ２ｆ
的吸附作用，使得在空气中产生非平衡等离子体的难度又大大增加了。这也是迄今为止大多数Ｎ－
ＡＰＰＪ都是用惰性气体作为工作气体的主要原因。。尽管如此，研究者还是研究出了几种空气Ｎ－ＡＰＰＪ与以惰性气体为主要工作气体的射流相比，这些射但这些研究成果对于研究者流虽然还有各种缺陷，
将来进一步研制出适合于各种具体应用的空气Ｎ－
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Ｆｉ．８ 等离子体射流的气体温度与离喷嘴距离的关系ｇ
Ｆｉ．８ Ｇａｓｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｌａｓｍａａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｓｉｔｉｏ
ｎ ｇｐｐｐ
图７ 第１个空气Ｎ－ＡＰＰＪ实验装置示意图
及该等离子体射流与手接触的照片
Ｆｉ．７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏａｎｄｏｆｌａｓｍａｅｔｈｏｔｏ －ｐ ｇｊｐ
ｔｈｅｍｉｃｒｏｃｏｎｔａｃｔｉｎａｈｕｍａｎｆｉｎｅｒｌａｓｍａｅｔ －ｐ ｇｇｊ
ＡＰＰＪ是极具参考价值的。第１个空气Ｎ－ＡＰＰＪ是由Ｓｃｈｏｅｎｂａｃｈ课题组报道的微孔阴极放电空气等
１６］
。图７给出了该装置的示意图和所离子体射流［
图９ 大气压空气等离子体射流装置示意图及
空气等离子体的照片
ｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｒｅｓｓｕｒｅＦｉ．９ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅａｔｍｏｓｈｅｒｉｃ －ｐｐｇｐａｉｒｌａｓｍａｅｔｄｅｖｉｃｅｗｉｔｈｔｈｅｏｒｏｕｓａｌｕｍｉｎａｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｐ ｊｐ
产生的等离子体射流与手指接触的照片。它的两个电极是由钼圆片组成，其厚度为０．两电极２５ｍｍ；钼电极和氧化铝由０．２５ｍｍ厚的氧化铝圆片隔开，片的中间有一个几百μｍ的小孔。当空气以体积流／且两电极量几百ｍＬｍｉｎ通过电极与铝片的微孔，
间施加的电压在４就能在周围００～６００Ｖ之间时，的空气中产生几ｍｍ长的空气等离子体射流。当
微孔内放电电流从几ｍＡ到２５ｍＡ范围内变化时，等离子体的气体温度在１０００～２０００°Ｃ范围内变化。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８给出了射流的气体温度与这些物理量之间的关系。从图中可其气体温度高于惰性气体射流的气体温度，以看出，
气体温度随离喷口距离的增大而迅速下降。另１个空气Ｎ－ＡＰＰＪ是由Ｈｏｎｇ等所报道
１７］
，的［其装置结构如图９所示。它主要由电极、电介质和高压电源组成。其电源为６０Ｈｚ的商用霓虹灯变压器；内电极是内径为１．厚度为０．２ｍｍ、２该不锈钢针的外部紧套一
个ｍｍ的不锈钢针构成；
外径为３．２ｍｍ石英管。石英管和内电极放置到直径为１厚度为２０ｍｍ、０ｍｍ的多孔氧化铝管内。外径为中心带一个直径为１ｍｍ的不锈钢套构成，其中心小孔呈圆锥形。多孔氧化铝的孔占空比为平均孔径为１３０％，００μｍ。当中间电极通入空气，
加载高压打开时，就能够在周围的空气中产生最长约２ｃｍ的空气等离子体射流。图１０给出了该等离子体射流在不同气体体积流量下离喷嘴不同距离处／即使采用５Ｌ的气体温度。从图中可以看出，ｍｉｎ的高气体体积流量，离喷嘴２ｍｍ处的气体温度高达离喷嘴２ｃ１１０°Ｃ，ｍ处的气体温度则降到约４０°Ｃ。
为了增加空气Ｎ－Ａ并降低其气体ＰＰＪ的长度，温度，作者课题组采用２０ｋＶ的直流电源串联１个（）图１为装１２０ＭΩ的电阻来驱动空气等离子体，１ａ置结构示意图。图中针的半径约为５它可以０μｍ，或者空心的。当它为空心的时候，其中可是实心的，
以通过空气或者其它气体，所产生的等离子体如图（）所示。该等离子体的气体温度为常温。人体１１ｂ
卢新培．等离子体射流及其医学应用
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可与该等离子体任意接触而不会产生热感或电击感。对其电流和电压测量发现，虽然外加的是直流电压，但放电却呈现出脉冲放电的特点。对针尖处）所示，该放的电流和电压测量所得结果如图１２（ａ电具有比较规则的周期性特点，脉冲重复频率约为。图１则给出了单个电流电压脉冲曲３０ｋＨｚ２（ｂ）
。电流的线，从图中可以看出，电流脉宽为几十ｎｓ峰值则为十几ｍＡ
。
是Ｉ７０篇，ＣＯＰＳ最大的分会。其它一些国际会议，如ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （，ＰＰＣ）ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌａｔｏｒＣｏｎ －
，ｆｅｒｅｎｃｅ（ＰＭＣ）Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｓａｎｎｕａｌｍｅｅｔ －ｇ，ｉｎＢＥＭＳ）ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｌａｓｍａ ｇ（
等国际会议都相继增加了ＡＭｅｄｉｃｉｎｅ（ＩＣＰＭ）ＰＮＰ在生物学、医学和环境科学方面应用的分会（其中ＩＣＰＭ则是专门针对该研究领域而举行的国际会
。议）还从２ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｌａｓｍａＳｃｉ．０００年开始每 隔１年出１期大气压等离子体在生物学、医学和环境科学方面应用的专刊。此外，其他一些期刊，如，ＰｌａｓｍａＰｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄＰｏｌｍｅｒｓＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｓｉｃｓ ｙｙ
，ＮｌｉｅｄＰｈｓｉｃｓｅｗＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｓｉｃｓ等国Ｄ：Ａ ｐｐｙｙ际期刊也相继出版专刊报道大气压等离子体在生物学、医学和环境科学方面应用的最新研究成果。以“）”等离子体医学（命名的期刊也ＰｌａｓｍａＭｅｄｉｃｉｎｅ 于最近诞生了。由此可见大气压等离子体在生物学、医学和环境科学方面的应用—“等离子体医学”这个新兴的学科已引起国际上的重大关注。
等离子体医学是研究等离子体对生物体（病毒、细菌、细胞、组织、器官、皮肤等）的作用效应的一门新兴学科。等离子体对生物体的作用是通其寿命从ｎ过等离子体所产生的各类自由基（ｓ到、带电粒子、紫外线、激发态粒子等对生ｓ量级）
物体从分子层面的综合作用来实现的。下面首先对等离子体中的各种活性成份可能起到的作用进行简要介绍。此外，由于等离子体医学的潜在应用非常广泛，本文受篇幅的限制，文中将选择两个代表性的应用，即等离子体在口腔医学中的应用及辅助癌症治疗方面做些介绍。
２ 等离子体医学
２．１ 等离子体医学简介
自从１９９６年Ｍ．Ｌａｒｏｕｓｓｉ博士发表第１篇关于大气压非平衡等离子体（ＡＰＮＰ：ａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｐ）应用于灭菌方面ｒｅｓｓｕｒｅｎｏｎｅｕｉｌｉｂｒｉｕｍｌａｓｍａ － ｐｑｐ
１９］
，的文章以来［医学和环境科学ＡＰＮＰ在生物学、方面的应用越来越受到人们的重视。在１９９８年ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＯｎＰｌａｓｍａＳｃｉｅｎｃｅ
（）上只有３篇关于该研究领域的论文，而到ＩＣＯＰＳ了２０１０年的ＩＣＯＰＳ上大气压等离子体在生物学、医学和环境科学方面应用的分会收到的论文达
约
图１０ 不同气体体积流量在离喷嘴不同距离处
该等离子体的气体温度
Ｆｉ．１０ Ｐｌｏｔｓｈｏｗｉｎａｓｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｓｍｅａｓｕｒｅｄａｔ ｇｇｐｇ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｘｉａｌｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｌａｓｍａｅｔ ｐｐｊ
２．２ 等离子体中的活性成份
如紫外线ＡＰＮＰ中含有多种不同的活性成分，
（、、带电粒子（电子、正负离子等）化学活性粒ＵＶ）子（及处于激发态和亚稳态粒子ＲＯＳ和ＲＮＳ等）
图１１ 放电装置示意图和该空气等离子体于指尖接触的照片
Ｆｉ．１１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅａｎｄｈｏｔｏｒａｈｏｆｔｈｅａｉｒｌａｓｍａｔｏｕｃｈｅｄｂａｆｉｎｅｒ ｇｐｇｐｐｙｇ
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高电压技术 ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ ｇｇｇｇ（）２０１１，３７６
高。当处理物中含有水分子时，等离子体就会产生它与生物体一定量的ＯＨ。ＯＨ具有较高的活性，
作用时也可能起到重要作用。此外，ＯＨ容易溶解从而起到间接作用。于水还会改变容液的ｐＨ值，）激发态和亚稳态粒子。对于各种处于激发态４
和亚稳态粒子，它们与生物体作用时又会有怎样的作用迄今为止人们对此了解还非常有限。其中一个重要的原因是对这类粒子密度测量具有很大的难度，因此也就很难了解它们与对生物体作用效果之间的关系。
２．３ 等离子体用于口腔医学
将等离子体应用到医学领域最初的工作是等离这也是迄今为止等离子体在医子体用于杀菌研究，
学上应用和研究最多的一个方向，如医疗器械的除垢消毒、皮肤病的治疗、牙齿根管治疗、手术伤口消毒等等。在不同的应用中，需要用到不同的等离子体源及不同的处理条件。研究结果表明，等离子体对于各种病菌（革兰阴氏菌、革兰阳氏菌、细菌孢子、细菌生物膜、真菌等）都具有一定的灭活能力。
等离子体灭菌的一个具有非常大潜在应用价值
图１２ 典型的电流电压曲线图及单个电流电压脉冲曲线Ｆｉ．１２ ＴｉｃａｌＩＵｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｌａｓｍａａｎｄ － ｇｙｐｐ
ａｃｌｏｓｅｌｏｏｋｏｎｔｈｅＩＵｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ －
ｏｆａｔｉｃａｌｓｉｎｌｅｕｌｓｅ ｙｐｇｐ
的领域是口腔医学领域。牙科器械的表面清洁包含以及病菌的灭活和移除等。了有机物的移除，
Ｗｈｉｔｔａｋｅｒ等人使用等离子体对牙科器械进行了清３７］
，洁［并使用扫描电镜等来确定等离子体处理前后器械表面清洁度。研究表明，器械表面的有机物被降低到仪器能够检测到的极限值。作者的课题组在口腔医学应用领域做了大量的研究工作，如牙齿根管治疗、种植体周围炎治疗等。在临床上，传统的根机械清洁、药物冲洗、激光冲洗、超声波管治疗手段（
振荡，以及使用一些抗菌药物等）并不能完全地杀死引起根管疾病的致病菌，９０％以上的根管治疗失败都是因为残留在根管内的病菌重新感染而导致的。针对牙齿的根管治疗问题，该课题组依照牙齿根管研制了一种可以直接在牙齿根管内放的结构特点，
［８］
。此电的大气压等离子体针装置，如图１３所示３
等。依其使用的工作气体及等离子体源的不同，其
］２０３６－
。在等离子体与生物体成分和含量也各不相同［
相互作用过程中，这些成分都可能起到一定的作用，下面我们对这些成分的影响效果进行简要的介绍和分析：
）紫外线。一般认为，仅通过紫外线来杀灭细１
２
／所需紫外线的功率密度应至少为几ｍＷ·菌，ｓｃｍ的量级。研究表明，对于大气压非平衡空气等离子体，通常紫外线的辐射是很弱的，它对杀灭细菌不会起主要作用。
）带电粒子。迄今为止，人们对带电粒子与生２
物体相互作用中所起的作用了解非常有限。Ｆｒｉｄ－ｍａｎ，Ｌｕ等就带电粒子所起的作用做了些初步的研究工作，结果表明带电粒子与生物体相互作用中，在
２５，２９］
。有些情况下可能起着非常重要的作用［
装置由脉冲电源驱动，依次串联１个３６ｐＦ的电容
和８而放电电极则为医用不锈钢针０ＭΩ的电阻，将其直接放入根管内放电，所产生的等离子体温头，
度为室温。这样直接在根管内部放电，就使得寿命）较短的活性粒子（如Ｒ也能起到杀菌效果，从而ＯＳ大大增强了灭菌效率。２．４ 等离子体诱导癌细胞凋亡
等离子体医学的另一类应用是利用等离子体来改变细胞的生长、繁殖特性。其中使用ＡＰＮＰ对癌细胞进行处理是近年来兴起的一个典型的这类应用。研究结果表明，适量的等离子体处理能够促进
））活性粒子。通常人们认为活性氧粒子（３ＲＯＳ
对生物体作用时起着重要的作用。不同的工作气体所产生的ＲＯＳ的种类和粒子浓度都不一样。相关研究表明，氧原子和含氧的活性粒子（Ｏ，ＯＨ，
在杀菌过程中起到了主要的作用。当Ｈ２Ｏ２等等）工作气体中混有少量的Ｏ灭菌效果会大大提２时，
卢新培．等离子体射流及其医学应用
１４２３
以及细胞表面Ｆ并使得机动蛋白ＡＫ的表达，αα２，４、
４１］
。Ｙ纤维成为扩散状［ａｎ等人通过使用大气压等离子体对各种癌细胞的处理发现，大气压等离子体射流能有效地抑制癌细胞的增殖。流式细胞术检测结果表明，等离子体处理后，癌细胞的周期被抑制在／且这部分细胞随培养时间的延长会发生Ｇ２Ｍ期，
（））凋亡，见图１图中，分别为细胞被处理０、４，ａｃ～（，（）然后培养２分别为细胞被２４０、４８０ｓ４ｈ；ｄ）ｆ～（
［２］
，。这可能是由处理０、然后培养４２４０、４８０ｓ８ｈ４于等离子体使得细胞内外的环境发生改变导致的。
３ 等离子体射流与等离子体医学研究展望
本文首先对大气压非平衡等离子体射流研究进先后介绍了一些具有代表性的以惰性气行了回顾，
。对于惰氮气和空气作为工作气体的Ｎ－Ａ体、ＰＰＪ，人们做了大量的研究工作，取得了性气体Ｎ－ＡＰＰＪ很多研究成果，等离子体射流长度有的可达十几同时气体温度还能保持常温。对于惰性气体ｃｍ，
，未来的研究主要应该集中在两个方面，一Ｎ－ＡＰＰＪ方面，是如何提高这类等离子体射流的活性，使得射流中各类活性粒子的浓度得到显著的提高，从而缩短处理时间、提高处理效率。另一方面，未来的研究这一方面还应关注如何增大Ｎ－ＡＰＰＪ的处理面积，可以通过等离子体射流阵列来完成，但如何利用射流阵列来获得均匀的处理效果是一个值得研究的课
图１３ 等离子体针装置示意图和在牙齿
根管内产生等离子体的照片
Ｆｉ．１３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｎｅｅｄｌｅｓｅｔｕａｎｄｌａｓｍａ ｇｐｐ ｈｏｔｏｒａｈｏｆｔｈｅｌａｓｍａｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｓｉｄｅａｒｏｏｔｃａｎａｌ ｐｇｐｐｇ
，现在所研制出的这题。至于氮气和空气Ｎ－ＡＰＰＪ
类射流都具有尺寸相对较小，大多数这类射流的气体温度都比较高等缺点。因此有必要针对各种具体应用，进一步开展这类射流的研究工作。
至于等离子体医学，不论是国内还是国外，等离子体医学的发展可以说才刚刚起步，但是已经获得还是与人体了诸多成就。不管是对微生物的灭活，
组织的相互作用，使用适当的方法、在合适的条件下都可以达到一定的预期效果。但是迄今为止，有关等离子体与生物体相互作用机制仍然不是很清楚，人们对各种活性成分作用于生物体时是如何起到作用的了解非常有限，如带电粒子、亚稳态粒子、激发态粒子、电场等所起的作用的了解还很少，对ＲＯＳ活性粒子中具体是哪种粒子、它在分子层面上是如人们所知道的也非常有限。此外，等何起到作用的，
离子体对各种致病微生物、癌细胞等可能产生的处理效果人们也不是非常了解。这些都有待于进一步深入研究。最后，还需要研制出适合于等离子体医学应用的各种等离子体射流装置。总之，尽管等离子体医学还面临着诸多问题，但其在临床医学上的应用前景是十分巨大的。
癌细胞凋亡，且不会对周围的正常细胞产生明显的伤害。我们知道，细胞坏死通常伴随产生胞内酶的这些都会导致炎症的快速释放和细胞破裂的产物，
发生，不利于临床应用。而在细胞凋亡过程中，细胞膜保持完整，因此不会泄露导致细胞发生炎症的胞内物质，也就不会对周围的正常细胞组织造成伤害。Ｆｒｉｄｍａｎ课题组使用一种悬浮的单电极ＤＢＤ
装置对皮肤癌细胞进行了处理，发现少剂量的等离子体能促进癌细胞的凋亡，且不会杀死周围的正常
３９］
。Ｋ细胞［ｉｍ等人研究了等离子体的气体成分及
功率对直肠癌细胞的处理效果，结果表明氧气的加入和高的等离子体功率增强了等离子体对癌细胞的
４０］
。Ｌ作用效果［ｅｅ等人使用射频大气压等离子体
射流研究了等离子体对Ｇ３６１黑素瘤细胞黏附分子的处理效果。结果表明等离子体处理可以导致细胞从基底脱落，诱导黑素瘤细胞的死亡，抑制整合蛋白
１４２４
高电压技术 ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ ｇｇｇｇ（）２０１１，３７６
图１４ 细胞ＤＮＡ内容直方图
Ｆｉ．１４ ＣｅｌｌｕｌａｒＤＮＡｃｏｎｔｅｎｔｈｉｓｔｏｒａｍｓｓｈｏｗｉｎｔｈｅｃｅｌｌｃｃｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｈａｓｅ ｇｇｇｙｐ
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［］３８ＬｕＸＰ，ＣａｏＹ Ｇ，ＹａｎＰ．ＡｎＲＣｌａｓｍａｄｅｖｉｃｅｆｏｒｓｔｅｒｉｌｉｚａ －ｇｐ
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［］３９ＦｒｉｄｍａｎＧ，ＳｈｅｒｅｓｈｅｖｓｋＡ．Ｆｌｏａｔｉｎｅｌｅｃｔｒｏｄｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂａｒ －ｙｇ
ｒｉｅｒｄｉｓｃｈａｒｅｉｎａｉｒａｏｔｏｔｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｌａｓｍａｒｏｍｏｔｉｎ ｇｐｐｐｐｇ
ｓｋｉｎｃａｎｃｅｒｃｅｌｌｌｉｎｅｓ［Ｊ］．ＰｌａｓｍａＣｈｅｍＰｌａｓｍａｍｅｌａｎｏｍａ ，Ｐｒｏｃｅｓｓ２００７，２７：１６３１７６．－
［］４０ＫｉｍＣ Ｈ，ＫｗｏｎＳ，ＢａｈｎＪＨ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｎｏｎｔｈｅｒ －ｐ
］ｍａｌｏｎｉｎｖａｓｉｏｎｏｆｃｏｌｏｒｅｃｔａｌｃａｎｃｅｒｃｅｌｌｓ［Ｊ．Ａｌｉｅｄｌａｓｍａ ｐｐｐ，（）：ＰｈｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ２０１０，９６２４２４３７０１． ｙ
［］，４１ＬｅｅＨＪＳｈｏｎＣ Ｈ，Ｋｉｍ ＹＳ．Ｄｅｒａｄａｔｉｏｎｏｆａｄｈｅｓｉｏｎｍｏｌｅ －ｇ
ｃｕｌｅｓｏｆＧ３６１ｍｅｌａｎｏｍａｃｅｌｌｓｂａｎｏｎｔｈｅｒｍａｌａｔｍｏｓｈｅｒｉｃ － ｙｐ
［］，ｒｅｓｓｕｒｅｍｉｃｒｏｌａｓｍａＪ．ＮｅｗＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｓｉｃｓ２００９，１１： ｐｐｙ１１５０２６．
［］Ｙ４２ａｎＸ，ＺｏｕＦ，ＺｈａｏＳＳ．Ｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｌａｓｍａｉｎｄｕ －ｐ
［］，ｃｉｎｃｅｌｌａｏｔｏｓｉｓＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｌａｓｍａＳｃｉｅｎｃｅ ｇｐｐ
（）：２０１０，３８９２４５１２４５７
．－
卢新培
男，博士，长江学者特聘教授，１９７１—，ＩＥＥＥ高级会员
２００２０１于华中科技大学毕业获博士学位后－
到美国作访问学者，从事等离子体医学方面的研究。２００７０９起受聘为华中科技大学长－江学者特聘教授。主要科学研究领域包括低温等离子体源、等离子体诊断、气体放电、
ＬＵ Ｘｉｎｅｉ－ｐ
，Ｐｈ．Ｄ．Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ
等离子体和脉冲功率技术在环境及生物医学等方面的应用等。从２００７起一直担任
（的分会主席。现为ＴＩＣＯＰＳＩＥＥＥ等离子体科学国际会议）ｒａｎｓａｃ－
（。多次在国际会客座编辑）ｔｉｏｎｓｏｎＰｌａｓｍａＳｃｉｅｎｃｅ的ＧｕｅｓｔＥｄｉｔｏｒ ，议上作特邀报告。担任ＡｌｉｅｄＰｈｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｓｉｃｓ ｐｐｙｙ
Ｄ：ＡｌｉｅｄＰｈｓｉｃｓ等１０多个英文期刊的评审人。在国际期刊上发 ｐｐｙ表Ｓ专利６项ＣＩ学术论文４０多篇，：Ｅ－ｍａｉｌｌｕｘｉｎｅｉｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ＠ｈｐ
收稿日期 ２０１１０４１５０１１０５２８－－ 修回日期 ２－－ 编辑 曹昭君
１４１６
高电压技术 第３７卷第６期２０１１年６月３０日
，ＶＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎｏｌ．３７，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ３０，２０１１ ｇｇｇｇ
等离子体射流及其医学应用
卢新培
（）华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉４３００７４
摘 要：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，首先对大体，
）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Ｎ－ＡＰＰＪ。此外，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的Ｎ－Ａ由于等离子体医学的发展与成果，ＰＰＪ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Ｎ－ＡＰＰＪ的发展是紧密联系的，
向，即Ｎ－ＡＰＰＪ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。
关键词：大气压等离子体；非平衡等离子体；等离子体射流；等离子体医学；介质阻挡放电；口腔医学；细胞凋亡
中图分类号：ＴＭ８９
文献标志码：Ａ
（）文章编号：１００３６５２０２０１１０６１４１６１０－－－
ＰｌａｓｍａＪｅｔｓａｎｄＴｈｅｉｒＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＡｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｐ
ＬＵ Ｘｉｎｅｉ－ｐ
（，ＳｔａｔｅＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃＥｎｉｎｅｅｒｉｎａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ ｙｙｇｇｇｇｙ
，Ｗｕ）ＨｕａｚｈｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ ｇｙｇｙ
：）ＡｂｓｔｒａｃｔＰｌａｓｍａｄｅｖｉｃｅｓｉｎｏｅｎｓａｃｅ（ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎａｉｒｒａｔｈｅｒｔｈａｎｉｎｃｏｎｆｉｎｅｄｄｉｓｅｔｅｎｅｒａｔｅｌａｓｍａｌｕｍｅｓ －ｐｐｇｊｇｐｐ
，ｃｈａｒｅａｓｏｎｌ．Ｔｈｕｓｔｈｅｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｄｉｒｅｃｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｒｅｉｓｎｏｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｏｂｅｃｔｔｏ ｇｇｐｙｙｊ ，，ｔｒｅａｔｅｄ．Ｔｈｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｓｖｅｒａｔｔｒａｃｔｉｖｅｆｏｒｖａｒｉｏｕｓａｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｌａｓｍａｍｅｄｉｃｉｎｅ．Ｃｏｎｓｅｕｅｎｔｌｂｅ ｙｐｐｑｙｐ
，ｔｈｅｓｔａｔｅｓｏｆａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｎｏｎｅｕｉｌｉｂｒｉｕｍａｒｅｏｖｅｒｖｉｅｗｅｄ．Ｓｅｖｅｒａｌｔｉｃａｌｄｅｖｉｃｅｓｒｅｓｓｕｒｅｌａｓｍａｅｔｓｌａｓｍａｅｔ － ｐｑｙｐｐｐｊｐｊ，，ｗｈｉｃｈｕｓｅｎｏｂｌｅｎｉｔｒｏｅｎａｎｄａｉｒａｓｗｏｒｋｉｎｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｈｉｓｔｏｒｏｆｍｅｄｉｃｉｎｅａｓａｓｅｓｌａｓｍａ ｇｇｐｙｙｇｇｐ
，ｉｓｂｒｉｅｆｌｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｗｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｉｃｓｏｆｌａｓｍａｍｅｄｉｃｉｎｅｉ．ｅ．ｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｏｒａｌｂａｃｔｅｒｉａａｎｄｉｎｄｕｃｉｎａ －ｙｐｐｇｐ ，，ｏｔｏｓｉｓｏｆｃａｎｃｅｒｃｅｌｌｓｂｕｓｉｎａｒｅｆｏｃｕｓｅｄｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｓｏｍｅｓｕｅｓｔｉｏｎｓｏｎａｎｄｌａｓｍａｅｔｓｌａｓｍａｅｔｓｌａｓｍａ ｐｙｇｙｇｇｐｊｐｊｐ ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅｒｅｓｅｎｔｅｄ．ｍｅｄｉｃｉｎｅ ｐ
：；；；；Ｋｅｗｏｒｄｓａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｎｏｎｅｕｉｌｉｂｒｉｕｍｍｅｄｉｃｉｎｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂａｒｒｉｅｒｒｅｓｓｕｒｅｌａｓｍａｌａｓｍａｌａｓｍａｅｔｌａｓｍａ ｐｑｐｐｐｐｊｐｙ ；；ｄｉｓｃｈａｒｅｏｒａｌａｏｔｏｓｉｓｇｐｐ
０ 引言
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
；基金资助项目：国家自然科学基金（高等１０８７５０４８；５１０７７０６３）（；长江学学校博士学科点专项科研基金（ＲＦＤＰ）２０１００１４２１１０００５）者计划。
ＰｒｏｅｃｔＳｕｏｒｔｅｄｂＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆ ｊｐｐｙ （，ＲＣｈｉｎａ１０８７５０４８，５１０７７０６３）ｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｆｏｒｔｈｅＤｏｃｔｏｒａｌＰｒｏ －，ＴｏｆＨｉｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（２０１００１４２１１０００５）ｈｅＣｈａｎｒａｍ ｇｇｇ
ＪｉａｎＳｃｈｏｌａｒｓＰｒｏｒａｍ，ＭｉｎｉｓｔｒｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ． ｇｇｙ
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，这对于许多如表面改性、刻蚀等是至关重要的。然而，低应用，
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，研究者在大从而气压条件下通过放电产生了非平衡等离子体，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，其中包括容易过度到非等离子体的气体温度都相对比较高、
均匀放电和弧光放电等。在过去的２人们０多年里，采用了多种手段去克服这些问题，如介质阻挡放电（，Ｄ、微放电等，从ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂａｒｒｉｅｒｄｉｓｃｈａｒｅＢＤ） ｇ
而使得在大气压下产生均匀的、气体温度较低的非
卢新培．等离子体射流及其医学应用
１４１７
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ｃ这ｍ的量级，有的就使得被处理样品的尺寸受到了限制。此外，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（Ｎ－ＡＰＰＪｎｏｎ－
［］１１２－）。ｅｕｉｌｉｂｒｉｕｍａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｒｅｓｓｕｒｅｌａｓｍａｅｔ ｑｐｐｐｊ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Ｎ－
近年来在国际上上掀起了ＡＰＰＪ的这个显著优点，Ｎ－ＡＰＰＪ的热潮。为了满足各种特定应用的需要，
。在射流的研究人们研制出了多种多样的Ｎ－ＡＰＰＪ中取得了诸多突破，射流的长度从几ｍｍ到十几
射流的气体温度从几百工作气体从ｃｍ，°Ｃ到常温，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当Ｎ－Ａ必到一个放电间隙里，ＰＰＪ与人体相接触时，须保证人体的绝对安全。也就是说此时不仅要求而且要求该Ｎ－ＡＰＰＪ的气体温度基本保持在常温，
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－Ａ本论文不可ＰＰＪ装置，能一一介绍。因此，本文将首先对一些典型的Ｎ－
以这些射流源的工作气体为主ＡＰＰＪ作简要介绍，，线，先介绍以惰性气体为工作气体的Ｎ－Ａ然后ＰＰＪ，接着讲述以空介绍以氮气为工作气体的Ｎ－ＡＰＰＪ
。气作为工作气体的Ｎ－ＡＰＰＪ
此外，如前所述，等离子体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３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。
１ 非平衡大气压等离子体射流
１．１ 惰性气体Ｎ－ＡＰＰＪ
讨论非平衡大气压等离子体射流，就不得不提
［］
１９９８年Ｈｉｃｋｓ课题组所报道的第１个Ｎ－ＡＰＰＪ５，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１和外面的不锈钢圆筒（内．２８ｃｍ）径为１组成；该等离子体射流由频率为１．６ｃｍ）３．５６／它用ＨＭＨｚ的射频电源驱动；ｅ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＞２５ＬｍｉｎＯ２的混合体积比必须＜３％。且输入的功率必须保持在４０～５００Ｗ之间，相应的等离子体射流的气体温度在２５°Ｃ到几百°Ｃ之间
。
图１ 第１个Ｎ－ＡＰＰＪ实验装置示意图Ｆｉ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅ１ｓｔＮ－ＡＰＰＪｅｔｓｅｔｕ ｇｊｐ
另１个典型的惰性气体Ｎ－ＡＰＰＪ是由Ｅ．Ｓｔｏｆ－
［］ｆｅｌｓ课题组所报道的６。该Ｎ－ＡＰＰＪ通常叫做射频等离子体针，它的主体结构是由１根直径为０．３
ｍｍ的钨针和１个直径为４ｍｍ的有机玻璃管组
／成，其结构如图２所示。当Ｈｅ以２Ｌｍｉｎ的体积流量流过有机玻璃管，钨针接上频率为１０ＭＨｚ的在钨针尖端形成一直径约为２．射频电源时，５ｍｍ的等离子体。当输入的功率为３Ｗ，离针尖１．５ｍｍ和２．５ｍｍ处等离子体的气体温度分别为９０°Ｃ和５０°Ｃ。
Ｃｏｕｌｏｍｂｅ课题组报道了一种微等离子体射
１４１８
高电压技术 ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ ｇｇｇｇ（）２０１１，３７６
８］
，流［该装置如图３所示。它的主体结构由两个同
内／外径分别心圆柱电极组成。中心的毛细管电极（
为０还具有输入活性气体．１７７８ｍｍ和０．３５５６ｍｍ）在两个同心圆柱电极之间是内外径分别是的功能，
在石英管前部形成锥型喷２ｍｍ和４ｍｍ的石英管，口，直管部分的放电间隙为８喷口处减小为２２μｍ，喷嘴的内径是０．７２μｍ，５ｍｍ。该装置的一个显著特点是其活性气体（是在离喷嘴很近的位置注Ｏ２）入的。该装置采用１脉３．５６ＭＨｚ的射频脉冲驱动；。当占空比从１冲频率为１００Ｈｚ０％增加到５０％时，离喷嘴１．５ｍｍ处气体的温度从４０°Ｃ增加到１２０°Ｃ。相应地输入到等离子体的功率从１Ｗ增加
如果将体积流量为到５Ｗ。当取占空比为１０％时，／／１０ｍＬｍｉｎ的Ｏｍｉｎ２直接加入到体积流量为１Ｌ
的Ｈ所产生的等离子体射流的长度＜１ｅ气流中，
／ｍｍ。但通过该方式将体积流量为１０ｍＬｍｉｎ的所产生的射流长度达３ｍｍＯ２在喷嘴附近加入时，
左右。
最后介绍一个由Ｌｕ等研制的可产生长度达１１
［３］
，实验装置示意图ｃｍ的常温等离子体射流装置１
所采用的高频电压有效值为５ｋ频如图４所示，Ｖ，
，／氦气体积流量１率４０ｋＨｚ５Ｌｍｉｎ。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－Ａ人体可与ＰＰＪ的上述两个特点，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。１．２ 氮气Ｎ－ＡＰＰＪ
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，将能量转导致输入到等移给多原子气体的振动和转动态上，
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。在大气压下，由于电子与中性气体的碰撞频率非常高，这个问题尤为突出。这也是在大气压下产生氮气Ｎ－ＡＰＰＪ具有很大的挑战性的原因。幸运的是，经过研究者的不懈努力，人们。其中一种是由韩国的研制出了几种氮气Ｎ－ＡＰＰＪ
［４］
，ＨｏｎａｎｄＵｈｍ课题组所报道的微孔射流装置１ ｇ
其实验装置示意图如图５所示。内置插图是气体体
图２ 另１个典型的惰性气体Ｎ－ＡＰＰＪ装置示意图
及等离子针照片
ａｓＦｉ．２ ＡｎｏｔｈｅｒｔｉｃａｌｉｎｅｒｔＮ－ＡＰＰＪａｎｄ ｇｇｙｐ
ｔｈｅｏｆｔｈｅｎｅｅｄｌ
ｅｈｏｔｏｌａｓｍａ ｐｐ
／积流量为６．３Ｌｍｉｎ时该微等离子体的照片。该装
由直径为２置的两个电极是由圆形的铝片（０ｍｍ，厚度３ｍｍ）组成，这两个铝片电极的中心有一个直径５两个铝片电极由一个圆形的
电００μｍ的圆孔，
图３ 一种微等离子体射流实验装置示意图Ｆｉ．３ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅＡＰＧＤｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ － ｇ
卢新培．等离子体射流及其医学应用
１４１９
图４ 常温等离子体射流实验装置示意图和等离子体射流的照片
Ｆｉ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕａｎｄｏｆｔｈｅｈｏｔｏｒａｈｌａｓｍａｌｕｍ
ｅ ｇｐｐｐｇｐｐｐ
图５ 氮气大气压微等离子体射流装置示意图ｌａｓｍａｅｔＦｉ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｎｉｔｒｏｅｎｍｉｃｒｏ ｐｊｇｇ
ｄｅｖｉｃｅｒｅｓｓｕｒｅａｔａｔｍｏｓｈｅｒｉｃ ｐｐ
介质片（厚度为１．隔开，电介质片的中心也５ｍｍ）有一个直径５００μｍ的圆孔。当两电极加载２０ｋＨｚ
／的交流高压，氮气以３Ｌｍｉｎ的体积流量通过电极的微孔时，它能够产生长达６．５ｃｍ的氮气等离子体／，射流。此时气体的流速约为２电压和电流５５ｍｓ的有效值为０．此时它所消耗的功２８ｋＶ和３８ｍＡ，率约为１０Ｗ。离外电极２ｃｍ处气体的温度近似为常温。
另１个氮气Ｎ－ＡＰＰＪ装置是由Ｎｉ等报道
１５］
，的［该装置如图６所示。其高压电极由直径为外电极则是由一个内径为１．３５０μｍ的铜丝构成，９
、约５ｍｍ的铜管制成。当在电极上施加１ｋＨｚ００Ｖ／的电压，气体体积流量在几Ｌ它能产生最ｍｉｎ时，
长约１ｃｍ的等离子体射流。射流的温度与气体的体积流量及输入到等离子体中的功率有关。离喷嘴５ｍｍ左右距离处的气体温度基本上接近常温。１．３ 空气Ｎ－ＡＰＰＪ
上面提到，多原子气体由于存在振动和转动能级导致电离效率较低。对于空气放电，它不但主要是由多原子气体组成，而且因为其中的氧气
对电子
图６ 另１个氮气Ｎ－ＡＰＰＪ实验装置示意图和
该等离子体与手指接触的照片
Ｆｉ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕａｎｄｈｕｍａｎ ｇｐｐ
ｓｋｉｎｃｏｎｔａｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｉｃｒｏｌａｓｍａｗｉｔｈ ｐ
／Ｎｌｏｗｒａｔｅｏｆ１．１Ｌｍｉｎ ２ｆ
的吸附作用，使得在空气中产生非平衡等离子体的难度又大大增加了。这也是迄今为止大多数Ｎ－
ＡＰＰＪ都是用惰性气体作为工作气体的主要原因。。尽管如此，研究者还是研究出了几种空气Ｎ－ＡＰＰＪ与以惰性气体为主要工作气体的射流相比，这些射但这些研究成果对于研究者流虽然还有各种缺陷，
将来进一步研制出适合于各种具体应用的空气Ｎ－
１４２０
高电压技术 ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ ｇｇｇｇ（）２０１１，３７６
Ｆｉ．８ 等离子体射流的气体温度与离喷嘴距离的关系ｇ
Ｆｉ．８ Ｇａｓｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｌａｓｍａａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｓｉｔｉｏ
ｎ ｇｐｐｐ
图７ 第１个空气Ｎ－ＡＰＰＪ实验装置示意图
及该等离子体射流与手接触的照片
Ｆｉ．７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏａｎｄｏｆｌａｓｍａｅｔｈｏｔｏ －ｐ ｇｊｐ
ｔｈｅｍｉｃｒｏｃｏｎｔａｃｔｉｎａｈｕｍａｎｆｉｎｅｒｌａｓｍａｅｔ －ｐ ｇｇｊ
ＡＰＰＪ是极具参考价值的。第１个空气Ｎ－ＡＰＰＪ是由Ｓｃｈｏｅｎｂａｃｈ课题组报道的微孔阴极放电空气等
１６］
。图７给出了该装置的示意图和所离子体射流［
图９ 大气压空气等离子体射流装置示意图及
空气等离子体的照片
ｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｒｅｓｓｕｒｅＦｉ．９ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅａｔｍｏｓｈｅｒｉｃ －ｐｐｇｐａｉｒｌａｓｍａｅｔｄｅｖｉｃｅｗｉｔｈｔｈｅｏｒｏｕｓａｌｕｍｉｎａｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｐ ｊｐ
产生的等离子体射流与手指接触的照片。它的两个电极是由钼圆片组成，其厚度为０．两电极２５ｍｍ；钼电极和氧化铝由０．２５ｍｍ厚的氧化铝圆片隔开，片的中间有一个几百μｍ的小孔。当空气以体积流／且两电极量几百ｍＬｍｉｎ通过电极与铝片的微孔，
间施加的电压在４就能在周围００～６００Ｖ之间时，的空气中产生几ｍｍ长的空气等离子体射流。当
微孔内放电电流从几ｍＡ到２５ｍＡ范围内变化时，等离子体的气体温度在１０００～２０００°Ｃ范围内变化。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８给出了射流的气体温度与这些物理量之间的关系。从图中可其气体温度高于惰性气体射流的气体温度，以看出，
气体温度随离喷口距离的增大而迅速下降。另１个空气Ｎ－ＡＰＰＪ是由Ｈｏｎｇ等所报道
１７］
，的［其装置结构如图９所示。它主要由电极、电介质和高压电源组成。其电源为６０Ｈｚ的商用霓虹灯变压器；内电极是内径为１．厚度为０．２ｍｍ、２该不锈钢针的外部紧套一
个ｍｍ的不锈钢针构成；
外径为３．２ｍｍ石英管。石英管和内电极放置到直径为１厚度为２０ｍｍ、０ｍｍ的多孔氧化铝管内。外径为中心带一个直径为１ｍｍ的不锈钢套构成，其中心小孔呈圆锥形。多孔氧化铝的孔占空比为平均孔径为１３０％，００μｍ。当中间电极通入空气，
加载高压打开时，就能够在周围的空气中产生最长约２ｃｍ的空气等离子体射流。图１０给出了该等离子体射流在不同气体体积流量下离喷嘴不同距离处／即使采用５Ｌ的气体温度。从图中可以看出，ｍｉｎ的高气体体积流量，离喷嘴２ｍｍ处的气体温度高达离喷嘴２ｃ１１０°Ｃ，ｍ处的气体温度则降到约４０°Ｃ。
为了增加空气Ｎ－Ａ并降低其气体ＰＰＪ的长度，温度，作者课题组采用２０ｋＶ的直流电源串联１个（）图１为装１２０ＭΩ的电阻来驱动空气等离子体，１ａ置结构示意图。图中针的半径约为５它可以０μｍ，或者空心的。当它为空心的时候，其中可是实心的，
以通过空气或者其它气体，所产生的等离子体如图（）所示。该等离子体的气体温度为常温。人体１１ｂ
卢新培．等离子体射流及其医学应用
１４２１
可与该等离子体任意接触而不会产生热感或电击感。对其电流和电压测量发现，虽然外加的是直流电压，但放电却呈现出脉冲放电的特点。对针尖处）所示，该放的电流和电压测量所得结果如图１２（ａ电具有比较规则的周期性特点，脉冲重复频率约为。图１则给出了单个电流电压脉冲曲３０ｋＨｚ２（ｂ）
。电流的线，从图中可以看出，电流脉宽为几十ｎｓ峰值则为十几ｍＡ
。
是Ｉ７０篇，ＣＯＰＳ最大的分会。其它一些国际会议，如ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （，ＰＰＣ）ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌａｔｏｒＣｏｎ －
，ｆｅｒｅｎｃｅ（ＰＭＣ）Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｓａｎｎｕａｌｍｅｅｔ －ｇ，ｉｎＢＥＭＳ）ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｌａｓｍａ ｇ（
等国际会议都相继增加了ＡＭｅｄｉｃｉｎｅ（ＩＣＰＭ）ＰＮＰ在生物学、医学和环境科学方面应用的分会（其中ＩＣＰＭ则是专门针对该研究领域而举行的国际会
。议）还从２ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｌａｓｍａＳｃｉ．０００年开始每 隔１年出１期大气压等离子体在生物学、医学和环境科学方面应用的专刊。此外，其他一些期刊，如，ＰｌａｓｍａＰｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄＰｏｌｍｅｒｓＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｓｉｃｓ ｙｙ
，ＮｌｉｅｄＰｈｓｉｃｓｅｗＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｓｉｃｓ等国Ｄ：Ａ ｐｐｙｙ际期刊也相继出版专刊报道大气压等离子体在生物学、医学和环境科学方面应用的最新研究成果。以“）”等离子体医学（命名的期刊也ＰｌａｓｍａＭｅｄｉｃｉｎｅ 于最近诞生了。由此可见大气压等离子体在生物学、医学和环境科学方面的应用—“等离子体医学”这个新兴的学科已引起国际上的重大关注。
等离子体医学是研究等离子体对生物体（病毒、细菌、细胞、组织、器官、皮肤等）的作用效应的一门新兴学科。等离子体对生物体的作用是通其寿命从ｎ过等离子体所产生的各类自由基（ｓ到、带电粒子、紫外线、激发态粒子等对生ｓ量级）
物体从分子层面的综合作用来实现的。下面首先对等离子体中的各种活性成份可能起到的作用进行简要介绍。此外，由于等离子体医学的潜在应用非常广泛，本文受篇幅的限制，文中将选择两个代表性的应用，即等离子体在口腔医学中的应用及辅助癌症治疗方面做些介绍。
２ 等离子体医学
２．１ 等离子体医学简介
自从１９９６年Ｍ．Ｌａｒｏｕｓｓｉ博士发表第１篇关于大气压非平衡等离子体（ＡＰＮＰ：ａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｐ）应用于灭菌方面ｒｅｓｓｕｒｅｎｏｎｅｕｉｌｉｂｒｉｕｍｌａｓｍａ － ｐｑｐ
１９］
，的文章以来［医学和环境科学ＡＰＮＰ在生物学、方面的应用越来越受到人们的重视。在１９９８年ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＯｎＰｌａｓｍａＳｃｉｅｎｃｅ
（）上只有３篇关于该研究领域的论文，而到ＩＣＯＰＳ了２０１０年的ＩＣＯＰＳ上大气压等离子体在生物学、医学和环境科学方面应用的分会收到的论文达
约
图１０ 不同气体体积流量在离喷嘴不同距离处
该等离子体的气体温度
Ｆｉ．１０ Ｐｌｏｔｓｈｏｗｉｎａｓｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｓｍｅａｓｕｒｅｄａｔ ｇｇｐｇ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｘｉａｌｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｌａｓｍａｅｔ ｐｐｊ
２．２ 等离子体中的活性成份
如紫外线ＡＰＮＰ中含有多种不同的活性成分，
（、、带电粒子（电子、正负离子等）化学活性粒ＵＶ）子（及处于激发态和亚稳态粒子ＲＯＳ和ＲＮＳ等）
图１１ 放电装置示意图和该空气等离子体于指尖接触的照片
Ｆｉ．１１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅａｎｄｈｏｔｏｒａｈｏｆｔｈｅａｉｒｌａｓｍａｔｏｕｃｈｅｄｂａｆｉｎｅｒ ｇｐｇｐｐｙｇ
１４２２
高电压技术 ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ ｇｇｇｇ（）２０１１，３７６
高。当处理物中含有水分子时，等离子体就会产生它与生物体一定量的ＯＨ。ＯＨ具有较高的活性，
作用时也可能起到重要作用。此外，ＯＨ容易溶解从而起到间接作用。于水还会改变容液的ｐＨ值，）激发态和亚稳态粒子。对于各种处于激发态４
和亚稳态粒子，它们与生物体作用时又会有怎样的作用迄今为止人们对此了解还非常有限。其中一个重要的原因是对这类粒子密度测量具有很大的难度，因此也就很难了解它们与对生物体作用效果之间的关系。
２．３ 等离子体用于口腔医学
将等离子体应用到医学领域最初的工作是等离这也是迄今为止等离子体在医子体用于杀菌研究，
学上应用和研究最多的一个方向，如医疗器械的除垢消毒、皮肤病的治疗、牙齿根管治疗、手术伤口消毒等等。在不同的应用中，需要用到不同的等离子体源及不同的处理条件。研究结果表明，等离子体对于各种病菌（革兰阴氏菌、革兰阳氏菌、细菌孢子、细菌生物膜、真菌等）都具有一定的灭活能力。
等离子体灭菌的一个具有非常大潜在应用价值
图１２ 典型的电流电压曲线图及单个电流电压脉冲曲线Ｆｉ．１２ ＴｉｃａｌＩＵｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｌａｓｍａａｎｄ － ｇｙｐｐ
ａｃｌｏｓｅｌｏｏｋｏｎｔｈｅＩＵｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ －
ｏｆａｔｉｃａｌｓｉｎｌｅｕｌｓｅ ｙｐｇｐ
的领域是口腔医学领域。牙科器械的表面清洁包含以及病菌的灭活和移除等。了有机物的移除，
Ｗｈｉｔｔａｋｅｒ等人使用等离子体对牙科器械进行了清３７］
，洁［并使用扫描电镜等来确定等离子体处理前后器械表面清洁度。研究表明，器械表面的有机物被降低到仪器能够检测到的极限值。作者的课题组在口腔医学应用领域做了大量的研究工作，如牙齿根管治疗、种植体周围炎治疗等。在临床上，传统的根机械清洁、药物冲洗、激光冲洗、超声波管治疗手段（
振荡，以及使用一些抗菌药物等）并不能完全地杀死引起根管疾病的致病菌，９０％以上的根管治疗失败都是因为残留在根管内的病菌重新感染而导致的。针对牙齿的根管治疗问题，该课题组依照牙齿根管研制了一种可以直接在牙齿根管内放的结构特点，
［８］
。此电的大气压等离子体针装置，如图１３所示３
等。依其使用的工作气体及等离子体源的不同，其
］２０３６－
。在等离子体与生物体成分和含量也各不相同［
相互作用过程中，这些成分都可能起到一定的作用，下面我们对这些成分的影响效果进行简要的介绍和分析：
）紫外线。一般认为，仅通过紫外线来杀灭细１
２
／所需紫外线的功率密度应至少为几ｍＷ·菌，ｓｃｍ的量级。研究表明，对于大气压非平衡空气等离子体，通常紫外线的辐射是很弱的，它对杀灭细菌不会起主要作用。
）带电粒子。迄今为止，人们对带电粒子与生２
物体相互作用中所起的作用了解非常有限。Ｆｒｉｄ－ｍａｎ，Ｌｕ等就带电粒子所起的作用做了些初步的研究工作，结果表明带电粒子与生物体相互作用中，在
２５，２９］
。有些情况下可能起着非常重要的作用［
装置由脉冲电源驱动，依次串联１个３６ｐＦ的电容
和８而放电电极则为医用不锈钢针０ＭΩ的电阻，将其直接放入根管内放电，所产生的等离子体温头，
度为室温。这样直接在根管内部放电，就使得寿命）较短的活性粒子（如Ｒ也能起到杀菌效果，从而ＯＳ大大增强了灭菌效率。２．４ 等离子体诱导癌细胞凋亡
等离子体医学的另一类应用是利用等离子体来改变细胞的生长、繁殖特性。其中使用ＡＰＮＰ对癌细胞进行处理是近年来兴起的一个典型的这类应用。研究结果表明，适量的等离子体处理能够促进
））活性粒子。通常人们认为活性氧粒子（３ＲＯＳ
对生物体作用时起着重要的作用。不同的工作气体所产生的ＲＯＳ的种类和粒子浓度都不一样。相关研究表明，氧原子和含氧的活性粒子（Ｏ，ＯＨ，
在杀菌过程中起到了主要的作用。当Ｈ２Ｏ２等等）工作气体中混有少量的Ｏ灭菌效果会大大提２时，
卢新培．等离子体射流及其医学应用
１４２３
以及细胞表面Ｆ并使得机动蛋白ＡＫ的表达，αα２，４、
４１］
。Ｙ纤维成为扩散状［ａｎ等人通过使用大气压等离子体对各种癌细胞的处理发现，大气压等离子体射流能有效地抑制癌细胞的增殖。流式细胞术检测结果表明，等离子体处理后，癌细胞的周期被抑制在／且这部分细胞随培养时间的延长会发生Ｇ２Ｍ期，
（））凋亡，见图１图中，分别为细胞被处理０、４，ａｃ～（，（）然后培养２分别为细胞被２４０、４８０ｓ４ｈ；ｄ）ｆ～（
［２］
，。这可能是由处理０、然后培养４２４０、４８０ｓ８ｈ４于等离子体使得细胞内外的环境发生改变导致的。
３ 等离子体射流与等离子体医学研究展望
本文首先对大气压非平衡等离子体射流研究进先后介绍了一些具有代表性的以惰性气行了回顾，
。对于惰氮气和空气作为工作气体的Ｎ－Ａ体、ＰＰＪ，人们做了大量的研究工作，取得了性气体Ｎ－ＡＰＰＪ很多研究成果，等离子体射流长度有的可达十几同时气体温度还能保持常温。对于惰性气体ｃｍ，
，未来的研究主要应该集中在两个方面，一Ｎ－ＡＰＰＪ方面，是如何提高这类等离子体射流的活性，使得射流中各类活性粒子的浓度得到显著的提高，从而缩短处理时间、提高处理效率。另一方面，未来的研究这一方面还应关注如何增大Ｎ－ＡＰＰＪ的处理面积，可以通过等离子体射流阵列来完成，但如何利用射流阵列来获得均匀的处理效果是一个值得研究的课
图１３ 等离子体针装置示意图和在牙齿
根管内产生等离子体的照片
Ｆｉ．１３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｎｅｅｄｌｅｓｅｔｕａｎｄｌａｓｍａ ｇｐｐ ｈｏｔｏｒａｈｏｆｔｈｅｌａｓｍａｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｓｉｄｅａｒｏｏｔｃａｎａｌ ｐｇｐｐｇ
，现在所研制出的这题。至于氮气和空气Ｎ－ＡＰＰＪ
类射流都具有尺寸相对较小，大多数这类射流的气体温度都比较高等缺点。因此有必要针对各种具体应用，进一步开展这类射流的研究工作。
至于等离子体医学，不论是国内还是国外，等离子体医学的发展可以说才刚刚起步，但是已经获得还是与人体了诸多成就。不管是对微生物的灭活，
组织的相互作用，使用适当的方法、在合适的条件下都可以达到一定的预期效果。但是迄今为止，有关等离子体与生物体相互作用机制仍然不是很清楚，人们对各种活性成分作用于生物体时是如何起到作用的了解非常有限，如带电粒子、亚稳态粒子、激发态粒子、电场等所起的作用的了解还很少，对ＲＯＳ活性粒子中具体是哪种粒子、它在分子层面上是如人们所知道的也非常有限。此外，等何起到作用的，
离子体对各种致病微生物、癌细胞等可能产生的处理效果人们也不是非常了解。这些都有待于进一步深入研究。最后，还需要研制出适合于等离子体医学应用的各种等离子体射流装置。总之，尽管等离子体医学还面临着诸多问题，但其在临床医学上的应用前景是十分巨大的。
癌细胞凋亡，且不会对周围的正常细胞产生明显的伤害。我们知道，细胞坏死通常伴随产生胞内酶的这些都会导致炎症的快速释放和细胞破裂的产物，
发生，不利于临床应用。而在细胞凋亡过程中，细胞膜保持完整，因此不会泄露导致细胞发生炎症的胞内物质，也就不会对周围的正常细胞组织造成伤害。Ｆｒｉｄｍａｎ课题组使用一种悬浮的单电极ＤＢＤ
装置对皮肤癌细胞进行了处理，发现少剂量的等离子体能促进癌细胞的凋亡，且不会杀死周围的正常
３９］
。Ｋ细胞［ｉｍ等人研究了等离子体的气体成分及
功率对直肠癌细胞的处理效果，结果表明氧气的加入和高的等离子体功率增强了等离子体对癌细胞的
４０］
。Ｌ作用效果［ｅｅ等人使用射频大气压等离子体
射流研究了等离子体对Ｇ３６１黑素瘤细胞黏附分子的处理效果。结果表明等离子体处理可以导致细胞从基底脱落，诱导黑素瘤细胞的死亡，抑制整合蛋白
１４２４
高电压技术 ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ ｇｇｇｇ（）２０１１，３７６
图１４ 细胞ＤＮＡ内容直方图
Ｆｉ．１４ ＣｅｌｌｕｌａｒＤＮＡｃｏｎｔｅｎｔｈｉｓｔｏｒａｍｓｓｈｏｗｉｎｔｈｅｃｅｌｌｃｃｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｈａｓｅ ｇｇｇｙｐ
ｏｆＨｅＧ２ｃｅｌｌｓｆｏｌｌｏｗｉｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｓａｏｔｏｓｉｓｌａｓｍａ ｐｇｐｐｐ
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，２ｈｅｒｉｃｒｅｓｓｕｒｅｌａｓｍａ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌＥｎｄｏｄ００９，３５：５８７ －ｐｐｐ５９１．
［］２７ＬａｒｏｕｓｓｉＭ，ＲｉｃｈａｒｄｓｏｎＪＰ，ＤｏｂｂｓＦＣ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎｏｎｅｕｉｌｉｂ －ｑ
ｒｉｕｍａｔｍｏｓｈｅｒｉｃｒｅｓｓｕｒｅｌａｓｍａｓｏｎｔｈｅｈｅｔｅｒｏｔｒｏｈｉｃａｔｈ －ｐｐｐｐｐ
ｗａｓｏｆｂａｃｔｅｒｉａａｎｄｏｎｔｈｅｉｒｃｅｌｌｍｏｒｈｏｌｏＪ］．Ａｌｉｅｄ ｙｐｇｙ［ｐｐ，（）：ＰｈｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ２００１，８１４７７２７７４． －ｙ［］２８ＬａｒｏｕｓｓｉＭ，ＭｉｎａｅｖａＯ，ＤｏｂｂｓＦＣ．Ｓｏｒｅｓｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔａｆ －ｙｐｙ
］ｔｅｒｅｘｏｓｕｒｅｔｏｌｏｗｔｅｍｅｒａｔｕｒｅＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｌａｓｍａｓ［ － －ｐｐｐ，（）：ｔｉｏｎｓｏｎＰｌａｓｍａＳｃｉｅｎｃｅ３４４１２５３１２５６． －
［］Ｆ２９ｒｉｄｍａｎＧ，ＢｒｏｏｋｓＡ Ｄ．Ｃｏｍａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｒｅｃｔａｎｄｉｎｄｉｒｅｃｔ ｐ
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．－
卢新培
男，博士，长江学者特聘教授，１９７１—，ＩＥＥＥ高级会员
２００２０１于华中科技大学毕业获博士学位后－
到美国作访问学者，从事等离子体医学方面的研究。２００７０９起受聘为华中科技大学长－江学者特聘教授。主要科学研究领域包括低温等离子体源、等离子体诊断、气体放电、
ＬＵ Ｘｉｎｅｉ－ｐ
，Ｐｈ．Ｄ．Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ
等离子体和脉冲功率技术在环境及生物医学等方面的应用等。从２００７起一直担任
（的分会主席。现为ＴＩＣＯＰＳＩＥＥＥ等离子体科学国际会议）ｒａｎｓａｃ－
（。多次在国际会客座编辑）ｔｉｏｎｓｏｎＰｌａｓｍａＳｃｉｅｎｃｅ的ＧｕｅｓｔＥｄｉｔｏｒ ，议上作特邀报告。担任ＡｌｉｅｄＰｈｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｓｉｃｓ ｐｐｙｙ
Ｄ：ＡｌｉｅｄＰｈｓｉｃｓ等１０多个英文期刊的评审人。在国际期刊上发 ｐｐｙ表Ｓ专利６项ＣＩ学术论文４０多篇，：Ｅ－ｍａｉｌｌｕｘｉｎｅｉｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ＠ｈｐ
收稿日期 ２０１１０４１５０１１０５２８－－ 修回日期 ２－－ 编辑 曹昭君