大气压低温等离子体射流离化波在生物介质表面传输研究

Atmospheric pressure non-equilibrium plasmas have been widely studied for bacterial inactivation and material modification applications due to its unique advantages, such as abundant active species, flexible operation and low gas temperature. In this project, atmospheric pressure high density diffuse discharge plasma is driven by a nanosecond pulse power source. The interaction mechanism between the plasma generated ionization wave and material surface. The current density of ionization wave is obtained using voltage and current measurement technology and ICCD fast imaging technology. The electric characteristics of interactions between ionization wave and material surface are systematically analyzed and the dynamical model of the interactions between ionization wave and material surface is built. The effects of discharge parameters, electrode structure, gas composition on the transmission characteristic of ionization wave and the time and space distribution of plasma generated reactive species will be studied using time and space resolved emission spectra. The physical and chemical processes between the reactive species and material surface will be determined. And the sterilization mechanism resulted by the plasma generated reactive species will be achieved. The theoretical reference and technical guidance would be provided a clue to optimize the design of plasma medical equipments.

大气压低温等离子射流具有产生活性物种丰富、操作简单、放电气体温度接近室温等特点，在生物杀菌与材料表面改性等应用领域展现出其特有的优势，其表面作用机理受到专家学者们的重点关注。本项目通过直流脉冲电源驱动射流等离子体源产生大气压高密度均匀放电等离子体，研究等离子体形成离化波与材料表面的作用机制。利用电压探测技术、电流探测技术、ICCD快速成像技术等技术手段，实现等离子体离化波电流密度诊断研究，分析等离子体离化波与材料表面相互作用的电学特性，建立离化波作用材料表面动力学模型。利用发射光谱、时间空间分辨技术，研究放电参数、电极结构、气体成分等要素对等离子体离化波传输特性和放电活性物种时间空间分布规律的影响，分析离化波产生活性物种与材料表面间作用的物理化学过程，并分析其在杀菌消毒应用中的作用机制，为等离子体医疗器械表面杀菌消毒等设备的研发提供理论基础和技术指导。

大气压非平衡等离子体射流的产生方法简单，不需要昂贵的真空系统。因此其在材料表面改性、生物医学、废气处理、污水净化等领域有广泛的应用。由于等离子体射流温度与环境温度基本一致，所以在温度敏感材料（如生物材料）表面处理方面具有潜在的应用价值。本项主要研究等离子体射流中离化波的传输与其在材料表面的作用机制。利用电学测量、纳秒时空分辨技术及数值模拟等手段，研究了低温等离子体离化波在大气环境中与生物介质表面从接触-扩散-反应-淬灭的过程。深入研究等离子体离化波与生物介质相互作用的物理与化学过程，分析离化波产生的活性物种导致生物细胞凋亡的主要因素。探究活性物种与细胞膜、DNA 等反应机制。项目的研究结果在大气压低温等离子体技术在生物杀菌、等离子体美容、材料介质表面改性等应用中具有一定的指导意义。本项目利用时空分辨技术和光谱诊断技术对等离子体离化波和活性氧的相对量（OH和O）进行了比较。我们的测量结果表明，靶材的介质属性可以显著影响等离子体离化波的传速度播和强度。此外，还检测到当等离子体离化波撞击潮湿的介质表面时，会产生更多OH自由基。并且通过数值模拟解释了实验结果。模拟结果发现等离子体离化波传播速度与实验结果吻合较好。仿真结果表明，等离子体离化波传播速度与强度主要取决于高压电极尖端与靶材料之间的电场强度。高压电极尖端与靶材料之间的电场强度发生变化就会影响等离子体离化波的传播特性和活性氧的产生密度（OH和O），以及相应的杀菌效率。