大气压低温等离子体射流的组织穿透机制及其液相化学反应影响因素探究

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随着低温等离子体技术的发展,研究者们研发了许多大气压低温等离子体发生装置。大气压等离子体射流(Atmosphere Pressure Plasma Jets,APPJs)装置由于其人体接触安全、无灼热感和电击感,且等离子体产生在开放空间中,不受空间尺寸限制。因此在生物医学领域具有很大的应用前景。本文就大气压低温等离子体射流与生物液体环境交互时的反应机理进行探究,通过使用不同厚度猪肌肉组织作为生物组织模型,并测量肌肉组织下模拟生物体液环境的6种不同成分接收液中活性氮氧粒子(Reactive Nitrogen Oxygen Species,RONS)的浓度,来研究等离子体活性粒子穿透生物组织时的穿透机制;除此以外,为了更接近真实生物体液环境,通过调控液体环境中溶解的气体组分研究其对空气APPJs液相活性产物的影响;最后,为进一步探究APPJs液相活性粒子的调控方法,采用脉冲直流源耦合交流源的方式驱动APPJs,通过调节两种电源耦合方式调控液相环境活性粒子浓度。通过研究得出了以下几个方面的工作。
  (1)探究了液体组分和组织厚度对等离子体射流产生长寿命氮氧活性粒子渗透的影响。结果发现随着组织厚度增加,穿透组织的活性粒子浓度减少,但都可以穿透500μm厚度肌肉组织。溶液中有机组分较相同条件下的无机组分会提高活性粒子浓度。在500μm组织厚度下,有机组接收液中过氧化氢浓度高于双蒸水(两次蒸馏后得到的水)中浓度。血清接收液中的硝酸根和亚硝酸根浓度远高于另外几种液体中的浓度。
  (2)通过用实验室自制的直流驱动空气等离子体阵列装置处理5种含不同气体成分(空气、无气、氮气、氧气、二氧化碳)的双蒸水,测量处理后溶液中活性粒子浓度,并系统分析了溶解的不同气体如何影响活性粒子浓度。结果显示CO2本身及其溶解产生的H+会直接或间接影响各种活性粒子的生成,溶解氧也会作为反应的中间产物或最终产物参与大部分的化学反应。而氮气也可通过与氧气产生NO参与到多个液相化学反应中去。
  (3)通过调控施加在等离子体发生装置电极上脉冲直流电源和交流电源的相差,改变双电源所接电极相对位置以及调整脉冲直流电源脉宽三个方面探究了耦合双电源操作参数对等离子体液相活性粒子浓度的影响。结果显示当选择交流源接针电极,短脉宽(1μs)直流源接环电极,且直流源滞后交流源270°的连接方式有利于溶液中过氧化氢、氢离子和硝酸根离子的产生;而交流源接环电极,直流源接针电极,直流源滞后交流源90°会更有利于亚硝酸根离子产生。
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