低溫等離子體簡介

等離子體是指電離度大于0.1%，且其正負電荷相等的電離氣體。它是由大量的電子、離子、中性原子、激發(fā)態(tài)原子、光子和自由基等組成，電子和正離子的電荷數(shù)相等，整體表現(xiàn)出電中性，它不同與物質(zhì)的三態(tài)(固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài))，是物質(zhì)存在的第四種形態(tài)。

其主要特征是:

1、帶電粒子之間不存在凈庫侖力;

2、它是一種優(yōu)良導電流體，利用這一特征已實現(xiàn)磁流體發(fā)電;

3、帶電粒子間無凈磁力;

4、電離氣體具有一定的熱效應(yīng)。

根據(jù)體系能量狀態(tài)、溫度和離子密度，等離子體通?？梢苑譃楦邷氐入x子體和低溫等離子體。前者的電離度接近1，各種粒子溫度幾乎相同，體系處于熱力學平衡狀態(tài)，溫度一般在5×104K以上，主要應(yīng)用于受控熱核反應(yīng)研究方面;而后者各種粒子溫度并不相同，電子的溫度遠遠大于離子的溫度，系統(tǒng)處于熱力學非平衡狀態(tài)，體系在宏觀上溫度較低，一般氣體放電產(chǎn)生的等離子體都屬于這一類型，其與現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)關(guān)系更為密切。

低溫等離子體的電離率較低，電子溫度遠高于離子溫度，離子溫度甚至可與室溫相當。所以低溫等離子體是非熱平衡等離子體。低溫等離子體中存在著大量的、種類繁多的活性粒子，比通常的化學反應(yīng)所產(chǎn)生的活性粒子種類更多、活性更強，更易于和所接觸的材料表面發(fā)生反應(yīng)，因此它們被用來對材料表面進行改性處理。

與傳統(tǒng)的方法相比，等離子體表面處理具有成本低、無廢棄物、無污染等顯著的優(yōu)點，同時可以得到傳統(tǒng)的化學方法難以達到的處理效果。20世紀七八十年代起，等離子體在對金屬、微電子、聚合物、生物功能材料、低溫滅菌及污染治理等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用研究開始蓬勃發(fā)展，形成向多學科交叉的研究方向。

早期的大部分工作主要集中在低氣壓低溫等離子體環(huán)境下的等離子體表面改性研究，為了工業(yè)應(yīng)用的便利和廉價。最近幾年來，大氣壓非平衡等離子體發(fā)生技術(shù)及其應(yīng)用是目前備受關(guān)注的熱點，涉及應(yīng)用領(lǐng)域也非常寬廣。

低溫等離子消融術(shù)

低溫等離子射頻消融術(shù)(Coblation)是一種切割、止血、消融、沖洗及吸引等多種功能為一體的手術(shù)技術(shù)，該技術(shù)可運用等離子低溫消融系統(tǒng)可快速對病變組織和增生組織進行消融，并保持局部黏膜組織結(jié)構(gòu)的安全性，有效的減輕術(shù)后的水腫和疼痛。近年來被廣泛應(yīng)用于鼻部、咽喉部、耳部等組織病變增生的治療中，并顯示出了其獨特的治療優(yōu)勢。

1、Coblation的發(fā)展

Coblation技術(shù)最早起源于美國軍方的等離子技術(shù)，主要用于有關(guān)核能和宇宙電離子的研究，1998年美國FDA(食品藥品監(jiān)督管理局)批準將射頻消融術(shù)(FDA)應(yīng)用于上呼吸道阻塞性睡眠呼吸疾病的治療中，并取得了顯著的效果。

2000年美國FDA批準等離子低溫射頻消融術(shù)(Coblation)應(yīng)用于臨床，首先開始在骨科的關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中開始應(yīng)用，隨著醫(yī)學的不斷進步，開始在扁桃體，腺體樣切除，舌根、軟腭、鼻甲的消融，咽喉部的腫瘤切除術(shù)等耳鼻喉外科外被廣泛應(yīng)用。

2、Coblation 的原理

Coblation的工作原理是利用雙射頻產(chǎn)生的能量，將電解液轉(zhuǎn)化成為等離子薄體，等離子體重的帶電粒子層被快速加速，快速解離靶組織中的分子鍵，將其分解為碳水化合物和氧化物，形成組織的凝固和壞死，以達到消融和切割的效果。

另外可通過電壓對射頻器予以調(diào)節(jié)，使其以低能量進行輸出，工作時只限于靶組織的表層，以較低的溫度(40℃～70℃)對組織進行切除，減少了對周邊組織的熱損傷，在切除病變組織的同時可進行快速的止血和吸引。

3、Coblation 在耳鼻喉部的應(yīng)用

Coblation在咽喉部的應(yīng)用：

扁桃體切除術(shù)主要是適用于慢性扁桃體反復(fù)急性發(fā)作、扁桃體周圍膿腫史、扁桃體肥大。各種扁桃體良性腫瘤及因扁桃體造成的分濕熱、腎炎、關(guān)節(jié)炎等患者。臨床常見的扁桃體切除術(shù)主要有扁桃體全切、囊內(nèi)全切、部分切除及單純打孔消融術(shù)。

扁桃體全切術(shù)主要是用Coblation從包膜外部將扁桃體全部切除，在使用Coblation對扁桃體進行切除時需要分離被膜和止血，在這一過程中容易造成咽側(cè)肌的損傷，另外扁桃體被膜外的周圍隙中具有較多的血管，在進行扁桃體全切術(shù)時，要注意對血管和咽側(cè)肌保護。

扁桃體囊內(nèi)全切需要保留扁桃體被膜，在行扁桃體囊內(nèi)全切術(shù)時Coblation要緊貼扁桃體實質(zhì)外緣。扁桃體部分切除術(shù)主要是對扁桃體的部分進行切除，達到擴大咽腔的目的，在使用Coblation時要注意是殘留的扁桃體邊緣保持光滑和整齊。使用Coblation進行以上喉部手術(shù)時均具有出血少、疼痛輕、術(shù)后患者的可更快的恢復(fù)的優(yōu)點。

Coblation在腺體切除術(shù)中的應(yīng)用：

Coblation腺體切除術(shù)主要使用腺體肥大者，其是手術(shù)方法是將導管從一側(cè)的鼻腔內(nèi)導入，在鼻內(nèi)窺鏡下對進行腺體消融術(shù)，該手術(shù)方法使用鼻內(nèi)窺鏡可或者清晰的手術(shù)操作視野，對腺體組織進行更徹底的切除以減少復(fù)發(fā)。

與傳統(tǒng)的腺體搔刮術(shù)相比，Coblation可減少對鼻腔黏膜的損傷，在王宏偉等學者的研究中使用Coblation治療的兒童鼾癥的效果好，術(shù)后而兒童的恢復(fù)快。值得注意的是使用Coblation進行腺體消融術(shù)是消融深度不要超過筋膜層，以免造成止血苦難的情況。

Coblation鼻部手術(shù)中的應(yīng)用：

Coblation在鼻部手術(shù)中可用于治療頑固鼻出血、鼻甲消融術(shù)、鼻腔粘連和鼻部的先天性疾病。在頑固鼻出血中主要是在鼻內(nèi)鏡引導下應(yīng)用ArthroCare45號或者8870號等離子刀進行電凝燒灼止血，手術(shù)操作簡單，費用低，且效果好。

Coblation鼻甲消融術(shù)在局部麻醉下應(yīng)用45號刀頭在鼻甲粘膜下完成，可完整的保持鼻甲黏膜的的形態(tài)，對于治療變應(yīng)性鼻炎、血管運動性鼻炎和肥厚型鼻炎引起的下鼻甲肥厚效果顯著。在鼻腔粘連中主要是對黏連部位進行分離，在對粘連部位進行切割時可將周圍組織的損傷降到最小，且避免傳統(tǒng)手術(shù)術(shù)后再次粘連成瘢痕組織的缺點。Coblation在治療先天性鼻部手術(shù)中主要是適于先天性鼻孔閉鎖，主要是在鼻內(nèi)鏡引導下清除患者的閉鎖組織，恢復(fù)鼻腔通氣。

Coblation在早期喉癌中的應(yīng)用：

Coblation在早期喉癌中主要適用于早期聲門型喉癌的治療，由于早期聲門型的喉癌趨向于微創(chuàng)治療，Coblation可較大程度的切除腫瘤組織并保留喉癌功能。在張慶豐學者的研究中對36例早期聲門型喉癌患者使用Coblation治療，結(jié)果顯示患者術(shù)后無呼吸苦難、遲發(fā)型出血等并發(fā)癥且患者的聲音恢復(fù)比較滿意。

低溫等離子體殺菌消毒技術(shù)的應(yīng)用

1、低溫等離子體殺菌消毒的基本作用機理

等離子體主要是指對物質(zhì)不斷施加外部能量，從而將物質(zhì)分解陽電荷、陰電荷兩種不同的粒子狀態(tài)。如果是中低壓情況下，較重的等離子體質(zhì)量粒子的溫度，相對于電子的數(shù)量級會低一個，這種等離子顯示器體也就是冷等離子體，也被稱為低溫等離子體。目前，仍然沒有詳細說明低溫等離子體具體的殺菌消毒機理。

但是根據(jù)大多數(shù)學者的研究報道，殺菌消毒機理主要可分為以下3種說法：

①形成等離子體的過程中，會產(chǎn)生大量的紫外線對微生物的基因物質(zhì)具有直接破壞作用。

②等離子體中存在的活性物質(zhì)可以和微生物體中的核酸、蛋白質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，可以直接破壞微生物及微生物的生存能力。

③紫外光子的光解作用可以將微生物分子化學鍵打破，并且生成CHx、CO等具有揮發(fā)性的化合物。

也有很多學者經(jīng)臨床實踐研究表明，等離子體殺滅細菌的作用機制可能是由于以上多種原因共同作用所致。

2、低溫等離子體殺菌消毒技術(shù)的應(yīng)用

低溫等離子體消毒技術(shù)的優(yōu)勢非常突出，基本集中了其他多種殺菌消毒技術(shù)的各種優(yōu)勢，比如該技術(shù)和干熱滅菌、高壓蒸汽滅菌相比而言，消毒滅菌的時間消耗更短。和化學滅菌方法相較而言，具有低溫的優(yōu)勢，可以在多種物品、材料中應(yīng)用。尤其是將電源切斷后，各種活性粒子可以快速消失，只有數(shù)豪秒鐘時間，并不需要特意通風，對操作人員也不會造成任何傷害，因此更加安全可靠，值得廣泛推廣。

傳統(tǒng)的殺菌消毒效果并不理想，低溫等離子體殺菌消毒技術(shù)更能夠滿足現(xiàn)代各種產(chǎn)品的消毒需求。具體而言，體現(xiàn)在以下幾個方面：

①熱敏器械。通過射頻電源可以激發(fā)H2O2氣體或空氣生成低溫等離子體，可以殺菌消毒各種不耐高溫、高壓的熱敏類器械。比如輸液瓶或其他硅橡膠、塑料制成的器械等?？梢栽诘入x子體反應(yīng)器中將其放置在平行電極間使氣體放電，這樣可以消毒器械內(nèi)外表面，若加入消毒劑進行微波汽化有利于提高殺菌效果。

②金屬器械消毒。通過低溫等離子技術(shù)對沖洗機、環(huán)形鋸、鋼剪等進行殺菌消毒可有效避免燒灼器械的損壞。由于很多金屬器械的形狀并不規(guī)則，不能在等離子體反應(yīng)器中放置在平行電極間，可以采用遠程等離子體消毒技術(shù)，不僅可以殺滅金屬器械表面的細菌，也可以防止蝕刻作用對器械的破壞。

③電子探頭傳感器消毒。帶有電子探頭的傳感器在細胞培養(yǎng)、生化監(jiān)測、醫(yī)用監(jiān)測中常常被應(yīng)用，這種類型醫(yī)療器械對于殺菌消毒的要求非常高，而且需要注意在殺菌過程中也許會由于損壞這種靈敏元件的感應(yīng)膜對其功能有所影響，因此殺菌消毒的難度較大。

④小型反復(fù)使用的醫(yī)用制品消毒。在臨床治療過程中，常常會使用繃帶、易碎容器等小型醫(yī)用制品，由于使用頻率較高，而且應(yīng)用范圍較廣，因此需要在使用這些醫(yī)用用品后，快速、及時的進行殺菌消毒，并且要求消毒的效果較好。

⑤醫(yī)用生物材料消毒。能夠修復(fù)或者取代活組織的人造材料或者天然材料也即是醫(yī)用生物材料。醫(yī)用生物材料只有植入生物體后，沒有發(fā)生免疫反應(yīng)、過敏反應(yīng)或者凝血、致癌等情況，才會和生物體融合、協(xié)調(diào)達到生物相容性。

低溫等離子體技術(shù)在空氣污染控制中應(yīng)用

1、低溫等離子體對污染物分解的原理分析

很多離子，電子和活性基存在于低溫等離子體中，這些粒子的化學活性較高，能夠發(fā)生活化能化學反應(yīng)。有些污染物通過常規(guī)方法很難去除，可以通過低溫等離子技術(shù)轉(zhuǎn)化。

低溫等離子體凈化是通過高能電子發(fā)生碰撞，對能量進行轉(zhuǎn)化，通過離析，激發(fā)和電離等方法使氣體保持活化狀態(tài)。如果電子能量不高，有活性自由基產(chǎn)生，污染物分子經(jīng)過活化，通過化學反應(yīng)將污染物脫除。如果電子超過污染物分子化學鍵結(jié)合能，會斷裂分子鍵，分解污染物，可能有各種化學反應(yīng)發(fā)生于低溫等離子體中，主要由氣體溫度，電子密度和污染物氣體分子濃度決定。

2、低溫等離子技術(shù)應(yīng)用于空氣污染控制

煙氣中含有的污染物較多，包括顆粒物，NOx和SO2，在實際凈化過程中可以應(yīng)用等離子法。很多專家已經(jīng)開始研究脫氮，煙氣脫硫和除塵等一體化系統(tǒng)的可行性。

1985年技術(shù)人員專門研究在脈沖放電廠中脫除NOx和SO2的方法，反應(yīng)器中的自由基發(fā)生氧化。如果氣體含有堿性物質(zhì)，發(fā)生異相反應(yīng)生成液體，并脫除這些液體。脈沖放電可以提高飛灰粒子的荷質(zhì)，對反電暈產(chǎn)生抑制，有較高的除塵效率。從理論上表明脫氮，脫硫和除塵的一體化過程，也有一體化操作裝置。

脈沖電暈放電等離子處理煙氣的實驗，可以脫除煙氣中的二氧化硫，通過定向作用，分解為氮氣，氧氣和單質(zhì)固體微粒，分解率可以達到80%以上。技術(shù)人員通過脈沖可以氧化NOx和SO2，使其形成相應(yīng)的酸。技術(shù)人員將氨添加其中，產(chǎn)生硝銨和硫銨。

技術(shù)人員通過脈沖放電煙氣除塵，將二氧化硫進行脫除。如果煙氣在反應(yīng)器中停留時間較短，水蒸氣和灰飛結(jié)合，可以對NOx和SO2進行脫除，脫除率分別是33%和23%。根據(jù)實際煙氣條件，如果煙氣溫度不高，可以通過等離子法處理，取得的處理效果也比較好。如果存在灰飛現(xiàn)象，脈沖放電可以有效去除二氧化硫。

3、對溫室氣體和難降解物質(zhì)進行處理

近些年，技術(shù)人員不斷拓寬等離子體法的應(yīng)用范圍，應(yīng)用研究主要集中在溫室氣體效應(yīng)的處理方面。

技術(shù)人員對溫室效應(yīng)氣體控制的過程中，可以通過超高壓脈沖電暈放電，產(chǎn)生較高能量。低溫等離子氣體向二氧化碳氣體分子作用時，會斷裂二氧化碳分子化學鍵。通過定向化學反應(yīng)，對二氧化碳氣體進行分解，使其形成單質(zhì)固體微粒碳和氧氣，達到90%的分解率，通過新技術(shù)方便溫室效應(yīng)氣體的治理。