低温等离子体的应用

低温等离子体简介

　　等离子体是指电离度大于0.1%，且其正负电荷相等的电离气体。它是由大量的电子、离子、中性原子、激发态原子、光子和自由基等组成，电子和正离子的电荷数相等，整体表现出电中性，它不同与物质的三态(固态、液态和气态)，是物质存在的第四种形态。

　　其主要特征是:

　　1、带电粒子之间不存在净库仑力;

　　2、它是一种优良导电流体，利用这一特征已实现磁流体发电;

　　3、带电粒子间无净磁力;

　　4、电离气体具有一定的热效应。

　　根据体系能量状态、温度和离子密度，等离子体通常可以分为高温等离子体和低温等离子体。前者的电离度接近1，各种粒子温度几乎相同，体系处于热力学平衡状态，温度一般在5×10⁴K以上，主要应用于受控热核反应研究方面;而后者各种粒子温度并不相同，电子的温度远远大于离子的温度，系统处于热力学非平衡状态，体系在宏观上温度较低，一般气体放电产生的等离子体都属于这一类型，其与现代工业的生产关系更为密切。

　　低温等离子体的电离率较低，电子温度远高于离子温度，离子温度甚至可与室温相当。所以低温等离子体是非热平衡等离子体。低温等离子体中存在着大量的、种类繁多的活性粒子，比通常的化学反应所产生的活性粒子种类更多、活性更强，更易于和所接触的材料表面发生反应，因此它们被用来对材料表面进行改性处理。

　　与传统的方法相比，等离子体表面处理具有成本低、无废弃物、无污染等显著的优点，同时可以得到传统的化学方法难以达到的处理效果。20世纪七八十年代起，等离子体在对金属、微电子、聚合物、生物功能材料、低温灭菌及污染治理等诸多领域的应用研究开始蓬勃发展，形成向多学科交叉的研究方向。

　　早期的大部分工作主要集中在低气压低温等离子体环境下的等离子体表面改性研究，为了工业应用的便利和廉价。Z近几年来，大气压非平衡等离子体发生技术及其应用是目前备受关注的热点，涉及应用领域也非常宽广。

低温等离子消融术

　　低温等离子射频消融术(Coblation)是一种切割、止血、消融、冲洗及吸引等多种功能为一体的手术技术，该技术可运用等离子低温消融系统可快速对病变组织和增生组织进行消融，并保持局部黏膜组织结构的安全性，有效的减轻术后的水肿和疼痛。近年来被广泛应用于鼻部、咽喉部、耳部等组织病变增生的ZL中，并显示出了其独特的ZL优势。

　　1、Coblation的发展

　　Coblation技术Z早起源于美国军方的等离子技术，主要用于有关核能和宇宙电离子的研究，1998年美国FDA(食品药品监督管理局)批准将射频消融术(FDA)应用于上呼吸道阻塞性睡眠呼吸疾病的ZL中，并取得了显著的效果。

　　2000年美国FDA批准等离子低温射频消融术(Coblation)应用于临床，首先开始在骨科的关节镜手术中开始应用，随着医学的不断进步，开始在扁桃体，腺体样切除，舌根、软腭、鼻甲的消融，咽喉部的肿瘤切除术等耳鼻喉外科外被广泛应用。

　　2、Coblation 的原理

　　Coblation的工作原理是利用双射频产生的能量，将电解液转化成为等离子薄体，等离子体重的带电粒子层被快速加速，快速解离靶组织中的分子键，将其分解为碳水化合物和氧化物，形成组织的凝固和坏死，以达到消融和切割的效果。

　　另外可通过电压对射频器予以调节，使其以低能量进行输出，工作时只限于靶组织的表层，以较低的温度(40℃～70℃)对组织进行切除，减少了对周边组织的热损伤，在切除病变组织的同时可进行快速的止血和吸引。

　　3、Coblation 在耳鼻喉部的应用

　　Coblation在咽喉部的应用：

　　扁桃体切除术主要是适用于慢性扁桃体反复急性发作、扁桃体周围脓肿史、扁桃体肥大。各种扁桃体良性肿瘤及因扁桃体造成的分湿热、肾炎、关节炎等患者。临床常见的扁桃体切除术主要有扁桃体全切、囊内全切、部分切除及单纯打孔消融术。

　　扁桃体全切术主要是用Coblation从包膜外部将扁桃体全部切除，在使用Coblation对扁桃体进行切除时需要分离被膜和止血，在这一过程中容易造成咽侧肌的损伤，另外扁桃体被膜外的周围隙中具有较多的血管，在进行扁桃体全切术时，要注意对血管和咽侧肌保护。

　　扁桃体囊内全切需要保留扁桃体被膜，在行扁桃体囊内全切术时Coblation要紧贴扁桃体实质外缘。扁桃体部分切除术主要是对扁桃体的部分进行切除，达到扩大咽腔的目的，在使用Coblation时要注意是残留的扁桃体边缘保持光滑和整齐。使用Coblation进行以上喉部手术时均具有出血少、疼痛轻、术后患者的可更快的恢复的优点。

　　Coblation在腺体切除术中的应用：

　　Coblation腺体切除术主要使用腺体肥大者，其是手术方法是将导管从一侧的鼻腔内导入，在鼻内窥镜下对进行腺体消融术，该手术方法使用鼻内窥镜可或者清晰的手术操作视野，对腺体组织进行更彻底的切除以减少复发。

　　与传统的腺体搔刮术相比，Coblation可减少对鼻腔黏膜的损伤，在王宏伟等学者的研究中使用CoblationZL的儿童鼾症的效果好，术后而儿童的恢复快。值得注意的是使用Coblation进行腺体消融术是消融深度不要超过筋膜层，以免造成止血苦难的情况。

　　Coblation鼻部手术中的应用：

　　Coblation在鼻部手术中可用于ZL顽固鼻出血、鼻甲消融术、鼻腔粘连和鼻部的先天性疾病。在顽固鼻出血中主要是在鼻内镜引导下应用ArthroCare45号或者8870号等离子刀进行电凝烧灼止血，手术操作简单，费用低，且效果好。

　　Coblation鼻甲消融术在局部麻醉下应用45号刀头在鼻甲粘膜下完成，可完整的保持鼻甲黏膜的的形态，对于ZL变应性鼻炎、血管运动性鼻炎和肥厚型鼻炎引起的下鼻甲肥厚效果显著。在鼻腔粘连中主要是对黏连部位进行分离，在对粘连部位进行切割时可将周围组织的损伤降到Z小，且避免传统手术术后再次粘连成瘢痕组织的缺点。Coblation在ZL先天性鼻部手术中主要是适于先天性鼻孔闭锁，主要是在鼻内镜引导下清除患者的闭锁组织，恢复鼻腔通气。

　　Coblation在早期喉癌中的应用：

　　Coblation在早期喉癌中主要适用于早期声门型喉癌的ZL，由于早期声门型的喉癌趋向于微创ZL，Coblation可较大程度的切除肿瘤组织并保留喉癌功能。在张庆丰学者的研究中对36例早期声门型喉癌患者使用CoblationZL，结果显示患者术后无呼吸苦难、迟发型出血等并发症且患者的声音恢复比较满意。

低温等离子体杀菌消毒技术的应用

　　1、低温等离子体杀菌消毒的基本作用机理

　　等离子体主要是指对物质不断施加外部能量，从而将物质分解阳电荷、阴电荷两种不同的粒子状态。如果是中低压情况下，较重的等离子体质量粒子的温度，相对于电子的数量级会低一个，这种等离子显示器体也就是冷等离子体，也被称为低温等离子体。目前，仍然没有详细说明低温等离子体具体的杀菌消毒机理。

　　但是根据大多数学者的研究报道，杀菌消毒机理主要可分为以下3种说法：

　　①形成等离子体的过程中，会产生大量的紫外线对微生物的基因物质具有直接破坏作用。

　　②等离子体中存在的活性物质可以和微生物体中的核酸、蛋白质发生化学反应，可以直接破坏微生物及微生物的生存能力。

　　③紫外光子的光解作用可以将微生物分子化学键打破，并且生成CH_x、CO等具有挥发性的化合物。

　　也有很多学者经临床实践研究表明，等离子体杀灭细菌的作用机制可能是由于以上多种原因共同作用所致。

　　2、低温等离子体杀菌消毒技术的应用

　　低温等离子体消毒技术的优势非常突出，基本集中了其他多种杀菌消毒技术的各种优势，比如该技术和干热灭菌、高压蒸汽灭菌相比而言，消毒灭菌的时间消耗更短。和化学灭菌方法相较而言，具有低温的优势，可以在多种物品、材料中应用。尤其是将电源切断后，各种活性粒子可以快速消失，只有数豪秒钟时间，并不需要特意通风，对操作人员也不会造成任何伤害，因此更加安全可靠，值得广泛推广。

　　传统的杀菌消毒效果并不理想，低温等离子体杀菌消毒技术更能够满足现代各种产品的消毒需求。具体而言，体现在以下几个方面：

　　①热敏器械。通过射频电源可以激发H₂O₂气体或空气生成低温等离子体，可以杀菌消毒各种不耐高温、高压的热敏类器械。比如输液瓶或其他硅橡胶、塑料制成的器械等。可以在等离子体反应器中将其放置在平行电极间使气体放电，这样可以消毒器械内外表面，若加入消毒剂进行微波汽化有利于提高杀菌效果。

　　②金属器械消毒。通过低温等离子技术对冲洗机、环形锯、钢剪等进行杀菌消毒可有效避免烧灼器械的损坏。由于很多金属器械的形状并不规则，不能在等离子体反应器中放置在平行电极间，可以采用远程等离子体消毒技术，不仅可以杀灭金属器械表面的细菌，也可以防止蚀刻作用对器械的破坏。

　　③电子探头传感器消毒。带有电子探头的传感器在细胞培养、生化监测、医用监测中常常被应用，这种类型YL器械对于杀菌消毒的要求非常高，而且需要注意在杀菌过程中也许会由于损坏这种灵敏元件的感应膜对其功能有所影响，因此杀菌消毒的难度较大。

　　④小型反复使用的医用制品消毒。在临床ZL过程中，常常会使用绷带、易碎容器等小型医用制品，由于使用频率较高，而且应用范围较广，因此需要在使用这些医用用品后，快速、及时的进行杀菌消毒，并且要求消毒的效果较好。

　　⑤医用生物材料消毒。能够修复或者取代活组织的人造材料或者天然材料也即是医用生物材料。医用生物材料只有植入生物体后，没有发生免疫反应、过敏反应或者凝血、致癌等情况，才会和生物体融合、协调达到生物相容性。

低温等离子体技术在空气污染控制中应用

　　1、低温等离子体对污染物分解的原理分析

　　很多离子，电子和活性基存在于低温等离子体中，这些粒子的化学活性较高，能够发生活化能化学反应。有些污染物通过常规方法很难去除，可以通过低温等离子技术转化。

　　低温等离子体净化是通过高能电子发生碰撞，对能量进行转化，通过离析，激发和电离等方法使气体保持活化状态。如果电子能量不高，有活性自由基产生，污染物分子经过活化，通过化学反应将污染物脱除。如果电子超过污染物分子化学键结合能，会断裂分子键，分解污染物，可能有各种化学反应发生于低温等离子体中，主要由气体温度，电子密度和污染物气体分子浓度决定。

　　2、低温等离子技术应用于空气污染控制

　　烟气中含有的污染物较多，包括颗粒物，NO_x和SO₂，在实际净化过程中可以应用等离子法。很多专家已经开始研究脱氮，烟气脱硫和除尘等一体化系统的可行性。

　　1985年技术人员专门研究在脉冲放电厂中脱除NO_x和SO₂的方法，反应器中的自由基发生氧化。如果气体含有碱性物质，发生异相反应生成液体，并脱除这些液体。脉冲放电可以提高飞灰粒子的荷质，对反电晕产生YZ，有较高的除尘效率。从理论上表明脱氮，脱硫和除尘的一体化过程，也有一体化操作装置。

　　脉冲电晕放电等离子处理烟气的实验，可以脱除烟气中的二氧化硫，通过定向作用，分解为氮气，氧气和单质固体微粒，分解率可以达到80%以上。技术人员通过脉冲可以氧化NO_x和SO₂，使其形成相应的酸。技术人员将氨添加其中，产生硝铵和硫铵。

　　技术人员通过脉冲放电烟气除尘，将二氧化硫进行脱除。如果烟气在反应器中停留时间较短，水蒸气和灰飞结合，可以对NO_x和SO₂进行脱除，脱除率分别是33%和23%。根据实际烟气条件，如果烟气温度不高，可以通过等离子法处理，取得的处理效果也比较好。如果存在灰飞现象，脉冲放电可以有效去除二氧化硫。

　　3、对温室气体和难降解物质进行处理

　　近些年，技术人员不断拓宽等离子体法的应用范围，应用研究主要集中在温室气体效应的处理方面。

　　技术人员对温室效应气体控制的过程中，可以通过超高压脉冲电晕放电，产生较高能量。低温等离子气体向二氧化碳气体分子作用时，会断裂二氧化碳分子化学键。通过定向化学反应，对二氧化碳气体进行分解，使其形成单质固体微粒碳和氧气，达到90%的分解率，通过新技术方便温室效应气体的治理。