等离子体技术专题
编者按
本专题主要报道了低温等离子体、常压氩气等离子体的相关研究和应用，欢迎各位品读 。
本期客座编辑
喻学锋 研究员
中国科学院深圳先进技术研究院材料科学与工程研究所副所长、材料界面研究中心主任
主要研究方向为功能材料的制备和界面改性技术。
黄逸凡 教授级高级工程师
中国科学院深圳先进技术研究院生物医用材料与界面研究中心
主要研究方向为高电压与放电等离子体技术研究，包括研发等离子体声源（电火花震源）装备，应用于海洋高分辨地震勘探、水声探测等，同时开展等离子体技术在材料制备、表面处理、环保技术等方面的研究工作。
文章列表
2018, 7(4):1-9.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201804001
摘要:
错牙合畸形是世界各国均呈较高发病率的口腔疾病，表现为牙列、颌骨和颅面的畸形，口腔正畸是目前最有效的治疗方法。正畸牙弓丝是正畸治疗中的关键部件，而镍钛牙弓丝因具有形状记忆和超弹性性能在牙齿正畸中得到广泛使用。随着临床应用对牙弓丝提出新的性能需求，新型表面涂层也不断涌现。在镍钛牙弓丝表面引入氮化钛涂层可降低表面摩擦系数和摩擦力、提高耐磨性与生物安全性。物理气相沉积是工业上常用的氮化钛制备技术，但镍钛丝的相变点温度对周围环境温度变化敏感。为避免物理气相沉积过程中升温造成镍钛牙弓丝形状记忆效应和超弹性性能丢失，该研究将传统靶台上加载的直流偏压替换为脉冲式负偏压，可降低离子的注入沉积能量，为保留镍钛牙弓丝的优异力学性能创造条件。通过调整靶台加载负偏压的频率和占空比制备得到不同氮化钛涂层的镍钛牙弓丝，并比较其宏观和微观形貌、相变点温度发现，低频、低占空比处理条件制备的氮化钛涂层-镍钛牙 弓丝更适合于临床应用。
错牙合畸形是世界各国均呈较高发病率的口腔疾病，表现为牙列、颌骨和颅面的畸形，口腔正畸是目前最有效的治疗方法。正畸牙弓丝是正畸治疗中的关键部件，而镍钛牙弓丝因具有形状记忆和超弹性性能在牙齿正畸中得到广泛使用。随着临床应用对牙弓丝提出新的性能需求，新型表面涂层也不断涌现。在镍钛牙弓丝表面引入氮化钛涂层可降低表面摩擦系数和摩擦力、提高耐磨性与生物安全性。物理气相沉积是工业上常用的氮化钛制备技术，但镍钛丝的相变点温度对周围环境温度变化敏感。为避免物理气相沉积过程中升温造成镍钛牙弓丝形状记忆效应和超弹性性能丢失，该研究将传统靶台上加载的直流偏压替换为脉冲式负偏压，可降低离子的注入沉积能量，为保留镍钛牙弓丝的优异力学性能创造条件。通过调整靶台加载负偏压的频率和占空比制备得到不同氮化钛涂层的镍钛牙弓丝，并比较其宏观和微观形貌、相变点温度发现，低频、低占空比处理条件制备的氮化钛涂层-镍钛牙 弓丝更适合于临床应用。
2018, 7(4):10-15.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201804002
摘要:
测地声模是经典的静电振荡，通常的处理方法忽略了其磁场扰动，但严格的磁流体力学分析 表明，磁场扰动在 β 量级。该文从理想磁流体力学方程组出发，通过严格的线性分析，得到了测地声 模激发期间，扰动磁场及对应的扰动磁矢的表达式，并与回旋动理学下的结果进行比对。
测地声模是经典的静电振荡，通常的处理方法忽略了其磁场扰动，但严格的磁流体力学分析 表明，磁场扰动在 β 量级。该文从理想磁流体力学方程组出发，通过严格的线性分析，得到了测地声 模激发期间，扰动磁场及对应的扰动磁矢的表达式，并与回旋动理学下的结果进行比对。
2018, 7(4):16-23.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201804003
摘要:
该文采用常压氩气等离子体对水溶液中的碳纤维进行表面改性处理，以去除碳纤维表面浆 料，并实现碳纤维的亲水功能化改性。通过扫描电子显微镜、红外光谱、X 射线光电子能谱、水静态 接触角测试及力学性能测试对改性后的碳纤维进行研究分析。结果表明，等离子体改性处理既可以去 除纤维表面的浆料和杂质污染物，保持纤维原有的凹凸沟槽形貌特征，又可以引入大量含氧极性基 团。进一步分析表明，等离子体改性处理 120 s 可以使纤维获得最优的浸润性能，水静态接触角可以 降至 45.1°。力学性能测试结果表明，这种等离子体改性方法对纤维的力学性能几乎没有影响，处理 300 s 后仍可保持碳纤维的抗拉强度在 3.23 GPa。
该文采用常压氩气等离子体对水溶液中的碳纤维进行表面改性处理，以去除碳纤维表面浆 料，并实现碳纤维的亲水功能化改性。通过扫描电子显微镜、红外光谱、X 射线光电子能谱、水静态 接触角测试及力学性能测试对改性后的碳纤维进行研究分析。结果表明，等离子体改性处理既可以去 除纤维表面的浆料和杂质污染物，保持纤维原有的凹凸沟槽形貌特征，又可以引入大量含氧极性基 团。进一步分析表明，等离子体改性处理 120 s 可以使纤维获得最优的浸润性能，水静态接触角可以 降至 45.1°。力学性能测试结果表明，这种等离子体改性方法对纤维的力学性能几乎没有影响，处理 300 s 后仍可保持碳纤维的抗拉强度在 3.23 GPa。
2018, 7(4):24-34.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201804004
摘要:
脉冲变压器具有升压比高、可靠性好、体积小、价格低等优点，被广泛用于高压脉冲电路。 然而，受到漏感影响，会产生过电压，不仅增大了损耗，还可能导致开关过电压击穿。该文分析了 过电压的产生机理，比较了常规过电压抑制措施的效果及其缺陷，提出一种新的过电压抑制电路， 给出了新电路的拓扑结构、工作原理和电路参数选择依据，并通过建模仿真验证了新过电压抑制电 路的效果。最后，采用这种过电压抑制电路，研制了一台紧凑重频高压脉冲发生器，可以产生幅值 11 kV、频率 2 kHz、脉宽 2 μs 的脉冲，并用于驱动悬浮电极介质阻挡放电负载，能够稳定产生低温 等离子体。
脉冲变压器具有升压比高、可靠性好、体积小、价格低等优点，被广泛用于高压脉冲电路。 然而，受到漏感影响，会产生过电压，不仅增大了损耗，还可能导致开关过电压击穿。该文分析了 过电压的产生机理，比较了常规过电压抑制措施的效果及其缺陷，提出一种新的过电压抑制电路， 给出了新电路的拓扑结构、工作原理和电路参数选择依据，并通过建模仿真验证了新过电压抑制电 路的效果。最后，采用这种过电压抑制电路，研制了一台紧凑重频高压脉冲发生器，可以产生幅值 11 kV、频率 2 kHz、脉宽 2 μs 的脉冲，并用于驱动悬浮电极介质阻挡放电负载，能够稳定产生低温 等离子体。
2018, 7(4):35-43.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201804005
摘要:
为了改善肿瘤细胞对化疗药物的耐药性，该文提供了一种通过促进细胞对药物的摄取来增敏 化疗的方法。低温等离子体作用肿瘤细胞后，培养基内的活性氧显著升高，进一步改变了细胞膜通透 性，使得外源活性氧及钙离子进入细胞内而诱发细胞凋亡。与此同时，细胞膜通透性的改变还可以增 加细胞对化疗药物的摄取，进一步提高了肿瘤细胞杀伤效率。结果显示，细胞经过等离子体处理以 后，显示出 20% 的细胞杀伤效率。阿霉素作为常见的抗肿瘤药物，在 4 μg/mL 的浓度下可以杀伤 46% 的细胞；而联合等离子体治疗后，细胞杀伤效率增加至 88%，显著增敏了阿霉素的化疗效果。另外， 等离子体联合金纳米棒治疗后，显示出 90% 的细胞杀伤效率，相对于单独使用金纳米棒(64%)的效果 更为显著。因此，等离子体在引发细胞凋亡的同时，可以通过细胞膜通透性的改变，增加细胞对化疗 药物的摄取，进而增敏化疗效果。
为了改善肿瘤细胞对化疗药物的耐药性，该文提供了一种通过促进细胞对药物的摄取来增敏 化疗的方法。低温等离子体作用肿瘤细胞后，培养基内的活性氧显著升高，进一步改变了细胞膜通透 性，使得外源活性氧及钙离子进入细胞内而诱发细胞凋亡。与此同时，细胞膜通透性的改变还可以增 加细胞对化疗药物的摄取，进一步提高了肿瘤细胞杀伤效率。结果显示，细胞经过等离子体处理以 后，显示出 20% 的细胞杀伤效率。阿霉素作为常见的抗肿瘤药物，在 4 μg/mL 的浓度下可以杀伤 46% 的细胞；而联合等离子体治疗后，细胞杀伤效率增加至 88%，显著增敏了阿霉素的化疗效果。另外， 等离子体联合金纳米棒治疗后，显示出 90% 的细胞杀伤效率，相对于单独使用金纳米棒(64%)的效果 更为显著。因此，等离子体在引发细胞凋亡的同时，可以通过细胞膜通透性的改变，增加细胞对化疗 药物的摄取，进而增敏化疗效果。
2018, 7(4):44-50.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201804006
摘要:
该文主要探讨了低温等离子体技术在核糖核酸酶灭活方面的应用，分析了作用气体类型和等 离子体发生器结构对酶灭活性能的影响。实验结果表明，低温等离子体能够有效地灭活核糖核酸酶， 混有氧气或水汽的作用气体能够明显提高对酶的灭活能力，且悬浮式电极介质阻挡放电装置的灭活效 果优于表面介质阻挡放电装置。
该文主要探讨了低温等离子体技术在核糖核酸酶灭活方面的应用，分析了作用气体类型和等 离子体发生器结构对酶灭活性能的影响。实验结果表明，低温等离子体能够有效地灭活核糖核酸酶， 混有氧气或水汽的作用气体能够明显提高对酶的灭活能力，且悬浮式电极介质阻挡放电装置的灭活效 果优于表面介质阻挡放电装置。
2018, 7(4):51-57.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201804007
摘要:
基于介质阻挡放电原理，该文工作搭建了一种悬浮式电极的低温等离子体装置，并开展了细 菌灭活的实验。实验结果表明，该装置对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著的灭活效果：作用时间 30 s 内金黄色葡萄球菌和大肠杆菌灭活效率达到 99.99% 以上；作用距离对灭菌效果具有明显影响作 用，其中作用距离为 1 mm 时的灭菌效果最佳。
基于介质阻挡放电原理，该文工作搭建了一种悬浮式电极的低温等离子体装置，并开展了细 菌灭活的实验。实验结果表明，该装置对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著的灭活效果：作用时间 30 s 内金黄色葡萄球菌和大肠杆菌灭活效率达到 99.99% 以上；作用距离对灭菌效果具有明显影响作 用，其中作用距离为 1 mm 时的灭菌效果最佳。
2018, 7(4):58-64.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201804008
摘要:
该文主要通过低温等离子体处理聚乳酸薄膜，并研究了不同处理时间(0、15 s、30 s、45 s 和 60 s)后薄膜的表面形貌及亲水性。在此基础上，将低温等离子体处理后的聚乳酸薄膜浸泡到乳酸链球 菌素溶液中，对其抗菌性能进行测定。通过调节等离子体处理时间，可以明显改善聚乳酸薄膜的表面 亲水性及粗糙度。结果表明，随着处理时间的增加，聚乳酸薄膜表面粗糙度先增加后减小，接触角先 降低后增加。经过 60 s 低温等离子体处理的聚乳酸薄膜，浸泡乳酸链球菌素溶液进行接枝，可有效降 低单核增生李斯特菌的菌落总数。因此，低温等离子体处理聚乳酸薄膜，为其在食品抗菌包装领域提 供了一个非常好的思路。
该文主要通过低温等离子体处理聚乳酸薄膜，并研究了不同处理时间(0、15 s、30 s、45 s 和 60 s)后薄膜的表面形貌及亲水性。在此基础上，将低温等离子体处理后的聚乳酸薄膜浸泡到乳酸链球 菌素溶液中，对其抗菌性能进行测定。通过调节等离子体处理时间，可以明显改善聚乳酸薄膜的表面 亲水性及粗糙度。结果表明，随着处理时间的增加，聚乳酸薄膜表面粗糙度先增加后减小，接触角先 降低后增加。经过 60 s 低温等离子体处理的聚乳酸薄膜，浸泡乳酸链球菌素溶液进行接枝，可有效降 低单核增生李斯特菌的菌落总数。因此，低温等离子体处理聚乳酸薄膜，为其在食品抗菌包装领域提 供了一个非常好的思路。
2018, 7(4):65-71.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201804009
摘要:
天然多糖由于具有天然可再生、价格低廉、生物相容好等优点，受到广泛关注。该文选择具 有代表性的羧甲基纤维素钠和海藻酸钠作为研究对象，探讨了低温等离子体技术应用于多糖改性的可 行性。通过系统地研究等离子体处理对这两种多糖溶液黏度、pH 值、菌落总数及 1,1-二苯基-2-三硝 基苯肼清除率等性能的影响，并在此基础上，分析等离子体处理对两种多糖结构和性质的影响差异及 相关机制。实验结果表明，处理后的多糖具备了一定的抗菌及抗氧化性能。主要机制为：等离子体处 理过程中产生的能量，使多糖内部的分子键断裂；这个过程中，也引入了含氧、含氮等活性官能团， 与断键之后的多糖稳定结合，从而赋予其相应的功能。相较于传统的酸、碱和酶提取法制备功能性多 糖，低温等离子体更为稳定、高效且没有任何化学试剂污染。因此，低温等离子体处理为功能性多糖 的制备提供了新的方法。
天然多糖由于具有天然可再生、价格低廉、生物相容好等优点，受到广泛关注。该文选择具 有代表性的羧甲基纤维素钠和海藻酸钠作为研究对象，探讨了低温等离子体技术应用于多糖改性的可 行性。通过系统地研究等离子体处理对这两种多糖溶液黏度、pH 值、菌落总数及 1,1-二苯基-2-三硝 基苯肼清除率等性能的影响，并在此基础上，分析等离子体处理对两种多糖结构和性质的影响差异及 相关机制。实验结果表明，处理后的多糖具备了一定的抗菌及抗氧化性能。主要机制为：等离子体处 理过程中产生的能量，使多糖内部的分子键断裂；这个过程中，也引入了含氧、含氮等活性官能团， 与断键之后的多糖稳定结合，从而赋予其相应的功能。相较于传统的酸、碱和酶提取法制备功能性多 糖，低温等离子体更为稳定、高效且没有任何化学试剂污染。因此，低温等离子体处理为功能性多糖 的制备提供了新的方法。
