大氣壓等離子體射流引發(fā)液相OH與H2O2的研究

奚文灝，蘭 彥，沈 潔，韓 偉，程 誠*

(1.安徽大學 物質科學與信息技術研究院，安徽 合肥 230601;2.中國科學院合肥物質科學研究院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031;3.中國科學院合肥物質科學研究院 健康與醫(yī)學技術研究所，安徽 合肥 230031)

等離子體是由電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子和中性粒子組成的一種對外顯電中性的氣體集合體.大氣壓冷等離子體無須真空設備便可產生，與低氣壓等離子體相比，其具有更高電子密度，開放環(huán)境下等離子體引發(fā)復雜物理化學反應，可以產生大量高化學活性粒子.因此在環(huán)境、能源、材料制備和生物醫(yī)學領域有著廣泛的應用.經過近20年的發(fā)展，研究人員通過優(yōu)化放電電極結構，改變電源驅動方式以及使用不同種類工作氣體等手段實現等離子體氣體溫度接近室溫，從而使得等離子體與人體直接友好接觸成為現實[1].研究表明等離子體可以有效殺滅微生物，誘導癌細胞凋亡，因此等離子體在創(chuàng)面愈合[2]、皮膚疾病治療[3]、口腔疾病治療[4]、皮膚美容[5]乃至癌癥治療[6]等方面具有巨大的應用潛力，逐漸衍生出一門新興學科——等離子體醫(yī)學.微秒或納秒脈沖功率源相較于其他電源驅動方式具有極高的瞬時功率密度，通過較低的電場強度來加速電子，因此在較低功率下產生較高的等離子體化學活性[7].此外，微秒或納秒脈沖功率源具有極短的上升沿和較窄的脈沖寬度，配合適當的放電電壓，可以有效抑制細絲狀放電和電弧的產生，有利于在大氣壓環(huán)境下獲得均勻等離子體[8].由于此特性，脈沖放電等離子體在等離子體醫(yī)學方面有著廣泛應用.

筆者利用微秒脈沖直流等離子體射流作用于純水，通過光譜儀對不同實驗參數(工作電壓、脈沖寬度、脈沖頻率以及工作氣體組分)下等離子體的關鍵激發(fā)態(tài)活性粒子的種類和相對強度進行了研究，利用熒光探針和酶標儀測量了不同實驗參數(工作電壓、脈沖寬度、脈沖頻率以及工作氣體組分)下等離子體引發(fā)液相OH和H2O2的絕對濃度并分析比較了它們之間的差異，找出造成這些差異的原因.為未來尋求等離子體引發(fā)液相活性基團調控策略提供參考依據.

1 實 驗

1.1 主要儀器和試劑

DSO-X 2024A數字示波器，美國Agilent；P6015A高壓探頭、P6012電流探頭，美國Tektronix；HR Maya2000Pro 發(fā)射光譜儀，美國Ocean Insight；Varioskan Flash多功能熒光酶標儀，美國Thermo；FM-PU303-RA高頻直流脈沖發(fā)生器、FM5001P 高頻直流脈沖充電器，中國Fumai.上述兩種脈沖發(fā)生儀器組成實驗所用脈沖發(fā)生系統(tǒng)，實驗電壓可調范圍為0～30 kV，脈寬為1～5 μs，放電上升沿約為300 ns，頻率可調范圍為0～2 kHz.

超純水(電導率約18.25 MΩ·cm-1)，實驗室自制；對苯二甲酸(99%)，中國Aladdin；2-羥基對苯二甲酸(98%)，日本Tokyo Chemical Industry；S0038 Hydrogen Peroxide Assay Kit，中國Beyotime.

1.2 實驗裝置及測試方法

實驗中采用的等離子體源為介質阻擋放電等離子體射流，裝置示意如圖1所示.其高壓電極為直徑2.46 mm的圓柱形銅棒，并與脈沖直流高壓電源相連.銅棒外部包覆一個石英管(為方便區(qū)分，這里定義此石英管為內石英管)，內石英管壁厚約1 mm且一端密封，作為絕緣介質層.內石英管外部為中空石英玻璃管(這里稱為外石英管)，是等離子體射流通入工作氣體部分，外石英管末端收縮形成直徑2.0 mm的噴口.內石英管(高壓電極部分)由聚四氟乙烯(PTFE)制成的連接件固定在外石英管垂直中軸線上，它的末端距離噴口3.0 mm.工作氣體為 He(99.999%)或He+O2，He流速為2.00 SLM.利用脈沖直流高壓電源激發(fā)并產生等離子體射流，與噴口正下方直徑35.0 mm培養(yǎng)皿中超純水接觸，噴口與下方被處理水液面距離保持10.0 mm，被處理液體平均厚度3.64 mm.

圖1 大氣壓等離子體射流實驗裝置示意圖及放電照片

等離子體射流裝置直接在大氣環(huán)境中處理超純水樣，保持每次實驗中溶液量為2.00 mL.處理時間分別為10，30，60，180，300 s，改變等離子體發(fā)生源不同工作參數：放電電壓(5.58，9.19，12.99 kV)，改變脈沖寬度(1，2 ，3，4，5 μs)，脈沖頻率(0.5，1.0，1.5，2.0 kHz)，不同工作氣氛(He，He+0.5%O2，He+1.0%O2，He+1.5%O2，He+2.0%O2).

等離子體電學特性通過數字示波器(DSO-X 2024A)配合高壓探頭(P6015A)與電流探頭(P6012)，按照圖1所示與等離子體裝置相連，分別測量不同工作參數下等離子體放電電壓和放電電流波形.等離子體氣相激發(fā)態(tài)活性粒子的種類和特征譜線通過發(fā)射光譜(Ocean HR Maya2000Pro)獲得，將法蘭盤固定光纖準直鏡使其保持與發(fā)射光譜光纖探頭同軸水平.探測光纖中軸線與射流軸線垂直且相交，探頭距離等離子體中心約8.0 mm，在噴口下方5.0 mm.

利用對苯二甲酸(TA)測量等離子體在液相中引發(fā)生成的OH濃度.TA與OH結合，產生具有熒光效應的2-羥基對苯二甲酸(HTA)，受310 nm紫外光激發(fā)產生425 nm熒光，通過酶標儀測定光強，結合HTA濃度-光強的標準曲線可以得到相應OH濃度[16].具體操作為預先配置一定濃度NaOH水溶液溶解TA(TA/NaOH=0.2 mmol·L-1/1.4 mmol·L-1)，取2 mL TA溶液于等離子體射流下方處理.隨后移取200 μL被處理液于96孔板中，立即使用多功能酶標儀測試熒光光強，隨后根據濃度-光強標準曲線得到OH濃度.

使用Hydrogen Peroxide Assay Kit測量等離子體引發(fā)的液相H2O2濃度.具體操作為取純水于裝置噴口下方處理.將被處理水樣稀釋10倍后，取其中100 μL于96孔板中，再加入100 μL檢測劑，反應30 min后立即使用多功能酶標儀檢測425 nm紫色吸光光強，再通過H2O2濃度-光強標準曲線得到相應H2O2濃度.

為減少實驗誤差，以上所有實驗結果均3次以上重復測試獲得，數據均表述為平均值±標準偏差.

2 結果與討論

2.1 大氣壓等離子體射流電學特性

圖2 大氣壓等離子射流典型放電電壓和電流的波形圖

2.2 大氣壓等離子體射流激發(fā)態(tài)氣相粒子變化分析

圖3為等離子體射流工作時的典型發(fā)射光譜(OES)，工作氣體為純He，流速2.00 SLM，激發(fā)電壓為12.99 kV，頻率2.00 kHz，脈寬2.0 μs.實驗中所使用的發(fā)射光譜曝光時間為100 ms，光柵分辨率為0.5 nm，平均次數1次.其中309 nm譜線為激發(fā)態(tài)OH (A)，N2正二譜系中譜線最強峰N2(C)在337 nm，激發(fā)態(tài)He (3s)譜線在706 nm，2個激發(fā)態(tài)O(3p)原子譜線分別是777，844 nm[18].作為等離子體中關鍵氣相激發(fā)態(tài)粒子的譜線，筆者選擇了不同參數放電發(fā)射譜線中上述5個峰強度進行比較，以得到等離子體射流工作參數與關鍵氣相激發(fā)態(tài)粒子之間的關系.

圖3 大氣壓等離子體射流典型發(fā)射光譜譜圖

圖4為不同工作參數下大氣壓等離子體射流關鍵激發(fā)態(tài)粒子譜線強度變化情況.其中橫坐標所表述的是等離子體射流中關鍵激發(fā)態(tài)粒子光譜的譜線峰位，縱坐標為各激發(fā)態(tài)粒子的相對強度.圖4(a)是改變放電電壓所得等離子體射流的主要激發(fā)態(tài)粒子譜線強度變化，可以看出隨電壓升高，OH，N2，He和O的特征發(fā)射譜線強度會隨之增加.這是由于等離子體放電電壓升高，其放電電流也增加，使得等離子體射流的放電功率增加，提高了等離子體電子激發(fā)溫度等物理特性參數[19]，從而擁有更多的能量激發(fā)工作氣體(He)和外界環(huán)境空氣(N2、O2與水蒸氣)，產生了更多的激發(fā)態(tài)He粒子，同時也導致了氣相激發(fā)態(tài)活性粒子N2，OH，O的增加.

電源的激發(fā)頻率會直接影響等離子體射流的放電頻率.圖4(b)給出了改變電源頻率參數所得等離子體射流關鍵激發(fā)態(tài)粒子的特征譜線的變化，可以看出隨放電頻率的增加，OH，N2，He，O的發(fā)射譜線強度都增強.這是由于單位時間內放電的次數增加，其累積效果的疊加使得放電強度提高了，通過對這些關鍵激發(fā)態(tài)粒子的譜線強度的比較，不難發(fā)現，譜線強度基本與放電頻率等比例增加，因此各個激發(fā)態(tài)粒子譜線的增強可歸咎于等離子體放電功率隨放電頻率增加而增強.

圖4(c)是改變放電電壓脈沖寬度所得關鍵氣相激發(fā)態(tài)粒子的譜線強度變化，結果顯示隨脈寬的增加，各種激發(fā)態(tài)粒子并未出現明顯變化趨勢.其中氣相OH幾乎沒有增加，而O原子則出現微小增加現象，可以認為改變脈沖寬度對于氣相活性粒子譜線強度影響不大.這是由于等離子體放電電流只出現在脈沖電壓的上升沿和下降沿附近(如圖2所示)，而電壓平坦處沒有放電電流產生，因此單純的延長放電電壓的脈沖寬度，并不能增加放電功率，也不會增加激發(fā)態(tài)粒子譜線強度.

圖4(d)是在工作氣He中摻入不同比例的O2所得到的激發(fā)態(tài)粒子發(fā)射光譜譜線強度變化情況.當O2所占工作氣體比例升高，He和OH的譜線強度隨之減弱，氣相激發(fā)態(tài)O原子的譜線則出現先增強再減弱的情況.由于O2為電負性氣體，會消耗掉一部分電子，因此會使等離子體放電變弱，進而降低He和OH譜線強度.對于氣相OH來說，O2的引入還會導致以下反應發(fā)生[20-21]

O2(g)+e-→2O(g)+e-，

(1)

O(g)+OH(g)→O2(g)+H·,

(2)

其中：O(g)表示氣態(tài)O粒子，而OH(g)則表示氣態(tài)OH粒子，O2(g)表示氣態(tài)O2粒子.后續(xù)反應式中標注意義相同，省略不表.上述反應使得發(fā)射光譜中OH譜線強度進一步降低.對于激發(fā)態(tài)O原子譜線，當氧氣引入量較少時，可以通過(1)式產生更多的激發(fā)態(tài)O原子，但隨著氧氣量的增加，放電變弱，致使O原子的譜線下降，但總體仍然比He等離子體射流的要高.

(a)電壓從5.58 kV到12.99 kV，氣體流速2.00 SLM，頻率2.00 kHz，脈寬2.0 μs，工作氣純He；(b)頻率從0.5 kHz到2.0 kHz，氣體流速2.00 SLM， 電壓9.19 kV，脈寬2.0 μs，工作氣純He；(c)脈寬從1.0 μs到5.0 μs，氣體流速2.00 SLM，電壓9.19 kV，頻率2.00 kHz，工作氣純He；(d)摻入O2工作氣體積從0.0%到2.0%，氣體流速2.00 SLM，電壓9.19 kV，頻率2.00 kHz，脈寬2.0 μs.圖4 不同工作參數下大氣壓等離子體射流關鍵激發(fā)態(tài)粒子譜線強度比較

2.3 大氣壓等離子體射流工作參數對其引發(fā)液相OH濃度的影響

為明確等離子體工作參數與其引發(fā)的液相活性基團的OH之間的關系，通過改變等離子體放電電壓、放電頻率、放電電壓脈沖寬度和工作氣體組分來研究等離子體不同處理時間下液相OH濃度的變化規(guī)律，結果如圖5所示,其中橫坐標所表述的是等離子體射流的處理時間，縱坐標為液相OH濃度.

從圖5不難發(fā)現，無論是改變放電電壓、放電頻率、脈沖寬度或工作氣體組分，同樣工作參數下，等離子體引發(fā)的液相OH含量始終隨著等離子體處理時間增加而增加，這是由于等離子體處理時間的延長增加了液相中OH的累積效應.

圖5(a)為改變放電電壓引起的液相中OH濃度變化，當放電電壓升高時，液相中OH濃度會隨之增加.一般認為等離子體引發(fā)的液相OH可能是通過電子與水分子發(fā)生裂解反應形成的，反應式為[22]

e-+H2O→H++OH(aq)+e-.

(3)

Qian等[19]研究發(fā)現等離子體射流的電子能量(電子激發(fā)溫度)和電子密度隨著放電電壓的增加而增加，當電子密度和電子能量都增加時，其與液體發(fā)生反應的概率也會相應提高，進而導致液相中OH含量隨之增加，這也是電壓升高促進液相OH生成的主要原因.等離子體在液相中引發(fā)OH，除了電子與水分子反應以外，還有一種途徑則是等離子體氣相中產生OH溶解進水中產生液相OH.當放電電壓從5.58 kV升到9.19 kV時處理300 s，液相OH濃度從0.47 μmol·L-1增加到7.47 μmol·L-1，相較于放電電壓從9.19 kV到12.99 kV時處理300 s液相OH濃度的增幅(3.11 μmol·L-1)要大很多.而由圖4(a)可以看出放電電壓在5.58 kV到9.19 kV過程中，等離子體氣相激發(fā)態(tài)OH譜線強度有少量的增幅，而在9.19 kV到12.99 kV過程中氣相激發(fā)態(tài)OH譜線強度升高幅度較明顯.而這個現象與等離子體引發(fā)的液相OH的變化幅值相反，雖然OH的發(fā)射譜線不能直接反映氣相OH的絕對濃度，但可以間接反應氣相OH變化.由上述結果推測氣相中OH不是液相OH生成的主要因素，可能只有少部分的氣相中OH通過濃度梯度擴散進入了液相，具體還需通過激光誘導熒光(LIF)方法診斷測量氣相中OH濃度對此推測進行驗證.Chen等[14]的研究發(fā)現，等離子體引發(fā)液相OH產生機理可能是等離子體直接作用于液體形成的而非氣相OH溶解到液體中形成，這與筆者的推測相似.除此之外，部分液相OH可能受正離子影響[23]，具體反應如下

He*(g)+H2O→He(g)+H2O++e-，

(4)

e-+H2O+→H++OH(aq)+e-.

(5)

圖5(b)是改變等離子體放電頻率引起的液相中OH濃度變化.隨著放電頻率等量增加，液相中產生的OH濃度也相應增加，并且OH這種增加的幅度與放電頻率的增加很接近等比例線性.這說明每次放電在液相中產生的OH量十分接近，當放電頻率按照0.5，1.0，1.5，2.0 kHz增加時，其在液相中引發(fā)的OH量按照放電次數進行累積.因此未來實際應用中可以通過改變放電頻率來實現液相中OH含量的調控.

圖5(c)給出了不同脈沖寬度放電引起的液相OH濃度變化情況，雖然隨著脈沖寬度的增加，液相OH濃度總體出現小幅增加的趨勢，但是總體變化幅度較低，因此筆者認為脈沖寬度的變化對于液相OH的影響較低，這是由于等離子體放電一般是發(fā)生在脈沖高壓的上升沿或下降沿(參見圖2)，而在脈沖電壓趨于平坦的部分基本沒有放電電流產生，因此單純的增加電壓的脈沖寬度，并不能有效提高放電功率，進而提升液相OH含量.

圖5(d)是改變工作氣體組分(即在He等離子體摻入不同比例O2)對于液相OH濃度的影響，可以看出隨O2所占工作氣體體積比例的升高，液相OH濃度隨之減弱.這是由于O2為電負性氣體，在放電過程中通過對電子附著可以降低等離子體中的電子密度和放電強度[24]，進而降低了高能電子與液體直接反應產生OH的量.由于筆者實驗中摻入O2的量較少，因此這種變化不是很明顯，Xu等[25]將含氧量提高至4%時，液相OH含量下降近90%.

(a)電壓從5.58 kV到12.99 kV，氣體流速2.00 SLM，頻率2.00 kHz，脈寬2.0 μs，工作氣純He；(b)頻率從0.5 kHz到2.0 kHz，氣體流速2.00 SLM， 電壓9.19 kV，脈寬2.0 μs，工作氣純He；(c)脈寬從1.0 μs到5.0 μs，氣體流速2.00 SLM，電壓9.19 kV，頻率2.00 kHz，工作氣純He；(d)摻入O2工作氣體積從0.0%到2.0%，氣體流速2.00 SLM，電壓9.19 kV，頻率2.00 kHz，脈寬2.0 μs.圖5 不同工作參數下大氣壓等離子體射流引發(fā)液相OH濃度比較圖

2.4 大氣壓等離子體射流工作參數對其引發(fā)液相H2O2濃度的影響

H2O2作為等離子體引發(fā)的關鍵液相長壽命活性基團的一種，掌握等離子體工作參數與其生成之間的關系，對后期實現液相產物調控，尤其是等離子體活化水中液相產物調控具有重要意義.實驗中筆者通過改變等離子體放電電壓、放電頻率、放電電壓脈沖寬度和工作氣體組分來研究液相H2O2濃度的變化規(guī)律，結果如圖6所示，其中橫坐標所表述的是等離子體射流的處理時間，縱坐標為液相H2O2濃度.

(a)電壓從5.58 kV到12.99 kV，氣體流速2.00 SLM，頻率2.00 kHz，脈寬2.0 μs，工作氣純He；(b)頻率從0.5 kHz到2.0 kHz，氣體流速2.00 SLM， 電壓9.19 kV，脈寬2.0 μs，工作氣純He；(c)脈寬從1.0 μs到5.0 μs，氣體流速2.00 SLM，電壓9.19 kV，頻率2.00 kHz，工作氣純He；(d)摻入O2工作氣體積從0.0 %到2.0 %，氣體流速2.00 SLM，電壓9.19 kV，頻率2.00 kHz，脈寬2.0 μs.圖6 不同工作參數下大氣壓等離子體射流引發(fā)液相H2O2濃度比較

圖6顯示，與等離子體引發(fā)的液相OH類似，無論是改變放電電壓、放電頻率、脈沖寬度或工作氣體組分，等離子體處理時間增加時，其引發(fā)的液相H2O2含量也隨之增加，這是由于等離子體處理時間的延長增加了液相中H2O2的累積效應.

圖6(a)所示為改變放電電壓引起的液相中H2O2濃度變化情況，隨著放電電壓的增加，液相H2O2濃度隨之增加.等離子體引發(fā)液相H2O2濃度增加一般認為有以下這些路徑：第一種是等離子體直接在液相引發(fā)產生OH，OH通過復合反應，生成H2O2.反應式如下[26-27]

OH(aq)+OH(aq)→H2O2(aq).

(6)

另一種則是等離子體在氣相生成OH，同樣通過復合反應在氣相生成H2O2，再溶解到水中形成液相H2O2[16,28-29].反應式如下

OH(g)+OH(g)→H2O2(g)，

(7)

H2O2(g)→H2O2(aq).

(8)

通過比較H2O2的增加幅度(圖6(a))和氣相激發(fā)態(tài)OH(圖4(a))譜線的變化幅度以及液相OH(圖5(a))的變化幅度，可以看出，等離子體引發(fā)的液相H2O2濃度增加幅度與氣相中OH變化幅度相似：在5.58 kV到9.19 kV過程中，二者增加幅度都不大，而在9.19 kV到12.99 kV過程中，液相H2O2和氣相中OH變化幅度較為明顯，而液相H2O2和液相OH變化的相關性則沒有前者高.因此認為這一結果間接證明了氣相OH與液相H2O2產生有關，氣相中OH先復合產生氣相H2O2通過濃度梯度擴散進入了水相，產生液相H2O2(參見反應式(7)和(8)).這一觀點與Chen等[30]結論一致，未來可以通過其他診斷手段探明氣相H2O2的濃度，進而驗證筆者的推測.

圖6(b)是改變放電頻率與液相中H2O2濃度變化之間的關系圖，很明顯，隨著放電頻率等量增加，液相中產生的H2O2濃度也相應等比例增加.這說明放電頻率控制單位時間的放電次數，每次放電產生的液相H2O2濃度基本一致，當頻率增加時，液相H2O2也隨之增加.

圖6(c)給出了不同脈沖寬度對液相H2O2濃度變化的影響，隨著電壓脈沖寬度的增加，其引發(fā)的液相H2O2濃度總體出現小幅降低的趨勢，但是變化幅度不大，從這個角度上講可以認為電壓脈沖寬度不是液相H2O2生成的一個主要因素，具體的原因與電壓脈沖寬度的變化對液相OH的影響一樣.

圖6(d)是He等離子體工作氣中摻入不同比例 O2所得液相H2O2濃度的變化情況，可以發(fā)現隨O2占工作氣體體積比例的升高，等離子體引發(fā)的液相H2O2濃度隨之減弱，這種趨勢相當明顯.這是由于等離子體中O2的引入提高了O原子的濃度(通過圖4(d)可以間接證明)，O原子在一定程度上會消耗一定量的氣相OH(參見反應式(9))，從而減少氣相H2O2的含量，此外由于O2是電負性氣體，通過電子附著使等離子體中的電子減少，間接降低放電強度，也會減少氣相中的OH，繼而影響到了液相H2O2的產生.反應式如下[31-32]

OH(g)+O(g)→O2(g)+H·.

(9)

3 結束語

筆者通過不同工作參數下大氣壓等離子體射流作用去離子水研究其引發(fā)液相OH和H2O2絕對濃度的變化規(guī)律.研究結果表明，升高工作電壓和提高放電頻率可以使等離子體的關鍵氣相活性粒子強度和其引發(fā)的液相OH和H2O2濃度增加，這是由于提升電壓和放電頻率可以增加等離子體射流功率；放電脈沖寬度的增加則對于等離子體關鍵氣相活性粒子強度和其引發(fā)的液相OH和H2O2濃度無明顯促進作用，這是由于等離子體放電主要發(fā)生在脈沖電壓的上升沿和下降沿，而電壓中間平坦處基本沒有放電電流產生；當少量的O2被引入工作氣體中，O的譜線先增強再減弱，He和OH的特征譜線則是隨O2含量的提升逐漸減少；O2的引入使得等離子體引發(fā)的液相OH和H2O2絕對濃度也逐步減少，這是由于O2是電負性氣體，通過對電子的附著捕集使得放電變弱，進而影響液相OH和H2O2.此外通過比較發(fā)射光譜中OH、液相OH和液相H2O2隨等離子體工作參數的變化結果，推測液相OH主要是由等離子體中的高能粒子(如電子、離子)與水表面水分子發(fā)生反應形成的，而氣相OH溶解生成液相OH則為輔；等離子體引發(fā)的液相H2O2則是由氣相OH復合生成氣相H2O2再溶入水中形成的.明確了液相OH和H2O2的產生規(guī)律，未來可以通過等離子體工作參數實現對于關鍵液相產物的調控，進而達到等離子體生物醫(yī)學效應的最優(yōu)解.