大气压等离子体射流引发液相OH与H2O2的研究
时间：2022-12-03 18:25:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
奚文灏，兰 彦，沈 洁，韩 伟，程 诚*
(1.安徽大学 物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601;2.中国科学院合肥物质科学研究院 等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031;3.中国科学院合肥物质科学研究院 健康与医学技术研究所，安徽 合肥 230031)
等离子体是由电子、离子、激发态粒子和中性粒子组成的一种对外显电中性的气体集合体.大气压冷等离子体无须真空设备便可产生，与低气压等离子体相比，其具有更高电子密度，开放环境下等离子体引发复杂物理化学反应，可以产生大量高化学活性粒子.因此在环境、能源、材料制备和生物医学领域有着广泛的应用.经过近20年的发展，研究人员通过优化放电电极结构，改变电源驱动方式以及使用不同种类工作气体等手段实现等离子体气体温度接近室温，从而使得等离子体与人体直接友好接触成为现实[1].研究表明等离子体可以有效杀灭微生物，诱导癌细胞凋亡，因此等离子体在创面愈合[2]、皮肤疾病治疗[3]、口腔疾病治疗[4]、皮肤美容[5]乃至癌症治疗[6]等方面具有巨大的应用潜力，逐渐衍生出一门新兴学科——等离子体医学.微秒或纳秒脉冲功率源相较于其他电源驱动方式具有极高的瞬时功率密度，通过较低的电场强度来加速电子，因此在较低功率下产生较高的等离子体化学活性[7].此外，微秒或纳秒脉冲功率源具有极短的上升沿和较窄的脉冲宽度，配合适当的放电电压，可以有效抑制细丝状放电和电弧的产生，有利于在大气压环境下获得均匀等离子体[8].由于此特性，脉冲放电等离子体在等离子体医学方面有着广泛应用.
笔者利用微秒脉冲直流等离子体射流作用于纯水，通过光谱仪对不同实验参数(工作电压、脉冲宽度、脉冲频率以及工作气体组分)下等离子体的关键激发态活性粒子的种类和相对强度进行了研究，利用荧光探针和酶标仪测量了不同实验参数(工作电压、脉冲宽度、脉冲频率以及工作气体组分)下等离子体引发液相OH和H2O2的绝对浓度并分析比较了它们之间的差异，找出造成这些差异的原因.为未来寻求等离子体引发液相活性基团调控策略提供参考依据.
1.1 主要仪器和试剂
DSO-X 2024A数字示波器，美国Agilent；
P6015A高压探头、P6012电流探头，美国Tektronix；
HR Maya2000Pro 发射光谱仪，美国Ocean Insight；
Varioskan Flash多功能荧光酶标仪，美国Thermo；
FM-PU303-RA高频直流脉冲发生器、FM5001P 高频直流脉冲充电器，中国Fumai.上述两种脉冲发生仪器组成实验所用脉冲发生系统，实验电压可调范围为0～30 kV，脉宽为1～5 μs，放电上升沿约为300 ns，频率可调范围为0～2 kHz.
超纯水(电导率约18.25 MΩ·cm-1)，实验室自制；
对苯二甲酸(99%)，中国Aladdin；
2-羟基对苯二甲酸(98%)，日本Tokyo Chemical Industry；
S0038 Hydrogen Peroxide Assay Kit，中国Beyotime.
1.2 实验装置及测试方法
实验中采用的等离子体源为介质阻挡放电等离子体射流，装置示意如图1所示.其高压电极为直径2.46 mm的圆柱形铜棒，并与脉冲直流高压电源相连.铜棒外部包覆一个石英管(为方便区分，这里定义此石英管为内石英管)，内石英管壁厚约1 mm且一端密封，作为绝缘介质层.内石英管外部为中空石英玻璃管(这里称为外石英管)，是等离子体射流通入工作气体部分，外石英管末端收缩形成直径2.0 mm的喷口.内石英管(高压电极部分)由聚四氟乙烯(PTFE)制成的连接件固定在外石英管垂直中轴线上，它的末端距离喷口3.0 mm.工作气体为 He(99.999%)或He+O2，He流速为2.00 SLM.利用脉冲直流高压电源激发并产生等离子体射流，与喷口正下方直径35.0 mm培养皿中超纯水接触，喷口与下方被处理水液面距离保持10.0 mm，被处理液体平均厚度3.64 mm.
图1 大气压等离子体射流实验装置示意图及放电照片
等离子体射流装置直接在大气环境中处理超纯水样，保持每次实验中溶液量为2.00 mL.处理时间分别为10，30，60，180，300 s，改变等离子体发生源不同工作参数：放电电压(5.58，9.19，12.99 kV)，改变脉冲宽度(1，2 ，3，4，5 μs)，脉冲频率(0.5，1.0，1.5，2.0 kHz)，不同工作气氛(He，He+0.5%O2，He+1.0%O2，He+1.5%O2，He+2.0%O2).
等离子体电学特性通过数字示波器(DSO-X 2024A)配合高压探头(P6015A)与电流探头(P6012)，按照图1所示与等离子体装置相连，分别测量不同工作参数下等离子体放电电压和放电电流波形.等离子体气相激发态活性粒子的种类和特征谱线通过发射光谱(Ocean HR Maya2000Pro)获得，将法兰盘固定光纤准直镜使其保持与发射光谱光纤探头同轴水平.探测光纤中轴线与射流轴线垂直且相交，探头距离等离子体中心约8.0 mm，在喷口下方5.0 mm.
利用对苯二甲酸(TA)测量等离子体在液相中引发生成的OH浓度.TA与OH结合，产生具有荧光效应的2-羟基对苯二甲酸(HTA)，受310 nm紫外光激发产生425 nm荧光，通过酶标仪测定光强，结合HTA浓度-光强的标准曲线可以得到相应OH浓度[16].具体操作为预先配置一定浓度NaOH水溶液溶解TA(TA/NaOH=0.2 mmol·L-1/1.4 mmol·L-1)，取2 mL TA溶液于等离子体射流下方处理.随后移取200 μL被处理液于96孔板中，立即使用多功能酶标仪测试荧光光强，随后根据浓度-光强标准曲线得到OH浓度.
使用Hydrogen Peroxide Assay Kit测量等离子体引发的液相H2O2浓度.具体操作为取纯水于装置喷口下方处理.将被处理水样稀释10倍后，取其中100 μL于96孔板中，再加入100 μL检测剂，反应30 min后立即使用多功能酶标仪检测425 nm紫色吸光光强，再通过H2O2浓度-光强标准曲线得到相应H2O2浓度.
为减少实验误差，以上所有实验结果均3次以上重复测试获得，数据均表述为平均值±标准偏差.
2.1 大气压等离子体射流电学特性
图2 大气压等离子射流典型放电电压和电流的波形图
2.2 大气压等离子体射流激发态气相粒子变化分析
图3为等离子体射流工作时的典型发射光谱(OES)，工作气体为纯He，流速2.00 SLM，激发电压为12.99 kV，频率2.00 kHz，脉宽2.0 μs.实验中所使用的发射光谱曝光时间为100 ms，光栅分辨率为0.5 nm，平均次数1次.其中309 nm谱线为激发态OH (A)，N2正二谱系中谱线最强峰N2(C)在337 nm，激发态He (3s)谱线在706 nm，2个激发态O(3p)原子谱线分别是777，844 nm[18].作为等离子体中关键气相激发态粒子的谱线，笔者选择了不同参数放电发射谱线中上述5个峰强度进行比较，以得到等离子体射流工作参数与关键气相激发态粒子之间的关系.
图3 大气压等离子体射流典型发射光谱谱图
图4为不同工作参数下大气压等离子体射流关键激发态粒子谱线强度变化情况.其中横坐标所表述的是等离子体射流中关键激发态粒子光谱的谱线峰位，纵坐标为各激发态粒子的相对强度.图4(a)是改变放电电压所得等离子体射流的主要激发态粒子谱线强度变化，可以看出随电压升高，OH，N2，He和O的特征发射谱线强度会随之增加.这是由于等离子体放电电压升高，其放电电流也增加，使得等离子体射流的放电功率增加，提高了等离子体电子激发温度等物理特性参数[19]，从而拥有更多的能量激发工作气体(He)和外界环境空气(N2、O2与水蒸气)，产生了更多的激发态He粒子，同时也导致了气相激发态活性粒子N2，OH，O的增加.
电源的激发频率会直接影响等离子体射流的放电频率.图4(b)给出了改变电源频率参数所得等离子体射流关键激发态粒子的特征谱线的变化，可以看出随放电频率的增加，OH，N2，He，O的发射谱线强度都增强.这是由于单位时间内放电的次数增加，其累积效果的叠加使得放电强度提高了，通过对这些关键激发态粒子的谱线强度的比较，不难发现，谱线强度基本与放电频率等比例增加，因此各个激发态粒子谱线的增强可归咎于等离子体放电功率随放电频率增加而增强.
图4(c)是改变放电电压脉冲宽度所得关键气相激发态粒子的谱线强度变化，结果显示随脉宽的增加，各种激发态粒子并未出现明显变化趋势.其中气相OH几乎没有增加，而O原子则出现微小增加现象，可以认为改变脉冲宽度对于气相活性粒子谱线强度影响不大.这是由于等离子体放电电流只出现在脉冲电压的上升沿和下降沿附近(如图2所示)，而电压平坦处没有放电电流产生，因此单纯的延长放电电压的脉冲宽度，并不能增加放电功率，也不会增加激发态粒子谱线强度.
图4(d)是在工作气He中掺入不同比例的O2所得到的激发态粒子发射光谱谱线强度变化情况.当O2所占工作气体比例升高，He和OH的谱线强度随之减弱，气相激发态O原子的谱线则出现先增强再减弱的情况.由于O2为电负性气体，会消耗掉一部分电子，因此会使等离子体放电变弱，进而降低He和OH谱线强度.对于气相OH来说，O2的引入还会导致以下反应发生[20-21]
O2(g)+e-→2O(g)+e-，
(1)
O(g)+OH(g)→O2(g)+H·,
(2)
其中：O(g)表示气态O粒子，而OH(g)则表示气态OH粒子，O2(g)表示气态O2粒子.后续反应式中标注意义相同，省略不表.上述反应使得发射光谱中OH谱线强度进一步降低.对于激发态O原子谱线，当氧气引入量较少时，可以通过(1)式产生更多的激发态O原子，但随着氧气量的增加，放电变弱，致使O原子的谱线下降，但总体仍然比He等离子体射流的要高.
(a)电压从5.58 kV到12.99 kV，气体流速2.00 SLM，频率2.00 kHz，脉宽2.0 μs，工作气纯He；
(b)频率从0.5 kHz到2.0 kHz，气体流速2.00 SLM， 电压9.19 kV，脉宽2.0 μs，工作气纯He；
(c)脉宽从1.0 μs到5.0 μs，气体流速2.00 SLM，电压9.19 kV，频率2.00 kHz，工作气纯He；
(d)掺入O2工作气体积从0.0%到2.0%，气体流速2.00 SLM，电压9.19 kV，频率2.00 kHz，脉宽2.0 μs.图4 不同工作参数下大气压等离子体射流关键激发态粒子谱线强度比较
2.3 大气压等离子体射流工作参数对其引发液相OH浓度的影响
为明确等离子体工作参数与其引发的液相活性基团的OH之间的关系，通过改变等离子体放电电压、放电频率、放电电压脉冲宽度和工作气体组分来研究等离子体不同处理时间下液相OH浓度的变化规律，结果如图5所示,其中横坐标所表述的是等离子体射流的处理时间，纵坐标为液相OH浓度.
从图5不难发现，无论是改变放电电压、放电频率、脉冲宽度或工作气体组分，同样工作参数下，等离子体引发的液相OH含量始终随着等离子体处理时间增加而增加，这是由于等离子体处理时间的延长增加了液相中OH的累积效应.
图5(a)为改变放电电压引起的液相中OH浓度变化，当放电电压升高时，液相中OH浓度会随之增加.一般认为等离子体引发的液相OH可能是通过电子与水分子发生裂解反应形成的，反应式为[22]
e-+H2O→H++OH(aq)+e-.
(3)
Qian等[19]研究发现等离子体射流的电子能量(电子激发温度)和电子密度随着放电电压的增加而增加，当电子密度和电子能量都增加时，其与液体发生反应的概率也会相应提高，进而导致液相中OH含量随之增加，这也是电压升高促进液相OH生成的主要原因.等离子体在液相中引发OH，除了电子与水分子反应以外，还有一种途径则是等离子体气相中产生OH溶解进水中产生液相OH.当放电电压从5.58 kV升到9.19 kV时处理300 s，液相OH浓度从0.47 μmol·L-1增加到7.47 μmol·L-1，相较于放电电压从9.19 kV到12.99 kV时处理300 s液相OH浓度的增幅(3.11 μmol·L-1)要大很多.而由图4(a)可以看出放电电压在5.58 kV到9.19 kV过程中，等离子体气相激发态OH谱线强度有少量的增幅，而在9.19 kV到12.99 kV过程中气相激发态OH谱线强度升高幅度较明显.而这个现象与等离子体引发的液相OH的变化幅值相反，虽然OH的发射谱线不能直接反映气相OH的绝对浓度，但可以间接反应气相OH变化.由上述结果推测气相中OH不是液相OH生成的主要因素，可能只有少部分的气相中OH通过浓度梯度扩散进入了液相，具体还需通过激光诱导荧光(LIF)方法诊断测量气相中OH浓度对此推测进行验证.Chen等[14]的研究发现，等离子体引发液相OH产生机理可能是等离子体直接作用于液体形成的而非气相OH溶解到液体中形成，这与笔者的推测相似.除此之外，部分液相OH可能受正离子影响[23]，具体反应如下
He*(g)+H2O→He(g)+H2O++e-，
(4)
e-+H2O+→H++OH(aq)+e-.
(5)
图5(b)是改变等离子体放电频率引起的液相中OH浓度变化.随着放电频率等量增加，液相中产生的OH浓度也相应增加，并且OH这种增加的幅度与放电频率的增加很接近等比例线性.这说明每次放电在液相中产生的OH量十分接近，当放电频率按照0.5，1.0，1.5，2.0 kHz增加时，其在液相中引发的OH量按照放电次数进行累积.因此未来实际应用中可以通过改变放电频率来实现液相中OH含量的调控.
图5(c)给出了不同脉冲宽度放电引起的液相OH浓度变化情况，虽然随着脉冲宽度的增加，液相OH浓度总体出现小幅增加的趋势，但是总体变化幅度较低，因此笔者认为脉冲宽度的变化对于液相OH的影响较低，这是由于等离子体放电一般是发生在脉冲高压的上升沿或下降沿(参见图2)，而在脉冲电压趋于平坦的部分基本没有放电电流产生，因此单纯的增加电压的脉冲宽度，并不能有效提高放电功率，进而提升液相OH含量.
图5(d)是改变工作气体组分(即在He等离子体掺入不同比例O2)对于液相OH浓度的影响，可以看出随O2所占工作气体体积比例的升高，液相OH浓度随之减弱.这是由于O2为电负性气体，在放电过程中通过对电子附着可以降低等离子体中的电子密度和放电强度[24]，进而降低了高能电子与液体直接反应产生OH的量.由于笔者实验中掺入O2的量较少，因此这种变化不是很明显，Xu等[25]将含氧量提高至4%时，液相OH含量下降近90%.
(a)电压从5.58 kV到12.99 kV，气体流速2.00 SLM，频率2.00 kHz，脉宽2.0 μs，工作气纯He；
(b)频率从0.5 kHz到2.0 kHz，气体流速2.00 SLM， 电压9.19 kV，脉宽2.0 μs，工作气纯He；
(c)脉宽从1.0 μs到5.0 μs，气体流速2.00 SLM，电压9.19 kV，频率2.00 kHz，工作气纯He；
(d)掺入O2工作气体积从0.0%到2.0%，气体流速2.00 SLM，电压9.19 kV，频率2.00 kHz，脉宽2.0 μs.图5 不同工作参数下大气压等离子体射流引发液相OH浓度比较图
2.4 大气压等离子体射流工作参数对其引发液相H2O2浓度的影响
H2O2作为等离子体引发的关键液相长寿命活性基团的一种，掌握等离子体工作参数与其生成之间的关系，对后期实现液相产物调控，尤其是等离子体活化水中液相产物调控具有重要意义.实验中笔者通过改变等离子体放电电压、放电频率、放电电压脉冲宽度和工作气体组分来研究液相H2O2浓度的变化规律，结果如图6所示，其中横坐标所表述的是等离子体射流的处理时间，纵坐标为液相H2O2浓度.
(a)电压从5.58 kV到12.99 kV，气体流速2.00 SLM，频率2.00 kHz，脉宽2.0 μs，工作气纯He；
(b)频率从0.5 kHz到2.0 kHz，气体流速2.00 SLM， 电压9.19 kV，脉宽2.0 μs，工作气纯He；
(c)脉宽从1.0 μs到5.0 μs，气体流速2.00 SLM，电压9.19 kV，频率2.00 kHz，工作气纯He；
(d)掺入O2工作气体积从0.0 %到2.0 %，气体流速2.00 SLM，电压9.19 kV，频率2.00 kHz，脉宽2.0 μs.图6 不同工作参数下大气压等离子体射流引发液相H2O2浓度比较
图6显示，与等离子体引发的液相OH类似，无论是改变放电电压、放电频率、脉冲宽度或工作气体组分，等离子体处理时间增加时，其引发的液相H2O2含量也随之增加，这是由于等离子体处理时间的延长增加了液相中H2O2的累积效应.
图6(a)所示为改变放电电压引起的液相中H2O2浓度变化情况，随着放电电压的增加，液相H2O2浓度随之增加.等离子体引发液相H2O2浓度增加一般认为有以下这些路径：第一种是等离子体直接在液相引发产生OH，OH通过复合反应，生成H2O2.反应式如下[26-27]
OH(aq)+OH(aq)→H2O2(aq).
(6)
另一种则是等离子体在气相生成OH，同样通过复合反应在气相生成H2O2，再溶解到水中形成液相H2O2[16,28-29].反应式如下
OH(g)+OH(g)→H2O2(g)，
(7)
H2O2(g)→H2O2(aq).
(8)
通过比较H2O2的增加幅度(图6(a))和气相激发态OH(图4(a))谱线的变化幅度以及液相OH(图5(a))的变化幅度，可以看出，等离子体引发的液相H2O2浓度增加幅度与气相中OH变化幅度相似：在5.58 kV到9.19 kV过程中，二者增加幅度都不大，而在9.19 kV到12.99 kV过程中，液相H2O2和气相中OH变化幅度较为明显，而液相H2O2和液相OH变化的相关性则没有前者高.因此认为这一结果间接证明了气相OH与液相H2O2产生有关，气相中OH先复合产生气相H2O2通过浓度梯度扩散进入了水相，产生液相H2O2(参见反应式(7)和(8)).这一观点与Chen等[30]结论一致，未来可以通过其他诊断手段探明气相H2O2的浓度，进而验证笔者的推测.
图6(b)是改变放电频率与液相中H2O2浓度变化之间的关系图，很明显，随着放电频率等量增加，液相中产生的H2O2浓度也相应等比例增加.这说明放电频率控制单位时间的放电次数，每次放电产生的液相H2O2浓度基本一致，当频率增加时，液相H2O2也随之增加.
图6(c)给出了不同脉冲宽度对液相H2O2浓度变化的影响，随着电压脉冲宽度的增加，其引发的液相H2O2浓度总体出现小幅降低的趋势，但是变化幅度不大，从这个角度上讲可以认为电压脉冲宽度不是液相H2O2生成的一个主要因素，具体的原因与电压脉冲宽度的变化对液相OH的影响一样.
图6(d)是He等离子体工作气中掺入不同比例 O2所得液相H2O2浓度的变化情况，可以发现随O2占工作气体体积比例的升高，等离子体引发的液相H2O2浓度随之减弱，这种趋势相当明显.这是由于等离子体中O2的引入提高了O原子的浓度(通过图4(d)可以间接证明)，O原子在一定程度上会消耗一定量的气相OH(参见反应式(9))，从而减少气相H2O2的含量，此外由于O2是电负性气体，通过电子附着使等离子体中的电子减少，间接降低放电强度，也会减少气相中的OH，继而影响到了液相H2O2的产生.反应式如下[31-32]
OH(g)+O(g)→O2(g)+H·.
(9)
笔者通过不同工作参数下大气压等离子体射流作用去离子水研究其引发液相OH和H2O2绝对浓度的变化规律.研究结果表明，升高工作电压和提高放电频率可以使等离子体的关键气相活性粒子强度和其引发的液相OH和H2O2浓度增加，这是由于提升电压和放电频率可以增加等离子体射流功率；
放电脉冲宽度的增加则对于等离子体关键气相活性粒子强度和其引发的液相OH和H2O2浓度无明显促进作用，这是由于等离子体放电主要发生在脉冲电压的上升沿和下降沿，而电压中间平坦处基本没有放电电流产生；
当少量的O2被引入工作气体中，O的谱线先增强再减弱，He和OH的特征谱线则是随O2含量的提升逐渐减少；
O2的引入使得等离子体引发的液相OH和H2O2绝对浓度也逐步减少，这是由于O2是电负性气体，通过对电子的附着捕集使得放电变弱，进而影响液相OH和H2O2.此外通过比较发射光谱中OH、液相OH和液相H2O2随等离子体工作参数的变化结果，推测液相OH主要是由等离子体中的高能粒子(如电子、离子)与水表面水分子发生反应形成的，而气相OH溶解生成液相OH则为辅；
等离子体引发的液相H2O2则是由气相OH复合生成气相H2O2再溶入水中形成的.明确了液相OH和H2O2的产生规律，未来可以通过等离子体工作参数实现对于关键液相产物的调控，进而达到等离子体生物医学效应的最优解.
