内窥镜等离子体射流中的放电动力学及远程电离波调制

　　重庆大学电气工程学院董守龙教授团队在《Plasma Processes and Polymers》发表的最新研究，通过创新模型与实验结合，揭示了内窥镜等离子体射流的核心放电机制，为远程等离子体技术在生物医学等领域的应用奠定了关键基础。

　　研究背景

　　大气压等离子体射流(Atmosphere Pressure Plasma Jet, APPJ)在生物医学和材料改性领域应用广泛，其中浮置电极内窥镜装置因结构简单、安全性高且能实现等离子体长距离传播，成为远程等离子体应用的核心方案。然而，其电离波传播的调控机制、金属与等离子体的动态相互作用等关键问题尚未明确，传统模型难以精准描述非线性等离子体响应。本研究构建了结合动态Drude公式的自洽等离子体-流体模型，无需额外计算成本即可精准捕捉金属电极与电离波的动态耦合，为解析复杂放电过程提供了全新理论工具。

　　实验方法与装置

　　研究团队搭建了多维度实验系统(图1)，实现从物理机制到生物效应的全链条验证：

　　ICCD 成像系统： 以 6kV 纳秒脉冲驱动浮置电极结构，氦气为工作气体，通过 ICCD 相机(TRC411，3ns 曝光)捕捉等离子体子弹的时空演化，直观记录放电过程。

　　数值模拟平台： 采用二维轴对称流体模型，纳入17种等离子体物种及52个化学反应，模拟介质管(半径 1mm)与浮置电极(半径 0.2mm)的放电动态，重点解析电场分布与电荷演化。

　　生物验证模型： 基于3D打印硅胶支气管仿体模拟体内环境，以A549 肺腺癌细胞及3D肿瘤球体为对象，通过 JC-1 染色(线粒体膜电位)和ATP检测(细胞活性)评估等离子体的远程生物效应。

　　图1 (a) 用于捕捉等离子体子弹时空演化的 ICCD 实验装置示意图。(b) 展示介质管、浮置电极和边界条件的模拟域。(c) 使用支气管模型模拟远端内窥镜等离子体治疗场景的生物实验装置。

　　实验过程中，首先通入氦气并调试各装置参数，待系统稳定后施加相应电压。ICCD相机同步捕捉等离子体传播图像，模拟域模型按设定参数运行至100ns结束，生物实验中每个细胞样品处理3分钟以保证数据可靠性，所有关键数据均重复测量取平均值。通过光学诊断、光谱分析等技术获取等离子体特性数据，结合模型模拟结果，最终揭示内窥镜等离子体射流的放电动力学及远程电离波调制机制。

　　实验结果

　　两阶段放电的异步耦合机制

　　ICCD成像显示(图2)，30ns 时介质管内形成内部电离波(IIW)，55ns开始收缩，185ns完全熄灭;125ns时电极尖端触发尖端电离波(TIW)，向靶标传播。模拟证实，IIW形成的导电通道使浮置电位从稳态1043V升至 1968V，49ns时尖端电场达241kV/cm，为TIW提供驱动能量，二者通过导电通道实现远程调控。

　　图2 ICCD 图像以 3ns 的曝光时间捕捉到的氦等离子体子弹的时空演变。图像显示了两相放电：内部电离波之后是向目标传播的尖端放电。

　　浮置电极的极化平衡

　　50-70ns内，电极表面电荷与极化电荷同步增减维持动态平衡;尖端因曲率效应产生电荷积累，通过正电荷极化补偿保障电位稳定传输，是远程放电稳定的关键(如图3)。

　　图3 (a) z = 6-10时的表面电荷密度和 (b) 极化电荷密度;(c) 金属尖端的表面电荷密度和 (d) 极化电荷密度。

　　介质管壁厚的调控作用

　　介质管壁厚增加(0.8→2.0mm)会延迟 IIW 传播，降低 TIW活性，导致原子氧(777.4nm)、氮(337.1nm)等活性物种发射强度下降(图4)。壁厚1.0mm时， A549 细胞线粒体去极化最显著，3D肿瘤球体存活率最低(图5， p<0.0001)，证实壁厚可精准调控等离子体的远程毒性。

　　图4 (a) 不同介质管壁厚度(0.8、1.2、1.5 毫米)下的外加电压和浮置电位。(b) r = 0.3毫米、z = 8毫米处内部电离波的电场强度。(c) z = 12.5-13.5毫米范围内尖端电离波的峰值电离率，显示几何变化引起的调制效应。

　　图5 (a)通过不同壁厚(1.0、1.5 和 2.0 毫米)的介质管产生的等离子体射流的光学发射光谱。(b) A549 单层细胞暴露于等离子体后的JC-1染色，显示不同壁厚的线粒体膜电位变化。红色荧光代表JC-1聚集体(高膜电位)，绿色荧光代表JC-1单体(低膜电位)。(c) 用CellTiter-Lumi 检测法评估等离子体处理后肿瘤小球存活率的定量分析。星号表示经单向方差分析和Tukey后检验确定的统计学显著差异(***p < 0.001;****p < 0.0001)。

　　总结

　　该研究不仅阐明了内窥镜等离子体射流中两阶段放电(内部电离波与尖端电离波)的耦合机制及介质管壁厚的调控作用，还为优化等离子体远程递送技术在实际应用中的性能提供了重要指导。未来，通过精确调控介质管几何参数，有望进一步提升远程等离子体的空间控制能力，推动该技术在肿瘤消融、管道消毒、靶向表面改性等领域的广泛应用。

　　解决方案