大气压非平衡等离子体射流在根管治疗中的应用

牙齿的根管是一个孔径约1mm，深度达1cm的封闭腔道。为了实现对牙齿根管的彻底杀菌，想通过在根管口产生等离子体，通过气体流动将等离子体的活性成分输送到根管内来实现杀菌效果是很难的。因为一方面根管是一个封闭腔道，很难将活性粒子有效地输送到根管内部；另一方面，那些活性高但寿命短的活性粒子在输送的过程中很快就消失了。因此为了实现对牙齿根管的彻底杀菌，必须将等离子体产生在根管内，这样才能实现高效杀菌。图1.5.7给出了一种可在牙齿根管内产生等离子体，适合于牙齿根管治疗的等离子体射流装置[90]。它的高压电极为医用不锈钢针，其内径为200μm，长约3cm。该不锈钢针通过一个60kΩ电阻和50pF的电容与一个脉冲直流高压电源相连。

图1.5.7　用于牙齿根管治疗的等离子体射流装置[90]

当氦氧混合气体通过针孔，高压电源打开，即可在周围空气中产生常温等离子体，如图1.5.8所示。不仅人可以触摸该等离子体，且高压电极，即该不锈钢针，人也可以任意触摸，无任何电击感。为了实现对根管的彻底杀菌，可将该等离子体产生在根管内，如图1.5.9所示。

该等离子体的电流、电压波形如图1.5.10所示。从图1.5.10中可以看出，等离子体的放电电流，即总电流Itot与位移电流Ino的差，约为10mA。位移电流波形是典型的RC充放电回路电流波形。针上的电压可达6kV。但人体可以任意触摸。

图1.5.8　手指与该等离子体射流接触的照片[90]

图1.5.9　等离子体产生在根管内的照片[90]

图1.5.10　电流、电压波形[90]

Va为电源电压，Vneedle为针上的电压，Itot为总电流（有等离子体），Ino为位移电流（无等离子体）；此时Va=8kV，脉宽为500ns，脉冲频率为10kHz，工作气体为He/O2（20%），总气体流速为0.4L/min

为了更好地了解该装置的电特性，从而深入认识其等离子体行为，采用如图1.5.11所示的电路来模拟其电特性[113]。图1.5.11中C（50pF）和R（60 kΩ）为装置所串联的电容和电阻，而C1（5pF）、C2（3pF）和C3（1pF）为杂散电容，L（9nH）为杂散电感，Rg（1 MΩ）为针和地之间的有效电阻。等离子体等效于电阻Rpg（0.8MΩ）并联于Rp（500Ω）、Lp（1nH）和Cp（0.01pF）。这些值是通过模拟该电路与实验所得电压、电流波形最佳而得到的。模拟时采用的电压为8kV，其上升沿和下降沿分别为50ns和80ns。图1.5.12给出了模拟所得的电流、电压波形。它们与实验值吻合得很好。值得指出的是，在电压的上升沿，模拟所得的电流波形与实验波形略有差异，这是由于模拟时假设电压是线性上升的，而实验时并非如此。另外，模拟所得的放电电流保持在10mA左右，直到电压的下降沿。而实验所得的电流在放电100ns后降低到略高于位移电流。这个差异是由于Rpg导致的。真实的Rpg应该是随着时间变化而变化的。它放电后应该逐渐增大。

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图1.5.11　放电回路的电路模型[113]

C=50pF、R=60kΩ为装置所串联的电容和电阻，而C1=5pF、C2=3pF和C3=1pF为杂散电容，L=9nH为杂散电感，Rg=1 MΩ为针和地之间的有效电阻；Rpg=0.8 MΩ，Rp=500Ω，Lp=1nH，Cp=0.01pF

图1.5.12　根据图1.5.11所得的电流、电压模拟结果[113]

当采用氦气和氩气作为工作气体时，所得的发射光谱如图1.5.13所示。应该指出，这里的OH和N2是由于周围空气扩散导致的。从图1.5.13中可以看出，当采用Ar作为工作气体时，OH光谱很强，且N2的辐射强度比用He为工作气体时强许多。但是的辐射强度则比用He时弱许多。这可作如下解释。所观测到的N2辐射都是由（v1=0，1，2，3；v2=0，1，2，3）跃迁产生的。因此为了产生该辐射，N2必须激发到N2的C3Πu态。对应于v1=0，1，2，3的N2C3Πu态的激发能分别为11.78eV、11.425eV、11.668 eV和11.908eV。另外观察到的OH辐射都是由OH（A2Σ-X2Π）（0-0）跃迁产生的。对应的OH A2Σ态的激发能为4.2eV。为了产生OH，必须分解H2O，其分解能为5.1eV。而为了产生辐射，N2首先必须电离，其电离能为15.6eV。观测到的辐射都是从Σ（v1=0）高能级跃迁产生的，它对应的激发能为3.2eV。由于观测到的He谱线相关的激发态的能级都大于22eV，因此这些高能级都能通过两体或者三体碰撞激发N2、OH、到它们的高能态，且能够电离N2。但是所观测到的Ar的谱线相关的能级为11.5eV和13.5eV。处于这些能级的Ar可以激发N2、OH、到它们的高能态，但无法电离N2。这可能是当Ar作为工作气体，辐射很弱的原因。此外，由于Ar的激发能远低于He，因此使Ar激发的概率远大于He。这可能是为什么当Ar作为工作气体时，N2辐射更强的原因。

图1.5.13　等离子体辐射光谱[113]

（a）300～450nm；（b）500～800nm。He和Ar的流速都是0.4L/min

根据电流、电压波形，对于外加电压8kV，脉宽500ns，脉冲频率10kHz，注入到等离子体中的功率约为0.1 W。该等离子体装置的杀菌实验如图1.5.14所示。处理4min，消杀约4个数量级。

图1.5.14　等离子体杀灭粪肠球菌的实验结果[113]

200μL的细菌溶液（106CFU/mL）均匀地涂抹在培养基上；（a）对照组；（b）He/O2（20%），总气体流速为0.4L/min；（c）Ar/O2（20%），总气体流速为0.4L/min；处理时间为4min