之前报道的大气压低温等离子体射流绝大多数需要外部电源，例如需要高压电源、市电供应、信号发生器、高压电缆线等；而且需要外部供给工作气体，例如稀有气体、流量计、减压阀等。这些因素都大大限制了大气压低温等离子体射流的广泛应用，在一些特殊的场合（例如户外救护车上、自然灾害区、战争场所等），目前的这些等离子体射流装置都很难得到应用。下面介绍一种手持便携式大气压低温等离子体射流源，该装置不需要任何外部电源或者供气系统，仅靠内置的一个12V 直流锂电池供电，整体尺寸小巧便携，利用环境空气产生的等离子体射流截面约为2cm2，该装置被命名为“等离子体手电”。
该装置的电路结构如图1.6.28所示[122]。锂电池供给的12V 直流电压经过开关加载到高压直流升压器输入端，然后升压器将电压升高到约直流10kV。负极端经过限流电阻R2（50 MΩ）接地，正极端同样经过限流电阻R1（50 MΩ）与一个由12根不锈钢细针（长度20mm，直径0.2mm，针尖曲率半径50μm）组成的圆形针阵列相连。这12根针彼此导通且严格对称，整体阵列外径约4mm。图中的杂散电容是由于导线及针阵列等引起。当直流12V处的开关打开后，在圆形的针阵列前端就会放电产生等离子体射流，实际等离子体手电的放电照片如图1.6.29所示。
图1.6.28 等离子体手电电路结构图[122]
图1.6.29 等离子体手电放电照片[122]
为了保证等离子体手电使用安全、小型轻便、操作方便以及维护容易，在设计中要考虑绝缘、外形、结构等多方面因素。等离子体手电在结构上主要由5部分组成，分别是可充电锂电池、直流升压器、限流电阻、放电电极和绝缘外壳。
（1）供电电池可选择直流12V，容量可根据实际需要选定，目前测试结果表明，1500mAh锂电池一次充满电可以满足等离子体手电连续工作约300h需求。
（2）限流电阻是用来限制放电回路中的电流的，所以一般选择阻值较大的电阻（50 MΩ），为了防止限流电阻的失效短路等问题带来的隐患，在接地负极端和放电正极端都串入了限流电阻。
（3）放电电极是不锈钢针，为了获得更大截面的等离子体，实际电极是由12根针组成圆形的阵列。由于需要在大气环境下直接电离空气产生等离子体，所以需要不锈钢针的针尖曲率半径非常小，同时整体电极可设计成方便拆卸的形式。
（4）等离子体手电的外壳一般要选取耐高压绝缘材料，在外壳装有金属开关来控制锂电池电压的通断。
图1.6.30（a）所示的是等离子体手电的放电特性，可以看到等离子体手电的放电电流为脉冲形式，重复频率约为20kHz。图1.6.30（b）是对单个脉冲电流放大显示的波形，放电脉冲电流半高宽约100ns，电流峰值约为6 mA。计算后可得等离子体手电放电时消耗的功率约为60mW。
图1.6.30 等离子体手电放电电流与电压波形
（a）多个放电脉冲；（b）单个放电脉冲[122]
由于杂散电容很小，限流电阻又很大，所以放电电流脉冲只能持续很短的一段时间，约100ns，等离子的气体温度也接近室温，这两方面的特性决定了等离子体手电的安全性。正如图1.6.29所示，人体手指可以直接与等离子体接触而没有任何电击感或者灼烧感。
等离子体手电是全球首款手持便携式等离子体射流装置，该装置目前已经完成了几代的设计研制，如图1.6.31所示。等离子体手电在尺寸外形、操作控制、放电均匀性等方面都有很大的改进，使得等离子体手电更适合实际操作和应用。等离子体手电的发明也受到众多国内外知名新闻杂志的关注和报道，例如《科学》《时代周刊》《纽约每日新闻》《英国每日邮报》《中国科学报》《香港明报》等。
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图1.6.31 改进后的等离子体手电放电照片
利用该等离子体手电装置还可以对单细胞进行处理。此时采用单根针电极，针尖直径约1μm。图1.6.32给出了该等离子体手电处理单细胞的实验装置示意图[123]。图1.6.33给出了等离子体实时处理单个细胞的照片。从图1.6.33（a）可以看出针尖产生的等离子体直径约为2μm。当电极的针尖靠近细胞时，细胞此时为地电极，如图1.6.33（b）所示。为了了解其对单细胞的生物效应，利用该装置对HepG2 细胞进行处理，并观察其形态变化。从图1.6.34可以看出，处理前的健康细胞呈现为纺锤形，轮廓清晰。等离子体处理后，被处理的细胞形态开始变化，它开始收缩，逐渐变为近似圆形，类似于要凋亡的细胞。为了进一步了解被处理的细胞是否进入凋亡阶段，采用Annexin V-FTTC绿色荧光对细胞进行标记。AnnexinV-FTTC对磷脂酰丝氨酸（PS）有很强的亲和力，而磷脂酰丝氨酸通常在细胞膜的内部。当细胞进入凋亡阶段时，PS会快速地转到细胞膜的外部，此时它就会与AnnexinV-FTTC 结合，从而显示为绿色。因此通过是否与AnnexinV 荧光染料结合，即可判断细胞是否进入凋亡阶段。从图1.6.35可以看出，被等离子体处理的细胞，在处理好5min之后即进入凋亡阶段。
图1.6.32 等离子体手电处理单细胞的实验装置示意图[123]
图1.6.33 等离子体实时处理单个细胞
（a）微等离子体照片；（b）微等离子体处理单个细胞的照片[123]
细胞核在凋亡过程中其变化通常是在凋亡的后期。通过采用Hoechst 33342染料对DNA 进行染色，所得结果如图1.6.36所示。从图中可以看出，等离子体处理的细胞的荧光在30min之后变得更亮。在20h以后，被处理细胞的细胞核出现碎片化，而对照组细胞仍保持完整。
图1.6.34 等离子体处理HepG2细胞后其形态的实时变化照片[123]
每幅照片左上角虚线圈内的细胞是该等离子体处理15s后的细胞；右下角实线圈内的细胞是未处理的对照组细胞
图1.6.35 通过Annexin-V 荧光染料实时观测细胞是否进入凋亡阶段[123]
每幅照片左下角虚线圈内的细胞为等离子体处理的细胞，右上角实线圈内的细胞为对照组细胞
图1.6.36 采用Hoechst33342染料对DNA 进行染色所得细胞的实时照片[123]
每幅照片左上角虚线圈内的细胞为等离子体处理的细胞，右下角实线圈内的细胞为对照组细胞
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