低溫等離子體處理甲酰胺溶液過程中活性粒子傳質的數值模擬

吉 杰, 陳歆羨, 郭文強

(上海電力大學 電氣工程學院, 上海 200090)

大氣壓低溫等離子體(Cold Atmospheric-pressure Plasmas,CAPs)具有較低的溫度和良好的反應特性,在能源、材料、環境、生物醫學、農業[1-5]等領域得到了廣泛的應用。在等離子體醫學中,治療傷口、滅殺細菌以及治療癌癥等領域都有涉及CAPs[6-7]。等離子體在臨床治療中具有設備簡單、成本低、高效安全、對人體副作用小等優點,具有良好的應用前景和便捷的使用環境[8]。

等離子體處理溶液時會產生各種活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)和活性氮(Reactive Nitrogen Species,RNS)。這些粒子被認為是等離子體在生物細胞中的主要效應器[9]。其中,活性粒子的濃度和滲透深度決定了等離子體醫學應用的治療效果和治療范圍[10]。目前,活性粒子對人體組織的滲透效果引起了人們的廣泛關注[11]。仿真通常使用水溶液作為模型,模擬粒子在液體環境中的傳質過程[12]。文獻[13]采用一維漂移-擴散流體模型模擬了ROS在水溶液中的傳質過程,發現等離子體受溶液中化學反應影響,滲透深度可以達到10 μm～1 mm。文獻[14]模擬了活性粒子對角質層的滲透,發現當環境濕潤時活性粒子的通透性更強。文獻[15]發現隨著水溶液模型中O2含量的增加,O3和OH的滲透深度從幾微米增加到20 μm,可直接作用到更深層次生物組織。上述仿真表明,溶液中活性粒子存在時間和擴散距離較短,但一些粒子可以通過化學反應達到更深的位置[16-17]。實驗方面,文獻[18]研究用水凝膠模擬組織模型監測ROS輸送,發現等離子體滲透深度可超過1.5 mm。文獻[19]發現,用CAPs處理傷口,可以有效滅殺傷口深處細菌,激活免疫細胞,促進組織修復。……