可转换等离子体源及方法与流程

1.本发明涉及等离子体源。更具体地说，本发明涉及可转换等离子体源及方法。


背景技术：

2.在过去的几十年中，越来越感兴趣地研究了非热大气压等离子体。特别是，最近的研究操作致力于对生物学的不同子领域的应用，如农业、食品加工和医学。
3.虽然大多数等离子体源维持可以使用诸如气体流量、气体成分和施加功率之类的控制参数来优化的等离子体，但是很少有等离子体源具有显著地改变所产生的等离子体的特性的能力。实际上，改变气体流量、气体成分和施加功率可以改变等离子体特性，例如电子密度和能量，尽管仅在有限范围内可以改变，该范围通常由等离子体的非热性质限定，即，当这些参数超过某个阈值时，温度迅速升高到高于室温。
4.修改激发波形可用于更好地控制等离子体参数；例如，通过将频率从khz增加到mhz，同时使用单个等离子体源将放电保持在室温附近，可以使时间和空间平均电子密度提高3个数量级。纳秒脉冲放电和诸如三角形和锯齿波形之类的其他非正弦波形也可用于定制(tailor)等离子体的特性。然而，这些方法通常需要专门的设备，例如纳秒脉冲发生器或空心定制变压器，并且需要多个电源系统来随意定制特性。
5.在本领域中仍然需要等离子体源及方法。


技术实现要素：

6.更具体地，根据本发明，提供了一种等离子体源，其包括：通过具有恒定宽度的介电势垒和间隙隔开的第一中空电极和第二中空电极；其中，提供具有第一击穿电压的等离子体形成气体和具有大于所述第一击穿电压的第二击穿电压的非等离子体形成气体，所述等离子体源被配置为以第一配置和第二配置中任一者来选择性地产生等离子体；其中，i)在所述第一配置中，所述等离子体形成气体在所述间隙中流动，而所述非等离子体形成气体在所述第一中空电极内流动；以及ii)在所述第二配置中，所述等离子体形成气体在所述第一中空电极内流动，以及所述非等离子体形成气体在所述间隙内流动。
7.还提供了一种用于产生细胞毒素反应性物质的方法，包括：在施加功率下，将第一气体注入到与第二中空电极隔开恒定宽度的气隙的第一电极中，以及将第二气体注入到所述气隙中，所述第一气体和所述第二气体具有不同的击穿电压。
8.还提供了一种用于产生反应性物质的方法，包括：在施加功率下，将第一气体注入到与第二中空电极隔开恒定宽度的气隙的第一电极中，以及将第二气体注入到所述气隙中，所述第一气体和所述第二气体具有不同的击穿电压。
9.还提供了一种等离子体生成方法，包括：选择具有不同击穿电压的至少两种气体，在施加功率下，将第一气体注入到与第二中空电极隔开恒定宽度的气隙的第一电极中，以及将第二气体注入到所述气隙中。
10.在阅读以下仅参考附图以示例方式给出的具体实施例的非限制性描述时，本发明
的其他目的、优点和特征将变得更加明显。
附图说明
11.在附图中：
12.图1是根据本公开的一方面的实施例的等离子体源的电路的示意图；
13.图2a是根据本公开的一方面的实施例的以第一配置操作的图1的等离子体源的示意性截面图；
14.图2b是根据本公开的一方面的实施例的图1的等离子体源的示意性截面图；
15.图2c是根据本公开的一方面的实施例的以第二配置操作的图1的等离子体源的示意性截面图；
16.图2d是图2a的以第一配置操作的图1的等离子体源的示意性纵向截面图；
17.图2e是图2b的等离子体源的示意性纵向截面图；
18.图2f是图2c的以第二配置操作的图1的等离子体源的示意性纵向截面图；
19.图3a是根据本公开的一方面的实施例的气体馈送单元的示意图；
20.图3b是根据本公开的一方面的实施例的气体馈送单元的示意图；
21.图3c是根据本公开的一方面的实施例的气体馈送单元的示意图；
22.图4a示出了在ω模式下在第一配置下的光发射光谱，其中在发生器处具有4.3slm的氦气和10w的功率；
23.图4b示出了在γ模式下在第一配置下的光发射光谱，其中在发生器处具有4.3slm的氦气和35w的功率；
24.图4c示出了在第二配置下的光发射光谱，其中在发生器处具有0.6slm的氦气和35w的功率；
25.图5a示出了在γ模式下在第一配置下的等离子体的发射光谱，其中在发生器处具有25w的功率，在中心电极和接地电极之间的间隙中具有4.3slm的氦气流量，其中在中心电极中注入0.05slm的o2，或者在中心电极和接地电极之间的间隙中注入0.002slm的o2；
26.图5b示出了在γ模式下在第一配置下的o2的注入位置对放电的光发射的影响，其中在发生器处具有25w的功率，以及中心电极和接地电极之间的间隙具有4.3slm的氦气流量；
27.图6a示出了控制等离子体点燃(ignition)的脉冲气流的示例。氦气流量被设置为4.3slm；
28.图6b示出了在由气体脉冲控制的等离子体点燃期间沿气流轴的可见光发射。原型被以第一配置设置，氦气流量被设置为在2s期间的4.3slm，发生器处的功率被设置为35w；
29.图7a示出了在1.5ml微管内的400μl dmem中悬浮的mda-mb-231细胞株(cell line)暴露于第一配置的等离子体之后6天的归一化的细胞数。氦气流量为4.3slm，发生器处的功率为10w，从喷嘴尖端到液体表面的距离为5mm；
30.图7b示出了在1.5ml微管内的400μl dmem中悬浮的mda-mb-231细胞株在暴露于第一配置的等离子体之后6天的归一化的细胞数。氦气流量为4.3slm，发生器处的功率为20w，从喷嘴尖端到液体表面的距离为5mm；
31.图7c示出了在1.5ml微管内的400μl dmem中悬浮的mda-mb-231细胞株在暴露于第
二配置的等离子体之后6天的归一化的细胞数。氦气流量为0.6slm，发生器处的功率为35w，从喷嘴尖端到液体表面的距离为5mm；
32.图8示出了在1.5ml微管内的400μl dmem中悬浮的不同细胞株在暴露于第二配置的等离子体之后6天的生长速率抑制(gr)值。氦气流量为0.6slm，发生器处的功率为35w，从喷嘴尖端到液体表面的距离为5mm；
33.图9a示出了在使用距喷嘴末端5mm处的位于培养皿底部的mda-mb-231细胞株的在ω模式下使用第一配置的治疗紧接之后用碘化丙啶(propidium iodide)着色的细胞的荧光显微镜图像，其中发生器处的功率为10w，示出了作为等离子体形成气体而被注入的4.3slm的标称(nominally)纯氦(等离子体)与4.3slm的仅标称纯氦(气体)的对比；
34.图9b示出了在使用距喷嘴末端5mm处的位于培养皿底部的mda-mb-231细胞株的在γ模式下使用第一配置的治疗紧接之后用碘化丙啶着色的细胞的荧光显微镜图像，其中发生器处的功率为35w，示出了作为等离子体形成气体而被注入的4.3slm的标称纯氦(等离子体)与4.3slm的仅标称纯氦(气体)的对比；以及
35.图9c示出了在使用距喷嘴末端5mm处的位于培养皿底部的mda-mb-231细胞株的使用第二配置的治疗紧接之后用碘化丙啶着色的细胞的荧光显微镜图像，其中发生器处的功率为35w，示出了作为等离子体形成气体而被注入的0.6slm的标称纯氦(等离子体)与4.3slm的仅标称纯氦(气体)的对比。
具体实施方式
36.本发明通过以下非限制性示例进一步详细说明。
37.根据本公开的一方面，等离子体源包括由气隙(gg)和介电势垒(db)隔开的第一电极和第二电极。两个电极中的每一个都被配置为包含气流并且因此在本文中被称为是中空的。
38.在本文所示的示例中，第一电极是通电电极(pe)并且第二电极是接地电极(ge)。或者，两个电极都可以通电；并且可以使用双激发，因此可以使用被提供有不同激发波的两个电极。
39.此外，在本文所示的示例中，等离子体源以同轴几何形状示出：通电电极(pe)是在作为接地电极(ge)的外部中空的接地电极内居中的中空电极。可以考虑替代的几何形状，例如正方形(图10a)、平面到平面(plane-to-plane)(图10b)、使用气体引导(gg)形成的气隙(gg)、或曲面到平面(curved plane to plane)(图10c)几何形状，例如在具有恒定厚度的介电势垒电介质(db)与中心电极(pe)之间具有气隙(gg)。
40.图1是根据本公开的一方面的实施例的等离子体源的横截面。
41.中心中空电极(pe)被通电以点燃放电。在本文的示例中，使用正弦波形的电压，其频率在大约5mhz至大约20mhz之间的范围内，例如频率为13.56mhz。可以使用具有不同的放电动力学和所产生的不同的等离子体特性的其他激发波形，例如正方形、三角形和锯齿形，并且频率可以在大约100hz至大约100mhz之间的范围内选择，同时仍然允许在下面描述的等离子体配置中的持续放电。也可以考虑超出大约100hz至大约100mhz范围的频率；等离子体源在0.1w/cm3至500w/cm3范围内的等离子功率密度下操作。
42.根据本公开的一方面的实施例，在第一配置中，将等离子体形成气体(g)注入到在
中心电极(pe)和介电势垒(db)之间形成的气隙(gg)中，并且将非等离子体形成气体(ng)注入到中心电极(pe)的中心间隙(cg)中。
43.反应性物质(r)源(例如n2、o2、空气、气态化合物、蒸汽和气溶胶)可以连同等离子体形成气体(g)被一起注入到在中心电极(pe)和介电势垒(db)之间形成的气隙(gg)中，和/或可以连同非等离子体形成气体(ng)被一起注入到中心电极(pe)中(参见图2a、2d)，以便选择性地在流动余辉(fa)或流出区(rz)中生成反应性物质。
44.非等离子体形成气体(ng)可以是反应性物质(r)源；在这种情况下，非等离子体形成气体(ng)的浓度可以通过使等离子体形成气体(g)发生脉冲来增加。例如，如下面讨论的图6所示，取决于等离子体形成气体是否存在于气隙(gg)中来开启或关闭等离子体。在此特殊情况下，非等离子体形成气体(ng)是环境空气，一旦等离子体形成气体(g)的流动被切断，非等离子体形成气体(ng)就会充满整个等离子体源，并且等离子体会消失。
45.在该第一配置中，使用以13.56mhz正弦激发波形来激发的图2b、2e的等离子体源，在形成在中心电极(pe)和介电势垒(db)之间的气隙(gg)中形成等离子体形成区，并且等离子体产生的反应性物质(p)通过气体携带(gas entrainment)而被吹向下游，到达等离子体源的出口和外部(参见图2d中的箭头)。在启动放电的馈送电力处，取决于等离子体形成气体的性质以及非等离子体形成气体(ng)的通量和浓度，在第一模式(下文讨论的γ模式)下，在等离子体源的出口处观察到反应性流动余辉(fa)，其中等离子体(p)没有来自电场的能量供应。反应性流动余辉(fa)终止进入到非荧光流出反应性区(rz)。在该第一模式下，在等离子体源内在形成在中心电极(pe)和介电势垒(db)之间的气隙(gg)中产生的大等离子体体积因此生成反应性物质，这些物质被传输到等离子体源的外部，到达包括反应性荧光反应性流动余辉(fa)和非荧光流出反应性区(rz)的反应性区，其可用于例如治疗，如下文将讨论的。在第二模式(下文讨论的ω模式)下，没有观察到流动余辉(fa)，但在非荧光流出反应性区(rz)中在等离子体源的输出处产生了反应性物质。
46.在第二配置中，将等离子体形成气体(g)注入到中心电极(pe)内部的中心间隙(cg)内，并且将非等离子体形成气体(ng)注入到中心电极(pe)和介电势垒(db)之间的气隙(gg)中。
47.反应性物质(r)源(例如n2、o2、空气、气态化合物、蒸汽和气溶胶)可以连同非等离子体形成气体(ng)被一起注入到在中心电极(pe)和介电势垒(db)之间形成的气隙(gg)中，和/或可以连同等离子体形成气体(g)被一起注入到中心电极(pe)中(图2c和2f)，以便选择性地在流动余辉(fa)或流出区(rz)中生成反应性物质。
48.因此，与在第一配置(图2a、2d)中设定时形成对比(其中等离子体在中心电极(pe)和介电势垒(db)之间的气隙(gg)中生成)，当在第二配置(图2c、2f)中设定时，以13.56mhz正弦激发波形而被通电的图2b、2e的等离子体源以喷射模式在中心电极(pe)的出口处产生等离子体(p)并且其沿等离子体源的纵轴集中，如图2f所示。
49.根据本公开的一方面的实施例，气体馈送单元用于通过控制等离子体形成气体(g)在第一电极内或在第一电极和介电势垒(db)之间的气隙(gg)内的注入，同时控制非等离子体形成气体(ng)在第一电极内或在第一电极和介电势垒(db)之间的气隙(gg)内的注入，来选择性地启用第一配置或第二配置。图3a示出了根据本公开的一方面的实施例的用于使用氦气作为等离子体形成气体(g)和使用环境空气作为非等离子体形成气体(ng)来生
成等离子体的气体馈送单元。例如，氦气瓶(he)通过三通阀连接到等离子体源，其中三通阀的第一位置将氦气引导到等离子体源的气隙(gg)中，同时允许环境空气填充第一电极(pe)，因此将等离子体源设置为第一配置。三通阀的第二位置将氦气引导到第一电极(pe)中，同时允许环境空气填充等离子体源的气隙(gg)，从而将等离子体源设定为第二配置。
50.图3b所示的使用氦气作为等离子体形成气体(g)并且使用o2作为非等离子体形成气体(ng)的气体馈送单元包括例如球阀、氦气馈送线和o2馈送线，其中mfc代表质量流量控制器，其连接到球阀的气体输入端。球阀可以操作以将任一气体引导到第一电极(pe)的间隙(cg)或第一电极(pe)和介电势垒(db)之间的气隙(gg)。
51.图3c是用于选择性地注入例如作为等离子体形成气体(g)的氦气和作为非等离子体形成气体(ng)的n2或o2的气体馈送单元的示意图。例如，第一三通阀允许选择性地注入与氦气分离或与氦气混合的o2或n2，或者不注入o2/n2；例如，四通交换阀用于将等离子体形成气体(g)引导到第一电极(pe)，并且将非等离子体形成气体(ng)引导到第一电极(pe)和第二电极(pe)之间的气隙(gg)，或者反之亦然；例如，第二三通阀用于选择反应气体：o2、n2或不选择任何气体；例如，第三三通阀允许在切换等离子体源的配置时使氦气通过整个气体馈送单元以清除o2和n2线。
52.根据本公开的一方面的实施例的方法包括：选择非等离子体形成气体(ng)和具有比非等离子体形成气体(ng)更低的击穿电压的等离子体形成气体(g)；使等离子体形成气体(g)和非等离子体形成气体(ng)在通过恒定厚度的气隙(gg)和介电势垒(db)来与第二电极隔开的第一电极内流动；选择等离子体形成气体(g)或非等离子体形成气体(ng)中的哪一个在给定时间流入第一电极；以及启动放电。
53.当在环境空气中操作时，不流动的环境空气可以用作等离子体形成气体或非等离子体形成气体。
54.可以进一步选择反应性物质(r)气体的载体，并且该载体被注入以下中的至少一者：i)等离子体形成气体(g)，以及ii)非等离子体形成气体(ng)，以便在流动余辉(fa)或流出区(rz)中选择性地生成反应性物质。
55.任一种气体可以是气体组合，例如包括预混合气体、化学前体、蒸汽和水。
56.使用氦气作为低击穿电压气体和等离子体形成气体(g)、使用空气、分子氧(o2)或分子氮(n2)作为非等离子体形成气体(ng)和更高击穿电压气体、以及使用反应性物质气体(r)的载体来执行实验。所测试的气体组合包括he-空气、he-o2和he-n2。例如，也可以使用气体的其他组合，例如he-ar、he-ne、ne-ar、ne-空气、ne-o2、ne-n2、ar-空气、ar-o2和ar-n2，以及例如包括预混合气体、化学前体、蒸汽和水的组合。
57.实验中，采用内外径分别为4mm和6mm的316不锈钢管作为外部电极(pe)，介质势垒(db)为内外径分别为3mm和4mm的熔融石英管，中心电极(pe)为内外径分别为0.686mm和1.067mm的不锈钢针(参见图2b)。内外径分别为0.4064mm或1.1938mm和0.7112或1.615mm的针也可以与这些几何形状一起使用。
58.使用图2b的等离子体源，等离子体可以具有5mm的长度l2和1mm的直径φ2(参见图2e)。发现了通电电极14和接地电极18的相对直径被选择为使得它们之间的气隙允许在电极之间维持准均匀的电场，从而在内部配置中维持ω模式。在本示例中(图2)，通电电极14的外径因此被选择为至多约2.8mm，使得气隙至少为约100微米以允许点燃等离子体。
59.例如，如图2b示意性地所示，中心电极(pe)被选择为比外部电极(pe)略短约1.5mm，以使得局部电场足够强以在第二配置中在等离子体源的输出端产生等离子体体积(p)。在较短的中心电极(pe)的情况下，例如，反应性区(rz)的流出物、流动余辉(fa)或等离子体(p)可能不会到达外部电极的出口并到达目标治疗区。等离子体可以用较长中心电极(pe)点燃；在这种情况下，第二配置中的电场形状可以例如朝着电晕放电的电场形状转变，以用于不同的治疗特性，例如电子密度和能量。如果放电不是在γ模式下，则施加在两个电极之间的电场的形状在中心电极(pe)和外部电极(pe)之间基本上是均匀的，在中心电极(pe)的末端稍微加强。
60.该方法包括根据目标等离子体体积、分布和特性来选择施加功率、气体和所选气体的流动。
61.可以选择第一配置，其中使用例如图3a的气体馈送单元将等离子体形成气体(g)注入到中心电极(pe)和外部电极(pe)之间的气隙(gg)中，以及将非等离子体形成气体(ng)注入到中心间隙(cg)中。
62.在本示例中，当等离子体形成气体是氦气并且施加到中心电极(pe)的电压接近维持放电的最小电压时，在ω模式下生成等离子体，其特征在于中心电极(pe)和外部电极(pe)之间的气隙(gg)中的径向均匀的电场和可见颜色。ω模式无需冷却系统或方法即可维持。在反应性区(rz)中产生的反应性物质可以被引导到液体、表面或基底，例如包括生物液体、表面、细胞、组织和基底。
63.当施加功率显著大于用于达到最小击穿电压所需的阈值功率时，例如在氦气两倍大的情况下，可以在γ模式下保持放电，其特征通常在于中心电极(pe)和外部电极(pe)之间的气隙(gg)中的径向不均匀的电场和视觉方面，电场强度朝着中心电极(cr)增加，并且随着更多电子具有足够的能量来激发处于辐射状态的氦原子，颜色发生变化(从紫色到粉红色)，如图4b对比图4a所示。γ模式比ω模式能量更高，并且增加等离子体源出口处的流动余辉(fa)，流动余辉(fa)可用于直接治疗液体、表面或基底，其中例如包括生物液体、表面、细胞、组织。
64.可以通过使用可调节占空比根据开/关类型的快速周期来调制施加功率，而将气体温度控制为接近环境温度。占空比可以在1％至99％之间变化，具体取决于调制频率。范围在大约1hz至大约30khz内的调制频率值得到有效测试；可以使用更广的范围。在大约1khz以上，等离子体重新点燃可能会受到先前的调制周期记忆效应的影响。
65.无论是在ω模式还是在γ模式下放电，都可以在等离子体形成气体(g)内、在非等离子体形成气体(ng)内，或者在等离子体形成气体(g)和非等离子体形成气体(ng)内注入反应性物质(r)源，以便在流动余辉(fa)或在流出区(rz)中选择性地生成反应性物质。
66.第一配置允许在大区域之上进行治疗。例如，使用图2b的等离子体源的流动余辉(fa)或流出区(rz)(即，治疗区域)的直径φ1为3mm。在第一配置中，流动余辉(fa)可以具有大约3mm的长度l1(参见图2d)。
67.在第二配置中，将等离子体形成气体(g)注入到中心间隙(cg)中，以及将非等离子体形成气体(ng)注入到或使环境空气自然地填充中心电极(pe)和介电势垒(db)之间的空间，由此是气隙(gg)(参见图2f)。
68.如果施加功率足够高以维持高得足以允许等离子体形成气体(g)的击穿，但又低
得不足以击穿非等离子体形成气体(ng)的电压，则不会在介电势垒(db)和中心电极(pe)之间或在气隙(gg)中生成任何等离子体体积。相反，在中心电极(pe)的外端部处同时存在等离子体形成气体(g)和电场的区域包含等离子体体积(p)。由于该等离子体体积小，因此在第二配置中，耗散的功率密度可能高，并且气体温度保持接近环境温度。因此，不需要冷却系统或方法，例如上文所述的具有低于100％的占空比的调制频率。
69.实际上，由于在恒定功率下，进入等离子体源的气体处于大约环境温度，因此，气体的加热是在等离子体源内花费的时间的函数。考虑在此使用的参数，气体样本在第一配置中通过等离子体(p)的时间是在第二配置中通过等离子体(p)的时间的3倍，因此与第二配置相比，第一配置中的气体加热增加。在冷却侧，直接或通过等离子体源的壁与冷源(例如环境空气)接触的等离子的表面越大，该接触表面相对于等离子体积而言就越大，冷却效果也越有效。考虑到在此示出的参数，第二配置中的表面/体积比大约是第一配置的2倍。
70.在第二配置中，可以选择注入到介电势垒(db)和中心电极(pe)之间的气隙(gg)中的非等离子体形成气体(ng)以优化目标反应性物质或将所生成的等离子体体积与环境空气隔离。
71.在第二配置中，可以将反应性物质(r)源作为混合物注入在等离子体形成气体(g)内或注入在非等离子体形成气体(ng)内，或注入在两者内。
72.在图2b的示例中，在第二配置中，等离子体可以具有5mm的长度l2和1mm的直径φ2(参见图2f)。
73.已经发现，中心电极(pe)和外部电极(pe)的相对直径将被选择为使得气隙(gg)在电极之间保持准均匀的电场，并由此在第一配置中维持ω模式。在本示例中(图2)，中心电极(pe)的外径因此被选择为至多约2.8mm，使得气隙(gg)为至少约100μm以允许点燃等离子体。
74.因此，本方法包括：选择具有不同击穿电压的至少两种气体，其可以是蒸汽或环境空气或其他气体，以及至少将第一气体注入到与第二电极隔开恒定宽度的气隙的第一电极中，以及将第二气体注入到气隙中。
75.用肉眼、相机或光谱仪观察，所产生的发射的几何形状、强度和主波长取决于等离子体源是以第一配置还是以第二配置操作。光发射光谱结果表明，在第一和第二配置中，由于所生成的等离子体和流出物的基本成分的性质、密度和能量不同，原子和分子转变及其强度是不同的，在大约200至880nm的范围内(参见图4)。
76.从图4可以看出，根据本公开的一方面的设备根据其操作配置生成不同的发射光谱。在第一配置中，ω模式下的主要发射是oh分子发射(光谱带头接近306nm)以及氦和氧原子线发射(中心分别接近706nm和777nm)(图4a)。在γ模式下，he线(中心接近706nm)成为主要发射，所有其他氦发射优先升高(图4b)。在第二配置中，与ω和γ模式相反，n2分子发射在光谱中占主导地位(图4c)。从第一配置到第二配置，he线比(587nm处的中心波长与706nm处的中心波长之比，以及668nm处的中心波长与728nm处的中心波长之比)增加。在大气压低温氦放电中，这些线比是良好的电子能量指示符(indicator)，预计电子能量将从ω模式(第一配置)增加到γ模式(第一配置)再到第二配置，如下表1所示。
[0077][0078][0079]
表1：作为电子能量指示符的不同等离子体内的氦线比
[0080]
图5示出了γ模式(第一配置)下o2的流动对放电的光发射的影响，其中施加功率为25w，以及中心电极(pe)和外部电极(pe)之间的气隙(gg)中的氦气流量为4.3slm。还示出了原子氧的光发射(中心波长为777nm)。从图5a可以看出，与在中心间隙(cg)中注入o2相比，在中心电极(pe)和外部电极(pe)之间的间隙(gg)中注入o2以及等离子体形成气体g使氧气线发射的强度最大化。相比之下，其他发射(例如he)在注入o2以及等离子体形成气体(g)的情况下强度较低。在中心间隙(cg)中注入o2的情况下，图5b示出了he和o线的唯一变化发生在0至0.002slm之间，其中两种发射都降低了。在0至0.002slm之间在中心电极(pe)和外部电极(pe)之间的气隙(gg)中注入的情况下，o线升高而he线降低，然后在0.002slm以上，两条线都降低。这表明，对于与等离子体形成气体(g)一起的o2的少量注入可使原子氧的产生最大化。
[0081]
如上文所讨论的，每个电极的相应长度被选择为足够大以在一配置中生成等离子体余辉和流出物，在该配置中等离子体形成气体(g)被注入到介电势垒(db)和中心电极(pe)之间的气隙(gg)中并且非等离子体形成气体(ng)被注入在中心间隙(cg)内或者自然存在的环境空气在中心间隙(cg)内流动的配置中(第一配置，参见图2d)。例如，可以为外部电极(pe)选择大约1cm至大约1m之间的长度。
[0082]
中心电极(pe)的长度被选择为略短于外部电极(pe)的长度，以使电场足以在其中非等离子体形成气体(ng)被注入到介电势垒(db)和中心电极(pe)之间的气隙(gg)中的配置中(第二配置，图2f)产生并维持等离子体体积。
[0083]
本方法允许在等离子体源的所有配置中产生等离子体体积。如果静态体积的气体在没有任何气流的情况下填充等离子体源，则可以使用足够的施加功率来点燃第一配置的等离子体。在第一配置中不需要非等离子体形成气体来保持等离子体。为了选择第二配置，如果气隙(gg)中的非等离子体形成气体是静态体积，则将最小等离子体形成气体流量(例如至少0.1slm)馈送到中心电极(pe)中。
[0084]
在这两种配置中，氦气被用作等离子体形成气体(g)，与环境空气或双原子氧或双原子氮注入一起。在所有配置中，使用大约10w至大约50w之间的施加功率，这对应于在第一配置(图2a)中注入到等离子体(p)的约10w的最大功率。
[0085]
图6示出了可用于控制放电点燃的等离子体形成气体(g)的脉冲。图6a示出了当氦气被设定为持续2s的最大值4.3slm时的气流分布。在施加功率为35w的第一配置中，保持瞬态γ模式。图6b示出了在这种气体脉冲期间可见光发射的演变。已经发现，光发射在放电消失之前最大。由于环境空气在放电点燃和消失期间以高浓度混合，因此，使用等离子体形成
气体的脉冲允许环境空气、反应性物质源和等离子体形成气体之间的相互作用最大化。
[0086]
在本方法中，通过选择性地控制通电电极和接地电极的几何形状和位置，并选择性地控制等离子体形成气体和非等离子体形成气体的注入(具有选定的电极几何形状和电极位置以及选定的其他参数，包括气体流量、气体成分、施加功率、激发波形、激发频率或重复频率、占空比)，允许不同的等离子体生成配置。每种配置都会生成具有特定体积、分布和特性的等离子体。为了进一步的可控性，还可以将反应性物质源注入到等离子体形成气体内或非等离子体形成气体内。
[0087]
本公开的等离子体源用于治疗多种癌细胞株：例如，乳腺癌细胞株，诸如mda-mb-231、mda-mb-436、bt747、mcf7和hcc1143；以及软组织肉瘤细胞株，诸如sts117和sts109。图7至9示出了体外治疗的示例。
[0088]
图7a示出了在1.5ml微管内的400μl dmem中悬浮的mda-mb-231细胞株暴露于第一配置的等离子体之后6天的归一化的细胞数。氦气流量为4.3slm，发生器处的功率为10w，从喷嘴尖端到液体表面的距离为5mm。
[0089]
图7b示出了在1.5ml微管内的400μl dmem中悬浮的mda-mb-231细胞株在暴露于第一配置的等离子体之后6天的归一化的细胞数。氦气流量为4.3slm，发生器处的功率为20w，从喷嘴尖端到液体表面的距离为5mm。
[0090]
图7c示出了在1.5ml微管内的400μl dmem中悬浮的mda-mb-231细胞株在暴露于第二配置的等离子体之后6天的归一化的细胞数。氦气流量为0.6slm，发生器处的功率为35w，从喷嘴尖端到液体表面的距离为5mm。
[0091]
根据图7的悬浮治疗的细胞的剂量反应曲线，可以观察到所有三种放电模式提供高达90％的抗恶性细胞增生能力；与喷射模式(第二配置)相比，在γ模式和ω模式(第一配置)中达到相同的抗恶性细胞增生能力需要更多的时间。这表明喷射模式产生更多的细胞毒素反应性物质或以更高的浓度产生它们以作用于悬浮的细胞。
[0092]
图8示出了使用生长速率抑制(gr)值获得的剂量-反应曲线，这些值基于存在和不存在干扰时的生长速率比，可以使用以下关系来计算gr抑制值：
[0093][0094]
其中x(c)是浓度c的治疗样本的细胞数，x0紧接在治疗时的时间t＝0s处的细胞数，x
ctl
是在与x(c)相同的时间处的控制样本的细胞数。
[0095]
在图8中，剂量从左到右从0s到120s增加。从图8可以清楚地看出，相同剂量的非热等离子体对不同细胞株产生不同的细胞毒性效应。例如，mda-mb-231和mda-mb-361对非热等离子体剂量的影响相对较小。然而，治疗对两种细胞株的抗恶性细胞增生作用截然不同，mda-mb-231反应较弱，而mda-mb-361反应强烈。相反，诸如t47d和hcc1569等细胞株强烈依赖于剂量，在30s时反应较弱，在120s时反应强烈。细胞株对相同的治疗表现出多种反应这一事实表明，高度可调的等离子体源的好处是，它允许针对不同的靶调整不同的特性。
[0096]
图9a示出了在使用距喷嘴末端5mm处的位于培养皿底部的mda-mb-231细胞株的在ω模式下使用第一配置的治疗紧接之后用碘化丙啶着色的细胞的荧光显微镜图像，其中发生器处的功率为10w，示出了作为等离子体形成气体(g)而被注入的4.3slm的标称纯氦与不具有功率的4.3slm的仅标称纯氦(g)的对比。
[0097]
图9b示出了在使用距喷嘴末端5mm处的位于培养皿底部的mda-mb-231细胞株的在γ模式下使用第一配置的治疗紧接之后用碘化丙啶着色的细胞的荧光显微镜图像，其中发生器处的功率为35w，示出了作为等离子体形成气体(g)而被注入的4.3slm的标称纯氦与不具有功率的4.3slm的仅标称纯氦(g)的对比。
[0098]
图9c示出了在使用距喷嘴末端5mm处的位于培养皿底部的mda-mb-231细胞株的使用第二配置的治疗紧接之后用碘化丙啶着色的细胞的荧光显微镜图像，其中发生器处的功率为35w，示出了作为等离子体形成气体(g)而被注入的0.6slm的标称纯氦与不具有功率侧4.3slm的仅标称纯氦(g)的对比。
[0099]
由于在不存在培养基的情况下，细胞对物理因素(例如气流干燥效应造成的损害)更敏感，因此，图9表明了第一配置(ω和γ模式，但尤其是γ模式)可以是更适合直接治疗细胞。事实上，通过使用γ模式，几乎没有细胞被气流损坏，但几乎所有细胞都被非热等离子体损坏。
[0100]
已经研究了不同的治疗方法。发现第一配置(图2a)有利于直接治疗沉积在培养皿底部的细胞。第二配置(图2c)被证明有利于治疗例如在被包含在微管中的培养基中悬浮的细胞。
[0101]
本发明的可转换等离子体源可以与例如切除乳腺癌肿瘤后的乳房保守手术或乳房切除术结合使用。然后，可转换等离子体源用于在切除肿瘤后治疗肿瘤床和其他组织，以在减少对健康细胞的损害的情况下杀死残留的癌细胞。根据体外治疗结果，第一配置可能最适合此类应用。可以选择第二配置以达到更大的穿透深度到达a d，例如穿透人体组织，例如从第一配置的微米范围延伸到例如毫米范围，这取决于材料。例如，第一配置的实验数据显示肿瘤中的穿透深度约为300μm，在喷射模式下，测量了细胞悬浮液中几毫米的穿透深度。在手术过程中，第二配置可用于使用高剂量来治疗具有剩余癌细胞或肿瘤的小区域，从而提供一种到达难以到达或其中无法进行切除术的区域的方法，由此进一步降低将癌细胞留在肿瘤床或其他组织中的风险。两种配置都可以产生经等离子体治疗的液体，可用于在伤口闭合之前清洁肿瘤床。最后，在手术后，这两种配置都可以用于消毒伤口、加速愈合和减小疤痕的大小。
[0102]
本发明等离子体源可用于以下癌症治疗：例如，au565、mda-mb-231、mda-mb-361、mda-mb-468、mda-mb-157、mda-mb-175-vii、bt-549、mcf-7、hs578t、hcc1428、hcc1569、hcc1954、t47d和zr-75-1乳腺癌细胞株以及sts117和sts109软组织肉瘤细胞株。
[0103]
因此，本发明的可转换等离子体源可以以不同的配置使用，每种配置允许例如在医学领域中生成不同的等离子体体积，这些等离子体体积针对不同应用具有不同的特性相关性。这种多功能性反映在针对癌症治疗应用所获得的结果上。
[0104]
通常，在肿瘤学或其他医学领域(例如慢性伤口愈合、牙科、美容、皮肤病学等)和非医学领域(例如表面功能化和薄膜涂层)中的应用可以受益于本发明的可转换等离子体源。
[0105]
在本文所示的同轴等离子体源的情况下，可以选择中心电极(pe)的直径以在电极之间生成几乎均匀的电场，并且由此在第一配置(图2a)的ω模式下维持等离子体体积，以及在第二配置(图2c)中维持等离子体操作。本发明的可转换等离子体源可以从第一配置切换到第二配置，从而允许具有单个等离子体源的两种配置。由于从一种配置切换到另一配
置很容易执行，并且不需要对设备进行任何机械更改，因此用户(例如外科医生)可以在手术过程中随意切换配置，切换需要大约1s。这就好像终端用户将三个等离子设备合为一个，提供ω模式下的第一配置，γ模式下的第一配置，以及喷射模式下的第二配置。
[0106]
选择等离子体源的特定配置的能力允许选择性地针对每个应用的特性并优化特定应用。本文所述的多配置可转换等离子体源对于等离子体针对基底的不同作用的实验室测试也很有意义，如之前描述的例如用第一配置治疗培养皿底部的再生细胞或用第二配置治疗悬浮细胞。
[0107]
被定义为ω模式(第一配置)、γ模式(第一配置)和喷射模式(第二配置)的本发明的可配置多模式等离子体源和用于生成非热等离子体的方法，以及相关的等离子体流出物可以用于使用选择性生成的等离子体反应性物质的性质的多功能性和控制，来选择性地针对需要等离子体化学灵活性和纯度的应用产生一系列反应性物质。
[0108]
等离子体源包括由具有恒定宽度的介电势垒和间隙隔开的第一中空电极和第二中空电极；其中等离子体源被配置为以第一配置和第二配置中的任一者来选择性地产生等离子体；其中：i)在第一配置中：等离子体形成气体在间隙中流动，而非等离子体形成气体在第一中空电极内流动；以及ii)在第二配置中，等离子体形成气体在第一中空电极内流动，以及非等离子体形成气体在间隙内流动。该方法包括选择具有不同击穿电压的至少两种气体，在施加功率下，将第一气体注入到与第二中空电极隔开恒定宽度的气隙的第一电极中，以及将第二气体注入到气隙中。
[0109]
权利要求的范围不应受示例中阐述的实施例的限制，而应给予与整个说明书一致的最宽泛的解释。