等离子体物理范文精选

等离子体作为带电粒子的集合，由于其中存在复杂的集体作用和丰富的非线性现象，一般认为其状态具有较强的条件依赖性。这些性质较大程度地限制了等离子体应用的标准化和工程化。然而，当等离子体中电子-中性粒子的碰撞频率与等离子体频率相当或更大时，以等离子体频率为特征频率的等离子体集体行为受到限制，等离子体从动力学行为上己经趋向于普通流体，此时的等离子体可以称为碰撞等离子体。由于碰撞等离子体在半导体、照明、材料加工等领域具有广泛的应用背景，尤其是因为它良好的电磁波吸收能力具有较强的技术应用背景，近年来对碰撞等离子体基本性质的研究十分活跃。

本书着重阐述了碰撞等离子体物理学的主要内容，从等离子体物理的基本概念开始，逐步对碰撞等离子体物理学进行了清晰而有深度的介绍。本书重点解释了碰撞等离子体物理学物理机制，而不用复杂的数学模型和理论分析。这是考虑到读者在学习碰撞等离子体物理学的入门阶段时，在介绍由微观统计力学方法表示的动力学理论之前，使读者清楚地认识等离子体的特性和物理现象是非常重要的。为了让读者更好的理解碰撞等离子体机理，本书作者使用流体动力学模型，即把等离子体看作流体，将宏观物理参数表示为微观（个体）参数的统计平均值。这些碰撞等离子体物理学的内容，常用来解决实验研究和工业应用上出现的等离子体物理相关的问题，如照明、微电子制造、降低温室效应气体等方面。本书还提出了一种经典并普遍适用的方法来解决等离子体放电中的能量平衡问题，为实验研究和工业应用中的等离子体放电问题提供了理想的解决方案。

本书主要分为4章，1.等离子物理的基本概念，主要物理量的数量级；2.带电粒子在电场和磁场中的运动；3.利用流体动力学模型描述等离子体粒子的集体运动；4.高频（HF）放电导论。本书共包括100幅生动的图示说明和45个具体解决案例，其中，附录中提供的数学和物理方面的补充知识使得读者能够更深入的理解阐述的科学问题。

本书作者米歇尔·穆瓦桑教授任职于蒙特利尔大学，主要研究等离子物理方向，包括气体放电、微波等离子体等。另一作者雅克·佩尔蒂副教授任职于法国国家科学研究中心等离子实验室，研究方向为等离子体材料和应用于等离子体物理的纳米结构。

本书主要适用于物理专业的研究生及相关学科的研究人员和工程技术人员。

杨盈莹，助理研究员

（中国科学院半导体研究所）

Yang Yingying，Assistant Professor

聚变是指由质量小的原子，在一定条件下发生原子核的聚合作用，生成新的质量更大的原子，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应。等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。从20世纪50年代起，为了利用核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。其应用前景目前集中在轻核聚变方面，即利用磁约束等离子体进行持续的核聚变反应。

本书的第1版很受欢迎，经过修订和扩充的第2版内容更加具有综合性。内容不仅包含当今比较热门研究领域的相关知识，如基本等离子体现象、库伦散射、电磁场中带电粒子漂移、等离子体磁场约束、等离子体的动力学和流体力学理论、等离子体波和不稳定性等，还包含一些新的研究主题，有涨落驱动等离子体传输、偏滤器（Divertor）物理、中性原子回旋和运输、杂质等离子体运输等，书的最后对未来聚变反应堆的发展进行了展望，讨论了其方案设计。

全书由19章组成：1.聚变、等离子体、库仑碰撞和电磁波理论的概念；2.带电粒子在电磁场中的各种运动形式；3.等离子体中带电粒子在磁场中受到的磁约束；4.等离子体动理论；5.等离子体流体理论；6.等离子体平衡的特性；7.等离子体的几种波动形式，如阿尔芬波、朗缪尔波、离子声波；8.等离子体的不稳定性；9.等离子体碰撞传输机制、经典输运形式、流体理论中的环形效应、多流体传输机制等；10.等离子体回旋的形式和特性；11.等离子体湍流输运的形式和特性；12.等离子体在加热和电流驱动下的特性；13.等离子体与物质的相互作用；14.偏滤器的模型和操作机制、热电电流和漂移物对偏滤器（Divertor）的影响；15.等离子体边缘的粒子输运、L模式和H模式的区别、热不稳定性和极向速度自旋加快的相关知识；16.中性粒子运输的基本原理、扩散理论、积分输运理论、碰撞概率方法、接触面电流零点法、离散纵坐标法和蒙特卡罗法；17.等离子体的能量平衡机制和聚变等离子体动力学的相关概念；18.等离子体的各种运行限制，包括实证密度限制、磁流体力学不稳定限制等；19.聚变反应堆和中子源的相关知识。

本书内容丰富，综合性强，且深入浅出，层次分明，可作为高层大气物理学、空间探测技术、空间物理学等专业的研究生教材，也可作为相关领域研究人员的参考书。

郑耀昕，硕士研究生

（中国科学院空间科学与应用研究中心）

等离子体（plasma）是广泛存在于宇宙中不同于固体、液体和气体的物质第四态，又叫做电浆，是由原子及原子团被电离后所形成的正负离子组成的离子化气体状物质。

本书在第1版的基础上对其出版后的20年间通过宇宙电磁波谱对宇宙等离子体新发现进行了更新，讨论了通过望远镜、行星探测器、卫星和太空望远镜对聚合体变化的新发现。

全书由13章和4个附录组成：1.宇宙等离子体物理的基础知识，从实验室规模到哈勃距离回顾了等离子体的一些特性；2.利用基本的的等离子体理论对宇宙等离子体中的波克兰电流和带电粒子束进行了研究；3.宇宙等离子体中的毕奥萨伐尔定律；4.宇宙空间等离子体中的电场；5.天体物理学中的双层结构及其特征；6.等离子体中的同步辐射；7.空间辐射的传输；8.星际云中的临界电离效应；9.中性氢暗条和星系班尼特捏动力学（小鞠：请你询问译介者两个问题，并作必要的修改：1. 此处的“星系班尼特捏动力学”中的“班尼特捏”是人名吗？原名是“Bennett”吗？，如是，则应译为“班尼特”，当然最好直接用原名“Bennett”；2. 按照原书上的用词，应该译为“星系班尼特动力学”呢，还是“Bennett的星系动力学”？ 谈庆明注）；10.空间等离子体的粒子模拟；11.等离子体模拟的进一步发展；12.实验室、极光和星际空间中的场动力学电流；13.等离子体天体物理学的一些概念；附录A：空间等离子体中的传输线概念；附录B：等离子体中的偏振电磁波特性；附录C：讨论尘埃和颗粒等离子体；附录D：介绍一些有用的单位和常量。

本书内容丰富且权威，汇聚了作者在利弗莫尔和洛斯阿拉莫斯国家实验室以及美国能源部37年的科研成果，适合于从事宇宙等离子体和空间科学领域的研究生和科研研人员阅读和参考。

郑耀昕，硕士研究生

（中国科学院空间科学与应用研究中心）

Zheng Yaoxin，Master

（National Space Science Center，CAS）国外科技新书评介2015年第9期（总第341期）生命科学生命科学国外科技新书评介2015年第9期（总第341期）Deborah C.Hayes et al

太阳物理学是一门快速发展的学科，主要研究太阳活动、日球层（heliosphere）和气候环境。过去的几个世纪，我们对于太阳怎样影响空间天气和地球及其他行星的气候的理解取得了很大进展。太阳是一个磁变星，它对于含有固有磁场的行星、含有大气的行星或像地球一样既有固有磁场又含有大气的行星都有重要影响。

本书是太阳物理学系列丛书的第1卷，主要整合了不同的主题，使之成为一个连贯的知识体系，提供了相关课程和研讨会上先进水平的核心资源。它强调了太阳领域到地球领域耦合作用的物理过程，并提出了对于太阳风和地球磁场、大气和气候系统辐射的相互作用的深刻认识和见解。

全书共13章：1.序言；2.太阳物理学简介，主要论述了磁场的建立和湮没及耦合、间断面的形成、能量转换等概念和物理过程；3.磁场的建立和湮没，重点是磁流体动理论、发电机问题和平均场理论；4.磁场拓扑结构，主要内容是磁场线的物理意义、不同拓扑结构区域的分类和磁螺旋性的概念；5.磁重联，主要论述了磁重联的基本概念、二维重联和三维重联的概念和特征；6.磁场结构，主要包括宇宙等离子磁流片的概念、磁流管和磁通量绳的定义；7.空间等离子体的湍流，主要介绍了流体力学湍流、行星际湍流的频谱、等离子体湍流的逆高斯分布和星际湍流；8.太阳大气，包括了色球层、高β色球层、日冕加热和外层太阳大气的正演模拟；9.恒星风和磁场，主要讨论了日冕的氦丰度和质子通量、太阳风的能量预算和模型；10.行星磁层的基本理论，主要探讨了太阳风和行星磁场的相互作用、等离子体流和磁层―电离层的相互作用、等离子体源和传递过程；11.太阳风磁层耦合，即一种磁流体动理论观点，主要包括全球磁流体动理论模型、磁鞘建模、磁层性的对流、磁层中的力和能量流；12.电离层和色球层，主要介绍了中性气体混合、分离作用和全球环流以及太阳色球层和地球电离层的比较；13.行星环境的比较，包括木星、土星、天王星、海王星和水星的环境比较及存在的突出问题。

本书不是一本个人专著，而是由众多论文编纂而成，各章节的原作者都是太阳物理学方向的专家。第1编者Carolus J.Schrijver曾先后工作在科罗拉多州大学、美国国家太阳天文台、欧洲航天局和荷兰皇家科学院，目前是洛克希德・马丁公司先进技术中心的物理学家，还是《Solar Physics》（Springer出版）等期刊的编委。第2编者George L.Siscoe是麻省理工学院的物理学博士，先后在美国加州理工学院、麻省理工学院和加利福尼亚大学工作，目前是波士顿大学天文学部的研究员，还是《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》（Elsevier出版）的编委和美国地球物理联盟的一员。

本书内容丰富，涉及面广，且通俗易懂，可作为太阳物理学、空间物理、高层大气物理、空间天气等相关专业的研究生教材，也可作为相关领域的研究人员的基础性参考书。

等离子体是物质被电离后产生的正负电量相等的粒子组成的物质，它广泛存在于宇宙中，被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。由于它是带电粒子的集合体，它的行为与电磁场密不可分。当等离子体中包含中性粒子，并且中性粒子与带电粒子的碰撞趋于无穷次时，等离子体会更倾向于中性气体。本书主要讲述了完全电离等离子体及其特定性质。

本书共有9章：1.引言，包括本书的目标、天体物理学中的等离子体、电磁场与电磁波、横向与纵向电磁场、真空中的电磁场、等离子体中的电磁波、平面等离子体波的电磁分量、带电粒子的运动；2.等离子体描述与等离子体模型，包括分布函数与矩、从单个粒子到动理学的描述、数值方法、流体编码、混合编码；3.磁化等离子体，包括理想电磁流体力学（MHD）、建立MHD模型、量纲分析与等离子体特征尺度；4.碰撞单个粒子到支理学的描述无碰撞，包括等离子体物理中碰撞的概念，有平均自由程、德拜长度、克努森数等；损耗的概念，有能量转移与损耗、可反转性、熵等；5.等离子体中的波，包括MHD波、波引起的输送、高频率波、哨声模式、流体理论中的碰撞阻尼、无碰撞阻尼、不稳定性；6.非线性效应、激波与湍流，包括无碰撞激波与间断、湍流、非线性动力学物理； 7.流动与粒子加速过程，包括流加速、文丘里效应、恒星风、磁重联、磁层中的动力加速；8.宇宙射线的加速与迁移，包括磁场：迁移阻碍、宇宙射线的迁移方程、宇宙射线的费米加速等；9.动理学流体二重性（The Kinetic Fluid Duality），包括太阳风与行星风膨胀、小幅弹道波动、大幅弹道波动等。

附录：1.符号，包括1.1向量与张量；1.2导数；1.3符号列表。2.渐近展开与绝热不变量，包括2.1多尺度展开；2.2绝热不变量；2.3引导中心方程的推导扩展。3.福克-普朗克方程，首阶项。

本书由五位作者共同撰写，其中第1作者Gerard Belmont是无碰撞介质及其在流体理论与动力学理论上的描述方面的专家；第2作者Roland Grappin主要致力于流体与等离子体中的湍流、太阳风的动力学以及日冕与过渡区等天文学方面的研究；第3作者Fabrice Mottez专注于无碰撞太空等离子体、地球与木星磁气层、基础等离子体物理与数值模拟。

本书简单易懂，意在成为等离子物理方面的教科书。虽然书中例子大多是空间物理或太阳风领域，但概念是通用的，实验室等离子体，特别是核聚变磁约束方面的研究者，也适合阅读本书。

王小珊，博士生

（中国科学院理化技术研究所）

本书的内容可分为五大热门的技术，即纳米技术、太阳能电池技术、生物医药及临床应用技术、应用于可持续发展的工业等离子体技术。由标题可知，这些应用以及本书的读者都涉及多个领域。本书横跨材料科学、工业化学、物理学、工程学等学科，是从事工业及学术研究，还有以应用为导向的等离子体技术研究人员的必备参考书籍。

本书内容分为34章：1.等离子体简介；2.低温等离子体在环境技术上的应用；3.大气等离子体空气污染控制，固体废物和水处理技术：基础及展望；4.高压低温等离子体的光学诊断分析；5.关于静电集尘器和低温等离子体反应器的流模型的激光分析；6.水等离子体在环境技术上的应用；7.大气等离子体中的有机污染化学；8.广域等离子体的产生及应用；9.减压热解气体的低温等离子体废气处理系统；10.制药及生物医学工程中的等离子体技术；11.用重介质等离子体技术制造的碳磁性纳米微粒靶向树突状细胞；12.脉冲功率及等离子体在生物系统和活体有机系统中的应用；13.等离子体聚合技术在生物材料方面的应用；14.常压大气环境下的等离子体灭菌；15.用低压电感耦合等离子体放电来消除致病生物残留物；16.射频放电产生氧自由基用于灭菌和蛋白质处理；17.由等离子体引发的接枝聚合改性聚对苯二甲酸乙二酯表面的亲水性和生物活性；18.薄膜硅太阳电池的等离子体处理策略及讨论；19.大面积甚高频等离子体的特性；20.在减轻由SiH4放电作用下形成的纳米颗粒的沉积产生的高抗光照稳定性条件下a―si:H薄膜的沉积；21.诊断并建模SiH4／H2等离子体，研究在双重频率源下的微晶硅沉积作用；22.类金刚石碳质物简介；23.类金刚石碳质物的应用；24.类金刚石碳质物在生物过程中的应用；25.等离子体处理半导体纳米氮化硼立方晶薄膜；26.等离子体沉积中类金刚石碳质物薄膜的摩擦原理；27.脉冲直流等离子体下的类金刚石碳质物薄膜的生长；28.N―Ti02薄膜的等离子体沉积；29.有关生物医学应用的类金刚石碳质物和多层薄膜的疏水性研究；30.从微等离子体中得到新型的电磁活性介质；31.用调幅脉冲射频放电装配纳米微块；32.等离子体放电的托马森散射诊断；33.低压冷态等离子体中的晶化纳米灰尘粒子的生长；34.等离子体洞室中细微颗粒的收集与去处。

本书包含多名日本工业等离子体技术应用领域的专家、学者的多年的研究成果，内容新颖实用，具有很大的启发及指导意义。本书与其同一出版社的另外一本著作《Advanced Plasma Technology》(Riccardo dagostino等著，February 2008)内容互为补充，参照阅读更易深入理解其内容。本书适合所有相关专业的学生、教师、研究人员及工程技术人员参考。

靳绍巍，博士生

1Ni、Al、V等有害离子的致病机理

金属的毒性机制或致病机理通常为下列机制中的一种，如切断生物大分子表现活性必需的功能基；置换人体生物大分子所需金属离子；改变人体生物分子构成或结构。金属离子往往依靠改变一些生物大分子如蛋白质、核酸和生物膜的构成或结构而造成损伤。医用金属材料中合金元素产生的金属离子多具有强负电性，易与人体体液内的有机物或无机物质结合形成复杂的有机或无机化合物，其中的一些化合物具有强的毒性，所以一般来说，金属离子在人体内的允许浓度非常低。金属离子进入体液后会引发许多生物反应，如血液反应和组织反应等。由于人体血液中血小板、血细胞和蛋白质等带负电性，因此大量负电性金属离子的溶出易于引发血栓症状。金属离子在人体内部分组织或体液内的富集会加重其毒性反应。通常Ni离子易富集于血液、滑液和关节囊中，Al、V、Cr和Co在尿液、血液、滑液和关节囊内的浓度都会增加。在人体组织肺内Cr、Al和V离子浓度易于增加，在肾、心脏、肝脏和脾脏内Co和Al易于集聚[7]。在人体内的金属盐细胞毒性的强弱按照Co>V>Ni>Cr>Ti>Fe的顺序降低，体外实验结果表明Co、Ni和Cr还有致敏反应和致癌倾向。

超量的Ni离子具有细胞毒性，会导致局部组织刺激反应或组织坏死，甚至会导致呼吸功能障碍和过敏反应，Ni离子也会抑制细胞增殖，存在潜在致癌性。Ni的致病机理仍然存在争论。研究表明，在人体内二价镍离子利用Mg2+离子传输系统透过细胞膜。二价镍离子进入细胞后，与细胞质的配合基结合，不会在细胞核内聚集，因此不会引起癌变。但是镍的化合物可能致癌。镍的化合物表面电荷为负，溶解性低，更容易被内吞。当镍化合物颗粒被靶细胞内吞时，在细胞内发生反应，二价镍离子被释放，与DNA分子结合，结合的DNA分子若不能正确修复，将致DNA断裂或突变，从而间接引起致癌。镍离子会减弱DNA、RNA等酶的活性，减少DNA复制。镍离子通过降低DNA合成，改变DNA结构，抑制DNA的转录和复制，引起DNA和蛋白质交联以及DNA单链断裂，导致DNA损伤和细胞毒作用[21]。镍在一些生物化学反应中具有较高的活性，比如氢化和脱氢反应。并且在一些氧化反应中起到催化剂作用。当金属（Fe、Co、Ni、Cr、Mo、W和Re）和一氧碳化物反应时，形成羟基金属化合物，以液体、固体或复合化合物形式存在。其中Ni(CO)6和Cr(CO)6化合物不稳定，这些离子对生物体有害。Ni(CO)6在常压下即可形成，在人体温度加速发生放热反应，释放镍离子。Ni(CO)6的有害作用与其抑制血红蛋白与氧的结合能力有关，引起体内缺氧反应。Ni(CO)6分解形成的氯化物也具有毒性。

Al和V都是常用医用钛合金Ti6Al4V中的有害元素。在生物体内长期植入的Ti6Al4V合金会释放出Al和V离子，对人体产生毒害作用。Al元素在人体内形成的盐达到一定浓度后会导致人体器官损伤，此外Al元素会引起骨软化、贫血和神经紊乱。铝元素与无机磷结合，会致使磷缺失，会诱发老年痴呆症等。人体内铝元素的毒性和其与体内的生物配体反应有关[25]。有毒的三价铝离子取代人体重要酶及二价镁离子从而影响细胞机能。三价铝离子通过影响神经细胞内钙离子的浓度将引起细胞功能紊乱，细胞内钙离子浓度升高时这种现象更明显。三价铝离子进入细胞内将与亲和力高的钙调蛋白结合，导致其无法调控钙离子浓度，从而造成钙离子浓度升高、细胞机能改变甚至坏死。铝元素的神经毒性机理与铝离子与染色质中的DNA结合有一定的关系，通过改变基因传递信号影响细胞活性，引起神经元纤维异常蛋白质合成，从而造成神经元的病理改变。钒元素在人体内易于形成钒酸盐（VO3-,V5+）和钒氧阳离子（VO2+,V4+），它们进入细胞后被还原物质还原，并同磷酸盐、蛋白质、乳酸和柠檬酸等配位体结合。适量钒酸盐和钒氧阳离子对生物体的机能起有益作用，当其超量聚集时会对生物体产生毒性。钒酸盐和钒氧阳离子在人体内累积于肝肾、骨、脾等器官，其毒性作用与磷酸盐的代谢有关，通过影响钾、钠、氢和钙离子的ATP酶发生作用，其毒性可能超过铬和镍，引起致癌。钒酸盐和钒氧阳离子还与躁狂郁抑症有一定关系[30,31]。人体红细胞内的钾钠和ATP酶的活性与钒酸盐的浓度成反向关系，当浓度上升时，钠泵活性下降。躁狂郁抑症患者的遗传缺陷与细胞不能产生新的钠泵（Na+,K+—ATP酶）有关，引起钠和钾进出细胞失调，使人体内细胞钠浓度增高，造成代谢紊乱。三价到六价铬离子等活性中间体在氧化应激反应和氧化组织损坏情况下会引起细胞毒性、基因毒性和致癌性。当六价铬和镍离子达到一定剂量时，会干扰体内正常氧化还原反应，进而破坏细胞传递信号和基因表述。钴的致癌性在于其抑制了DNA的修复，而二价钴的毒性大于三价钴的毒性[7]。

2防护涂层研究

大量的医学基础研究结果表明，NiTi合金在各种生理条件下未发现人体排异性反应和炎症，满足人体植入物生物学医用材料评价标准（QNB0030-1998）的要求，即无致敏、无细胞毒性和无致癌性，溶血性为0.13%。但是考虑到医用金属材料在长期使用过程中的安全性及可靠性，研究人员仍对Ni离子溶出可能造成的潜在风险持谨慎态度。金属材料的耐蚀性及其合金元素的毒性是影响其生物相容性的关键因素[32]。为了提高医用金属材料的耐蚀性能，抑制有害离子的溶出，对现有金属材料进行表面改性已经成为必要手段。例如，在与生物体组织接触1000h的条件下测量镍钛合金支架释放的Ni离子的含量，机械抛光镍钛合金的Ni/Ti离子含量比为0.18，而电化学抛光合金的约为0.04。这个结果说明电解抛光大幅度降低了NiTi合金的Ni离子释放。目前，多种具有优异生物相容性或功能性涂层已被用于生物金属材料的表面处理，如金属（Au、Pt、Pd、Ta、Mo）涂层、弹性高分子聚合物涂层、各种氮、氧化物涂层、羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2,HA）生物陶瓷涂层和固载骨形成蛋白（BMP），达到了改善耐腐蚀性能，提高生物相容性和降低有害离子溶出的目的。生物涂层的制备方法种类很多。等离子喷涂多用于口腔、关节种植体的表面处理。可以喷涂的基体包括纯钛、钛合金及不锈钢等，涂层材料有羟基磷灰石（HA），α或β-磷酸三钙、磷酸四钙及三氧化二铝等。

目前的研究重点集中在新型涂层材料、涂层与基体之间的过渡材料、喷涂工艺及涂层与诱导性生物质的复合等。在种植体表面烧结的多孔结构有利于成纤维细胞形成紧密的附着及定向生长。离子束辅助沉积法克服了等离子喷涂时涂层与基体间附着力较差的缺点。Ektessabi采用离子束辅助沉积薄膜方法在钛合金表面成功地制备了附着力高的羟基磷灰石薄膜[39]。但该项技术在生物医学领域的应用还不成熟，有待于进一步开发应用。化学热处理法是一种新型的表面改性技术，可以在钛合金表面形成微米级和纳米级结构形貌，获得特殊的表面物理和化学特性。该方法是一种热化学工艺，包括酸蚀刻和控制氧化处理，处理后表面无裂纹、与基体结合强度高。表面形成的多尺度的微观结构和表面羟基化化学特性有利于细胞的附着、增殖和分化。通过酸蚀刻先破坏原有的氧化层结构，重新再氧化形成纳米尺度和微米尺寸的表面结构。其结构与二氧化钛涂层结构有明显不同。植入物经HF+H2O2处理后在模拟体液沉浸一周后评估Ti6Al4V表面离子释放水平，发现钒离子和铝离子释放水平明显降低。钛及钛合金通过表面形成薄的氧化物层抑制离子释放和反应，表面形成惰性层提高了生物相容性。另一方面，表面惰性导致纤维组织层的形成，抑制了骨整合。离子注入法应用较多的是Ca、Na、P、F离子注入和Ca-P联合注入。Ca离子注入在植入物表面形成磷酸钙的沉淀物，促进新骨的形成。P离子注入在植入物表面形成TiP涂层，提高了基体的耐蚀性，抑制了基体有害离子的释放。

溶胶凝胶法可以使植入物在溶液中沉积薄膜时达到分子水平的均匀混合，有益于提高基体与涂层的结合强度。这种方法可以对形状复杂的植入物件沉积薄膜，并控制沉积膜的组成、厚度及形态。采用这种方法制造的薄膜包括TiO2、CaP和TiO2-CaP以及SiO2基薄膜。采用这种方法在NiTi合金表面制备了TiO2-SiO2薄膜，提高了基体的耐蚀性和血液等生物相容性，与基体有较高的结合力。在钛合金表面制成的TiO2/HA涂层显著促进成骨细胞的生长。利用等离子体电解氧化技术（PEO）又称微弧氧化技术（MAO），可以在生物材料表面形成以金红石型和锐钛矿型TiO2为主的涂层，制备HA相或CaTiO3相涂层。含有HA相的磷酸钙涂层的弹性模量（30GPa）和人体骨弹性模量（20GPa）接近，可有效抑制应力遮挡造成的危害，同时，由于具有和人体骨接近的化学成分组成（包括Ca、P浓度和Ca/P比例）和较高的结合强度和密度，使该涂层能抑制生物材料内有害离子的释放。MAO技术使人工假体表面具备了生物活性和多孔性，结合骨形态发生蛋白（BMP）的复合，促进了新骨形成。

摘要：低温等离子体-催化协同净化技术是一项全新的处理技术，具有能耗低，处理效率高等优点，在处理VOCs、氮氧化物、机动车尾气方面都有着广阔的发展前景，但实际应用还很不成熟，需要加大力量进行更加深入的理论和实践研究，低温等离子体协同催化净化技术将在废气治理领域发挥重要的作用。

关键词：低温等离子体；协同作用；大气污染控制

Abstract：Asanewprocesstechnology,Catalysis-assistednon-thermalplasmatechniquehasitsadvantages,suchaslessenergyconsumption,higherremovalefficiency,etc.ThetechniqueintreatingVOCs，NOxandengineoff-gaseshavelargedevelopmentprospects.Becauseoftheimmaturepracticalapplication,itneedtoincreaseeffortstoconductmorein-depththeoreticalandpracticalresearch.Catalysis-assistednon-thermalplasmatechniquewillbeabletoplaytheimportantroleinthetreatmentofwastegases.

Keywords：non-thermalplasma；synergisticeffect；airpollutioncontrol

目前，各种有毒有害气体的排放已造成严重的环境污染。低浓度有害气态污染物（如SO2、NOx、VOCs、H2S等）广泛地产生于能源转化、交通运输、工业生产等过程中。国际条例加强了对这些有害废气的限制。传统的治理方法如液体吸收法、活性炭吸附法、焚烧和催化氧化等已很难达到国际排放标准[1]。

近年来兴起的低温等离子体催化（non-thermalplasmacatalysis）技术解决了传统的净化方法所不能解决的问题。用该项技术处理有机废气具有以下优点：①能耗低，可在室温下与催化剂反应，无需加热，极大地节约了能源；②使用便利，设计时可以根据风量变化以及现场条件进行调节；③不产生副产物，催化剂可选择性地降解等离子体反应中所产生的副产物；④不产生放射物；⑤尤其适于处理有气味及低浓度大风量的气体。但以下两方面还有待改进：①对水蒸气比较敏感，当水蒸气含量高于5%时，处理效率及效果将受到影响；②初始设备投资较高。该项技术在环境污染物处理方面引起了人们的极大关注，被认为是环境污染物处理领域中很有发展前途的高新技术之一。本文将探讨其与污染气体的作用过程及两者协同作用机理，并概述这一技术在废气治理方面的进展。

1低温等离子体技术原理与协同作用机理

1.1低温等离子体技术原理

1根管消毒

近年来低温等离子体在根管消毒方面的应用引起了研究者的兴趣。但传统的等离子体装置仍不能用于根管治疗，主要是由于根管的直径太小，等离子体笔很难有效地进入根管使其产生的活性成分很快衰变所致。国内外实验室争相研制在牙齿根管内部能产生等离子体喷流的微小装置，让气体在根管内放电产生低温等离子体，并发挥高效，无毒的杀菌作用。XinPeiLu［4］等研制了针状等离子体装置，它简便安全且极易操作，且产生的等离子体可以直接放入牙齿根管中，不会引起过热、疼痛和组织损伤。在体外作用于引起根管再感染的主要微生物—粪肠球菌后的结果显示，针状等离子体可以有效杀灭根管内的细菌，并认为细菌的死亡主要与O和·OH自由基密切相关。ChunqiJiang等［5］研究者运用He／1％O2气体纳秒脉冲放电产生了长度大于2cm直径小于2mm的细长等离子体，作用于根管内附着于管壁的细菌生物膜后显示等离子体处理区生物膜消失，玷污层被去除，暴露洁净的牙本质小管管口。ZhouXinCai等［6］将大气压等离子体射流装置处理牙齿根管模型内接种培养的粪肠球菌生物膜样本发现当等离子体和5．25％的NaClO的共同作用具有最好的杀菌效果，说明等离子体载药后，两者之间有相互促进的作用。孙科等［7］比较辉光放电和介质阻挡放电两种低温等离子体装置产生的大气压低温等离子体对根管内粪肠球菌生物膜的杀菌效果，结果显示介质阻挡放电装置产生的低温等离子体杀灭根管内粪肠球菌更具优势。目前，研究者对低温等离子体杀灭根管内细菌及生物膜的具体机制还不清楚，关于细菌死亡的原因国内外有以下学说。1）胞膜破裂说：Montie等［8］认为脂肪酸的过氧化使细胞膜快速破裂。也有观点认为膜的破裂是由于电荷累积造成［9］，高速电子冲击在细胞膜上产生瞬间电势超过临界值而导致胞膜电荷分离，从而引起细胞膜破裂或功能受损，其通透性改变。2）生物大分子损伤说：Laroussi等［10］认为可能是活性粒子穿透外膜屏障，直接与胞内生命物质作用导致细胞死亡。主要有3个原因：1）不饱和脂肪酸受到·OH作用，发生脂质过氧化；2）蛋白质氧化；3）DNA氧化形成加合物。3）亚致死说：Laroussi等［11］通过研究发现细菌经过等离子体处理后，对于很多物质的代谢能力减弱，在只含有这些营养成分的培养基上生长迟缓或者不能生长而死亡，所以认为等离子体可以改变微生物代谢酶的活性，使其不能正常生长。大多数学者认为胞膜破裂，内容物漏出是主要机制，但是，细胞膜破裂究竟是怎样发生的，反应如何进行有待于进一步研究。由于根管形态变化多样、侧副根管的存在、牙本质小管的存在等，低温等离子体中的活性成分是否完全杀灭残留于根管内的细菌还有待进一步实验证实；同时该项技术要进入临床应用之前，也需要研制出可以随根管形态变化而调节形状的新一代等离子体发生装置。

2牙美白

牙着色可分为外源性着色和内源性着色。冷光美白和激光漂白技术是临床上针对牙着色的主要治疗方法。运用的漂白剂主要有过氧化氢、过氧化脲和过硼酸钠，它们最终主要是依靠过氧化氢来发挥漂白作用，它在光、热、电离时分解的·OH或HOO·自由基可以切断着色牙内有机大分子中未饱和的二价键（着色分子锁），将其氧化形成小分子物质，达到脱色或者颜色变浅的目的。但是目前的这些美白方法治疗时间长、漂白效果较差、易复发［12］。近些年来，有些研究者将目光转向了低温等离子体技术。低温等离子体中含有大量活性基团和带电粒子，为加速美白过程和提高美白质量带来了曙光。PengSun等［13］对大气压直流低温等离子体的美白作用进行了研究，结果显示短时间内（10min或20min），等离子体可以促进过氧化氢凝胶的美白效果。Lab色度系统对处理前后的牙齿进行颜色测定和分析时，等离子体处理组E的改变是单纯过氧化氢凝胶处理后的两倍或三倍；同时，通过电子自旋共振检测自由基，发现等离子体处理双氧水后的·OH自由基峰值是单纯双氧水的两倍，因此推断低温等离子体可以加速过氧化氢分解，生成更多的·OH自由基并发挥其氧化着色大分子的功能。HyunWooLee等［14］研究结果也显示，低温等离子体也可以引起牙齿表面的蛋白物质的变性，使其与牙齿疏松连接或脱离，加速美白产生。PengSun等［13］检测低温等离子体处理时牙齿表面的温度为37°C左右，并用验证实验证明此温度对美白无明显影响。虽然，低温等离子体和过氧化氢一起美白的治疗时间短、漂白效果好，但是仍没有脱离过氧化氢的环境。高浓度过氧化氢仍然有引起牙体硬组织微观结构上的改变，对成纤维细胞有毒性，引起细胞活性降低等副作用。因此，脱离过氧化氢，单纯用低温等离子体中的活性自由基进行美白效果评价是下一步牙齿美白研究的重要方向。

3口腔生物材料的表面修饰

低温等离子体表面处理具有效果显著，成本低廉，无污染等诸多优点，在高分子聚合物及其他材料的改性处理中取得了良好的效果。低温等离子体的气体温度一般保持在在300～500K，压力则为130～1340Pa，其对材料的表面修饰仅在于表面几百纳米的范围，在不会改变材料的基本性能的基础上，对材料的表面起到一个活化的作用，改变材料的湿润性，细胞相容性等等，使其生物活性发生变化。有学者［15］通过低温等离子体对口腔陶瓷材料进行作用，通过扫描电镜、X光电子能谱测试仪、X射线衍射仪和体外成骨细胞培养对材料类骨磷灰石的形成和表面生物活性进行测定，发现低温等离子体有利于材料表面类骨磷灰石的形成，并最终提高了陶瓷材料的生物活性。吴峻岭等［16］将氧低温等离子体作用于口腔非金属桩核修复系统－纤维桩，观察纤维桩－树脂核之间粘结强度的变化，认为纤维桩中的高分子聚合物基质与导入系统的氧发生了化学反应而产生含氧基团，使表面分子链上产生极性，大大提高了其润湿性能，从而提高了纤维桩和核树脂之间的粘结力。卢光等［17］对比了NH3、CO2和O2低温等离子体表面修饰聚羟基丁酸戊酸脂材料的生物活性，应用气泡法对接触角进行测量，光电子能谱分析表面元素，荧光染色、电镜和MTT法分析了接种细胞的增值情况，发现修饰后的膜在接触角、细胞形态及细胞增殖状况各方面性能得到明显改善，证明了NH3、CO2和O2低温等离子体在材料表面引入了活性基团，有效地提高了材料的细胞相容性，为组织工程血管的表面修饰提供了一种有效的方法。在口腔医学领域，低温等离子体被用来建立高分子聚合体表面湿润模型［18］和提高树脂基托的湿润性及粘结性时［19］，均取得满意效果。等离子体作用材料表面的机理非常复杂，处理效果易受多因素影响，如处理气体的选择，处理的时间，处理后样品的后续处理等等，导致的最终结果大有差异，同时最终检测方法未标准化，也是急需解决的问题。定量化的检测手段和明确反应基团的原理将是等离子体材料表面改性研究未来的重点。

4低温等离子体消融

低温等离子体消融术又称冷融切技术（Coblation），通过强射频电场使刀头和组织间的电解液形成等离子体薄层，利用低温等离子体薄层中的加速带电粒子打断组织的分子键，使靶组织以分子为单位解体，使目标组织细胞直接气化或变性、坏死、脱落。其工作时组织表面温度一直保持在55℃以下，不灼伤周围组织，恢复快；因系低温下汽化，只作用于目标组织的表层或黏膜下层细胞，保护黏膜且减轻疼痛，有微创、有效、高安全性的特点。自20世纪90年代末始将Coblation技术引入口腔领域，用于治疗阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（Obstruc－tivesleepapneahypopneasyndrome，OSAHS）。OSAHS是具有潜在危害的一种睡眠疾病，其发病原因是上气道发生狭窄和阻塞，通常发生在鼻及鼻咽部、口咽部及舌根部等多个平面。传统手术方法是悬雍垂腭咽成形术，但疗效仅有40％左右。利用Coblation术可以局部消融鼻甲、软腭、悬雍垂和舌根组织等多个平面，使得治疗处组织发生凝固性坏死，然后瘢痕收缩使体积缩小，达到扩大气道的目的。Co－blation手术在治疗OSAHS方面取得了良好的临床效果，20世纪末其疗效报道从46％～78％不等［20］。Powell等［21］1997年应用Coblation开展软腭打孔减容手术治疗OSAHS病人，多导睡眠监测显示平均最低气道压及平均睡眠效率明显改善，74％患者生活质量提高。随后的研究进一步发现，单纯的软腭打孔减容术对中、重度患者效果并不理想，而且阻塞原因、部位判断不明确，手术方式单一、缺乏个体化方案等因素易影响手术疗效。目前认为，在明确阻塞平面后，严格掌握适应证的情况下，采用多部位、多平面的Coblation治疗［22］，显示了其微创和一期手术中同时解决多平面阻塞的独特优点，结果明显优于单纯打孔，为轻中度OSAHS患者首选外科治疗方法，是重度OSAHS患者补充治疗的有效方法。另外，Coblation也开始应用于血管畸形和口腔肿瘤的治疗。传统手术治疗儿童舌淋巴管畸形，创伤较大，复发率高，切除过多影响到舌功能及发音。Coblation手术治疗利用EVac70刀头直接消融至舌黏膜下层，术后1d即能进食，创面愈合快，随访1年未见复发，舌外形和功能均未受影响［23］。PsaltisA［24］把Coblation应用于舌、口底、口咽、喉癌及下咽癌的治疗，并与CO2激光切除作对比，认为手术时间较短，出血小、碳化少，术后复发时间延长，激光只能作直视下切割，Coblation可变换多角度，适用于T1～T3口腔、口咽部恶性肿瘤。但目前应用于头颈肿瘤的报道，特别是恶性肿瘤手术的病例数还不多，远期疗效有待观察。随着设备研究的开发完善，治疗手段进一步联合应用，低温等离子体在外科消融治疗中会得到更广阔的前景。

摘要：随着工业现代化的发展，许多水域包括地下水含重金属离子废水的污染，去除废水中的重金属离子是我国乃至全世界当前急需解决的环境问题之一，也是实现可持续发展战略所必然面对的问题。本文综述了重金属污染对环境和人类的危害；具体介绍了治理含重金属离子废水的物理法、物理化学法、普通化学法、生化法及电化学法等技术的研究进展；论述了电-生物耦合法在处理总金属废水中的应用。

关键词：重金属；离子；废水；处理；技术；研究

Abstract: with the development of industrial modernization, many waters including groundwater wastewater containing heavy metal ion pollution, removal of heavy metal ions in wastewater in China and the world, the urgent need to solve the environmental problem, but also the realization of the sustainable development strategy will inevitably face the problem. This article reviews the heavy metal pollution on the environment and human hazards; specifically introduces treatment of waste water containing heavy metal ions by physical method, chemical method, physical method, biological method in general chemistry and electrochemistry technology research progress; discusses the electric biological coupling in total metal wastewater treatment.

Key words: heavy metal; ion; wastewater; treatment technology; research;

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：

1. 重金属污染概述

重金属污染是当今世界三大水环境污染之一，主要包括汞、镉、铬、铅、锌、铜、钴、锰、钛、钼等，其含量和存形态随产生条件而不同，大部分重金属离子具有毒性且是致癌因子，重金属在自然环境中很难讲解，仅会在形态上发生改变，在环境水体中容易破坏生态平衡，并可通过食物链富集危害人类健康。重金属对健康的影响通常表现为对神经系统的长期损害，以及对消化系统、泌尿系统的细胞、脏器、皮肤及骨骼的破坏。而重金属离子的慢性危害，短时间内不易被发现和诊断出，一旦发生病变后果十分严重。震惊世界的日本水俣病就汞离子引起人体生理机能病变的真实病例。

重金属废水主要来源于采矿、有色金属、电解、电镀、医药、农药、颜料、油漆等工业，这些生产废水常以多种废水混合状态存在，往往包含了多种重金属离子，因此在重金属离子的处理上存在较大的困难，对环境危害程度大。处理工业废水的重金属离子一直是全世界共同的课题，在处理重金属离子的研究上许多学者都取得了相应的效果和成就，现对重金属废水处理的方法做叙述。