科学报告|(2022) 12:10526| https://doi.org/10.1038/s41598-022-14670-41 打开纳米级的潜在生成通过解决方案雾化通过介质阻挡放电Ryosuke Watanabe1,2, Shiori Tanaka3, Godai Miyaji1,2,4 & Daisuke Yoshino1,2,4等离子体医学是一种使用大气压等离子体的治疗技术，作为医疗领域的创新工具，备受关注。大多数等离子生物医学工具对病变使用直接影响，例如热、光刺激和反应性化学物质。利用等离子体间接作用的纳米微粒技术，即电场的产生，有可能用于促进透皮吸收，其中药物通过皮肤的屏障功能并渗透到内部组织中。在这里，我们展示了一种通过使溶液通过介质阻挡放电直接产生纳米级雾气的方法。这个方法使我们能够为水基和油基解决方案产生纳米尺寸范围内的雾。容易产生雾气受到等离子体引起的物理和化学特性变化的影响，包括电导率、粘度和化学物质。我们预计，所开发的纳米级薄雾生成方法将为透皮吸收系统的应用提供一种技术，包括与药品和化妆品相关的应用。大气压等离子体是支持许多工业应用创新的关键技术，因为它会产生电场、光辐射、热量和反应性化学物质1.最近，等离子体系统已被探索用于医学和生物学领域，作为伤口愈合的有效工具4或癌症治疗6.这些生物医学应用主要基于等离子体衍生的物理和化学刺激（即热、光刺激以及活性氧和氮物质）对目标的直接作用。将等离子体应用于身体损伤处对患者的手术要求同样高，尽管当损伤暴露时效果更好，例如烧伤、皮肤病和伤口。最近，经皮吸收系统的新发展被认为是一种降低全身负荷的医疗技术。将血浆直接照射到活组织上可以增强透皮吸收8.另一方面，如果可以通过让血浆作用于药物本身来加速药物的渗透，那么这种应用的范围将扩大到呼吸和消化器官，除了容易被血浆直接照射的皮肤。为了增强药物的透皮渗透，它们的纳米颗粒很重要9.纳米技术输送系统使药物能够通过皮肤屏障，以稳定的方式到达目标区域，并具有持久的疗效11.等离子体产生的纳米粒子12可用于这些递送系统。而它们也具有需要复杂化学过程的缺点。如果纳米颗粒可以直接从水性或油性溶液中生产，其中药物通过简单的过程溶解在其中，则可以在透皮药物递送方面取得进一步进展。静电喷雾作为一种利用电效应对溶液进行纳米微粒化（即产生纳米级雾气）的技术而广为人知14.静电喷雾产生的微米级或纳米级雾气已广泛应用于农药喷洒、水净化和海水淡化等领域16.该技术有望通过使药物溶液小型化来促进透皮吸收。静电喷涂需要一个目标侧接地的闭合电路和一个施加高压的毛细管，这对于生物应用来说是不安全的。另一方面，具有闭合电路的电介质阻挡放电可用于赋予灭菌和其他效果，这些效果源自由1东京农工大学工学部，184-8588 东京都小金井市中町 2-24-16。 2东京农业技术大学工程研究生院，日本东京小金井市中町2-24-16 184-8588。 3东京农业科技大学生物应用与系统工程研究生院， 2-24-16 Naka-cho, Koganei, Tokyo 184-8588, Japan。 4东京农业技术大学工程学院，日本东京小金井市中町 2-24-16 184-8588。电子邮件：dyoshino@go.tuat.ac.jp 科学报告|(2022) 12:10526 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-14670-42图1。使用 DBD 的纳米级烟雾发生器。 (一个) 生成器的配置。 (b) 电极设计。等离子17.然而，仅通过介质阻挡放电很难产生液体颗粒，这需要另一种雾产生机制，例如超声波换能器。在这项研究中，我们开发了一种通过使溶液通过介质阻挡放电直接产生纳米级雾气的方法（DBD；图 1）。我们验证了水基和油基三种解决方案的雾生成，重点关注等离子放电的特性。然后，我们通过等离子体处理研究了每种溶液的物理和化学特性的变化。研究结果表明，溶液的电导率会影响雾气产生的效率。我们开发的方法可以雾化各种类型的溶液，而无需将被喷涂的目标接地。方法电极设计和等离子体生成。纳米级雾化器由高压放大器（Logy Electric，LHV-10AC-TL）、变压器（AS ONE、RSA-10）、气流泵（AS ONE、EAP-01）、注射泵（ KD Scientific，Legato 110）和硼硅酸盐玻璃管电极单元（图 1a）。 DBD 模式的大气压等离子体原则上是在外径和内径分别为 8 mm 和 6 mm 的玻璃管中产生的（图 1b）。将脉冲电压施加到放置在玻璃管中心的注射器针头（Tsubasa Industry Co.，16G×50）上。连接在管外的铝电极接地。玻璃管的外表面覆盖有聚酰亚胺薄膜胶带，以防止电极单元外部的等离子体放电。施加的电压从峰值 (-3.2 kV) 到峰值 (9.3 kV) 为 12.5 kV，频率为 10 kHz，使用高压探头 (Tektronix, P6015A) 和示波器 (Teledyne Lecroy, WaveSurfer 3024Z ）。气体气氛可以通过从插座侧面的入口引入特定气体来控制。然而，在这项研究中，我们在没有气体流入的大气压环境下进行了实验。等离子体发射及其光学特性的观察。使用配备微距镜头（Fujifilm，Fujinon XF80mm F2.8 R LM OIS WR Macro）的数码相机（Fujifilm，X-T4）捕获在施加电压期间从电极中的等离子体发射的光。相机的快门速度、ISO 感光度和光圈分别设置为 1/60 秒、2500 和 2.8。使用高分辨率光谱仪（Ocean Insight，HR4000CG-UV-NIR）分析发射光谱。分析波长范围为 200 至 1100 nm。从电极尖端到光谱仪的距离为 50 mm。每个积分时间设置为 10 秒，光谱是根据两次测量的累积计算得出的。纳米级雾的生成和可视化。超纯水 (UPW)、磷酸盐缓冲盐水 (PBS; Nissui, 05913) 和蓖麻油 (Fujifilm Wako Pure Chemical Corporation, 034-01586) 被用于产生纳米级薄雾，用于广泛的医学和化妆品。使用注射泵将溶液注入针电极（图 1a）。流入的溶液在通过针状电极时带电，并与针尖处的等离子体相互作用形成纳米级雾。产生的纳米级薄雾通过来自泵的气流输送到电极单元外部。溶液的注入速率为 10、50、100、500 或 1000 μL/min。通过使用带有微距镜头或显微镜镜头的数码相机 [Mitutoyo, M Plan Apo 10 × (NA = 0.28) 或 M Plan Apo 100 × (NA = 0.7)] 观察等离子体产生的纳米级雾的动力学和一个线激光模块（民用激光，520 nm，50 mW）。激光模块放置在距电极60mm处，厚度约1mm的激光片入射到穿过电极中心的垂直截面上。微距镜头的相机焦距设置为 8.0 mm，玻璃管的显微镜镜头焦距设置为 2.5 mm。影片以 240 fps 的帧速率、2500 的 ISO 感光度和光圈拍摄 科学报告|(2022) 12:10526 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-14670-432图 2。DBD 产生的等离子体的特性。 (一个) 施加电压（蓝色）和放电电流（红色）的波形。黑色箭头表示放电电流脉冲。 (b) 未注入溶液时电极单元中产生的等离子体发出的光。比例尺，3 毫米。 (C) 等离子体放电的发射光谱。典型峰归因于 N2-SPS(C-B) 和 N+-FNS(B-X)。2.8（微距镜头）的相机。以 1/8000 秒的快门速度、8000 的 ISO 感光度和 0.0 的相机光圈（显微镜镜头）进行高速成像，以观察雾状颗粒。纳米级雾的化学表征。在吸光度测量的基础上检测每种溶液中溶解的化学物质。我们专注于过氧化氢、亚硝酸根离子和硝酸根离子的产生，因为已知这些物质是由等离子体-液体相互作用产生的18.基于碘化钾比色法（Kyoritsu Chemical-Check Lab, WAK-H2O2(C)）、萘基乙二胺比色法测量溶液（UPW 和 PBS）中过氧化氢、亚硝酸根离子和硝酸根离子的浓度(Kyoritsu Chemical-Check Lab, WAK-NO2, WAK-NO3) 和 Griess 分析 (Kyoritsu Chemical-Check Lab, WAK-NO2(C), WAK-NO3(C))。使用分光光度计（Kyoritsu Chemical-Check Lab，DPM-MTSP）在每次测定中分析吸光度。通过在 35 mm 盘 (AGC Techno Glass, 3000-035) 中重新收集雾来获得检测化学物质所需的每种溶液的 1.5 mL。我们还溶解了每种溶液中的化学物质标准，并进行了相同的比色测定，以确认等离子体产生的共存化学物质没有影响。在化学物质超过检测上限的情况下，通过逐步稀释每种溶液来确定物质的浓度。使用标准溶液预先检查稀释对化学物质浓度的影响。使用 pH 计（AS ONE，AS-pH-11B）和电导率计（Horiba，LAQUAtwin-EC-33B）测量每种溶液的 pH 值和电导率。结果与讨论等离子体的产生及其光学特性。施加的电压从− 在 15 μs 内从 2.0 kV 到 9.3 kV（图 2a）。然后电压下降到 - 3.2 kV，振荡，并逐渐上升到− 2 kV，并施加下一个脉冲。施加电压的脉冲宽度为 30 μs。在施加电压脉冲期间，有一个高达约0.03 A的振荡位移电流和几个与等离子体放电相对应的电流脉冲。在正极和负极都可以看到放电电流脉冲，最大值约为 0.04 A（绝对值）。关注放电过程中的等离子体发射，我们可以看到流光是从作为驱动电极的针向带有接地电极的玻璃管的内表面产生的（图 2b）。这些飘带形成的点断断续续地变化（补充电影 S1）。等离子体发射光谱呈现峰值（图 2c），它们归因于氮的第二正系统 [N2-SPS; N2(C–B)] 和氮的第一负系统 [N2+-FNS； N2+(B–X)]19.这些发射峰常见于大气压等离子体放电20.基于对放电电流、发光和光学特性的观察，放电似乎是 DBD 类型。 科学报告|(2022) 12:10526 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-14670-44纳米级雾中的动力学和放电特性。然后我们将 UPW 注入到电介质阻挡放电电极单元中，并成功地产生了纳米级的雾气，从施加电极的尖端吹出（图 3 和补充电影 S2）。根据使用 10 × 或 100 × 显微镜镜头拍摄的图像，我们测量了相对较大的雾状颗粒的像素尺寸，并通过比例校准计算了实际颗粒尺寸。清晰可见的颗粒大小为 5 至 50 μm（图 3b、c）。由于激光光学可视化技术，该研究的缺点是捕获大于实际尺寸。然而，大多数雾状颗粒小于最小可检测极限[至少 400 nm 或更小；本研究中使用的具有 100 × 显微镜镜头的光学系统的分辨率（图 3c）]，表明其中许多可能在纳米尺寸范围内。产生等离子体的空间，即产生纳米级雾的场，有许多分子偏向与雾粒子相同的极性电荷。从针尖流出的液滴被库仑斥力雾化后，类似于静电喷雾21，它们可能与周围的等离子体（偏向相同极性电荷的分子）相互作用，然后变成更细的粒子。雾产生的效率取决于溶液的注入速度。尽管即使在高输注速率的条件下也会产生雾气（UPW 和 PBS ≥ 500 μL/min；蓖麻油分别≥ 100 μL/min），但在单元尖端优先形成液滴（补充图 S1 ）。雾生成时的放电特性表明在施加电压脉冲期间感应出许多放电电流脉冲（补充图S2）。放电电流脉冲比未注入溶液的情况大（高达约0.06 A）。所开发的纳米级雾化器不仅可应用于超纯水雾化，还可应用于高导电性 PBS 和高粘度蓖麻油的雾化（图 4 和补充电影 S2、S3 和 S4）。适合于雾生