एक वायुमंडलीय दबाव प्लाज्मा सेटअप प्रतिक्रियाशील प्रजातियों गठन जांच करने के लिए
Summary
An experimental setup was created for the helium-operated kHz frequency plasma jet. The setup includes a cage for the plasma power supply and jet and an in-house built reactor to monitor plasma-induced reactive species without the interference of the ambient atmosphere.
Abstract
गैर थर्मल वायुमंडलीय दबाव ( 'ठंड') plasmas उनके महत्वपूर्ण जैव चिकित्सा क्षमता की वजह से हाल के वर्षों में वृद्धि हुई ध्यान प्राप्त हुआ है। आसपास के वातावरण के साथ ठंड प्लाज्मा की प्रतिक्रियाओं प्रतिक्रियाशील प्रजातियों, जो अपने प्रभाव को परिभाषित कर सकते हैं की एक किस्म निकलेगा। जबकि ठंड प्लाज्मा उपचार के कुशल विकास गतिज मॉडल की आवश्यकता है, मॉडल बेंच मार्किंग अनुभवजन्य डेटा की जरूरत है। प्लाज्मा के संपर्क में जलीय समाधान में पता चला प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के स्रोत की प्रायोगिक अध्ययन अभी भी दुर्लभ हैं। बायोमेडिकल प्लाज्मा अक्सर वह या Ar फ़ीड गैस के साथ चलाया जा रहा है, और एक विशेष रुचि विभिन्न गैस admixtures के साथ प्लाज्मा द्वारा उत्पन्न प्रतिक्रियाशील प्रजातियों की जांच में निहित है (ओ 2, एन 2, वायु, एच 2 ओ वाष्प, आदि) इस तरह की जाँच कर रहे हैं बहुत जटिल प्लाज्मा प्रवाह के साथ संपर्क में परिवेश के वातावरण को नियंत्रित करने में कठिनाइयों की वजह से। इस काम में, हम 'उच्च' वोल्टेज के आम मुद्दों को संबोधित कियाkHz आवृत्ति प्लाज्मा जेट प्रयोगात्मक अध्ययन संचालित है। एक रिएक्टर प्लाज्मा तरल प्रणाली से परिवेश वातावरण के बहिष्कार की अनुमति देता है विकसित किया गया था। प्रणाली इस प्रकार admixtures और तरल नमूना के घटकों के साथ फ़ीड गैस शामिल थे। इस माहौल नियंत्रित वह-जल वाष्प प्लाज्मा द्वारा जलीय समाधान में प्रेरित प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों के स्रोत की जांच की अनुमति दी। isotopically लेबल पानी के उपयोग प्रजातियों गैस चरण में होने वाले और तरल में गठन उन लोगों के बीच भेद की अनुमति दी। प्लाज्मा उपकरण एक फैराडे पिंजरे के अंदर समाहित किया गया था किसी भी बाहरी क्षेत्र के संभावित प्रभाव को समाप्त करने के लिए। सेटअप बहुमुखी है और आगे ठंड प्लाज्मा तरल बातचीत रसायन विज्ञान को समझने में सहायता कर सकते हैं।
Introduction
कम तापमान वायुमंडलीय दबाव प्लाज्मा (LTPS) जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों 1-3 के लिए उनके विशाल क्षमता की वजह से हाल के वर्षों में बढ़ ध्यान आकर्षित किया है। परिवेश के वातावरण के साथ संपर्क करने पर, एलटीपी (एन 2, हे 2 एच 2 ओ वाष्प) हवा की आणविक सामग्री के साथ प्रतिक्रिया करता है, प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन और नाइट्रोजन प्रजातियों (Rons) 2,4 की एक किस्म पैदा होता है। (-, • एच, • सं, आदि • ओह, • ओओएच / हे 2 •) इनमें अपेक्षाकृत स्थिर प्रजातियों (जैसे हाइड्रोजन पेरोक्साइड, ओजोन, नाइट्राइट और नाइट्रेट anions के रूप में) और उच्च प्रतिक्रियाशील कण होते हैं। इन प्रजातियों, शुरू में गैस चरण में उत्पन्न, आगे जैविक सब्सट्रेट करने के लिए 5 प्लाज्मा द्वारा वितरित कर रहे हैं। Rons substrates के साथ बातचीत और इस प्रकार रोगाणुरोधी, विरोधी और एलटीपी 6-8 की एंटीवायरल प्रभाव को परिभाषित।
एलटीपी उपचारों के विकास की प्रतिक्रियाओं की जटिल मॉडलिंग की आवश्यकता हैRons 9। जल जैविक परिवेश का एक अनिवार्य हिस्सा है, और जलीय चरण में प्रतिक्रियाओं नाटकीय रूप से प्रणाली की जटिलता में वृद्धि। गैस चरण प्लाज्मा की जांच के लिए व्यापक रूप से ऑप्टिकल उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी, लेजर प्रेरित प्रतिदीप्ति, अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी, मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एमएस), आदि सहित विभिन्न 10-12 विश्लेषणात्मक तकनीकों का उपयोग करते हुए किया जाता है। इसी समय, तरल चरण में पाया प्रजातियों की विस्तृत जांच अभी भी दुर्लभ हैं। उपलब्ध रिपोर्टों ऐसे यूवी और इलेक्ट्रॉन समचुंबक प्रतिध्वनि (EPR) स्पेक्ट्रोस्कोपी, cytometry, आदि जलीय समाधान 13,14 में Rons का पता लगाने के लिए के रूप में विभिन्न विश्लेषणात्मक तरीकों के उपयोग का वर्णन। EPR तरल में कट्टरपंथी का पता लगाने के लिए सबसे प्रत्यक्ष तरीकों में से एक है। हालांकि, कई कट्टरपंथी प्रजातियों को अपने छोटे से जीवन समय के कारण EPR से नहीं पाया जा सकता है। इन मामलों में, स्पिन फँसाने अक्सर प्रयोग किया जाता है। स्पिन एक तकनीक एक यौगिक (स्पिन जाल) से जुड़े फँसाने कआईसीएच तेजी से और चुनिंदा एक और अधिक लगातार कट्टरपंथी अभिवर्तन उपज के लिए (जैसे, DMPO हाइड्रॉक्सिल कट्टरपंथी साथ प्रतिक्रिया करता है, बनाने DMPO-ओह अभिवर्तन) कट्टरपंथी साथ प्रतिक्रिया करता है।
प्लाज्मा तरल बातचीत के अध्ययन में आम चुनौतियों प्लाज्मा प्रवाह के आसपास के परिवेश वातावरण और अन्य हस्तक्षेप कारकों (बाहरी क्षेत्रों, पर्यावरण के प्रति संवेदनशील बिजली की आपूर्ति भागों, आदि) को नियंत्रित करने में असमर्थता हैं। यहाँ, हम एक धातु जाल संचालित प्लाज्मा और प्लाज्मा जेट नोजल के आसपास एक घर में निर्मित रिएक्टर युक्त मामले की जिसमें एक सेटअप के उपयोग के प्रदर्शन। धातु जाल फैराडे पिंजरे में काफी सुधार reproducibility और प्लाज्मा जेट के सामान्य परिचालन की अनुमति के रूप में कार्य करता है। कांच रिएक्टर दोनों प्लाज्मा जेट और तरल नमूना, सिस्टम से आसपास के वातावरण को छोड़कर encapsulates।
इस विधि तरल समाधान के साथ संपर्क में किसी भी वायुमंडलीय दबाव प्लाज्मा जेट के लिए नियोजित किया जा सकता है।उदाहरण के लिए, हम हाल ही में एक जलीय प्लाज्मा के संपर्क में नमूने में पता चला प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों के स्रोत की जांच प्रस्तुत किया है। Isotopically लेबल पानी तरल में और प्लाज्मा जेट-तरल समाधान प्रणाली 15 की गैस चरण में गठित प्रजातियों के बीच भेद करने के लिए इस्तेमाल किया गया था।
Protocol
Representative Results
Discussion
यहाँ, हम एक घर में बनाया वायुमंडलीय दबाव प्लाज्मा सेटअप के उपयोग के प्रदर्शन। धातु जाल पिंजरे किसी भी प्लाज्मा प्रेरित क्षेत्रों से संभव हस्तक्षेप और / या क्षति से आसपास के संवेदनशील उपकरणों की रक्षा करने के लिए बाहरी क्षेत्रों से कम से कम हस्तक्षेप के साथ प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य प्लाज्मा की स्थिति, एक ही समय में प्राप्त करने के लिए मदद करता है। सेटअप के परिरक्षण (caging) संचालित प्लाज्मा और इसकी विद्युत विशेषताओं के प्रकार पर निर्भर करता है। उद्देश्य प्लाज्मा संचालन पर बाहरी हस्तक्षेप के अभाव सुनिश्चित करने और उपकरणों के साथ हस्तक्षेप आसपास के क्षेत्रों प्लाज्मा से बचना है। इस मामले में जाल आकार 22 मिमी, लेकिन कम जाल आकार अलग plasmas के लिए आवश्यक हो सकता है। प्लाज्मा आपरेशन मानकों एक वोल्टेज और एक मौजूदा जांच एक आस्टसीलस्कप से जुड़े का उपयोग कर नियंत्रित किया गया। उच्च वोल्टेज जांच की शुरूआत काफी बिजली माहौल बदलता है, और इसलिए जांच विद्युत प्रणाली का हिस्सा बन जाना चाहिए और मंज़ूर कियाप्रयोगों के सभी भर में एक ही तरह से ioned।
कांच रिएक्टर नमूना और प्लाज्मा जेट encapsulating के उपयोग प्रतिक्रिया प्रणाली से अक्सर अज्ञात रचना के परिवेश के माहौल के बहिष्कार की अनुमति देता है। प्रस्तुत परिणाम (ख़बरदार सुप्रा) में, यह जलीय प्लाज्मा प्रवाह के संपर्क में नमूने में प्लाज्मा प्रेरित प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों के स्रोत का निर्धारण करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। तरल पानी के अणुओं और चारा गैस (भाप) में पानी भेदभाव किया जा सकता है, तो इस तरह की जांच के लिए संभव है। निर्धारित करें कि क्या हाइड्रॉक्सिल कण, गैस चरण में या तरल पानी के अणुओं से गठन किया गया isotopically लेबल पानी पेश किया गया था: एच 2 17 तरल माध्यम के रूप में हे, फ़ीड गैस में 2 एच 16 हे वाष्प। एक काल्पनिक प्रयोग एक खुले वातावरण में आयोजित किया गया, तो दो चरणों के बीच भेद के आसपास हवा में जल वाष्प की उपस्थिति से प्रभावित हो गया होता। एकआसपास के वातावरण के प्रभाव को कम करने के लिए वैकल्पिक विधि साहित्य, जिसमें प्लाज्मा प्रवाह में वातावरण से प्रजातियों के प्रसार एक परिरक्षण गैस 17 का उपयोग कर रोका गया था में प्रदर्शन किया गया। परिरक्षण गैस (एन 2 या ओ 2) एक ज्ञात रचना 18 के साथ एक गैस पर्दा बनाता है। इस पांडुलिपि में प्रस्तुत रिएक्टर (जैसे जल वाष्प के रूप में) परिवेशी वायु घटकों के प्रभाव को दूर करने के लिए एक सरल तरीका है, और अतिरिक्त गैस के प्रवाह की शुरूआत के बिना अलग प्लाज्मा जेट विमानों के साथ इस्तेमाल किया जा सकता है। • ओह कट्टरपंथी के लिए इसी प्रकार, • एच के स्रोत के कट्टरपंथी एक डी रोजगार 2 हे / एच 2 ओ प्रणाली द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। सस्ती डी 2 हे भी रूप में ऊपर वर्णित एक वाष्प के रूप में फ़ीड गैस में पेश किया जा सकता है।
एच 2 ओ वाष्प के साथ गैस की संतृप्ति से पहले Drechsel कुप्पी वजन द्वारा और गैस के प्रवाह throu बुदबुदाती के बाद निर्धारित किया गया थायह gh। गैस के सापेक्ष आर्द्रता (यानी, संतृप्ति) पानी सुखाया की राशि और के माध्यम से पारित गैस की मात्रा से गणना की है।
ध्यान दें कि लंबे समय तक के प्रयोगों में, Drechsel कुप्पी में तरल के तापमान वाष्पीकरण के कारण कम हो सकती है। सापेक्ष आर्द्रता एक विशिष्ट तापमान के लिए गणना की है। मूल्यों की गणना आगे फ़ीड गैस के सापेक्ष आर्द्रता निर्धारित करने के लिए साहित्य 19 में उन लोगों के साथ तुलना कर रहे हैं। हम अनुभव से पता चला है कि एक पानी से भरे Drechsel के माध्यम से उन्होंने कहा कि अप करने के लिए 2 SLM का प्रवाह पूरी तरह कुप्पी जल वाष्प के साथ गैस संतृप्त। हालांकि, ऊंचा प्रवाह दरों पूर्ण परिपूर्णता के लिए तरल में गैस का पर्याप्त समय निवास की अनुमति नहीं हो सकती है। अन्य संतृप्ति तकनीक की आवश्यकता हो सकती है।
एक और चुनौती भरा काम है कि कोई भी चारों ओर की हवा प्रणाली में मौजूद है यह सुनिश्चित करना है। रिएक्टर फ़ीड गैस के साथ पहले से प्लावित है अवशिष्ट हवा निकालने के लिए।समय पूर्व निस्तब्धता के लिए आवश्यक रिएक्टर की मात्रा और चारा गैस के प्रवाह पर निर्भर करेगा। इस तरह के एक हीलियम गैस फ़ीड प्लाज्मा प्रणाली के रूप में सिस्टम में बाहरी परिवेशी वायु प्रसार और entrainment के अभाव एक • कोई कट्टरपंथी फँसाने की प्रतिक्रिया का उपयोग कर परीक्षण किया जा सकता है। नाइट्रिक एन 2 से प्लाज्मा और हे हवा के 2 अणुओं द्वारा उत्पन्न ऑक्साइड (एमजीडी) 2 फे के एक कट्टरपंथी अभिवर्तन 2 + जटिल 20 (एमजीडी = एन -methyl-D-glucamine Dithiocarbamate) के रूप में EPR से पता लगाया जा सकता है। हवा का पूर्ण अभाव के मामले में, अभिवर्तन के EPR संकेत नहीं मनाया जाता है। रिएक्टर में बाहरी पानी अणुओं की अनुपस्थिति निम्नलिखित प्रयोग के द्वारा प्रदर्शन किया जा सकता है। डी 2 ओ की एक तरल नमूना एक सूखा चारा गैस प्लाज्मा के संपर्क में है। बाद जोखिम नमूने के विश्लेषण एनएमआर एच 2 ओ की राशि प्रदर्शन के दौरान तरल में लाया पता चलता है। इस tubin में अवशिष्ट एच 2 ओ की राशि का अनुमान लिए अनुमति देता हैजी फ़ीड गैस 15 प्रयोग में लिए इस्तेमाल किया।
नमूना कंटेनर डिजाइन प्रयोगात्मक कार्य में महत्वपूर्ण है। प्रारंभ में, हम प्लास्टिक और कांच microcentrifuge ट्यूब का उपयोग प्रयास किया है। साथ में अपेक्षाकृत उच्च प्लाज्मा फ़ीड गैस प्रवाह के साथ, उद्घाटन के छोटे व्यास आसपास हवा microcentrifuge ट्यूब घुसना देना नहीं है। हालांकि, यह कई नुकसान है। प्लाज्मा arching और microcentrifuge ट्यूब के किनारों के पास बड़े तापमान में वृद्धि का प्रदर्शन किया। तरल में गैस चरण से प्रजातियों के वितरण के विभिन्न गैस चरण गतिशीलता और तरल नमूने की कम सतह क्षेत्र (और बड़ी मात्रा में) की वजह से भी काफी कम कुशल था। इस प्रकार, तरल नमूना की सतह क्षेत्र तरल नमूना करने के लिए गैस चरण से प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के वितरण के लिए महत्वपूर्ण है। यह अल्पकालिक कण के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। तरल नमूना कंटेनर इसलिए उजागर अनुमति देने के लिए तैयार किया जाना चाहिएतरल कुशल प्रसार के लिए उच्च सतह क्षेत्र है। नमूना भी कम गहराई तरल नमूने के संवहन संबंधी सीमाओं को कम करने के लिए होना चाहिए। यह खाता है कि गैस प्रवाह को ऊपर उठाया और विशेष रूप से प्रज्वलित प्लाज्मा के साथ तरल नमूना 21 की सतह पर महत्वपूर्ण गड़बड़ी बनाने में रखा जाना चाहिए। इसलिए, नमूना कंटेनर व्यास और गहराई विशिष्ट प्रयोग के लिए आवश्यक के साथ एक अच्छी तरह से आकार की तरह है। स्टैंड जिस पर अच्छी तरह से तैनात है की ऊंचाई प्रयोगात्मक जरूरतों को समायोजित किया जा सकता है। रबर grommet जिसके माध्यम से प्लाज्मा जेट रिएक्टर में डाला जाता है यह संभव तरल के साथ प्रवाह के संपर्क कोण बदलने के लिए बनाता है।
प्रस्तुत विधि प्रतिक्रियाशील प्रजातियों (• ओह, • एच, आदि) एक kHz आवृत्ति समानांतर क्षेत्र प्लाज्मा जेट द्वारा तरल में प्रेरित के स्रोत की जांच की अनुमति देता है। विधि जेट आसपास एक गिलास रिएक्टर रोजगार अवरोही तक सीमित नहीं हैशर्तों ribed, और अन्य वायुमंडलीय दबाव प्लाज्मा के साथ प्रयोग किया जा सकता है। हालांकि इस मामले ऑप्टिकल गुणवत्ता क्वार्ट्ज गिलास में एक रिएक्टर के रूप में इस्तेमाल किया जाना चाहिए वाष्प, 2 हे, एन 2, आदि इसके अन्य फायदे के अलावा इसके अंदर ऑप्टिकल माप का आयोजन करने की संभावना है,: विधि फ़ीड गैस के लिए किसी भी admixtures की शुरूआत की अनुमति देता है सामग्री। रिएक्टर के निचले हिस्से में निकास ट्यूब लगभग किसी भी प्रयोगशाला में प्लाज्मा विमान का उपयोग की अनुमति देता है: निकास एक दूरदराज के निष्कर्षण हुड के लिए प्लास्टिक टयूबिंग के माध्यम से जोड़ा जा सकता। रिएक्टर अवधारणा बहुमुखी है और विभिन्न plasmas जहां नियंत्रित वातावरण की आवश्यकता होती है के अनुसंधान में इस्तेमाल किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, styrene के polymerization ऑक्सीजन प्रजातियों 22 से हिचकते हैं, लेकिन रिएक्टर में मनाया जा सकता है जब तरल हीलियम styrene फ़ीड गैस प्लाज्मा के संपर्क में है।
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Chris Mortimer, Chris Rhodes (Department of Chemistry workshops) and Kari Niemi (York Plasma Institute) for their help with the equipment. The work was supported by the Leverhulme Trust (grant No. RPG-2013-079) and EPSRC (EP/H003797/1 & EP/K018388/1).
Materials
| Plasma Resonant and Dielectric Barrier Corona Driver power supply | Information Unlimited | PVM500 | |
| Mass flow controller (MFC) | Brooks Instruments | 2 slm (He calib.) | |
| MFC | Brooks Instruments | 5 slm (He calib.) | |
| Microcomputer controller for MFCs | Brooks Instruments | 0254 | |
| H217O | Icon Isotopes | IO 6245 | |
| 5,5-dimethyl-1-pyrroline N-oxide | Dojindo Molecular Technologies, Inc. | D048-10 | ≥99% |
| 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl | Sigma-Aldrich | 214000 | 98% |
| Helium | BOC UK | 110745-V | 99.996% |
| High voltage probe | Tektronix | P6015A | |
| Current probe | Ion Physics Corporation | CM-100-L | |
| Oscilloscope | Teledyne LeCroy | WaveJet 354A |
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