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.
Ikke-termiske atmosfærisk trykk ( "kalde") plasmaer har fått økt oppmerksomhet de siste årene på grunn av deres betydelige biomedisinsk potensial. Reaksjonene med kaldt plasma med den omgivende atmosfære, hvilket ga et utvalg av reaktive arter, som kan definere dens effektivitet. Mens effektiv utvikling av kald plasma behandling krever kinetiske modeller, trenger modell benchmarking empiriske data. Eksperimentelle studier av kilden av reaktive arter detektert i vandige oppløsninger som utsettes for plasma er fremdeles mangelvare. Biomedisinsk plasma ofte drives med He eller Ar mategass, og en spesifikk interesse ligger i undersøkelse av de reaktive arter som genereres ved hjelp av plasma med forskjellige gass-blandinger (O-2, N 2, luft, H2O damp, etc.) Slike undersøkelser er meget komplisert på grunn av vanskeligheter med å kontrollere den omgivende atmosfære i kontakt med plasmaet avløpet. I dette arbeidet har vi adressert vanligste spørsmålene om "høy" spenningkHz frekvens drevet plasma jet eksperimentelle studier. En reaktor ble utviklet som tillater utelukkelse av omgivende atmosfære fra den plasma-væske-system. Systemet består således fødegassen med tilsetningsstoffer og komponentene i væskeprøven. Dette kontrollert atmosfære tillot undersøkelse av kilden av de reaktive oksygenarter som induseres i vandige oppløsninger av He-vanndamp plasma. Bruken av isotopisk merket vann tillates å skille mellom artene med opprinnelse i gassfasen og de som dannes i væsken. Plasma utstyr ble oppbevart inne i et Faraday bur for å eliminere mulig påvirkning av eksterne felt. Oppsettet er allsidig og kan hjelpe til ytterligere å forstå den kalde plasma-væske interaksjoner kjemi.
Lav temperatur atmosfæriske trykk plasmaer (LTPS) har fått økt oppmerksomhet de siste årene på grunn av sitt enorme potensial for biomedisinske applikasjoner 1-3. Ved kontakt med omgivende atmosfære, reagerer LTP med molekylært innhold av luft (N 2, O 2, O 2 H damp), genererer en rekke reaktive oksygen- og nitrogenforbindelser (rons) 2,4. Blant disse er forholdsvis stabile arter (for eksempel hydrogenperoksid, ozon, nitritt og nitrat anioner) og sterkt reaktive radikaler (• OH, • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Disse artene, i første omgang som genereres i gassfasen, er videre levert av plasmaet til det biologiske substratet 5. RONS samhandle med substrater og dermed definere det antimikrobielle, anticancer og antivirale virkninger av LTP 6-8.
Utviklingen av LTP behandlinger krever kompleks modellering av reaksjoner avRONS 9. Vann er en viktig del av den biologiske miljøet, og reaksjonene i den vandige fase øker kompleksiteten i systemet dramatisk. Undersøkelsen av gassfase-plasma er aner utføres ved hjelp av forskjellige analytiske teknikker, inkludert optisk emisjonsspektroskopi, laserinduserte fluorescens, infrarød spektroskopi, massespektrometri (MS), etc. 10-12. På samme tid, detaljerte undersøkelser av arten som detekteres i den flytende fase er fremdeles mangelvare. Tilgjengelige rapporter beskriver bruken av forskjellige analytiske metoder som UV og elektron-paramagnetisk resonans (EPR) spektroskopi, cytometri, etc. for påvisning av RONS i vandige oppløsninger 13,14. EPR er en av de mest direkte metoder for radikal deteksjon i væsken. Imidlertid kan mange radikale arter registreres ikke av EPJ på grunn av sin korte levetid. I disse tilfellene er sentrifuge fangst ofte brukt. Spin fangst en teknikk som involverer en forbindelse (spin trap) which hurtig og selektivt reagerer med radikal for å gi en mer vedvarende radikal-addukt (som reagerer DMPO med hydroksylradikalet og danner DMPO-OH-addukt).
De felles utfordringer i plasma-væske interaksjonsstudier er manglende evne til å kontrollere ambient atmosfæren rundt plasma avløp og andre forstyrrende faktorer (ytre felt, miljøfølsomme strømforsyning deler, etc.). Her viser vi bruken av et oppsett som består av et metallnett sak som inneholder opererte plasma og en in-house bygget reaktor rundt plasma jet dyse. Den metallnett tjener som Faraday-bur, slik at betydelig forbedret reproduserbarhet og generell brukbarhet av plasmastråle. Den glassreaktor innkapsler både plasma-jet og væskeprøven, med unntak av den omgivende atmosfære fra systemet.
Denne fremgangsmåte kan benyttes for en hvilken som helst atmosfærisk trykk plasmastråle i kontakt med flytende løsninger.For eksempel har vi nylig presenterte en undersøkelse av kilden til de reaktive oksygen arter påvist i en vandig prøve utsatt for plasma. Isotopisk merket vann ble brukt for å skille mellom de artene som dannes i væsken og i gassfasen av den plasmastråle-flytende løsning system 15.
Her viser vi bruk av en in-house bygget atmosfærisk trykk plasma oppsett. The wire bur bidrar til å oppnå reproduserbare plasma forhold med minimal forstyrrelse fra eksterne felt, samtidig som beskytter nærheten sensitivt utstyr fra mulige forstyrrelser og / eller skade på noen plasma-indusert felt. Skjermings (bur) av oppsettet avhenger av hvilken type opererte plasma og dets elektriske egenskaper. Hensikten er å sikre fravær av ytre forstyrrelse på plasma drift og unngå plasma feltene forstyrre omkringliggende utstyr. I dette tilfelle maskestørrelsen er 22 mm, kan imidlertid reduseres maskestørrelse være nødvendig for forskjellige plasmaer. Plasmaoperasjonsparametrene ble kontrollert ved hjelp av en spenning og en strøm sonde koblet til et oscilloskop. Innføringen av høy spenning sonde endres vesentlig elektrisk miljø, og derfor sonden må bli en del av det elektriske systemet og bli positioned på samme måte gjennom alle eksperimentene.
Bruken av glassreaktor innkapsle prøven og den plasmastråle tillater utelukkelse av omgivende atmosfære av ofte ukjent sammensetning fra reaksjonssystemet. I de presenterte resultater (se ovenfor), ble det anvendt for å bestemme kilden for plasma-induserte reaktive oksygenarter i den vandige prøven eksponeres til plasmaet avløpet. Slike undersøkelser er mulig hvis molekyler av vann i væskeform og vann i fødegassen (damp) kan differensieres. For å bestemme hvorvidt de hydroksylradikaler ble dannet i gassfase eller fra de flytende vannmolekylene, isotopisk merket vann ble innført: H 2 17 O som det flytende medium, H 2 16 O damp i fødegassen. Dersom et hypotetisk forsøk ble utført i en åpen atmosfære, å skjelne mellom de to fasene ville ha vært hemmet av nærværet av vanndampen i den omgivende luft. enalternativ metode for å minimalisere innflytelsen av den omgivende atmosfære ble demonstrert i litteraturen, hvori diffusjonen av artene fra atmosfæren inn i plasmaet avløp ble forhindret ved anvendelse av en beskyttelsesgass 17. Beskyttelsesgassen (N2 eller O2) oppretter en gass gardin med en kjent sammensetning 18. Reaktoren presentert i dette manuskriptet er en enkel måte å fjerne innflytelsen av den omgivende luft komponenter (for eksempel vanndamp), og kan brukes med forskjellige plasmastråler uten innføring av den ytterligere gasstrøm. I likhet med den • OH-radikal, kan kilden til • H-radikal bli bestemt ved anvendelse av en D 2 O / H 2 O-systemet. Den rimelige D2O kan også innføres i fødegassen som en damp, som beskrevet ovenfor.
Metning av gassen med H2O damp ble bestemt ved å veie den Drechsel kolben før og etter bobling av gass-strømmen igjennomgh det. Den relative fuktighet (dvs. metning) av gassen er beregnet av mengden av vannet fordampet, og volumet av gass som føres gjennom.
Legg merke til at langvarige forsøk, kan temperaturen av væsken i Drechsel kolben avta på grunn av fordampning. Den relative fuktigheten er beregnet for en bestemt temperatur. De beregnede verdiene er videre sammenlignes med de i litteraturen 19 for å bestemme den relative fuktighet av mategassen. Vi har empirisk funnet at en strøm av opp til 2 slm av He gjennom et vannfylt Drechsel kolbe fullstendig metter gassen med vanndamp. Imidlertid kan høye strømningshastigheter ikke tillate tilstrekkelig oppholdstid av gassen i væsken for fullstendig metning. Andre metnings teknikker kan være nødvendig.
En annen utfordrende oppgave er å sikre at ingen omgivende luft er til stede i systemet. Reaktoren er på forhånd spylt med fødegassen for å fjerne gjenværende luft.Den nødvendige tid for pre-spyle vil avhenge av volumet av reaktoren og strømmen av fødegassen. Fraværet av ytre omgivelsesluft diffusjon og medrivning inn i systemet slik som en helium fødegass plasmasystemet kan testes ved anvendelse av en • NO radikal overlapping reaksjon. Nitrogenoksid som genereres ved hjelp av plasma fra N2 og O 2 molekyler luft kan påvises ved EPR som en radikal addukt av (MGD) 2 Fe 2+ kompleks 20 (MGD = N-metyl-D-glukamin ditiokarbamat). I tilfelle av fullstendig fravær av luft, er det EPR-signalet til addukt ikke observert. Fraværet av utvendige vannmolekyler i reaktoren kan demonstreres ved følgende forsøk. En flytende prøve av D 2 O utsettes for en tørr fødegass plasma. NMR-analyse av den post-eksponeringsprøven viser mengden av H2O bringes inn i væsken under eksponeringen. Dette gjør det mulig å beregne mengden av det gjenværende H 2 O i tubing brukt for mategassen 15 i forsøket.
Prøvebeholderen design er avgjørende i det eksperimentelle arbeidet. I første omgang har vi forsøkt å bruke plast og glass mikrosentrifugerør. Sammen med forholdsvis høy plasmatilførsels gasstrømmen, ikke liten diameter av åpningen ikke la den omgivende luft trenge inn i mikrosentrifugerør. Dette har imidlertid mange ulemper. Plasmaet viste bue og stor temperaturøkning i nærheten av kantene av mikrosentrifugerør. Levering av arter fra gassfasen inn i væske var også betydelig mindre effektive på grunn av de forskjellige gassfase-dynamikk og med lavt overflateareal (og stort volum) i væskeprøven. Således er avgjørende for levering av reaktive bestanddeler fra gassfasen til væskeprøven overflatearealet av væskeprøven. Dette er spesielt viktig for den kortlivede radikaler. Væskeprøvebeholderen må derfor være utformet slik at den blottlagtevæske for å ha høyt overflateareal for effektiv spredning. Prøven bør også ha lav dybde for å minimalisere konveksjonsstrømmene relaterte begrensninger i væskeprøven. Det må tas hensyn til at forhøyede gasstrømmer og spesielt med antent plasma skape betydelige forstyrrelser på overflaten av væskeprøven 21. Derfor har prøvebeholderen et vel-lignende form med en diameter og dybde som kreves for den bestemte eksperimentet. Høyden på stativet på hvilken brønnen er plassert kan justeres til forsøks behov. I gummitetningsringen gjennom hvilken plasmastråle føres inn i reaktoren gjør det mulig å endre kontaktvinkelen av avløpet med væsken.
Den presenterte fremgangsmåten tillater undersøkelse av kilden av de reaktive arter (• OH, • H, etc.) indusert i væsken av et kHz frekvens parallell felt plasmastråle. Fremgangsmåten anvender en glassreaktor som omgir strålen er ikke begrenset til den described tilstander, og kan brukes sammen med andre atmosfæriske trykk plasmaer. Metoden tillater innføring av eventuelle tilsetninger til fødegassen: damp, O 2, N2, etc. Blant andre fordeler er muligheten for å gjennomføre optiske målinger inne i det, selv om det i dette tilfellet optisk kvalitet kvartsglass må brukes som en reaktor materiale. Eksos-røret i den nedre del av reaktoren gjør bruk av plasmastråle i praktisk talt en hvilken som helst laboratorium: eksos kan tilkobles via plastrør til en fjerntliggende ekstraksjon hette. Reaktoren Konseptet er allsidig og kan anvendes i forskning av forskjellige plasmaer hvor det kreves kontrollert atmosfære. For eksempel blir polymerisasjonen av styren inhibert av de oksygenforbindelser 22, men kan observeres i reaktoren når væsken styren utsettes for heliumfødegassen plasma.
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |