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 tryk ( "kolde") plasmaer har fået øget opmærksomhed i de seneste år på grund af deres betydelige biomedicinsk potentiale. Reaktionerne kold plasma med den omgivende atmosfære, hvilket gav en række reaktive arter, som kan definere dens effektivitet. Mens effektiv udvikling af kold plasma behandling kræver kinetiske modeller, model benchmarking brug empiriske data. Eksperimentelle studier af kilden af reaktive arter detekteret i vandige opløsninger udsat for plasma er stadig sparsom. Biomedical plasma ofte drives med He eller Ar fødegas, og en specifik interesse ligger i undersøgelse af de reaktive arter genereret af plasma med forskellige gas- blandinger (O 2, N 2, luft, H2O damp osv) disse undersøgelser er meget kompleks på grund af problemer med at kontrollere den omgivende atmosfære i kontakt med plasma spildevand. I dette arbejde, rettet vi almindelige spørgsmål af "høj" spændingkHz frekvens drevet plasma jet eksperimentelle undersøgelser. En reaktor blev udviklet tillade udelukkelse af omgivende atmosfære fra plasmaet-væskesystem. Systemet bestod derfor fødegassen med iblandinger og komponenterne af den flydende prøve. Denne styrede atmosfære tillod undersøgelse af kilden til de reaktive oxygenarter induceret i vandige opløsninger af He-vanddamp plasma. Anvendelsen af isotopmærket vand tilladt at skelne mellem arter med oprindelse i gasfasen og dem dannet i væsken. Plasmaet udstyr var indeholdt i et Faraday bur for at eliminere eventuel indflydelse af et eksternt felt. Opsætningen er alsidig og kan støtte i yderligere forstå den kolde plasma-væske interaktioner kemi.
Lav temperatur atmosfærisk tryk plasmaer (LTPS) har tiltrukket øget opmærksomhed i de senere år på grund af deres enorme potentiale for biomedicinske anvendelser 1-3. Ved kontakt med den omgivende atmosfære, LTP reagerer med molekylært indhold af luft (N2, O2, H2O damp), generering af en række reaktive oxygen og nitrogenforbindelser (Rons) 2,4. Blandt disse er relativt stabile arter (såsom hydrogenperoxid, ozon, nitrit og nitrat anioner) og meget reaktive radikaler (• OH, • OOH / O 2 • -, • H, • NEJ, etc.). Disse arter, der oprindeligt dannet i gasfasen, er yderligere leveret af plasmaet til det biologiske substrat 5. RONS interagere med substrater og definerer således det antimikrobielle, anticancer og antivirale virkninger af LTP 6-8.
Udviklingen af LTP terapier kræver kompleks modellering af reaktionerRONS 9. Vand er en væsentlig del af det biologiske miljø, og reaktionerne i den vandige fase øge systemets kompleksitet drastisk. Undersøgelsen af gas-fase plasma er almindeligt udført under anvendelse af forskellige analytiske teknikker, herunder optisk emission spektroskopi, laser induceret fluorescens, infrarød spektroskopi, massespektrometri (MS), etc. 10-12. Samtidig, detaljerede undersøgelser af de konstaterede i væskefasen arter er stadig sparsom. Tilgængelige rapporter beskriver anvendelsen af forskellige analytiske fremgangsmåder, såsom UV- og elektronspinresonans (EPR) spektroskopi, cytometri, etc. til detektion af RONS i vandige opløsninger 13,14. EPR er en af de mest direkte metoder til radikal påvisning i væsken. Dog kan mange radikale arter, der ikke påvises ved EPR grund af deres korte levetid. I disse tilfælde er spin-trapping anvendes ofte. Spin trapping en teknik involverer en forbindelse (spin-fælde) which hurtigt og selektivt reagerer med gruppen til opnåelse af et mere vedvarende radikal addukt (f.eks DMPO reagerer med hydroxylradikal, danner DMPO-OH addukt).
De fælles udfordringer i plasma-væske interaktionsstudier er den manglende evne til at styre den omgivende atmosfære omkring plasma spildevand og andre forstyrrende faktorer (eksterne felter, miljø-følsomme strømforsyning dele, etc.). Her udviser vi brug af en opsætning bestående af et metal mesh tilfælde indeholder det opererede plasma og en in-house bygget reaktor omkring plasma jet dyse. Metalnettet tjener som Faradays bur, tillader signifikant forbedret reproducerbarhed og generel funktionsdygtigt plasma jet. Den glasreaktor indkapsler både plasma jet og den flydende prøve, eksklusive den omgivende atmosfære fra systemet.
Denne fremgangsmåde kan anvendes til enhver atmosfærisk tryk plasma jet i kontakt med flydende opløsninger.For eksempel har vi for nylig fremlagt en undersøgelse af kilden til de reaktive oxygenarter påvist i en vandig prøve eksponeret for plasma. Isotopisk mærket vand blev anvendt til at skelne mellem de arter, der er dannet i væsken og i gasfasen af plasma jet-væskeopløsning systemet 15.
Her demonstrerer vi brug af en in-house bygget atmosfærisk tryk plasma setup. Metallet mesh bur bidrager til at opnå reproducerbare plasma betingelser med minimeret interferens fra eksterne felter, samtidig beskytter nærheden følsomt udstyr fra mulig interferens og / eller skade på nogen plasma-induceret felter. Afskærmningen (bure) af opsætningen afhænger af typen af betjente plasma og dets elektriske egenskaber. Målet er at sikre fraværet af ekstern indblanding på plasma drift og undgå plasma felter forstyrre omgivende udstyr. I dette tilfælde maskestørrelse er 22 mm, dog kan der være behov reduceret maskestørrelse for forskellige plasmaer. Plasma driftsparametre blev kontrolleret under anvendelse af en spænding og en strøm probe forbundet til et oscilloskop. Indførelsen af den høje spænding sonde ændres væsentligt den elektriske miljø, og derfor sonden skal blive en del af det elektriske system og blive postulereNG samme måde i hele alle forsøgene.
Anvendelsen af glasset reaktor indkapsler prøven og plasma jet tillader udelukkelse af den omgivende atmosfære i ofte ukendt præparat fra reaktionssystemet. I de præsenterede resultater (se ovenfor), blev det anvendt til at bestemme kilden til plasma-induceret reaktiv ilt arter i den vandige prøve udsat for plasma spildevand. Sådan undersøgelse, hvis der kan differentieres molekylerne af det flydende vand, og vandet i fødegassen (damp). For at bestemme om de hydroxylradikaler dannet i gasfasen eller fra væsken vandmolekyler, isotopisk mærket vand blev indført: H 2 17 O som det flydende medium, H 2 16 O damp i fødegassen. Hvis en hypotetisk forsøg blev udført i en åben atmosfære, idet der skelnes mellem de to faser ville være blevet hæmmet af tilstedeværelsen af vanddamp i den omgivende luft. enalternativ metode til at mindske virkningen af den omgivende atmosfære blev demonstreret i litteraturen, i hvilke spredningen af arterne fra atmosfæren ind i plasmaet spildevand blev forhindret ved anvendelse af en beskyttelsesgas 17. Beskyttelsesgassen (N2 eller O 2) skaber en gas gardin med en kendt sammensætning 18. Reaktoren præsenteres i dette håndskrift er en simpel måde at fjerne indflydelsen af den omgivende luft komponenter (såsom vanddamp), og kan anvendes med forskellige plasma jets uden indførelse af yderligere gas flow. Svarende til • OH-radikal, kan kilden til • H radikal bestemmes ved anvendelse af en D2O / H2O-system. Den billige D2O kan også indføres i fødegassen som en damp som beskrevet ovenfor.
Den mætning af gassen med H2O damp blev bestemt ved at veje Drechsel kolben før og efter boblende gasstrømmen through det. Den relative fugtighed (dvs. mætning) af gassen beregnes ud fra mængden af vand fordampet, og mængden af gas, der passerer igennem.
Bemærk, at i langvarige forsøg kan temperaturen af væsken i Drechsel kolben falde som følge af fordampning. Den relative fugtighed er beregnet for en specifik temperatur. De beregnede værdier er yderligere sammenlignet med dem i litteraturen 19 til bestemmelse af den relative fugtighed i den tilførte gas. Vi har empirisk vist sig, at en strøm på op til 2 slm af He gennem en vandfyldt Drechsel kolbe fuldt mætter gas med vanddamp. Imidlertid kan forhøjede strømningshastigheder ikke give tilstrækkelig opholdstid for gassen i væsken i fuld mætning. kan der kræves andre mætning teknikker.
En anden udfordring er at sikre, at ingen omgivende luft er til stede i systemet. Reaktoren forhånd skyllet med fødegassen for at fjerne resterende luft.Den nødvendige tid for pre-skylning vil afhænge af omfanget af reaktoren og strømmen af fødegassen. Fraværet af den omgivende luft diffusion og medrivning ind i systemet, såsom en helium fødegassen plasma systemet kan testes under anvendelse af en • NO radikal trapping reaktion. Nitrogenoxid frembringes af plasma fra N2 og O 2 molekyler luft kan detekteres ved EPR som en radikal addukt af (MGD) 2 Fe 2+ kompleks 20 (MGD = N-methyl-D-glucamin dithiocarbamat). I tilfælde af det fuldstændige fravær af luft, er EPR signalet af adduktet ikke observeret. Fraværet af eksterne vandmolekyler i reaktoren kan påvises ved følgende forsøg. En flydende prøve af D2O udsættes for en tørfoder gasplasma. NMR-analysen af prøven post-eksponering afslører mængden af H2O bragt ind i væsken under eksponeringen. Dette gør det muligt at estimere størrelsen af den resterende H2O i Tubing anvendes til fødegassen 15 i eksperimentet.
Prøvebeholderen design er afgørende i det eksperimentelle arbejde. I første omgang har vi forsøgt under anvendelse af plast og glas mikrocentrifugerør. Sammen med relativt høj plasma-feed gasstrømmen, har lille diameter af åbningen ikke lade den omgivende luft trænge ind i mikrocentrifugerør. Dette har imidlertid mange ulemper. Plasmaet udviste overordnede og stor temperaturstigning nær kanterne af mikrocentrifugerør. Leveringen af arterne fra gasfasen i væsken var også signifikant mindre effektiv på grund af de forskellige gasfase dynamik og lavt overfladeareal (og stort volumen) af væskeprøven. , Overfladearealet af den flydende prøve er derfor afgørende for levering af de reaktive arter fra gasfasen til den flydende prøve. Dette er især vigtigt for den kortlivede radikaler. Beholderen flydende prøve skal derfor designet til at tillade den udsattevæske til at have højt overfladeareal for effektiv diffusion. Prøven bør også have lav dybde at minimere konvektion-relaterede begrænsninger af den flydende prøve. Det skal tages i betragtning, at forhøjede gasstrømme og især med antændt plasma skabe betydelige forstyrrelser ved overfladen af den flydende prøve 21. Derfor prøvebeholderen har et godt-lignende form med en diameter og dybde nødvendigt for den specifikke eksperiment. Højden af stativet, hvorpå brønden er positioneret kan justeres til eksperimentelle behov. Den gummiring hvorigennem plasmastrålen indsættes i reaktoren gør det muligt at ændre kontaktvinklen af udløbet med væsken.
I denne procedure tillader undersøgelse af kilden til de reaktive arter (• OH, • H, etc.) induceret i væsken ved en kHz frekvens parallel felt plasma jet. Fremgangsmåden anvender en glasreaktor omgiver strålen er ikke begrænset til den described betingelser, og kan bruges med andre atmosfæriske tryk plasmaer. Fremgangsmåden tillader indførelse af eventuelle tilsætninger til fødegassen: damp, O 2, N 2, etc. Blandt dens andre fordele er muligheden for at foretage optiske målinger inde i det, men i dette tilfælde optisk kvalitet kvarts glas skal bruges som en reaktor materiale. Udstødningsrøret i den nedre del af reaktoren muliggør anvendelse af plasma jet i stort set enhver lab: udstødningen kan tilsluttes via plastrør til en fjern sugetragt. Reaktoren koncept er alsidig og kan bruges i forskning af forskellige plasmaer, hvor kontrolleret atmosfære er påkrævet. For eksempel er polymerisation af styren inhiberes af oxygenarter 22, men kan observeres i reaktoren når flydende styren udsættes for helium fødegassen 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 |