Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet

Judith Golda; Kerstin Sgonina; Julian Held; Jan Benedikt; Volker Schulz-von der Gathen

doi:10.3791/61801

JoVE Journal > Engineering

Ingénierie

Behandle overflater med et kaldt atmosfærisk trykkplasma ved hjelp av COST-Jet

Published: November 02, 2020

doi:

10.3791/61801

Judith Golda¹, Kerstin Sgonina¹, Julian Held², Jan Benedikt¹, Volker Schulz-von der Gathen²

¹Experimental Plasma Physics,Kiel University, ²Experimental Physics II,Ruhr-University Bochum

Summary

Denne protokollen presenteres for å karakterisere oppsett, håndtering og anvendelse av COST-Jet for behandling av forskjellige overflater som faste stoffer og væsker.

Abstract

I de senere år har ikke-termisk atmosfæriske trykkplasmer blitt brukt mye til overflatebehandlinger, spesielt på grunn av deres potensial i biologiske applikasjoner. Imidlertid lider de vitenskapelige resultatene ofte av reproduserbarhetsproblemer på grunn av upålitelige plasmaforhold samt komplekse behandlingsprosedyrer. For å løse dette problemet og gi en stabil og reproduserbar plasmakilde ble COST-Jet-referansekilden utviklet.

I dette arbeidet foreslår vi en detaljert protokoll for å utføre pålitelige og reproduserbare overflatebehandlinger ved hjelp av COST-referansemikroplasmastrålen (COST-Jet). Vanlige problemer og fallgruver diskuteres, samt egenskapene til COST-Jet sammenlignet med andre enheter og dens fordelaktige eksterne karakter. En detaljert beskrivelse av både fast og flytende overflatebehandling er gitt. De beskrevne metodene er allsidige og kan tilpasses andre typer atmosfæriske trykkplasmaenheter.

Introduction

Kald atmosfærisk trykkplasma (CAP) har tiltrukket seg økt interesse de siste årene på grunn av deres potensial for overflatebehandlingsapplikasjoner. CAPs er preget av deres ikke-likevektsegenskaper, noe som muliggjør kompleks plasmakjemi med høy tetthet av reaktive arter samtidig som de opprettholder en lav termisk innvirkning på behandlede prøver. Derfor vurderes CAPs spesielt for behandling av biologisk vev^1,²^,³^,⁴. Tallrike konsepter og design av CAPs er vellykket brukt til sårdesinfeksjon og helbredelse, blodkoagulasjon og kreftbehandling, blant andre biomedisinske applikasjoner. En stor andel av biologisk vev inneholder væsker. Derfor er forskning også i økende grad fokusert på å undersøke effekten av CAPer på flytende overflater som cellemedium eller vann^5,⁶^,⁷.

Imidlertid lider de vitenskapelige resultatene ofte av pålitelighets- og reproduserbarhetsproblemer⁸^,⁹^,¹⁰. På den ene siden er de behandlede biologiske substratene gjenstand for naturlige variasjoner. På den annen side ble biologiske mekanismer sjelden direkte tilskrevet plasmaprosesser (som elektriske felt, UV-stråling og lang- og kortvarige arter, etc.). Videre er disse plasmaprosessene i sin tur sterkt avhengig av den enkelte plasmakilde og den nøyaktige typen av søknaden.

I tillegg er detaljerte protokoller for behandlingsprosedyrene sjelden tilgjengelige. Dette gjør det vanskelig å isolere påvirkningen av en bestemt plasmaparameter på utfallet av behandlingen, noe som gjør de oppnådde resultatene ikke-overførbare.

Derfor har det nylig blitt gjort ulike forsøk på å standardisere behandlingen av overflater, vev og væsker ved hjelp av kalde atmosfæriske trykkplasmer. Her presenterer vi bare noen utvalgte eksempler.

For å forenkle direkte sammenligning av forskjellige plasmakilder ble det utviklet en referansekilde. Inspirert av lavtrykksplasmasamfunnet ble en reproduserbar og stabil utslippsdesign (COST-Jet) utviklet innenfor rammen av COST-handlingen MP 1101 som kan fungere som referansekilde for fremtidig biomedisinsk forskning¹¹.
Referanseprotokoller for enkeltprogrammer ble utviklet for å muliggjøre sammenlignbarhet. For å standardisere sammenligningen av de antimikrobielle egenskapene til kaldt atmosfærisk trykkplasma, for eksempel, definerte Mann et al. en referanseprotokoll for mikroorganismebehandling ved å normalisere behandlingstiden per områdeenhet¹².
For en mer fleksibel tilnærming utviklet Kogelheide et al. en metode for å undersøke plasmainduserte kjemiske modifikasjoner på makromolekyler¹³. Ved hjelp av tracerforbindelser som cystein og eller cysteinholdig glutathione (GSH) i kombinasjon med FTIR og massespektrometri, prøvde de å ekstrapolere de kjemiske modifikasjonene på biologiske substrater. Ved hjelp av denne metoden er flere plasmakilder som COST-Jet, kinPen og Cinogy DBD allerede sammenlignet¹⁴^,¹⁵^,¹⁶.
For å sammenligne individuelle plasmakilder direkte, må det etableres sammenlignbare kontrollparametere. Grunnleggende plasmaparametere som elektrontemperatur, elektrontetthet og flukstetthetene til reaktive arter er vanskelige å måle i atmosfæriske trykkplasmer siden slike plasmaer ofte er forbigående og deres dimensjoner er små. I stedet brukes eksterne kontrollparametere som generatorstrøm, anvendt spenning eller tenning, og lysbuepunkter ofte som referanse, spesielt når du sammenligner resultater med^{simuleringer 17}^,¹⁸. Mer nylig har det målte elektriske energiforbruket blitt brukt som en mer pålitelig kontrollparameter^19,²⁰^,²¹.

Til tross for denne innsatsen kan det fortsatt være umulig å sammenligne resultatene fra forskjellige studier, bare på grunn av utfordringen med å bruke en plasmakilde riktig på en overflate. Det er et stort antall utbredte fallgruver som må håndteres når du arbeider med atmosfæriske trykkplasmaapplikasjoner som påvirkning av eksterne elektriske felt (kompensasjonskretser), tilbakemeldingssløyfer mellom plasma og omkringliggende miljø (skjermet atmosfære), artstransport (ionvind) og kontrollparametere (spenning, strøm, strøm).

Hovedmålet med dette arbeidet er å gi en grundig, detaljert protokoll om anvendelsen av COST-Jet for overflatebehandlinger. COST-Jet er en pålitelig plasmakilde som ble utviklet for vitenskapelige referanseformål i stedet for for industriell eller medisinsk bruk. Det gir reproduserbare utslippsbetingelser og en bred database over tilgjengelige studier^22,²³. COST-Jet er basert på en homogen, kapasitivt koblet RF-plasma. Fordi det elektriske feltet er begrenset vinkelrett på gassstrømmen, holdes ladede arter for det meste i utslippsområdet og samhandler ikke med målet eller den omkringliggende atmosfæren. I tillegg sikrer laminær gassstrøm reproduserbare plasmakjemiske forhold i plasmaavløpet.

I denne artikkelen vil vi ta opp de vanligste utfordringene og introdusere mulige løsninger som er brukt i litteraturen. Disse inkluderer riktig gassforsyning, utslippskontroll, omgivelsesatmosfærepåvirkning og overflateforberedelse. Overholdelse av protokollen som presenteres her, bør sikre reproduserbarhet og sammenlignbarhet av målingene.

Protokollen kan også fungere som et eksempel for andre atmosfæriske trykkkilder. Det må raffineres for andre jetplasmakilder i henhold til den enkelte gassstrøm og elektrisk feltkonfigurasjon. Der det er aktuelt, vil vi prøve å påpeke mulige justeringer av protokollen. De beskrevne trinnene bør vurderes og rapporteres ved publisering av studier som bruker atmosfæriske trykkplasma til behandlede prøver.

Protocol

1. Fôrgassforsyning og kontrollert atmosfære Sett opp gassforsyningen som består av gassledninger av metall, unngå TPFE eller lignende plastrør24. Hold gassforsyningsledningene så korte som mulig for å unngå urenheter og lette pumping av gassforsyningssystemet. Velg massestrømskontrollerne som brukes til å levere fôrgassen i henhold til de typiske gassstrømhastighetene til COST-Jet. Bruk arbeidsgass med en renhet på minst 99,999%.MERK: COST-Jets primære arbeidsgass er helium. Drift kan realiseres ved strømningshastigheter mellom 100 sccm og ca 5000 sccm, med 1000 sccm som den vanligste verdien. Innse blandingen av reaktive gasser av et system som består av flere massestrømregulatorer. For mindre blandinger, bruk en motblandingsenhet for å redusere tiden det tar for blandingen å fullføre25.MERK: Vanlige blandinger er oksygen og nitrogen med en strømningshastighet i størrelsesorden 5 sccm (0,5% av arbeidsgassen). Tilsett en ventil mellom gasstilførselsledningene og strålen for å forhindre at fuktig luft kommer inn i gasstilførselen når enheten ikke er i bruk, da vann er den vanligste og mest problematiske urenheten i atmosfæriske trykkplasmaer, som kritisk påvirker plasmakjemien. Rengjør gasstilførselsledningene før overflatebehandlingen for å redusere urenheter i slangen. For å gjøre dette, sett enten bare en moderat gassstrøm på ca. 1000 sccm helium og skyll forsyningslinjene eller helst gjentatte ganger pumpe og fylle på forsyningsledningene (omtrent tre ganger).MERK: Når du bare skyller gasstilførselsledningene, kan det være nødvendig med flere timer for å rengjøre systemet, avhengig av forurensningstilstanden. Tilsett en molekylær silfelle eller kald felle (f.eks. ved hjelp av flytende nitrogen) i gasstilførselslinjene for å redusere fuktigheten i fôrgassen ytterligere. Hvis det i stedet ønskes en kontrollert mengde vann som reagens, tilsett en bobler i systemet26,27. Vurder å sette opp en kontrollert atmosfære for eksperimentet ditt, da endringer i sammensetningen av omgivelsesatmosfæren kan påvirke kjemiske reaksjoner i plasmaavløpet.MERK: Denne effekten er sannsynligvis ikke veldig uttalt for COST-Jet28, siden den elektriske feltkonfigurasjonen begrenser plasmaet til innsiden av utløpskanalen, men kan spille en viktig rolle for andre CAP-enheter der det aktive plasmaet delvis er utenfor enheten. 2. Montering og oppsett av enheten Koble COST-Jet-enheten til en gasstilførsel. Koble enheten direkte til 1/4 tommers Swagelok-rør i rustfritt stål. Bruk adaptere for ulike rørstandarder. Koble COST-Jet til strømforsyningen ved hjelp av en skjermet BNC-kabel utstyrt med en SMC-kontakt. Koble de integrerte elektriske sondene til et oscilloskop for å overvåke spenning og strøm ved hjelp av en 50 Ohm motstand som terminering. Åpne COST-Jet-huset og koble en riktig kompensert kommersiell spenningssonde til den drevne kobberledningen, samt en jordet del av strålen (f.eks. Swagelok-gassrøret) og oscilloskopet. Utfør en sondekalibreringsrutine: Påfør en liten spenning på COST-Jet og juster variabel kondensator for LC-kretsen ved hjelp av en skrutrekker for å nå den optimale koblingen (maksimer målt spenning). Utfør en spenningskalibrering ved å sammenligne den faktiske spenningen (kommersiell sonde) med den målte spenningen (implementert sonde) ved hjelp av lineær regresjon og beregne en kalibreringskonstant. Fjern den kommersielle spenningssonden og lukk COST-Jet-huset. Igjen, påfør en liten spenning på COST-Jet og juster variabel kondensator for LC-kretsen ved hjelp av en skrutrekker for å nå den optimale koblingen. Tenn et plasma i COST-Jet-enheten: For det første, sett opp en gassstrømshastighet på ca. 1 slpm helium ved hjelp av massestrømregulatorer (MFCer). Åpne ventilen mellom gasstilførselssystemet og COST-Jet sist. Påfør deretter en lav spenning på elektrodene og øk amplituden til plasmaet antennes. Hvis elektrodene ved første tenning er urene og hindrer tenningen, påfør en høy startspenning og reduser den raskt etter tenning. Alternativt kan du bruke en gnistpistol for å lette en enklere første tenning. Still inn driftskontrollparametrene (gassstrøm, påført spenning) til de ønskede verdiene. Gi oppsettet litt oppvarmingstid for å muliggjøre termisk stabilisering (ca. 20 minutter) for å sikre stabile og reproduserbare driftsforhold. For å endre gasssammensetningen under forsøkene, la det være omtrent 2 minutters likevektstid avhengig av gassforsyningsoppsettet.MERK: COST-Jet er nå klar til bruk. 3. Strømmåling Koble oscilloskopet som overvåker spenningen og strømmen som brukes på COST-Jet til en datamaskin. Installer programvaren ‘COST power monitor’ på datamaskinen29 som tillater strømovervåking i sanntid11,19. Juster kommunikasjonen mellom programvaren og oscilloskopet ved å implementere de nødvendige kommandoene for å kontrollere det spesifikke oscilloskopet. Start programvaren COST power monitor og bytt til Innstillinger-panelet. Fyll ut de riktige kanalene som er koblet til oscilloskopet, og kalibreringskonstanten som ble bestemt i trinn 2.4.MERK: Finn-knappen kan brukes til automatisk å beregne kalibreringsfaktoren hvis den kommersielle spenningssonden er festet til COST-Jet. Bytt til Sveip-panelet. Ta en referansefase mens plasmaet fortsatt er av ved å trykke på Finn-knappen. Slå av gassstrømmen før denne målingen og påfør en spenning som er i det typiske spenningsområdet som brukes til selve driften av utslippet, da plasmaet ikke vil antennes i luft på grunn av mye høyere tenningsspenning sammenlignet med edle gassdominerte gassblandinger. Bruk denne målingen til automatisk å korrigere for det relative faseskiftet mellom spennings- og strømsonder, forutsatt en 90° fase av den perfekte kondensatoren her. Trykk på Start- og Pause-knappen for å starte eller sette de elektriske målingene på pause. Bruk COST-Jet etter ønske. Bruk den faktiske elektriske effekten beregnet fra spenning og strømamplituder samt deres faseskift, som kontinuerlig vises i programvaren for overvåking og som en kontrollparameter. 4. (Solid) overflatebehandling Sett opp en kontrollert atmosfære for eksperimentet ditt.MERK: Når det gjelder COST-Jet, er den kontrollerte atmosfæren mindre viktig enn for kilder med aktiv plasmakjemi utenfor den begrensede utløpskanalen. Rengjør gasstilførselsledningene som beskrevet i trinn 1.5. Still inn de ønskede driftsparametrene og vent i ca. 20 minutter til COST-strålen når en stabil temperatur. Velg avstanden mellom COST-Jet og den behandlede overflaten da avstanden bestemmer mengden reaktive arter som hindrer den behandlede overflaten30. Bruk et xyz-trinn for å montere substratet for enkel manipulering.MERK: For COST-Jet tilfører sikkerhetsgapet en ekstra millimeter til avstanden mellom plasmautladningen og den behandlede overflaten. Start behandlingstiden: Slå enten på plasmaet eller bruk en mekanisk lukker. Vær oppmerksom på en mulig spenningsoverskytning under koblingshendelsen som fører til en innsnevret utladning. Hvis du vil ha bedre kontroll i ms-området, bruker du en roterbar lukker. Behandle prøven i ønsket tid og avslutt behandlingstiden ved å slå av plasmaet eller ved hjelp av en lukker. Kontroller om nødvendig gassstrømningsmønsteret foran målet ved hjelp av Schlieren-avbildning når du behandler et substrat som effekter av overflatelading, ion-dragkrefter eller omgivelsesluftblanding på grunn av oppdrift kan påvirke mengden reaktive arter som når en overflate. 5. Flytende behandling Sett opp en kontrollert atmosfære for eksperimentet. Rengjør gasstilførselsledningene som beskrevet i trinn 1.5. Still inn de ønskede driftsparametrene og vent i ca. 20 minutter til COST-strålen når en stabil temperatur. Velg avstanden mellom COST-Jet og den behandlede væsken. Hell væsken som skal behandles i en tilstrekkelig beholder. Bruk inert materiale for å unngå reaksjoner av potensielt genererte reaktive arter i væsken med beholderen. Velg størrelsen på beholderen i henhold til volumet av væske som behandles. Vurder påvirkningen av gassstrømmen på væskeoverflaten: Avhengig av gassstrømmen, vær oppmerksom på en konkav menisk som kan dannes, og endre dermed avstanden mellom plasma og flytende overflate. Start behandlingen. Unngå trykkstøt på overflaten av væsken forårsaket av en plutselig endring i gassstrømmen, da dette kan føre til væskesprut i utslippsgeometrien, noe som muligens forårsaker kortslutning og absolutt forurenser plasmaet. Bruk i stedet en mekanisk lukker eller øk gassstrømmen sakte. Ta hensyn til blanding/omrøring av væsken på grunn av friksjon mellom nøytral gassstrøm og flytende overflate, da dette påvirker transportprosesser og konsentrasjonsprofiler i væsken. I tillegg, avhengig av behandlingstiden, riktig for fordampning av væske under behandlingen (f.eks. ved beregning av reaksjonskonstanter). Avhengig av plasmakilden, vær oppmerksom på at denne fordampning muligens forårsaker tilbakekobling til utslippet, og dermed endre plasmakjemien. Vær også oppmerksom på at reaktivitet med mulige reagenser i væsker også påvirkes av overflateaktiviteten til dette middelet. I noen tilfeller kan overflateaktive stoffer i noen tilfeller spille en viktig rolle i samspillet mellom kortlivede arter og væsker.

Representative Results

Ved hjelp av metodene og utstyret som er beskrevet ovenfor, brukte vi for eksempel COST-Jet på forskjellige overflater og væsker. Figur 1 viser det eksperimentelle oppsettet som brukes til behandling, inkludert strømforsyning, gasstilførselssystem, spennings- og strømsonder samt en kontrollert atmosfære og en mekanisk lukker. Figur 1: Eksperimentelt oppsett som brukes til plasmabehandling av overflater og væsker ved hjelp av COST-Jet. En kald felle brukes til å rense fôrgassen. Den kontrollerte atmosfæren realiseres av et pumpet vakuumkammer ved atmosfærisk trykk. Den mekaniske lukkeren letter tidsstyringen av fast og flytende overflatebehandling. Det fleksible stadiet gjør det mulig å kontrollere avstanden mellom plasmastrålen og overflaten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Ved hjelp av spenningen og strømsonden implementert i COST-Jet, kan den avledende elektriske kraften beregnes. Figur 2 viser den målte elektriske effekten i et heliumplasma generert i fem forskjellige COST-Jet-enheter ved hjelp av en gassstrøm på 1 slpm. Alle enheter viser lignende oppførsel. Avviket mellom de ulike enhetene stammer fra usikkerheten i kraftmålingen, samt mikroskopiske forskjeller i oppsettene som elektrodeavstanden. Mer detaljerte målinger av reaktive arter (f.eks. atomoksygen og ozon), temperatur og kraft samt bakteriedrepende aktivitetsmålinger er utført av Riedel22. Figur 2: Forsvinner kraft som funksjon av påført spenning i et heliumplasma. Dataene representerer fem identiske COST-Jet-enheter34. De små avvikene ved høye spenninger skyldes usikkerhet om målingen samt små avvik i gassutladningskanalen geometri22. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Figur 3 viser etseprofilen til en a:C-H-film for en 3 min behandling med COST-Jet ved hjelp av en gassstrøm på 1,4 slpm helium med en blanding på 0,5% oksygen målt ved hjelp av et bildespektroskopisk refleksometer31. Etsemønsteret viser en sirkulær struktur som representerer den sylindriske symmetrien i plasmaavløpet. Basert på etseprofiler i kombinasjon med numeriske simuleringer, kan sannsynligheten for overflatetap for atomoksygen estimeres. Figur 3: Etseprofil for en plasmabehandlet a:C-H-film. Fallet i filmen ble etset ved hjelp av en gassblanding på 1,4 slm helium med en blanding på 0,6% oksygen ved en spenning på 230 Vrms og en behandlingstid på 3 min.31Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Figur 4 viser de forekommende vortices i væske forårsaket av gassstrømmen som hindrer på væskeoverflaten. Et laserark som lyser opp sporstoffpartikler i væsken gjør det mulig å observere banen og hastigheten til disse partiklene via partikkelbildehastighet og derfor studere væskestrømmen32. Det er viktig å vurdere lignende tettheter av såpartiklene og væsken slik at partiklenes baner representerer bevegelsen av væske. Med denne visualiseringen av væskestrømningsmålingene og numeriske simuleringer kan sammenlignes33. Vortices skyldes overflatefriksjonen mellom avløpsgassstrøm og flytende overflate. Figur 4 viser også den forekommende depresjonen av væskeoverflaten under gasskanalen til plasmastrålen, den såkalte menisken. Det visualiseres av en blå linje. Figur 4: Fotografi av opplyste maisstivelsespartikler i 3 ml vann som omrøres av gassstrømmen. Vortices skyldes overflatefriksjonen mellom avløpsgassstrøm og flytende overflate. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Her demonstrerer vi bruken av en atmosfærisk trykkplasmastråle for overflatebehandlinger av forskjellige materialer. Det eksperimentelle oppsettet for en plasmastråle med atmosfærisk trykk kan ha en enorm effekt på plasmaparametrene, kjemien og ytelsen og påvirker følgelig utfallet av plasmabehandlinger og er et kritisk skritt i protokollen.

Som et eksempel spiller gassforsyningslinjene en viktig rolle angående den vanligste urenheten i fôrgassen i plasmaet som er fuktighet. Spesielt reduseres produksjonen av reaktive nitrogenarter i plasma mens den reaktive oksygenartproduksjonen favoriseres, på grunn av den lave ioniseringsenergien av oksygen sammenlignet med vannmolekyler og nitrogen³⁵. Vinter²⁴ fant ut at mategassfuktighet som stammer fra vannmolekyler på overflaten av det indre røret, er en størrelsesorden høyere ved hjelp av polymerrør sammenlignet med metallrør på grunn av høyere porøsitet og lagringskapasitet. Det kan reduseres ved å skylle linjene med fôrgass. Tørking av linjen ved spyling tar imidlertid et par timer. Derfor bør polymerrør unngås eller i det minste holdes så kort som mulig. Disse funnene understrekes av studier fra Große-Kreul²⁵. De sammenlignet effekten av polyamid og rustfritt stålrør på plasmakjemien ved hjelp av massespektrometri. Deres målinger bekrefter vannklyngeiondannelse i plasma på grunn av vannutgassing fra polymerrør og raskere tørketider med metallrør. I tillegg undersøkte de effekten av gassrensingsmetoder som en molekylær silfelle og en flytende nitrogen kald felle på plasmakjemien som bidro til å redusere mengden urenheter med omtrent to størrelsesordener.

I stedet for å prøve å rense fôrgassen, er det også tilnærmingen til å legge til en kontrollert mengde fuktighet. Ettersom denne forsettlige urenheten deretter dominerer over de naturlige urenheter og dermed kontrollerer plasmakjemien, sikres reproduserbare forhold så lenge mengden ekstra fuktighet er nettopp kjent.

For antennelse av utslippet kan den påførte spenningen på elektrodene vanligvis bare økes til sammenbruddspunktet. Men avhengig av elektrodens overflateforhold, er det noen ganger nødvendig med høy spenning. For å lette tenningen kan en høyspennings gnistpistol brukes. Dette kan også være nyttig når du prøver å tenne en argonutladning i COST-Jet.

Før cost-jet påføres overflater, bør det avsettes tilstrekkelig tid til at enheten likevektes. Når DEN settes til de ønskede kontrollparametrene, trenger COST-Jet omtrent 20 minutter for å nå stabile forhold¹¹. I løpet av denne tiden når temperaturen på enheten, gasstemperaturen så vel som plasmakjemien en jevn tilstand.

For sammenligning av vitenskapelige resultater er sammenlignbare plasmakontrollparametere nødvendige. For måling av den elektriske inngangseffekten kan COST-strømmonitoren brukes²⁹. Programvaren er åpen kildekode og kompatibel med en rekke forskjellige typer oscilloskoper. Programvaren opererer i henhold til prinsippet beskrevet av Golda¹⁹.

I tillegg til effekten av fôrgassfuktighet på plasmakjemien, spiller transport av reaktive arter fra plasma til substrat en viktig rolle i avløpssammensetningen og er et annet kritisk skritt i protokollen. Den omkringliggende atmosfæren kan påvirke arten som er opprettet i plasma på vei til substratet. For å minimere denne innflytelsen brukes to forskjellige konsepter: (i) For det første kan det settes opp en kontrollert atmosfære som består av fôrgassen. Dermed kan sammensetningen av den omkringliggende atmosfæren holdes konstant. Avhengig av renhetsnivået som kreves for behandlingen, kan den kontrollerte atmosfæren realiseres via beskyttende hus utstyrt med en enveisventil for å forhindre overtrykk. For høyere renhetsnivåer kan et vakuumkammer med en pumpe brukes. (ii) For det andre kan en kontrollert atmosfære skapes ved hjelp av et dekkgassgardin rundt plasmaavløpet³⁶^,³⁷. Vanligvis består den av en inert gass, men den kan også varieres i henhold til behovene til søknaden.

Heldigvis, for COST-Jet, er påvirkningen av den omkringliggende atmosfæren relativt lav. Ved hjelp av isotopisk merking har Gorbanev vist at for en parallellfeltkonfigurasjon plasmastråle ble de reaktive oksygen- og nitrogenartene som nådde en flytende overflate dannet i plasmagassfasen, så vel som i regionen mellom plasmadysen og^{prøven 38,}³⁹. Derimot, ved hjelp av samme teknikk for COST-Jet, fant de ut at RONS nesten utelukkende stammer fra plasmafasen i stedet for omgivelsene²⁸. Dette skyldes sannsynligvis at det elektriske feltet er begrenset til plasmakanalen til COST-Jet-utslippet. Dette gjør plasmautladningen i stor grad uavhengig av miljøet og gir den en viss ekstern karakter.

For en langsgående elektrisk feltplasmastråle har Darny et al.⁴⁰ vist at polariteten til det elektriske feltet endrer gassstrømningsmønsteret og dermed også på de reaktive artene som når et mål på grunn av ionisk vind. Avhengigheten av den reaktive artens tetthet på miljøet ble bekreftet av målinger av Stancampiano et al.⁷. De rapporterte om forskjellen på antall reaktive arter opprettet i behandlet vann avhengig av de elektriske egenskapene. For å kompensere for disse forskjellene, måtte de lage en kompenserende elektrisk krets. Denne virkemåten er forskjellig for COST-Jet: Figur 5 sammenligner Schlieren-bilder av COST-Jet uten anvendt spenning og under drift for to forskjellige gassstrømningshastigheter. Bildene ble tatt med ett enkelt speil innebygd justering som beskrevet av Kelly⁴¹. De viser hvordan det horisontalt justerte COST-Jet-avløpet treffer et flatt glasssubstrat. Begge bildene viser nøyaktig samme gassflytmønster. Dette skyldes mangel på ionisk vind på grunn av fravær av ladede arter i plasmaavløpet.

I tillegg viser COST-Jet et veldig laminært strømningsmønster. Kelly⁴¹ viste Schlieren-bilder som ligner de som presenteres i figur 5, for ulike gassstrømningshastigheter. Selv ved tilsvarende høye gassstrømmer på 2 slpm viser plasmaavløpet ingen tegn til turbulens. Ved svært lave gassstrømningshastigheter på 0,25 slpm og under begynner oppdriften av heliumavløpet å spille en rolle. Men opptil 4 – 5 mm avstand fra dysen påvirker omgivelsesatmosfæren ikke gasssammensetningen som når overflaten som demonstrert av Ellerweg ved hjelp av massespektrometri¹⁷.

Alle de ovennevnte egenskapene legger til det eksterne tegnet til COST-Jet. Dette gjør det til en ideell kandidat for kontrollert, sammenlignbar behandling av overflater.

Figur 5: Schlieren-bilder av COST-Jet med og uten anvendt spenning for to forskjellige gassstrømningshastigheter. Under plasmadrift ligner gassstrømningsmønsteret nøyaktig mønsteret med bare gassstrømmen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Avhengig av ønsket effekt på den behandlede prøven, kan kontrollparametrene gassstrømblanding, påført elektrisk kraft og avstand mellom plasmakilde og overflate justeres tilsvarende. For COST-Jet finnes det en bred litteraturdatabase med studier som undersøker reaktive arter i avløpet. Som et eksempel målte Willems³⁰ atomoksygentettheten ved hjelp av massespektrometri, mens Schneider⁴² målte atom nitrogentettheter i avløpet.

Behandling av væsker med atmosfærisk trykkplasma kan forårsake en rekke mulige reaksjonsmekanismer drevet av reaktive arter, ioner, fotoner eller elektriske felt. På grunn av de tidligere beskrevne egenskapene til COST-Jet, er effekten av det elektriske feltet, ioner og fotoner ubetydelig sammenlignet med plasmakilder der plasmaet er i direkte kontakt med væsker. Derfor, for å studere effekten av kortvarige reaktive arter som atomoksygen på en fenolløsning, ble COST-jet brukt av Hefny⁴³ og Benedikt⁴⁴. Videre gir COST-Jet en praktisk mulighet til å sammenligne eksperimenter og numeriske simuleringer av flytende behandling²⁸. Ettersom samspillet mellom plasma og væske domineres av gassstrømmen av reaktive arter fra plasma til væskeoverflaten, kan modellkompleksiteten reduseres.

Gassstrømmen induserte omrøring av væsken øker reaksjonsraten mellom plasmagenererte reaktive arter og væsken. I motsetning til overflatebehandlinger av faste stoffer, endrer væskens konveksjon hele tiden den lokale konsentrasjonen av reaktanter. I tillegg påvirkes også reaksjonsratene mellom plasmagenererte arter med reaktanter i væske av overflateaktiviteten til disse reaktantene. Med økende overflateaktivitet øker konsentrasjonen av reaktanten på væskeoverflaten. Disse overflateaktive stoffer kan spille en viktig rolle i reaktivitet av kortvarige arter generert av plasma.

Ved siden av omrøring av gassstrømmen som hindrer væskeoverflaten, induserer også fordampning som må vurderes. Ved å bruke COST-Jet med korte behandlingstider kan fordampning spille en mindre rolle, selv om det fortsatt må vurderes for å beregne riktige reaksjonshastigheter. Utslippet av COST-Jet påvirkes ikke av fordampning, og derfor påvirkes heller ikke plasmakjemien. For ulike plasmakilder, der for eksempel plasmaet er i direkte kontakt med væske, endres plasmakjemien betydelig med fordampning som vist av Tian og Kushner⁴⁵ for en dielektrisk barriereutslipp. Også for kINPen ble en effekt av fordampninger bestemt⁴⁶.

Foruten disse nevnte forskjellene i plasmakjemi som må vurderes for forskjellige plasmakilder, også topologien til menisken indusert av gassstrøm på flytende overflateendringer. Dybden på denne menisken er vanligvis avhengig av gasshastigheten. For plasmakilder der elektrodekonfigurasjonen induserer et betydelig elektrisk felt som når væsken eller til og med med et plasma i kontakt med væsken, kan denne menisken forhøyes⁴⁷^,⁴⁸. Som vist må flere effekter vurderes i henhold til den brukte plasmakilden.

I fremtiden kan denne protokollen brukes til å utføre og beskrive overflate- og væskebehandlinger ved hjelp av COST-Jet. Det er en stabil, reproduserbar plasmakilde som viser en unik ekstern karakter blant mengden av forskjellige plasmastråledesign. De samme metodene er ikke begrenset til COST-Jet-kilden og kan modifiseres og tilpasses for bruk med enhver kald atmosfærisk trykkplasmakilde.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne takker Volker Rohwer (Institutt for eksperimentell og anvendt fysikk, Kiel University) for hjelp med utstyret. Arbeidet ble støttet av DFG innen CRC 1316 Transient Atmospheric Plasmas, i prosjektet Cold atmospheric plasmas for studiet av grunnleggende interaksjonsmekanismer med biologiske substrater (prosjekt-ID BE 4349/5-1), og i prosjektet Plasma-generert nitrogenoksid i sårheling (prosjekt-ID SCHU 2353/9-1).

Materials

COST power monitor software	home-built		according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003
COST-Jet (including matching circuit)	home-built		according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003
current probe	home-built		integrated into the COST-Jet
gas supply system	Swagelok		stainless steel
helium	Air Liquide		99.999 % purity
mass flow controller (MFC)	Analyt-MTC	series 358	5000 sccm
MFC	Analyt-MTC		50 sccm
oscilloscope	Agilent Technologies	DSO7104B	bandwidth 1 GHz, resolution 4 Gsa/s
oxygen	Air Liquide		99.9999 % purity
power supply	home-built		according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003
voltage probe	Tektronix	P5100A
xyz-stage	Zaber	ZAB-X-XAZ-LSM0100A-K0059-SQ3

References

Morfill, G. E., Kong, M. G., Zimmermann, J. L. Focus on Plasma Medicine. New Journal of Physics. 11 (11), 115011 (2009).
Schlegel, J., Köritzer, J., Boxhammer, V. Plasma in cancer treatment. Clinical Plasma Medicine. 1 (2), 2-7 (2013).
Weltmann, K. D., Woedtke, T. von Plasma medicine-current state of research and medical application. Plasma Physics and Controlled Fusion. 59 (1), 14031 (2017).
Graves, D. B. Low temperature plasma biomedicine: A tutorial review. Physics of Plasmas. 21 (8), 80901 (2014).
Bruggeman, P. J., et al. Plasma-liquid interactions: A review and roadmap. Plasma Sources Science and Technology. 25 (5), 53002 (2016).
Simoncelli, E., Stancampiano, A., Boselli, M., Gherardi, M., Colombo, V. Experimental Investigation on the Influence of Target Physical Properties on an Impinging Plasma Jet. Plasma. 2 (3), 369-379 (2019).
Stancampiano, A., et al. Mimicking of human body electrical characteristic for easier translation of plasma biomedical studies to clinical applications. IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. 1, (2019).
Nature Editorial. Reality check on reproducibility. Nature. 533 (7604), 437 (2016).
Baker, M. Is there a reproducibility crisis. Nature. 533, 452-454 (2016).
Begley, C. G., Ioannidis, J. P. A. Reproducibility in science: Improving the standard for basic and preclinical research. Circulation research. 116 (1), 116-126 (2015).
Golda, J., et al. Concepts and characteristics of the ‘COST Reference Microplasma Jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (8), 84003 (2016).
Mann, M. S., Schnabel, U., Weihe, T., Weltmann, K. D., von Woedtke, T. A Reference Technique to Compare the Antimicrobial Properties of Atmospheric Pressure Plasma Sources. Plasma Medicine. 5 (1), 27-47 (2015).
Kogelheide, F., et al. FTIR spectroscopy of cysteine as a ready-to-use method for the investigation of plasma-induced chemical modifications of macromolecules. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (8), 84004 (2016).
Lackmann, J. W., et al. Chemical fingerprints of cold physical plasmas – an experimental and computational study using cysteine as tracer compound. Scientific Reports. 8 (1), 7736 (2018).
Lackmann, J. W., et al. Nitrosylation vs. oxidation – How to modulate cold physical plasmas for biological applications. PloS one. 14 (5), 0216606 (2019).
Ranieri, P., et al. GSH Modification as a Marker for Plasma Source and Biological Response Comparison to Plasma Treatment. Applied Sciences. 10 (6), 2025 (2020).
Ellerweg, D., von Keudell, A., Benedikt, J. Unexpected O and O3 production in the effluent of He/O2 microplasma jets emanating into ambient air. Plasma Sources Science and Technology. 21 (3), 34019 (2012).
Waskoenig, J., et al. Atomic oxygen formation in a radio-frequency driven micro-atmospheric pressure plasma jet. Plasma Sources Science and Technology. 19 (4), 45018 (2010).
Golda, J., Kogelheide, F., Awakowicz, P., Schulz-von der Gathen, V. Dissipated electrical power and electron density in an RF atmospheric pressure helium plasma jet. Plasma Sources Science and Technology. 28 (9), 95023 (2019).
Golda, J., Held, J., Gathen, V. S. Comparison of electron heating and energy loss mechanisms in an RF plasma jet operated in argon and helium. Plasma Sources Science and Technology. 29 (2), 25014 (2020).
Beijer, P. A. C., Sobota, A., van Veldhuizen, E. M., Kroesen, G. M. W. Multiplying probe for accurate power measurements on an RF driven atmospheric pressure plasma jet applied to the COST reference microplasma jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (10), 104001 (2016).
Riedel, F., et al. Reproducibility of ‘COST reference microplasma jets’. Plasma Sources Science and Technology. , (2020).
Winter, J., et al. Feed gas humidity: a vital parameter affecting a cold atmospheric-pressure plasma jet and plasma-treated human skin cells. Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (29), 295401 (2013).
Große-Kreul, S., Hübner, S., Schneider, S., von Keudell, A., Benedikt, J. Methods of gas purification and effect on the ion composition in an RF atmospheric pressure plasma jet investigated by mass spectrometry. EPJ Techniques and Instrumentation. 3 (1), 6 (2016).
Benedikt, J., et al. Absolute OH and O radical densities in effluent of a He/H$_2$O micro-scaled atmospheric pressure plasma jet. Plasma Sources Science and Technology. 25 (4), 45013 (2016).
Willems, G., Benedikt, J., von Keudell, A. Absolutely calibrated mass spectrometry measurement of reactive and stable plasma chemistry products in the effluent of a He/H 2 O atmospheric plasma. Journal of Physics D: Applied Physics. 50 (33), 335204 (2017).
Gorbanev, Y., et al. Combining experimental and modelling approaches to study the sources of reactive species induced in water by the COST RF plasma jet. Physical chemistry chemical physics: PCCP. 20 (4), 2797-2808 (2018).
Held, J. mimurrayy/COST-power-monitor v0.9.2 (Version v0.9.2). Zenodo. , (2019).
Willems, G., et al. Corrigendum: Characterization of the effluent of a He/O 2 micro-scaled atmospheric pressure plasma jet by quantitative molecular beam mass spectrometry (2010 New J. Phys.12 013021). New Journal of Physics. 21 (5), 59501 (2019).
Mokhtar Hefny, M., Nečas, D., Zajíčková, L., Benedikt, J. The transport and surface reactivity of O atoms during the atmospheric plasma etching of hydrogenated amorphous carbon films. Plasma Sources Science and Technology. 28 (3), 35010 (2019).
Grant, I. Particle image velocimetry: A review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 211 (1), 55-76 (2016).
Semenov, I. L., Weltmann, K. D., Loffhagen, D. Modelling of the transport phenomena for an atmospheric-pressure plasma jet in contact with liquid. Journal of Physics D: Applied Physics. 52 (31), 315203 (2019).
Golda, J. Cross-correlating discharge physics, excitation mechanisms and plasma chemistry to describe the stability of an RF-excited atmospheric pressure argon plasma jet. Ruhr-Universität Bochum. , (2017).
Lietz, A. M., Kushner, M. J. Molecular admixtures and impurities in atmospheric pressure plasma jets. Journal of Applied Physics. 124 (15), 153303 (2018).
Reuter, S., et al. Controlling the Ambient Air Affected Reactive Species Composition in the Effluent of an Argon Plasma Jet. IEEE Transactions on Plasma Science. 40 (11), 2788-2794 (2012).
Reuter, S., et al. From RONS to ROS: Tailoring Plasma Jet Treatment of Skin Cells. IEEE Transactions on Plasma Science. 40 (11), 2986-2993 (2012).
Gorbanev, Y., O’Connell, D., Chechik, V. Non-Thermal Plasma in Contact with Water: The Origin of Species. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse). 22 (10), 3496-3505 (2016).
Gorbanev, Y., Soriano, R., O’Connell, D., Chechik, V. An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation. Journal of visualized experiments. (117), e54765 (2016).
Darny, T., et al. Plasma action on helium flow in cold atmospheric pressure plasma jet experiments. Plasma Sources Science and Technology. 26 (10), 105001 (2017).
Kelly, S., Golda, J., Turner, M. M., Schulz-von der Gathen, V. Gas and heat dynamics of a micro-scaled atmospheric pressure plasma reference jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 48 (44), 444002 (2015).
Schneider, S., Dünnbier, M., Hübner, S., Reuter, S., Benedikt, J. Atomic nitrogen: A parameter study of a micro-scale atmospheric pressure plasma jet by means of molecular beam mass spectrometry. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (50), 505203 (2014).
Hefny, M. M., Pattyn, C., Lukes, P., Benedikt, J. Atmospheric plasma generates oxygen atoms as oxidizing species in aqueous solutions. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (40), 404002 (2016).
Benedikt, J., et al. The fate of plasma-generated oxygen atoms in aqueous solutions: Non-equilibrium atmospheric pressure plasmas as an efficient source of atomic O(aq). Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (17), 12037-12042 (2018).
Tian, W., Kushner, M. J. Atmospheric pressure dielectric barrier discharges interacting with liquid covered tissue. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (16), 165201 (2014).
Hansen, L., et al. Influence of a liquid surface on the NO x production of a cold atmospheric pressure plasma jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 51 (47), 474002 (2018).
van Rens, J. F. M., et al. Induced Liquid Phase Flow by RF Ar Cold Atmospheric Pressure Plasma Jet. IEEE Transactions on Plasma Science. 42 (10), 2622-2623 (2014).
Bruggeman, P., Graham, L., Degroote, J., Vierendeels, J., Leys, C. Water surface deformation in strong electrical fields and its influence on electrical breakdown in a metal pin-water electrode system. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (16), 4779-4786 (2007).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citer Cet Article

Golda, J., Sgonina, K., Held, J., Benedikt, J., Schulz-von der Gathen, V. Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet. J. Vis. Exp. (165), e61801, doi:10.3791/61801 (2020).