Een atmosferische druk Plasma Setup om de reactieve species Formatie Onderzoek
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
Niet-thermische atmosferische druk ( 'koude') plasma's zijn toegenomen aandacht in de afgelopen jaren te wijten aan hun belangrijke biomedische potentieel. De reacties koude plasma met de omringende atmosfeer op een verscheidenheid aan reactieve verbindingen, die de doeltreffendheid ervan kan bepalen. Terwijl de efficiënte ontwikkeling van koud plasma therapie kinetische modellen is, model benchmarking moet empirische gegevens. Experimentele studies van de bron van reactieve species gedetecteerd in waterige oplossingen blootgesteld aan plasma nog schaars. Biomedical plasma wordt vaak gebruikt met Hij of Ar-feed gas, en een specifieke interesse ligt in het onderzoek van de reactieve species die door plasma met verschillende gas toeslagstoffen (O 2, N 2, lucht, H 2 O damp, etc.) Dergelijke onderzoeken zijn zeer complex vanwege moeilijkheden bij het beheersen van de omgevingsatmosfeer in aanraking met het plasma effluent. In dit werk, gericht we veelvoorkomende problemen van 'high' voltagekHz frequentie gedreven plasma-jet experimentele studies. Een reactor werd ontwikkeld om met de uitsluiting van omgevingslucht uit het plasma-vloeistofsysteem. Het systeem bestaat dus uit het voedingsgas met hulpstoffen en de componenten van het vloeistofmonster. Deze gecontroleerde atmosfeer kon het onderzoek naar de bron van reactieve zuurstofsoorten in waterige oplossingen geïnduceerd door He-plasma waterdamp. Het gebruik van isotoop gemerkte water toegelaten onderscheid tussen de soorten uit de gasfase en die zijn gevormd in de vloeistof. De plasma-apparatuur werd opgenomen in een kooi van Faraday mogelijke invloed van een extern veld te elimineren. De setup is veelzijdig en kan helpen bij het verder begrijpen van het koud plasma-vloeistof interacties chemie.
Introduction
Lage temperatuur atmosferische druk plasma's (LTPS) zijn toegenomen aandacht in de afgelopen jaren aangetrokken vanwege hun enorme potentieel voor biomedische toepassingen 1-3. Bij contact met de omgevingsatmosfeer, LTP reageert met moleculaire gehalte aan lucht (N2, O2, H2 O damp), genereren van een verscheidenheid van reactieve zuurstof en stikstof species (RONS) 2,4. Onder deze zijn relatief stabiel species (zoals waterstofperoxide, ozon, nitriet en nitraat anionen) en zeer reactieve radicalen (OH •, • OOH / O 2 • -, • H • NO, enz.). Deze soorten, aanvankelijk gegenereerd in de gasfase, worden verder geleverd door het plasma naar de biologische substraat 5. RONS interactie met substraten liggen, zodat de antimicrobiële, antivirale en antikanker effecten van LTP 6-8.
De ontwikkeling van LTP therapieën vereist complexe modellering van de reacties vanRONS 9. Water is een essentieel onderdeel van het biologische milieu, en de reacties in de waterfase verhogen de complexiteit van het systeem aanzienlijk. Het onderzoek naar de gasfase plasma wordt algemeen uitgevoerd onder toepassing van verschillende analytische technieken, waaronder optische emissie spectroscopie, laser-geïnduceerde fluorescentie, infrarood spectroscopie, massaspectrometrie (MS), etc. 10-12. Tegelijkertijd, gedetailleerd onderzoek van de gedetecteerde in de vloeistoffase soorten nog schaars. Beschikbare rapporten beschrijven de toepassing van verschillende analytische methoden zoals UV- en elektron paramagnetische resonantie (EPR) spectroscopie, cytometrie, etc. voor de detectie van RONS in waterige oplossingen 13,14. EPR is een van de meest directe methoden radicale detectie in de vloeistof. Veel radicalen niet door EPR gedetecteerd vanwege hun korte levensduur. In deze gevallen wordt rotatie trapping vaak gebruikt. Spin trapping een techniek waarbij een verbinding (spin val) which snel en selectief reageert met de rest om een rest persistente adduct verkregen (bijvoorbeeld DMPO reageert met de hydroxyl groep, vormen DMPO OH-adduct).
De gemeenschappelijke uitdagingen in plasma-vloeistof interactiestudies het onvermogen om de omgevingsatmosfeer rond de plasma effluent en andere storende factoren (externe velden, milieu-gevoelige voeding onderdelen etc.) beheersen. Hier tonen we het gebruik van een opstelling bestaande uit een metaalgaas met daarin de plasmamuur en een intern gebouwd rond de reactor plasma straalmondstuk. De metalen gaas dient als de kooi van Faraday, waardoor aanzienlijk verbeterde reproduceerbaarheid en de algemene toepasbaarheid van de plasma-jet. De glazen reactor kapselt zowel de plasmastraal en het vloeistofmonster, met uitzondering van de omringende atmosfeer van het systeem.
Deze werkwijze kan worden toegepast voor de atmosferische druk plasma jet in contact met vloeibare oplossingen.Zo hebben wij onlangs een onderzoek naar de bron van de reactieve zuurstofsoorten aangetroffen in een waterig monster blootgesteld aan plasma. Isotopisch gelabelde water werd gebruikt om onderscheid te maken tussen de soorten gevormd in de vloeistof en in de gasfase van de plasmastraal vloeistof reinigingssysteem 15.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier tonen we het gebruik van een intern gebouwd atmosferische druk plasma opstart. Het metaalgaas kooi helpt reproduceerbare plasmaomstandigheden met minimale interferentie van externe velden, tegelijkertijd omgeving gevoelige apparatuur te beschermen tegen mogelijke storingen en / of schade door een plasma geïnduceerde velden bereiken. De afscherming (kooien) van de installatie afhankelijk van het type plasmamuur en zijn elektrische eigenschappen. Het doel is de afwezigheid van externe ruis op de plasma werking en voorkomen het plasma velden verstoren omringende apparatuur. In dit geval is de maaswijdte van 22 mm, kan echter verminderd maaswijdte vereist voor verschillende plasma's. De plasma bedrijfsparameters werden gecontroleerd met behulp van een spanning en een stroom sonde verbonden met een oscilloscoop. De invoering van de hoogspanning probe sterk verandert de elektrische omgeving, en derhalve moet de probe deel van het elektrische systeem worden en worden ponerenioned net gedurende alle experimenten.
Het gebruik van de glazen reactor inkapselen het monster en de plasmastraal maakt uitsluiting van de omgevingsatmosfeer van vaak onbekende samenstelling van het reactiesysteem. In de gepresenteerde resultaten (zie boven), werd gebruikt om de bron van het plasma geïnduceerde reactieve zuurstofsoorten in het waterige monster blootgesteld aan het plasma effluent te bepalen. Dit onderzoek is mogelijk als de moleculen van het vloeibare water en het water in het voedingsgas (damp) te onderscheiden. Om te bepalen of de hydroxylradicalen gevormd in de gasfase of de vloeibare watermoleculen, isotopisch gelabelde water werd geïntroduceerd: H 2 17 O als vloeibaar medium, H 2 16-damp in het voedingsgas. Als een hypothetische experiment werd uitgevoerd in een open atmosfeer, onderscheid tussen de twee fasen zou zijn belemmerd door de aanwezigheid van waterdamp in de omgevingslucht. Eenalternatieve methode om de invloed van de omringende lucht te verminderen werd aangetoond in de literatuur, waarbij de diffusie van de species uit de atmosfeer in het plasma effluent werd voorkomen door beschermgas 17. Het beschermgas (N 2 of O 2) zorgt voor een gas gordijn met een bekende samenstelling 18. De reactor in dit manuscript is een eenvoudige manier om de invloed van de omgevingslucht componenten (zoals waterdamp) te verwijderen, en kan worden gebruikt met verschillende plasma jets zonder invoering van de extra gasstroom. Vergelijkbaar met de • OH-radicaal, kan de bron van de • H radicaal worden bepaald door toepassing van een D2O / H2O systeem. De voordelige D2O kunnen ook worden ingebracht in het invoergas als damp zoals hierboven beschreven.
De verzadiging van het gas met H 2 O waterdamp werd bepaald door vóór het wegen van de Drechsel kolf en na borrelen de gasstroom through het. De relatieve vochtigheid (dwz verzadiging) van het gas wordt berekend door de hoeveelheid van het water verdampt en de hoeveelheid gas doorgeleid.
Merk op dat in langdurige experimenten, de temperatuur van de vloeistof in de kolf Drechsel kan dalen door verdamping. De relatieve vochtigheid wordt berekend voor een bepaalde temperatuur. De berekende waarden worden verder vergeleken met die in de literatuur 19 de relatieve vochtigheid van het voedingsgas te bepalen. Wij hebben empirisch ontdekt dat een stroom van maximaal 2 slm van He door een met water gevulde fles Drechsel volledig verzadigd het gas met waterdamp. Evenwel hogere stroomsnelheden niet voldoende verblijftijd van het gas toe in de vloeistof voor verzadiging. Andere verzadiging technieken nodig zijn.
Een andere uitdaging is ervoor te zorgen dat er geen omgevingslucht in het systeem aanwezig is. De reactor wordt vooraf gespoeld met het voedingsgas naar de resterende lucht te verwijderen.De tijd vereist voor pre-spoelen hangt af van het volume van de reactor en de stroomsnelheid van het voedingsgas. De afwezigheid van externe lucht diffusie en meevoering in het systeem, zoals een helium voedingsgas plasma kan worden getest met behulp van een NO • radicaalvangende reactie. Stikstofmonoxide gegenereerd door plasma van N2 en O2 moleculen lucht door EPR worden gedetecteerd als een groep adduct van (MGD) 2 Fe2 + complex 20 (MGD = N-methyl-D-glucamine dithiocarbamaat). Bij een totale afwezigheid van lucht, wordt het EPR-signaal van het adduct niet waargenomen. De afwezigheid van externe watermoleculen in de reactor kan worden aangetoond door het volgende experiment. Een vloeistofmonster van D 2 O wordt blootgesteld aan een droog voer gasplasma. De NMR-analyse van het monster na blootstelling blijkt de grootte H 2 O tijdens de belichting in de vloeistof gebracht. Hierdoor kan de hoeveelheid resterende H 2 O schatten in de Tubing gebruikt voor de toevoer van gas 15 in het experiment.
Het monster container ontwerp is van cruciaal belang in het experimentele werk. In eerste instantie hebben we geprobeerd het gebruik van plastic en glas microcentrifugebuizen. En het betrekkelijk hoge plasma toevoer gasstroom, is de kleine diameter van de opening niet door de omringende lucht doordringen in de microcentrifugebuis. Dit heeft echter vele nadelen. Het plasma vertoonde welving en grote temperatuurstijging nabij de randen van de microcentrifugebuis. De levering van de soorten uit de gasfase in de vloeistof was aanzienlijk minder efficiënt door de verschillende gasfase dynamiek en het lage oppervlak (en groot volume) van het vloeistofmonster. Dus het oppervlak van het vloeistofmonster is cruciaal voor het leveren van de reactieve species uit de gasfase op het vloeistofmonster. Dit is vooral belangrijk voor de kortstondige groepen. Het vloeistofmonster container moet worden ontworpen dat de blootgesteldevloeistof groot oppervlak voor efficiënte diffusie hebben. De steekproef moet ook lage diepte aan het convectie-gerelateerde beperkingen van het vloeibare monster te minimaliseren. Bedacht moet worden dat gasstromen verhoogd en vooral ontstoken plasma aanzienlijke verstoringen creëren op het oppervlak van het vloeistofmonster 21 genomen. Daarom is de monsterhouder heeft een goed-achtige vorm met een diameter en diepte voor desbetreffende experiment. De hoogte van de stand waarop het goed gepositioneerd kunnen worden aangepast aan experimentele behoeften. De rubberen afdichting waardoor de plasmastraal in de reactor wordt ingebracht maakt het mogelijk om de contacthoek van het effluent met de vloeistof verandert.
De onderhavige methode maakt onderzoek naar de bron van de reactieve species (• OH, • H, etc.) in de vloeistof geïnduceerd door kHz veld parallel plasmajet. De werkwijze waarbij een glazen reactor rondom de straal is niet beperkt tot de described omstandigheden, en kan worden gebruikt met andere atmosferische druk plasma. De werkwijze maakt introductie van elke toevoegingen aan het invoergas: damp, O2, N2, enz. Tot de andere voordelen is de mogelijkheid van het uitvoeren van optische metingen erin, hoewel in dit geval optische kwaliteit kwartsglas worden gebruikt als een reactor materiaal. De pompstengel in het onderste gedeelte van de reactor maakt gebruik van de plasmastraal in vrijwel elk laboratorium: de uitlaat kan worden aangesloten via plastic buizen een afstand afzuigkap. De reactor concept is veelzijdig en kan worden gebruikt voor onderzoek van verschillende plasma's wanneer gecontroleerde atmosfeer vereist. Zo wordt polymerisatie van styreen geremd door de zuurstofverbinding 22, maar in de reactor kan worden waargenomen wanneer vloeibare styreen wordt blootgesteld aan het helium voedingsgas plasma.
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 |
References
- Boxhammer, V., et al. Bactericidal action of cold atmospheric plasma in solution. New J. Phys. 14, 113042 (2012).
- Graves, D. B. The emerging role of reactive oxygen and nitrogen species in redox biology and some implications for plasma applications to medicine and biology. J. Phys. D: Appl. Phys. 45, 263001 (2012).
- von Woedtke, T., Reuter, S., Masur, K., Weltmann, K. -. D. Plasmas for medicine. Phys. Rep. 530, 291-320 (2013).
- Machala, Z., et al. Formation of ROS and RNS in Water Electro-Sprayed through Transient Spark Discharge in Air and their Bactericidal Effects. Plasma Proc. Polym. 10, 649-659 (2013).
- Lu, X., et al. Reactive species in non-equilibrium atmospheric-pressure plasmas: Generation, transport, and biological effects. Phys. Rep. 630, 1-84 (2016).
- Takamatsu, T., et al. Microbial Inactivation in the Liquid Phase Induced by Multigas Plasma Jet. PLoS One. 10, 0132381 (2015).
- Ahlfeld, B., et al. Inactivation of a Foodborne Norovirus Outbreak Strain with Nonthermal Atmospheric Pressure Plasma. mBio. 6, 02300 (2015).
- Hirst, A., et al. Low-temperature plasma treatment induces DNA damage leading to necrotic cell death in primary prostate epithelial cells. Brit. J. Cancer. 112, 1536-1545 (2015).
- Norberg, S. A., Tian, W., Johnsen, E., Kushner, M. J. Atmospheric pressure plasma jets interacting with liquid covered tissue: touching and not-touching the liquid. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 475203 (2014).
- Greb, A., Niemi, K., O’Connell, D., Gans, T. Energy resolved actinometry for simultaneous measurement of atomic oxygen densities and local mean electron energies in radio-frequency driven plasmas. Appl. Phys. Lett. 23, 234105 (2014).
- Wagenaars, E., Gans, T., O’Connell, D., Niemi, K. Two-photon absorption laser-induced fluorescence measurements of atomic nitrogen in a radio-frequency atmospheric-pressure plasma jet. Plasma Sources Sci. Technol. 21, 042002 (2012).
- Abd-Allah, Z., et al. Mass spectrometric observations of the ionic species in a double dielectric barrier discharge operating in nitrogen. J. Phys. D: Appl. Phys. 48, 085202 (2015).
- Takamatsu, T., et al. Investigation of reactive species using various gas plasmas. RSC Adv. 4, 39901-39905 (2014).
- Uchiyama, H., et al. EPR-Spin Trapping and Flow Cytometric Studies of Free Radicals Generated Using Cold Atmospheric Argon Plasma and X-Ray Irradiation in Aqueous Solutions and Intracellular Milieu. PloS One. 10, e0136956 (2015).
- Gorbanev, Y., O’Connell, D., Chechik, V. Non-thermal plasma in contact with water: The origin of species. Chem. Eur. J. 22, 3496-3505 (2016).
- Schmidt-Bleker, A., Winter, J., Iseni, S., Rueter, S. Reactive species output of a plasma jet with a shielding gas device – Combination of FTIR absorption spectroscopy and gas phase modelling. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 145201 (2014).
- Schmidt-Bleker, A., et al. On the plasma chemistry of a cold atmospheric argon plasma jet with shielding gas device. Plasma Sources Sci. Technol. 25, 015005 (2015).
- Lide, D. R. . CRC Handbook of Chemistry and Physics. , (1992).
- Tsuchiya, K., et al. Nitric oxide-forming reactions of the water-soluble nitric oxide spin-trapping agent, MGD. Free Radic. Biol. Med. 27, 347-355 (1999).
- Robert, E., et al. Rare gas flow structuration in plasma jet experiments. Plasma Sources Sci. Technol. 23, 012003 (2014).
- Allen, T. L. Oxygen inhibition of the polymerization of styrene. J. Appl. Chem. 4, 289-290 (1954).
