大气压等离子体设置调查活性物种形成
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
非热大气压力（“冷”）等离子体已收到近几年越来越多的关注，由于其显著生物医学的潜力。冷等离子体与周围气氛的反应产生各种反应性物质，其可以定义其有效性。虽然冷等离子体疗法的高效发展要求的动力学模型，模型的基准需要的经验数据。在暴露于等离子体的水溶液检测反应性物质源的实验研究仍然很少。生物医学等离子体经常与他或Ar原料气操作，并且一个特定的兴趣在于通过与各种气体外加剂等离子体产生的反应性物种的调查（O 2，N 2，空气，H 2 O蒸气等 ）这样的调查是非常复杂的，由于在与等离子体流出物接触控制环境气氛的困难。在这项工作中，我们讨论'高'电压的共同问题kHz的频率驱动的等离子体射流实验研究。反应器被开发从而允许环境气氛的从等离子体 – 液系统的排除。因此，系统包括与外加剂和液体试样的组分的进料气体。这种受控气氛允许通过氦 – 水蒸气等离子体在水溶液中引起的活性氧源的调查。使用同位素标记水的允许起源于气相和物种的那些形成在液体之间进行区分。等离子体设备载法拉第笼子里，以消除任何外场的可能影响。安装程序是通用的，可以进一步了解冷等离子体液体相互作用的化学帮助。
Introduction
低温常压等离子体（LTPS）已经吸引了近几年越来越多的关注，由于其生物医学应用1-3的巨大潜力。当与周围大气接触，LTP与空气的分子含量反应（N 2，O 2，H 2 O蒸汽），产生各种活性氧和氮物种（RONS）2,4。在这些是相对稳定的物质（例如过氧化氢，臭氧，亚硝酸盐和硝酸盐阴离子）和高度反应性的自由基（•OH，•OOH / O 2• – ，•H，•NO 等 ）。这些物种中，在气相中最初生成，进一步通过等离子体递送至生物基板5。 RONS与底物相互作用，从而定义了抗菌，抗癌和LTP 6-8的抗病毒效果。
LTP疗法的发展要求的反应复杂的造型RONS 9。水是生物环境的一个重要组成部分，并在水相中的反应增加了系统的复杂性显着。通过使用各种分析技术，包括光学发射光谱学，激光诱导的荧光，红外光谱，质谱（MS）， 等等 10-12被广泛进行气相等离子体的调查。同时，在液相检测的物种的详细调查仍然很少。可用的报告描述了使用的各种分析方法，如紫外线和电子顺磁共振（EPR）波谱法，流式细胞仪等 ，为在水溶液13,14的检测RONS的。 EPR是用于在液体中自由基检测的最直接的方法之一。然而，许多自由基种不能由EPR由于其寿命短的时间进行检测。在这些情况下，自旋捕获经常被使用。自旋捕捉涉及化合物（旋转陷阱）的技术WHICH迅速且有选择地与自由基反应以产生更持久自由基的加合物（ 例如 ，DMPO与羟基自由基反应，形成DMPO-OH的加合物）。
在等离子液体相互作用研究的共同挑战是不能控制围绕等离子体流出物周围气氛及其它干扰因素（外场，环境敏感性电源部件等 ）。在这里，我们演示了如何使用由含有血浆工作和周围的等离子体射流喷嘴的内部建反应堆的金属网状的容器的安装程序。金属网作为法拉第笼，使显著改善再现性和等离子体喷射的一般的可操作性。在玻璃反应器中同时封装的等离子流和液体试样，不包括从系统周围大气中。
可用于与液体溶液接触的任何大气压等离子体喷射此方法。例如，我们最近提出暴露于等离子体的水溶液样品中检测到的活性氧源的调查。同位素被用来标记水形成在液体和在等离子体喷射液体溶液系统15的气相物种之间进行区分。
Protocol
Representative Results
Discussion
在这里，我们演示了如何使用一个内部的内置常压等离子体设置的。金属网笼有助于实现与从外场最小化干扰通过任何等离子体诱导字段保护附近的敏感设备从可能的干扰和/或损坏可再现等离子体的条件下，在同一时间。设置的屏蔽（隔离罩）取决于操作等离子体和其电气特性的类型。这样做的目的是为了确保不存在在等离子体操作外部干扰，避免等离子体字段与周围设备的干扰。在这种情况下，网目尺寸为22毫米，然而，可能需要使用不同的等离子体减小目尺寸。使用电压和连接到示波器电流探测器的等离子体操作参数进行控制。引入高压探头的显著改变电环境，因此探针必须成为电气系统的一部分，并且被断定ioned贯穿所有实验中以同样的方式。
利用玻璃反应器中包封样品和等离子流的允许从反应体系经常未知组合物的环境气氛的排斥。于所呈现的结果（见上文），它被用来确定等离子体诱导的活性氧的暴露于等离子体流出物中的水样中的源。这种调查是可能的，如果液体水的分子，并在进料气体（蒸气）的水可以区别。以确定是否形成在气相或从液体水分子的羟基自由基，同位素标记的水被引入：H 2 17 O作为液体介质中，进料气体中的 H 2 16 O蒸汽。如果假设实验在一个开放的气氛中进行，这两个阶段之间进行区分会受到阻碍水蒸汽在周围空气中存在。一个减少周围大气的影响的替代方法被证明在文献中，在其使用的保护气体17防止从大气到等离子体流出物中的物质的扩散。保护气体（N 2 O 2）创建与已知成分18气帘。在这个手稿提出的反应器是一个简单的方法，以消除环境空气组分（如水蒸气）的影响，并且可以与不同的等离子体射流而不引入附加的气体流被使用。类似于•OH自由基的•水平的根本源可以通过使用D 2 O / H 2 O系统来确定。如上所述的廉价的D 2 O中，也可引入到进料气作为蒸气。
的气体用H 2 O蒸气饱和是由前称量Drechsel烧瓶中并鼓泡气流THROU之后确定GH它。的气体的相对湿度（ 即 ，饱和度）被蒸发的水的量和气体通过通过量计算出来。
需要注意的是在延长的试验中，在Drechsel烧瓶中的液体的温度可能会降低由于蒸发。相对湿度被计算为一个特定的温度。计算出的值与文献19进一步比较，以确定进料气体的相对湿度。我们已经凭经验发现通过一个充满水的Drechsel高达2 SLM氦的流烧瓶中完全用水蒸气饱和的气体。然而，升高的流速可能不允许气体的足够的停留时间在液体为完全饱和。其它饱和技术可能需要。
另一个挑战性的任务是确保没有周围的空气中存在的系统。与进料气体的反应器中的预冲洗以除去残留的空气。预冲洗所需的时间将取决于反应器的体积和进料气体的流动上。诸如氦进料气体等离子体系统没有外部环境空气的扩散和夹带到系统的可使用•NO自由基捕获反应进行测试。由选自N 2等离子体和O的空气的2分子生成的一氧化氮可通过EPR作为（MGD）2 Fe的自由基加合物2+络合物20（MGD = N-甲基-D-葡糖胺二硫代氨基甲酸）来检测。在完全不存在空气的情况下，加合物的EPR信号没有观察到。由于没有在反应器外部的水分子可以通过以下实验证明。 D 2 O中的液体样品暴露于干燥的进料气体等离子体。曝光后样品的NMR分析揭示了在曝光期间带入液体中氧化氢量。这允许估计在tubin残留的 H 2 O含量克用于在实验中的进料气体15。
样本容器的设计是在实验工作的关键。最初，我们用塑料和玻璃离心管未遂。具有相对高的等离子体的进料气体流一起，开口的小直径不让周围空气穿透离心管中。然而，这有许多缺点。等离子体显示拱和微量离心管的边缘附近大的温度上升。从气相到液体的种类的输送也显著效率较低由于不同的气相动力学和液体试样的低表面积（和体积大）。因此，液体样品的表面积是为反应性物质的递送从气相到液体样品是至关重要的。这是短命的基团特别重要。液体试样容器，因此必须设计成允许暴露液体具有用于高效的扩散的高表面积。样品也应具有低的深度，以减少液体试样的对流相关的限制。它必须考虑到该高架气体流量，特别是与点燃的等离子体在液体样品21的表面创建显著扰动帐户。因此，该样本容器具有直径和深度的具体实验所需要的井状形状。在其上以及位于支架的高度可以进行调整，以实验的需要。通过该等离子体射流插入反应器中的橡胶索环使得有可能改变与液体流出物的接触角。
所提出的方法允许反应性物质（•OH，•H 等 ）由一千赫频率并行字段等离子体喷射在液体诱导的源的调查。采用周围射流的玻璃反应器中的方法并不限定于图示ribed条件，也可以与其他大气压等离子体一起使用。该方法允许引入任何外加剂到进料气：水蒸气，O 2，N 2 等。在它的另一优点是导电里面光学测量的可能性，虽然在这种情况下，光学质量石英玻璃，必须使用作为反应器材料。在反应器的下部的排气管允许使用几乎任何实验室的等离子流：排气可通过塑料管被连接到一个远程抽油烟机。在反应器的概念是通用的，并且可以在需要控制的气氛不同等离子体的研究中使用。例如苯乙烯的聚合是由氧22抑制，但所用的反应器中可以观察到，当液体苯乙烯暴露于氦进料气体等离子体。
Declarações
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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