Summary
このプロトコルは、固体や液体などの多様な表面の処理のためのCOST-Jetのセットアップ、取り扱い、および適用を特徴付けるために提示されています。
Abstract
近年、非熱大気圧プラズマは、特に生物学的用途におけるその可能性のために、表面処理のために広く使用されています。しかし、その科学的な結果は、信頼性の低いプラズマ状態や複雑な治療手順による再現性の問題に苦しんでいることが多い。この問題に対処し、安定した再現可能なプラズマ源を提供するために、COST-Jetの参照源を開発しました。
本研究では、COSTリファレンスマイクロプラズマジェット(COST-Jet)を用いて、信頼性の高い再現性のある表面処理を行う詳細なプロトコルを提案する。一般的な問題と落とし穴は、他のデバイスとその有利なリモート文字と比較して、COST-Jetの特殊性と同様に議論されています。固体および液体表面処理の両方の詳細な説明が提供される。記載された方法は汎用性があり、他のタイプの大気圧プラズマデバイスに適合させることができます。
Introduction
冷気圧プラズマ(CAPs)は近年、表面処理用途の可能性から関心が高まっています。CAPは非平衡特性を特徴とし、処理されたサンプルへの熱的影響を低く保ちながら、反応種の高密度を有する複雑なプラズマ化学を可能にする。したがって、CAPは、生体組織1、2、3、4の治療のために特に考慮される。CAPsの多くの概念と設計は、他の生物医学的用途の中で、創傷消毒および治癒、血液凝固、および癌治療にうまく使用されています。生体組織の大部分は液体を含む。そのため、細胞媒体や水5、6、7などの液体表面に対するRAPの影響の調査にもますます焦点が当てられます。
しかし、科学的な結果は、多くの場合、信頼性と再現性の問題8、9、10に苦しんでいます。一方で、処理された生物学的基質は自然な変動の影響を受ける。一方、生物のメカニズムは、プラズマプロセス(電界、紫外線、長命・短命の種など)に直接起因することはほとんどありませんでした。さらに、これらのプラズマプロセスは、個々のプラズマ源とその用途の正確な種類に大きく依存します。
さらに、治療手順の詳細なプロトコルはほとんど利用できません。これにより、特定のプラズマパラメータが治療結果に及ぼす影響を分離することが困難になり、得られた結果は転写不可能になります。
そこで最近では、冷気圧プラズマを用いて表面、組織、液体の処理を標準化する様々な試みがなされている。ここでは、選択した例だけを紹介します。
- 異なるプラズマ源の直接比較を簡単にするために、基準源が開発されました。低圧プラズマコミュニティに触発され、将来の生物医学研究11の基準源となり得るCOSTアクションMP1101の枠組みの中で再現可能で安定した放電設計(COST-Jet)が開発された。
- 比較を可能にするために、個々のアプリケーションのリファレンスプロトコルが開発されました。冷気圧プラズマの抗菌特性の比較を標準化するために、例えば、Mannら.は、面積単位12当たりの処理時間を正規化して微生物処理のための基準プロトコルを定義した。
- より柔軟なアプローチのために、Kogelheideら.は、高分子13に対するプラズマ誘導化学修飾を調査する方法を開発した。システインやシステイン含有グルタチオン(GSH)などのトレーサー化合物をFTIRおよび質量分析と組み合わせて使用し、生物学的基質上の化学修飾を推定しようとした。この方法を用いて、COST-Jet、kinPen、およびCinogy DBDなどのいくつかのプラズマ源は、すでに14、15、16と比較されています。
- 個々のプラズマ源を直接比較するには、同等の制御パラメータを確立する必要があります。電子温度、電子密度、反応性の流束密度などの基本的なプラズマパラメータは、大気圧プラズマでは一過性であり、その大きさが小さいことが多いため、測定が困難です。その代わり、特にシミュレーション17,18と結果を比較する場合は、発電機の電源、印加電圧または点火、アーク点などの外部制御パラメータが参照として使用されます。さらに最近では、測定された電気エネルギー消費量は、より信頼性の高い制御パラメータ19、20、21として使用されている。
これらの努力にもかかわらず、異なる研究の結果を比較することは、単にプラズマ源を表面に正しく適用するという課題のために、まだ不可能かもしれません。外部電界(補償回路)の影響、プラズマと周囲の環境(シールド大気)、種輸送(イオン風)、制御パラメータ(電圧、電流、電力)の影響など、大気圧プラズマアプリケーションを操作する際に取り組む必要がある膨大な数の落とし穴があります。
この作業の主な目的は、表面処理のためのCOST-Jetのアプリケーションに関する徹底した、詳細なプロトコルを提供することです。COST-Jetは、工業用や医療用ではなく、科学的な参考用に開発された信頼性の高いプラズマ源です。それは再生可能な排出条件および利用可能な研究22、23の広範なデータベースを提供する。COST-Jetは均質で容量的に結合されたRFプラズマに基づいている。電界はガス流に対して垂直に閉じ込められているため、荷電種はほとんど排出領域に保管され、ターゲットや周囲の大気と相互作用しません。さらに、層ガスの流れは血漿廃水の再生可能な血漿化学条件を保障する。
本稿では、最も一般的な課題に取り組み、文献で使用されている可能性のある解決策を紹介する。これらは、適切なガス供給、排出制御、周囲の雰囲気の影響、および表面調製が含まれます。ここで示すプロトコルに準拠して、測定の再現性と比較可能性を確保する必要があります。
このプロトコルは、他の大気圧源の例としても機能する場合があります。個々のガスの流れと電界構成に従って他のジェットプラズマ源のために精製されなければならない。該当する場合は、プロトコルに対する可能な調整を指摘します。説明されたステップは、大気圧プラズマを処理されたサンプルに適用する研究を発表する際に考慮され、報告されるべきである。
Protocol
1. 供給ガス供給と制御雰囲気
- TPFEまたは同様のプラスチックチューブ24を避け、全金属ガスラインからなるガス供給を設定します。ガス供給ラインをできるだけ短くして不純物を避け、ガス供給システムのポンプを促進します。
- COST-Jetの一般的なガス流量に応じて、供給ガスを供給するために使用するマスフローコントローラを選択します。純度99.999%以上の作動ガスを使用してください。
注:COST-Jetの主要な作業ガスはヘリウムです。動作は100 sccmから約5000 sccmの間の流速で実現でき、1000 sccmが最も一般的な値です。 - 複数のマスフローコントローラからなるシステムで反応ガスの混合を実現します。より小さな混和剤の場合、カウンターミキシングユニットを使用して、混合が25を完了するのに必要な時間を短縮します。
注:一般的な混和剤は、5 sccm(作動ガスの0.5%)の順序で流量を持つ酸素と窒素です。 - ガス供給ラインとジェット機の間にバルブを追加して、水が使用されていないときに湿った空気がガス供給に入るのを防ぎ、大気圧プラズマの中で最も一般的で最も問題のある不純物であり、プラズマ化学に重大な影響を与えます。
- 表面処理の前にガス供給ラインを洗浄し、チューブ中の不純物を減らします。これを行うには、1000sccmヘリウム程度の適度なガス流量を設定して供給ラインをフラッシュするか、または、好ましくは、供給ラインを繰り返しポンプと補充する(約3回)。
注: ガス供給ラインを単にフラッシュする場合、汚染の状態によっては、システムの清掃に数時間が必要な場合があります。 - 分子ふるいトラップまたはコールドトラップ(例えば、液体窒素を使用して)をガス供給ラインに加え、供給ガスの湿度をさらに低減します。
- 代わりに、制御された量の水が試薬として望まれる場合は、バブラーをシステム26,27に加える。
- 周囲の大気の組成の変化がプラズマ排水中の化学反応に影響を与える可能性があるため、実験のために制御された雰囲気を設定することを検討してください。
注:この効果は、放電チャネルの内部にプラズマを閉じ込めるが、アクティブなプラズマが部分的にデバイスの外にある他のCAPデバイスにとって重要な役割を果たす可能性があるため、COST-Jet28ではあまり顕著ではない可能性があります。
2. デバイスの組み立てとセットアップ
- COST-Jet デバイスをガス供給に接続します。デバイスを1/4インチのステンレス鋼スウェージロックチューブに直接接続します。異なるチューブ規格にアダプタを使用します。
- SMCコネクタを装備したシールドBNCケーブルを使用して、COST-Jetを電源に接続します。
- 統合された電気プローブをオシロスコープに接続し、終端として50オーム抵抗を使用して電圧と電流を監視します。
- COST-Jetハウジングを開き、適切に補償された商用電圧プローブを動力付き銅線とジェット機の接地部分(例えば、スウェージロックガスチューブ)とオシロスコープに接続します。
- プローブキャリブレーションルーチンを実行する:COST-Jetに小さな電圧を適用し、ドライバーを使用してLC回路の可変コンデンサを調整して最適なカップリング(測定電圧を最大化)に到達します。実電圧(商用プローブ)と実測電圧(実装プローブ)を線形回帰を用いて比較し、キャリブレーション定数を計算して、電圧キャリブレーションを実行します。商用電圧プローブを取り外し、COST-Jetハウジングを閉じます。
- ここでも、COST-Jetに小さな電圧を印加し、最適なカップリングに到達するためにドライバーを使用してLC回路の可変コンデンサを調整します。
- COST-Jetデバイスでプラズマに点火する:まず、マスフローコントローラ(MFC)を使用してヘリウムの約1 slpmのガス流量を設定します。ガス供給システムとCOST-Jet最後の間のバルブを開きます。次に、低電圧を電極に適用し、プラズマが点火するまで振幅を大きくします。
- 最初の点火時に電極が汚れ、点火を妨げている場合は、高い初期電圧を印加し、点火後に速やかに減らします。または、より簡単な最初の点火を容易にするためにスパークガンを使用してください。
- 動作制御パラメータ(ガス流、印加電圧)を希望の値に設定します。
- セットアップに少しウォームアップ時間を与え、安定した再現可能な動作条件を確保するために、熱安定化(約20分)を可能にします。
- 実験中にガス組成を変更するには、ガス供給設定に応じて約2分の平衡時間をとるようにします。
注: COST-Jet は、アプリケーションの準備ができました。
3. 電力測定
- COST-Jetに適用される電圧と電流を監視するオシロスコープをコンピュータに接続します。
- リアルタイムの電力監視11、19を可能にするコンピュータ29に「COSTパワーモニタ」ソフトウェアをインストールします。
- 特定のオシロスコープを制御するために必要なコマンドを実装することにより、ソフトウェアとオシロスコープ間の通信を調整します。
- COST 電源モニタソフトウェアを起動し 、[設定] パネルに切り替えます。オシロスコープに接続された正しいチャンネルと、ステップ2.4で決定したキャリブレーション定数を入力します。
メモ: 商用電圧プローブが COST-Jet に接続されている場合は、[ 検索 ]ボタンを使用して、キャリブレーション係数を自動的に計算できます。 - スイープパネルに変更します。「検索」ボタンを押して、プラズマがオフの間に基準フェーズを取ります。この測定の前にガスの流れをオフにし、プラズマが高い発火電圧に比べて空気中で発火しないので、放電の実際の動作に使用される電圧の典型的な範囲にある電圧を適用します。この測定を使用して、電圧と電流プローブの相対位相シフトを自動的に補正し、ここでのコンデンサの90°フェーズを想定します。
- [開始]ボタンと[一時停止]ボタンを押して、電気計測を開始または一時停止します。
- 必要に応じて、COST-Jetを操作します。電圧と電流の振幅から計算された実際の電力と、その位相シフトを使用して、ソフトウェアに継続的に表示して監視し、制御パラメータとして使用します。
4. (固体)表面処理
- 実験のために制御された雰囲気を設定します。
注:COST-Jetの場合、制御された大気は、限られた排出チャネルの外でアクティブなプラズマ化学を持つソースよりも重要ではありません。 - ステップ 1.5 で説明したように、ガス供給ラインを清掃します。
- 必要な動作パラメータを設定し、COST-jetが安定した温度になるまで約20分待ちます。
- COST-Jetと処理された表面との間の距離を選択して、その距離が処理された表面30に衝突する反応性種の量を決定する。簡単な操作のための基板をマウントするためにxyzステージを使用してください。
注: COST-Jet の場合、安全ギャップはプラズマ放電と処理された表面との間の距離に 1 つの余分なミリメートルを追加します。 - 処理時間を開始する:単にプラズマのスイッチを入れるか、機械的なシャッターを使用します。スイッチングイベント中に電圧オーバーシュートが発生し、放電が収縮する可能性があることに注意してください。ms範囲の制御を改善するには、回転可能なシャッターを使用してください。
- サンプルを所望の時間だけ処理し、プラズマのスイッチを切るか、シャッターを使って処理時間を終了します。
- 必要に応じて、表面の充電、イオンドラッグ力、または浮力による周囲の空気混合の影響として基板を処理する際に、シュリーレンイメージングを使用してターゲットの前のガスフローパターンを確認すると、表面に到達する反応性種の量に影響を与える可能性があります。
5. 液体処理
- 実験用に制御された雰囲気を設定します。
- ステップ 1.5 で説明したように、ガス供給ラインを清掃します。
- 必要な動作パラメータを設定し、COST-jetが安定した温度に達するまで約20分待ちます。
- COST-Jetと処理液の間の距離を選択します。
- 適切な容器に処理する液体を注ぎます。不活性物質を使用して、液体中で発生する可能性のある反応性の種と容器との反応を避けます。処理される液体の体積に応じて容器のサイズを選択します。
- 液体表面へのガス流の影響を考慮する:気体流量に応じて、プラズマと液体表面の間の距離を変化させる凹型メニスカスに注意してください。
- 治療を開始します。ガスの急激な変化によって引き起こされる液体の表面の圧力サージは、液体が吐出ジオメトリに飛散し、短絡を引き起こし、プラズマを確実に汚染する可能性があります。代わりに、機械的なシャッターを使用するか、ゆっくりとガスの流れを増やします。
- 中性ガス流と液体表面との摩擦による液体の混合/攪拌を考慮に入れて、液体中の輸送プロセスと濃度プロファイルに影響を与えます。さらに、処理時間に応じて、処理中の液体の蒸発(例えば、反応定数を計算する場合)に対して修正する。プラズマ源によっては、この蒸発が放電に戻ってカップリングを引き起こし、プラズマ化学を変化させる可能性があることに注意してください。
- また、液体中の試薬との反応性もこの薬剤の表面活性の影響を受ける点も考慮してください。したがって、いくつかのケースでは、界面活性剤は、短命の種と液体の間の相互作用に重要な役割を果たす可能性があります。
Representative Results
上記の方法と装置を用いて、我々は、異なる表面および液体にCOST-Jetを適用する例示した。 図1 は、電源、ガス供給システム、電圧および電流プローブ、制御された雰囲気、メカニカルシャッターを含む、処理に使用される実験的なセットアップを示しています。
図1:COST-Jetを用いた表面や液体のプラズマ処理に使用する実験用セットアップ冷たいトラップは供給ガスを浄化するために使用される。制御された大気は大気圧でポンプでくまれた真空の部屋によって実現される。機械シャッターは固体および液体表面処理の時間管理を促進する。フレキシブルステージにより、プラズマジェットと表面の距離を制御できます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
COST-Jetに実装された電圧と電流プローブを使用して、散逸した電力を計算することができます。 図2 は、1 slpmのガス流を用いて5つの異なるCOST-Jetデバイスで発生したヘリウムプラズマ中の測定電力を示しています。すべてのデバイスで同様の動作が表示されます。異なるデバイス間の偏差は、電力測定の不確実性と、電極距離などのセットアップの微視的な違いに起因します。反応性の種(例えば、原子酸素およびオゾン)、温度およびパワー、ならびに殺菌活動の測定はリーデル22によってより詳細な測定を行った。
図2:ヘリウムプラズマにおける印加電圧の関数としての消費電力。データは、5 つの同一の COST-Jet デバイス34を表します。高電圧での小さな偏差は、測定の不確定性とガス放電チャネルジオメトリ22の小さな偏差によるものである。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3 は、イメージング分光反射率31を用いて測定した0.5%の酸素を混合した1.4 slpmヘリウムのガス流を用いて、COST-Jetで3分間処理するためのa:C-Hフィルムのエッチングプロファイルを示す。このエッチングパターンは、プラズマ廃液の円筒対称性を表す円形構造を示す。数値シミュレーションと組み合わせたエッチングプロファイルに基づいて、原子酸素の表面損失確率を推定することができました。
図3:プラズマ処理a:C-H膜のエッチングプロファイル。フィルム内のディップは、230 Vrmsの電圧で0.6%酸素と3分31の処理時間の混合ガスと1.4 slmヘリウムのガス混合物を使用してエッチングされましたこの図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4 は、液体表面に衝突する気流によって生じる液体中の渦を示す。液体中のトレーサー粒子を照らしたレーザーシートを用いて、粒子画像のベロシメトリーを介してこれらの粒子の軌跡と速度を観察し、したがって流体流量32を研究することができる。粒子の軌跡が流体の動きを表すため、播種粒子と流体の密度を同様に考慮することが重要です。流体の流れの測定と数値シミュレーションのこの視覚化を用いて、33を比較することができる。渦は、排水ガスの流れと液体表面との間の表面摩擦によるものです。 図4 はまた、プラズマジェットの気流下の液面の下に生じるうつ病、いわゆるメニスカスを示す。青い線で視覚化されます。
図4:ガス流で攪拌された3mlの水の中で、光を照射したコーンスターチ粒子の写真。渦は、排水ガスの流れと液体表面との間の表面摩擦によるものです。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Discussion
ここでは、異なる材料の表面処理に大気圧プラズマジェットを用いるための実験を行う。大気圧プラズマジェットの実験設定は、プラズマパラメータ、化学、性能に大きな影響を与え、その結果、プラズマ処理の結果に影響を与え、プロトコルの重要なステップです。
例として、ガス供給ラインは、湿度であるプラズマの供給ガス中で最も一般的な不純物に関して重要な役割を果たす。特に、血漿中の反応性窒素種の生産は、活性酸素種の生産が好まれる間に減少し、水分子や窒素35と比較して酸素のイオン化エネルギーが低いためである。Winter24 は、内管の表面の水分子に由来する供給ガス湿度が、気孔率と貯蔵能力が高いため、金属管と比較してポリマーチューブを使用して桁違いに高いことを発見した。フィードガスでラインを洗い流すことで低減できます。しかし、フラッシュによってラインを乾燥させるには数時間かかります。したがって、ポリマーチューブは、できるだけ避けるか、少なくとも短く保つ必要があります。これらの知見は、Große-Kreul25の研究によって下線が引かれている。彼らは、質量分析を用いて、プラズマ化学に対するポリアミドおよびステンレス鋼チューブの効果を比較した。彼らの測定は、ポリマーチューブからの水の噴気および金属管によるより速い乾燥時間によるプラズマ中の水クラスターイオン形成を確認する。さらに、分子篩トラップや液体窒素コールドトラップなどのガス浄化法がプラズマ化学に及ぼす影響を調査し、不純物の量を約2桁削減しました。
供給ガスを浄化しようとする代わりに、制御された量の湿度を加えるアプローチもあります。この意図的な不純物は自然な不純物を支配し、プラズマ化学を制御するので、加湿量が正確に知られている限り再現可能な条件が保証されます。
放電の点火のために、電極への印加電圧は、通常、単に故障のポイントまで増加させることができる。しかし、電極の表面条件によっては、高電圧が必要な場合がある。点火を容易にするために、高圧スパークガンを使用することができます。これは、COST-Jetでアルゴン放電を点火しようとするときにも役立ちます。
COST-Jet をサーフェスに適用する前に、デバイスが平衡化するのに十分な時間を割り当てる必要があります。目的の制御パラメータに設定すると、COST-Jetは安定した条件11に到達するために約20分を必要とします。この間、装置の温度、ガス温度、プラズマ化学は定常状態に達している。
科学的な結果の比較のためには、同等の血漿制御パラメータが必要である。電力入力電力を測定するために、COSTパワーモニタは29を使用することができます。ソフトウェアはオープンソースであり、オシロスコープの異なるタイプの範囲と互換性があります。ソフトウェアは、Golda19によって記述された原則に従って動作します。
供給ガスの湿度がプラズマ化学に及ぼす影響に加えて、プラズマから基質への反応性種の輸送は、廃液組成において重要な役割を果たし、プロトコルのもう一つの重要なステップである。周囲の大気は、基板に向かう途中でプラズマ中に作られた種に影響を与える可能性があります。この影響を最小限に抑えるために、2つの異なる概念が使用されます:(i)まず、供給ガスで構成される制御された雰囲気を設定することができます。これにより、周囲の大気の組成を一定に保つことができる。治療に必要な純度レベルに応じて、制御された雰囲気は、過圧を防ぐために一方向バルブを装備した保護ハウジングを介して実現することができます。より高い純度レベルのために、ポンプが付いている真空の部屋は使用することができる。(ii) 第二に、プラズマ排水36,37の周囲に遮蔽ガスカーテンを使用することで制御された雰囲気を作り出すことができる。通常、それは不活性ガスからなるが、用途のニーズに応じて変化させることもできます。
幸いなことに、COST-Jetの場合、周囲の大気の影響は比較的低いです。同位体標識を用いて、ゴルバネフは、パラレルフィールド構成プラズマジェットの場合、液体表面に到達する活性酸素および窒素種がプラズマガス相ならびにプラズマノズルとサンプル38,39との間の領域に形成されたことを示した。対照的に、COST-Jetに同じ技術を用いて、RONSは周囲の環境28の代わりにプラズマ相に由来することがわかりました。これは、おそらく、電界がCOST-Jet放電のプラズマチャネルに限定されているためです。これは、プラズマ放電は、その環境からほとんど独立し、それに特定のリモート文字を与えます。
縦電界プラズマジェットの場合、Darnyら40 は、電界の極性がガス流パターンを変え、したがってイオン風による目標に到達する反応性の種にも変えることを示している。環境への反応性種密度の依存性は、スタンカムピアノら7による測定によって確認された。彼らは、電気特性に応じて処理水で作られた反応性種の数の違いを報告した。これらの違いを補うために、彼らは補償電気回路を作成しなければならなかった。この動作は COST-Jet では異なります: 図 5 では 、2 つの異なるガス流量に対して、電圧を加えずに、運用中に COST-Jet のシュリーレン画像を比較します。画像は、Kelly41で説明されているように、単一のミラーインラインアライメントを使用して撮影されました。彼らは、水平に整列したCOST-Jet排水が平らなガラス基板にどのように当たるかを示しています。両方の画像は、まったく同じガスフローパターンを示しています。これは、プラズマ排水中に荷電種がないことによるイオン風の欠如から生じる。
さらに、COST-Jetは非常に層状の流れパターンを示す。Kelly41 は、さまざまなガス流量に関して 図5に示したものと同様のシュリーレン画像を示した。2 slpmの比較的高いガス流量であっても、プラズマ排水は乱気流の兆候を示さない。0.25 slpm以下の非常に低いガス流量で、ヘリウム廃水の浮力が役割を果たし始める。しかし、ノズルから最大4〜5mmの距離で、周囲の雰囲気は、質量分析17を使用してEllerwegによって示されるように、表面に到達するガス組成に影響を与えません。
上記の特性はすべて、COST-Jetのリモート文字に追加されます。これは、表面の制御された、同等の処理のための理想的な候補になります。
図5:2つの異なるガス流量に対する電圧の印加の有無にかかわらず、COST-Jetのシュリーレン画像。プラズマ操作時には、ガスフローパターンはガス流のみでパターンにそっくりです。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
処理されたサンプルに対する所望の効果に応じて、制御パラメータガス流れの混合物、印加された電力、およびプラズマ源と表面間の距離を適宜調整することができる。COST-Jetの場合、排水中の反応性種を調査する研究の広範な文献データベースが存在する。一例として、ウィレムス30 は質量分析を用いて原子酸素密度を測定し、シュナイダー42 は廃液中の原子窒素密度を測定した。
大気圧プラズマによる液体の処理は、反応性の種、イオン、光子、電界などによって駆動される様々な反応機構を引き起こす可能性があります。COST-Jetの前述の特性により、プラズマが液体に直接接触しているプラズマ源に比べて、電界、イオン、光子の効果はごくわずかです。そこで、ヘフニー43 およびベネディクト44によってCOST-jetを用いたフェノール溶液に対する原子酸素のような短命反応性種の効果を研究する。さらに、COST-Jetは、液体処理28の実験と数値シミュレーションを比較する便利な可能性を提供する。プラズマと液体の相互作用は、プラズマから液体表面への反応性種のガス流によって支配され、モデルの複雑さを軽減することができます。
液体のガス流誘導攪拌は、プラズマ発生した反応性種と液体との反応速度を増加させる。固体の表面処理とは対照的に、液体の対流は常に反応物の局所的な濃度を変化させる。さらに、液体中の反応物を含むプラズマ発生種間の反応速度も、これらの反応物の表面活性の影響を受ける。表面活性の増加に伴い、液体表面での反応物の濃度が増加する。これらの界面活性剤は、プラズマによって生成される短命種の反応性において重要な役割を果たす可能性がある。
液体表面に衝突する気体流を攪拌する次に、考慮しなければならない蒸発も誘発する。COST-Jetを短い処理時間で使用すると、蒸発は軽微な役割を果たす可能性がありますが、正しい反応率を計算するために考慮する必要があります。COST-Jetの放電は蒸発の影響を受けないため、プラズマ化学も影響を受けません。プラズマが液体に直接接触しているプラズマ源は、天とクシュナー45 が誘電性バリア放電のために示すように、プラズマ化学は蒸発によって大きく変化しています。また、kINPenについて、蒸発の効果を46と判定した。
異なるプラズマ源について考慮する必要があるプラズマ化学のこれらの言及の違いに加えて、また、液体表面変化の気体流によって誘発される半月板のトポロジー。この半月板の深さは、通常、ガス速度に依存します。電極構成が液体に到達する重要な電界を誘導するプラズマ源、あるいは液体に接触するプラズマを有するプラズマの場合、このメニスカスは47,48を上昇させることができる。図示のように、使用されるプラズマ源に従っていくつかの効果を考慮する必要があります。
今後、このプロトコルを使用して、COST-Jetを使用して表面および液体の処理を行い、記述することができます。それは、異なるプラズマジェット設計の多くの中でユニークなリモートキャラクターを示す安定した、再現可能なプラズマ源です。同じ方法は、COST-Jet源のみに限定されず、任意の冷気圧プラズマ源で使用するように変更および適合させることができます。
Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
著者らはフォルカー・ローワー(キール大学実験応用物理学研究所)に機器の支援を感謝している。この研究は、CRC 1316 過渡大気プラズマ内のDFG、 生物学的基質との基本的な相互作用メカニズムの研究のための低温大気プラズマ (project-ID BE 4349/5-1)および創 傷治癒におけるプラズマ生成一酸化窒素 (プロジェクトID SCHU 2353/9-1)のプロジェクトで支えられた。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- Schlegel, J., Köritzer, J., Boxhammer, V.
- 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.
- 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).
- Cost-Jet. COST Reference Microplasma Jet Homepage. , Available from: www.cost-jet.eu (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. , Bochum. Dissertation (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), Germany. 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).
