لإعداد البلازما الضغط الجوي المعنية بالتحقيق في تشكيل أنواع رد الفعل
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
وقد تلقى غير الحرارية الضغط الجوي ( 'الباردة') البلازما اهتماما متزايدا في السنوات الأخيرة، بسبب احتمال الطبية الحيوية الهامة الخاصة بهم. ردود فعل البلازما الباردة مع الجو المحيط تسفر عن مجموعة متنوعة من أنواع رد الفعل، والتي يمكن أن تحدد فعاليتها. في حين أن التنمية الفعالة للعلاج البلازما الباردة تتطلب النماذج الحركية، ونموذج قياس الاحتياجات من البيانات التجريبية. الدراسات التجريبية عن مصدر الأنواع المتفاعلة الكشف في المحاليل المائية المعرضة للبلازما لا تزال شحيحة. وغالبا ما تعمل البلازما الطب الحيوي مع وأو غاز التغذية AR، وتكمن مصلحة محددة في التحقيق في الأنواع رد الفعل الناتجة عن البلازما مع مختلف الخلطات الغاز (O 2، N 2، والهواء، H 2 O بخار، الخ) هذه التحقيقات معقدة للغاية بسبب صعوبات في السيطرة على الجو المحيط في اتصال مع النفايات السائلة البلازما. في هذا العمل، تناولنا القضايا المشتركة من الجهد "عالية"كيلوهرتز تردد مدفوعة الدراسات التجريبية طائرة البلازما. وقد تم تطوير مفاعل السماح للاستبعاد من الغلاف الجوي المحيط من نظام البلازما السائل. وبالتالي فإن النظام يتألف من غاز التغذية مع الخلطات ومكونات العينة السائلة. يسمح هذا الغلاف الجوي للرقابة والتحقيق في مصدر من أنواع الاكسجين التفاعلية يتسبب في المحاليل المائية بواسطة بخار البلازما والماء. استخدام المياه المسمى isotopically يسمح التمييز بين الأنواع التي تنشأ في مرحلة الغاز وتلك التي يتم تشكيلها في السائل. وترد معدات البلازما داخل قفص فاراداي للقضاء على التأثير المحتمل في أي حقل خارجي. الإعداد هو تنوعا ويمكن أن تساعد في زيادة فهم البلازما السائل البارد التفاعلات الكيميائية.
Introduction
جذبت درجات الحرارة المنخفضة البلازما الضغط الجوي (تخطيط الطويل) اهتماما متزايدا في السنوات الأخيرة نظرا لإمكانات واسعة من أجل التطبيقات الطبية الحيوية 1-3. على اتصال مع الجو المحيط، الكمونية يتفاعل مع المحتوى الجزيئي للهواء (N 2، O 2، H 2 O بخار)، وتوليد مجموعة متنوعة من أنواع الاكسجين والنيتروجين التفاعلي (عصبونات) 2،4. ومن بين هذه الأنواع مستقرة نسبيا (مثل بيروكسيد الهيدروجين، والأوزون، والنتريت والنترات الأنيونات) والمتطرفين شديدة التفاعل (• OH، • ووه / O 2 • – • H، • لا، وما إلى ذلك). هذه الأنواع، ولدت في البداية في الطور الغازي، يتم تسليم المزيد من البلازما إلى الركيزة البيولوجية 5. عصبونات التفاعل مع ركائز وبالتالي تحديد المضادة للجراثيم، مضاد للسرطان والآثار المضادة للفيروسات من الكمونية 6-8.
تطوير علاجات الكمونية تتطلب نماذج معقدة من ردود فعلعصبونات 9. الماء هو جزء أساسي من الوسط البيولوجي، وردود الفعل في المرحلة المائية تزيد من تعقيد النظام بشكل كبير. يتم إجراء التحقيق في بلازما طور الغاز على نطاق واسع باستخدام مختلف التقنيات التحليلية، بما في ذلك التحليل الطيفي الضوئي الانبعاثات، والليزر التي يسببها مضان، طيف الأشعة تحت الحمراء، مطياف الكتلة (MS)، الخ. 10-12. وفي الوقت نفسه، تحقيقات مفصلة من الأنواع المكتشفة في الطور السائل لا تزال شحيحة. تصف التقارير المتاحة للاستخدام مختلف الأساليب التحليلية مثل الأشعة فوق البنفسجية ورنين مغناطيسي إلكتروني (الثوري) التحليل الطيفي، الخلوي، وغيرها من أجل الكشف عن عصبونات في المحاليل المائية 13،14. الجيش الشعبي الثوري هو واحد من أكثر الوسائل المباشرة للكشف جذري في السائل. ومع ذلك، فإن العديد من الأنواع جذرية لا يمكن الكشف عنها من قبل الجيش الشعبي الثوري بسبب قصر عمر بهم. في هذه الحالات، وغالبا ما يستخدم تدور محاصرة. تدور محاصرة تقنية تنطوي على مركب (فخ تدور) WHالتراث الثقافي غير المادي بسرعة وبشكل انتقائي يتفاعل مع الراديكالي أن تسفر عن ناتج إضافة جذري أكثر ثباتا (على سبيل المثال، DMPO يتفاعل مع الهيدروكسيل، وتشكيل DMPO-OH ناتج إضافة).
التحديات المشتركة في الدراسات تفاعل البلازما السائل هي عدم القدرة على ضبط الأجواء المحيطة حول النفايات السائلة البلازما وعوامل التدخل أخرى (حقول خارجية وقطع امدادات الطاقة التي تراعي البيئة، وما إلى ذلك). هنا، ونحن لشرح استخدام الإعداد تتألف من حالة شبكة معدنية تحتوي على البلازما تعمل وبني المفاعل في المنزل حول فوهة طائرة البلازما. تخدم شبكة معدنية مثل قفص فاراداي، مما يسمح تحسن كبير استنساخ والتشغيل العام للطائرة البلازما. مفاعل الزجاج بتغليف كل من طائرة البلازما والعينة السائلة، باستثناء الجو المحيط من النظام.
يمكن استخدام هذه الطريقة لأي الغلاف الجوي طائرة ضغط البلازما في اتصال مع حلول السائلة.على سبيل المثال، قدمنا مؤخرا تحقيقا في مصدر أنواع الاكسجين التفاعلية في الكشف عن عينة المائية المعرضة للبلازما. نظائريا تم استخدام المياه وصفت التمييز بين الأنواع التي تشكلت في السائل وفي الطور الغازي من البلازما طائرة السائل نظام حل 15.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا، ونحن لشرح استخدام وسيلة بنيت الإعداد البلازما الضغط الجوي في المنزل. القفص شبكة معدنية يساعد على تحقيق شروط البلازما استنساخه مع تدخل التقليل من المجالات الخارجية، في الوقت نفسه حماية المعدات الحساسة القريبة من التدخل و / أو ضرر محتمل من أي مجال الناجم عن البلازما. التدريع (حبس) من إعداد يعتمد على نوع من البلازما تشغيلها والخصائص الكهربائية. والهدف من ذلك هو ضمان عدم وجود تدخل خارجي في العملية البلازما وتجنب مجالات البلازما التدخل مع توضيح المعدات. في هذه الحالة حجم شبكة هو 22 ملم، ومع ذلك، قد تكون هناك حاجة تخفيض حجم شبكة لالبلازما مختلفة. وقد سيطر على المعلمات عملية البلازما باستخدام الجهد والتحقيق الحالي متصلة الذبذبات. مقدمة من ارتفاع مسبار الجهد تغييرات كبيرة في البيئة الكهربائية، وبالتالي فإن التحقيق يجب أن تصبح جزءا من النظام الكهربائي وأن يفترضونioned بنفس الطريقة في جميع التجارب.
استخدام مفاعل الزجاج التغليف العينة والطائرة البلازما يسمح الاستبعاد من الغلاف الجوي المحيط التكوين في كثير من الأحيان غير معروف من نظام رد فعل. في النتائج المقدمة (راجع أعلاه)، كان يستخدم لتحديد مصدر من أنواع الاكسجين التفاعلية التي يسببها البلازما في عينة المائية تتعرض لملوثات البلازما. هذا التحقيق هو ممكن إذا كانت جزيئات الماء السائل والماء في الغاز المغذي (بخار) يمكن أن تكون متباينة. لتحديد ما إذا تشكلت جذور الهيدروكسيل في الطور الغازي أو من جزيئات الماء السائل، نظائريا تم إدخال الماء المسمى: H 2 17 يا باعتبارها وسيلة السائل، H 2 16 يا بخار في غاز التغذية. إذا تم إجراء تجربة افتراضية في جو منفتح، مع التمييز بين المرحلتين قد تعرقلت بسبب وجود بخار الماء في الهواء المحيط. لوقد تجلى طريقة بديلة للحد من تأثير الجو المحيط في الأدب، والتي منعت انتشار الأنواع من الغلاف الجوي إلى النفايات السائلة البلازما باستخدام الغاز التدريع 17. الغاز التدريع (N 2 أو O 2) يخلق الستار الغاز مع تكوين معروف 18. المفاعل الواردة في هذا المخطوط هو وسيلة بسيطة لإزالة تأثير مكونات الهواء المحيط (مثل بخار الماء)، ويمكن استخدامها مع الطائرات البلازما مختلفة دون إدخال تدفق كمية إضافية من الغاز. على غرار • OH راديكالية، مصدر • H جذري يمكن تحديده من خلال توظيف D 2 O / H 2 O النظام. ويمكن أيضا إدخال وغير مكلفة D 2 O في غاز التغذية في شكل بخار كما هو موضح أعلاه.
تم تحديد التشبع من الغاز مع H 2 O بخار عن طريق وزن القارورة Drechsel قبل وبعد محتدما تدفق الغاز throuGH ذلك. يتم حساب الرطوبة النسبية (أي تشبع) من الغاز بمقدار تبخر الماء وحجم الغاز مرت.
لاحظ أنه في تجارب طويلة، ودرجة حرارة السائل في قارورة Drechsel قد ينخفض نتيجة لتبخر. يتم حساب الرطوبة النسبية لدرجة حرارة معينة. وكذلك مقارنة القيم المحسوبة مع تلك الموجودة في الأدب 19 لتحديد الرطوبة النسبية للغاز التغذية. لقد اكتشفنا تجريبيا أن تدفق تصل إلى 2 حركة تحرير السودان من ومن خلال Drechsel مملوءة بالماء قارورة تماما يشبع الغاز مع بخار الماء. ومع ذلك، فإن معدلات تدفق مرتفعة قد لا يسمح الوقت الإقامة كافية من الغاز في السائل لالتشبع الكامل. قد تكون هناك حاجة التقنيات التشبع أخرى.
مهمة صعبة آخر هو ضمان أن لا الهواء المحيط موجودة في النظام. وقبل مسح-المفاعل مع الغاز المغذي لإزالة الهواء المتبقي.فإن الوقت اللازم لمرحلة ما قبل التنظيف تعتمد على حجم المفاعل وتدفق الغاز المغذي. غياب خارجي نشر الهواء المحيط وentrainment الفكرة في النظام مثل نظام البلازما غاز التغذية الهيليوم يمكن اختبارها باستخدام • NO جذري رد فعل محاصرة. أكسيد النيتريك الناتجة عن البلازما من N 2 O 2 وجزيئات الهواء يمكن الكشف عنها من قبل الجيش الشعبي الثوري باعتباره ناتج إضافة جذري لل(مليون جالون يوميا) 2 الحديد 2+ معقد 20 (مليون جالون يوميا = N -methyl-D-glucamine dithiocarbamate). في حالة غياب كامل للهواء، لا لاحظ إشارة الثوري للناتج إضافة. غياب جزيئات الماء الخارجية في المفاعل يمكن أن تثبته التجربة التالية. يتعرض عينة السائل من D 2 O لجافة البلازما غاز التغذية. تحليل الرنين المغناطيسي من العينة بعد التعرض لليكشف عن كمية من H 2 O جلبت الى السائل أثناء التعرض. وهذا ما يسمح لتقدير كمية من H 2 O المتبقية في توبينز المستخدمة لغاز التغذية 15 في التجربة.
تصميم حاوية عينة أمر بالغ الأهمية في العمل التجريبي. في البداية، حاولنا استخدام البلاستيك وmicrocentrifuge لأنابيب زجاجية. جنبا إلى جنب مع ارتفاع نسبيا تدفق الغاز تغذية البلازما، وقطره صغير من فتح لا تدع الهواء المحيط اختراق أنبوب microcentrifuge. ومع ذلك، وهذا له عيوب كثيرة. عرضت البلازما الظليل وارتفاع درجة الحرارة كبيرة بالقرب من حواف أنبوب microcentrifuge. وكان تسليم الأنواع من مرحلة الغاز في السائل أيضا بشكل ملحوظ أقل كفاءة نظرا لمختلف ديناميات مرحلة الغاز ومنطقة منخفضة السطح (وحجم كبير) من العينة السائلة. وهكذا، فإن المساحة السطحية للعينة السائل هو أمر حاسم لتسليم الأنواع رد الفعل من الطور الغازي إلى عينة السائل. وهذا أمر مهم خاصة بالنسبة للمتطرفين لم تدم طويلا. لذلك يجب أن تصمم الحاوية عينة السائل للسماح المكشوفةالسائل أن يكون مساحة كبيرة لنشر كفاءة. وينبغي أيضا أن يكون لدى عينة عمق المنخفض لتقليل القيود المتعلقة الحراري من العينة السائلة. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن ارتفاع تدفقات الغاز وخاصة مع البلازما أشعلت خلق اضطرابات كبيرة على سطح العينة السائلة 21. ولذلك، فإن الحاوية عينة لها شكل يشبه بشكل جيد مع القطر والعمق المطلوب للتجربة محددة. ذروة الموقف الذي يتم وضع جيد يمكن تعديلها لاحتياجات التجريبية. جروميت المطاط التي يتم من خلالها إدخال طائرة البلازما في مفاعل يجعل من الممكن لتغيير زاوية الاتصال من النفايات السائلة مع السائل.
يسمح الطريقة المعروضة التحقيق في مصدر من أنواع رد الفعل (• OH، • H، الخ) يتسبب في السائل بواسطة تردد كيلو هرتز مجال مواز طائرة البلازما. طريقة استخدام مفاعل الزجاج المحيطة الطائرة لا يقتصر على تنازليribed الظروف، ويمكن استخدامها مع البلازما الضغط الجوي الأخرى. يسمح طريقة إدخال أي الخلطات للغاز التغذية: بخار، O 2، N 2، وما بين مزاياها الأخرى هي إمكانية إجراء القياسات البصرية داخله، على الرغم من أن في هذه الحالة الجودة البصرية زجاج الكوارتز يجب أن تستخدم مفاعل مادة. أنبوب العادم في الجزء السفلي من المفاعل يسمح باستخدام طائرة البلازما في أي مختبر تقريبا: العادم يمكن ان تكون مرتبطة عبر أنابيب من البلاستيك لغطاء استخراج بعيد. مفهوم المفاعل هو تنوعا، ويمكن استخدامها في أبحاث البلازما مختلفة حيث مطلوب الغلاف الجوي للرقابة. على سبيل المثال، هو تحول دون بلمرة الستايرين من أنواع الاكسجين 22، ولكن يمكن ملاحظتها في المفاعل عندما يتعرض الستايرين السائل البلازما غاز التغذية الهيليوم.
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).
