Une configuration de plasma Pression atmosphérique pour enquêter sur la formation espèces réactives
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
pression atmosphérique plasmas non thermiques ( «froid») ont reçu une attention accrue au cours des dernières années en raison de leur potentiel biomédical important. Les réactions du plasma froid avec l'atmosphère environnante produisent une grande variété d'espèces réactives, ce qui peut définir son efficacité. Alors que le développement efficace de la thérapie par plasma froid nécessite des modèles cinétiques, modèle analyse comparative a besoin de données empiriques. Des études expérimentales de la source d'espèces réactives détectées dans des solutions aqueuses exposées au plasma sont encore rares. Plasma biomédicale est souvent utilisé avec He ou de gaz d'alimentation Ar, et un intérêt particulier réside dans les enquêtes sur les espèces réactives générées par plasma avec différents mélanges de gaz (O 2, N 2, l' air, H 2 O vapeur, etc.) Ces enquêtes sont très complexe en raison de difficultés dans le contrôle de l'atmosphère ambiante en contact avec l'effluent du plasma. Dans ce travail, nous avons abordé des questions communes de tension «haute»fréquence kHz conduit jet de plasma études expérimentales. Un réacteur a été mis au point permettant à l'exclusion de l'atmosphère ambiante à partir du système de plasma liquide. Le système comprend donc le gaz d'alimentation avec des adjuvants et des composants de l'échantillon liquide. Cette atmosphère contrôlée a permis l'étude de la source des espèces réactives de l'oxygène induites dans des solutions aqueuses par He dans l'eau du plasma en phase vapeur. L'utilisation d'eau marqué isotopiquement a permis de distinguer les espèces originaires de la phase gazeuse, et ceux formés dans le liquide. L'équipement de plasma a été contenu à l'intérieur d'une cage de Faraday pour éliminer l'influence possible de tout champ extérieur. La configuration est polyvalent et peut aider à comprendre davantage le plasma liquide froid interactions chimie.
Introduction
Plasmas de la pression atmosphérique à basse température (LTP) ont attiré une attention accrue au cours des dernières années en raison de leur vaste potentiel pour des applications biomédicales 1-3. Au moment du contact avec l' atmosphère ambiante, LTP réagit avec le contenu moléculaire de l' air (N 2, O 2, H 2 O vapeur), la génération d' une variété d'espèces d'oxygène et d' azote réactifs (Rous) 2,4. Parmi ceux – ci sont des espèces relativement stables (tels que le peroxyde d'hydrogène, l' ozone, nitrites et nitrates) des anions et des radicaux hautement réactifs (• OH • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Ces espèces, initialement produites dans la phase gazeuse, sont en outre fournis par le plasma sur le substrat biologique 5. RONS interagir avec des substrats et ainsi définir la antimicrobienne, anticancéreuse et effets antiviraux de LTP 6-8.
Le développement de thérapies LTP nécessite une modélisation complexe de réactions deRONS 9. L'eau est une partie essentielle du milieu biologique et les réactions dans la phase aqueuse augmente la complexité du système de manière spectaculaire. L'enquête du plasma en phase gazeuse est largement réalisée en utilisant diverses techniques d' analyse, y compris la spectroscopie optique d'émission, fluorescence induite par laser, la spectroscopie infrarouge, la spectrométrie de masse (MS), etc. 10-12. Dans le même temps, des enquêtes détaillées sur les espèces détectées dans la phase liquide sont encore rares. Les rapports disponibles décrivent l'utilisation de différentes méthodes analytiques , tels que les UV et la résonance paramagnétique électronique (RPE), cytométrie, etc. , pour la détection de RONS dans des solutions aqueuses 13,14. EPR est une des méthodes les plus directes pour la détection reste dans le liquide. Cependant, de nombreuses espèces de radicaux ne peuvent pas être détectées par EPR en raison de leur courte durée de vie. Dans ces cas, le spin piégeage est souvent utilisé. piégeant une technique impliquant un composé (spin trap) Spin which rapidement et sélectivement réagit avec le radical pour obtenir un produit d' addition radicalaire plus persistante (par exemple, DMPO réagit avec le radical hydroxyle, formant DMPO-OH produit d' addition).
Les problèmes communs dans les études d'interaction plasma-liquide sont l'impossibilité de contrôler l'atmosphère ambiante autour de l'effluent du plasma et d' autres facteurs interférant (champs extérieurs, des pièces d' alimentation électrique sensible à l' environnement, etc.). Ici, nous démontrons l'utilisation d'une configuration comprenant un boîtier en treillis métallique contenant le plasma et un réacteur fonctionnant en interne construite autour de la buse à jet de plasma. Le treillis métallique sert de cage de Faraday, ce qui permet d'améliorer de manière significative la reproductibilité et le bon fonctionnement général du jet de plasma. Le réacteur en verre englobera à la fois le jet de plasma et l'échantillon de liquide, à l'exclusion de l'atmosphère environnante du système.
Cette méthode peut être utilisée pour tous les jets de plasma à pression atmosphérique en contact avec des solutions liquides.Par exemple, nous avons récemment présenté une étude de la source des espèces réactives de l'oxygène détectée dans un échantillon aqueux est exposé à plasma. Eau isotopiquement marquée a été utilisée pour faire la distinction entre les espèces formées dans le liquide et dans la phase gazeuse du système de solution jet de liquide plasmatique 15.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ici, nous démontrons l'utilisation d'une installation de plasma à la pression atmosphérique construite en interne. La cage de treillis métallique contribue à la réalisation des conditions de plasma reproductibles avec des interférences minimisée des champs externes, en même temps protéger les équipements sensibles à proximité des interférences et / ou dommages potentiels causés par les champs induits par plasma. Le blindage (encagement) de la configuration dépend du type de plasma utilisé et ses caractéristiques électriques. L'objectif est de garantir l'absence d'interférence externe sur le fonctionnement de plasma et d'éviter les champs de plasma interférer avec les équipements environnants. Dans ce cas, la taille de maille est de 22 mm, toutefois, la taille de maille réduite peut être requis pour différents plasmas. Les paramètres de fonctionnement du plasma ont été contrôlés à l'aide d'une tension et d'une sonde de courant connectée à un oscilloscope. L'introduction de la sonde haute tension change de manière significative l'environnement électrique, et donc la sonde doit devenir partie intégrante du système électrique et être poserioned la même manière dans toutes les expériences.
L'utilisation du réacteur en verre d'encapsulation de l'échantillon et le jet de plasma permet d'exclure l'atmosphère ambiante de la composition souvent inconnue du système réactionnel. Dans les résultats présentés (voir ci-dessus), il a été utilisé pour déterminer la source des espèces réactives de l'oxygène induite par plasma dans l'échantillon aqueux est exposé à l'effluent du plasma. Une telle étude est possible si les molécules de l'eau liquide et l'eau contenue dans le gaz d'alimentation (vapeur) peuvent être différenciés. Pour déterminer si les radicaux hydroxyle ont été formés dans la phase gazeuse ou à partir des molécules d'eau liquide, isotopiquement marqué de l' eau a été introduite: H 2 O 17 en tant que milieu liquide, H 2 O 16 vapeur dans le gaz d'alimentation. Si un essai hypothétique a été effectuée dans une atmosphère ouverte, en distinguant entre les deux phases aurait été entravée par la présence de la vapeur d'eau dans l'air environnant. Unméthode alternative pour minimiser l'influence de l'atmosphère ambiante a été démontré dans la littérature, dans laquelle la diffusion des espèces de l'atmosphère dans l'effluent du plasma a été empêchée en utilisant un gaz de protection 17. Le gaz de protection (N 2 ou O 2) crée un rideau de gaz avec une composition connue 18. Le réacteur présenté dans ce manuscrit est un moyen simple de supprimer l'influence des composants de l'air ambiant (tels que la vapeur d'eau), et peut être utilisé avec les différents jets de plasma sans l'introduction du flux de gaz supplémentaire. Similaire au radical OH •, la source du radical H • peut être déterminée en utilisant un D 2 O / H 2 O du système. Le bon marché , le D 2 O peut également être introduit dans le gaz d'alimentation sous forme de vapeur , comme décrit ci – dessus.
La saturation du gaz avec la vapeur de H 2 O a été déterminée par pesée du flacon de Drechsel avant et après avoir fait barboter le courant de gaz Throuil gh. L'humidité relative ( à savoir, la saturation) du gaz est calculée par la quantité d'eau évaporée et le volume de gaz passé à travers.
A noter que dans les expériences prolongées, la température du liquide dans le flacon de Drechsel peut diminuer en raison de l'évaporation. L'humidité relative est calculée pour une température spécifique. Les valeurs calculées sont ensuite comparées à celles de la littérature 19 pour déterminer l'humidité relative du gaz d'alimentation. Nous avons découvert de façon empirique qu'un courant allant jusqu'à 2 slm de He à travers un Drechsel rempli d'eau flacon complètement sature le gaz avec de la vapeur d'eau. Cependant, les débits élevés peuvent ne pas laisser le temps de séjour suffisant du gaz dans le liquide pour la pleine saturation. D'autres techniques de saturation peuvent être nécessaires.
Une autre tâche difficile est d'assurer que l'air environnant est présent dans le système. Le réacteur est pré-rincé avec le gaz d'alimentation pour éliminer l'air résiduel.Le temps nécessaire pour le pré-rinçage dépendra du volume du réacteur et le débit du gaz d'alimentation. L'absence de diffusion de l'air ambiant extérieur et l'entraînement dans le système tel qu'un système de plasma gazeux d'alimentation à l'hélium peut être testée en utilisant un • Pas de réaction de piégeage de radicaux libres. L' oxyde nitrique généré par le plasma à partir de N 2 et O 2 molécules d'air peut être détecté par RPE comme un produit d' addition radicalaire du (MGD) 2 Fe 2+ complexe 20 (MGD = N – méthyl-D-glucamine dithiocarbamate). Dans le cas de l'absence totale d'air, le signal RPE du produit d'addition est pas observée. L'absence de molécules d'eau externe dans le réacteur peut être démontrée par l'expérience suivante. Un échantillon de liquide de D 2 O est exposé à un plasma à sec de gaz d'alimentation. L'analyse par RMN de l'échantillon post-exposition révèle la quantité de H 2 O introduit dans le liquide au cours de l'exposition. Ceci permet d'estimer la quantité de H 2 O résiduel dans le Tubinesg utilisé pour le gaz d'alimentation 15 dans l'expérience.
La conception du conteneur d'échantillon est crucial dans le travail expérimental. Dans un premier temps, nous avons essayé en utilisant des tubes en plastique et microtubes de verre. Ensemble, avec le flux de gaz relativement élevée d'alimentation de plasma, le petit diamètre de l'ouverture ne laisse pas l'air environnant pénétrer dans le tube de microcentrifugation. Cependant, ceci présente de nombreux inconvénients. Le plasma présentait arquées et une grande augmentation de la température à proximité des bords du tube de microcentrifugeuse. La fourniture de l'espèce à partir de la phase gazeuse dans le liquide a également été significativement moins efficace en raison de la dynamique différente de la phase gazeuse et de la faible surface spécifique (et un grand volume) de l'échantillon liquide. Ainsi, la surface de l'échantillon liquide est essentielle pour la livraison des espèces réactives de la phase gazeuse à l'échantillon liquide. Ceci est particulièrement important pour les radicaux de courte durée. Le récipient d'échantillon liquide doit donc être conçu pour permettre l'expositionliquide pour avoir une surface spécifique élevée pour la diffusion efficace. L'échantillon devrait aussi avoir une faible profondeur de minimiser les limitations liées à la convection de l'échantillon liquide. Il faut tenir compte du fait que les flux de gaz élevée et plus particulièrement avec le plasma enflammé créer des perturbations significatives à la surface de l'échantillon de liquide 21. Par conséquent, le conteneur d'échantillon a une forme en forme de puits ayant un diamètre et une profondeur nécessaire pour l'expérience particulière. La hauteur du support sur lequel le puits est positionné peut être ajustée aux besoins expérimentaux. Le joint en caoutchouc à travers lequel le jet de plasma est introduit dans le réacteur permet de changer l'angle de l'effluent avec le liquide de contact.
La méthode présentée permet d' étudier l'origine des espèces réactives (• OH • H, etc.) induite dans le liquide par un champ parallèle à jet de plasma à fréquence kHz. Le procédé utilisant un réacteur en verre entourant le jet ne se limite pas à la described conditions et peut être utilisé avec d'autres plasmas à pression atmosphérique. La méthode permet l' introduction d'aucun adjuvant pour le gaz d'alimentation: vapeur, O 2, N 2, etc. Parmi ses autres avantages est la possibilité d'effectuer des mesures optiques à l' intérieur, bien que dans cette qualité optique en verre de quartz de cas doit être utilisé comme un réacteur Matériel. Le tuyau d'échappement dans la partie inférieure du réacteur permet d'utiliser le jet de plasma dans pratiquement n'importe quel laboratoire: le gaz d'échappement peut être reliée par l'intermédiaire d'un tube en plastique à une hotte d'extraction à distance. Le concept de réacteur est polyvalent et peut être utilisé dans la recherche de différents plasmas où l'atmosphère contrôlée est nécessaire. Par exemple, la polymérisation du styrène , est inhibée par des espèces d'oxygène 22, mais il peut être observé dans le réacteur lorsque le styrène liquide est exposé au plasma de gaz d'alimentation d'hélium.
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).
