Ein Atmosphärendruck-Plasma-Setup die reaktive Spezies Formation zur Untersuchung
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
Nichtthermischen Normaldruck ( "kalten") Plasmen haben erhöhte Aufmerksamkeit in den letzten Jahren aufgrund ihrer signifikanten biomedizinischen Potential. Die Reaktionen von kaltem Plasma mit der umgebenden Atmosphäre, um eine Vielzahl von reaktiven Spezies ergeben, die ihre Wirksamkeit definieren. Während effiziente Entwicklung von Kaltplasma-Therapie kinetische Modelle erfordert, braucht Modell Benchmarking empirischen Daten. Experimentelle Untersuchungen der Quelle reaktiver Spezies in wässrigen Lösungen Plasma ausgesetzt detektiert sind noch knapp. Biomedical Plasma wird häufig mit He oder Ar Speisegas betrieben wird , und ein besonderes Interesse liegt in Untersuchung der reaktiven Spezies , die durch Plasma mit verschiedenen Gasbeimengungen (O 2, N 2, Luft, H 2 O – Dampf, etc.) Solche Untersuchungen sind sehr komplex zu Schwierigkeiten durch in der Umgebungsatmosphäre in Kontakt mit dem Plasma Abflusses zu steuern. In dieser Arbeit haben wir uns häufig gestellte Fragen von "hohen" SpannungkHz Frequenzplasmastrahl experimentelle Studien angetrieben. Ein Reaktor wurde ermöglicht den Ausschluss von Umgebungsatmosphäre aus dem System Plasma-Flüssigkeit entwickelt. Das System besteht somit das Beschickungsgas mit Beimengungen und den Komponenten der flüssigen Probe. Diese kontrollierte Atmosphäre ermöglichte die Untersuchung der Quelle der reaktiven Sauerstoffspezies induziert in wässrigen Lösungen durch He-Wasserdampfplasma. Die Verwendung von isotopisch markiertem Wasser erlaubt zwischen den Spezies unterscheiden, in der Gasphase und die in der Flüssigkeit gebildet Ursprung. Die Plasmaanlage wurde in einem Faradayschen Käfig enthalten sind mögliche Einfluss eines äußeren Feldes zu beseitigen. Das Setup ist vielseitig und in weiteren Verständnis der kalten Plasma-Flüssigkeit-Wechselwirkungen Chemie helfen können.
Introduction
Niedertemperatur – Atmosphärendruckplasmen (LTP) haben eine erhöhte Aufmerksamkeit in den letzten Jahren angezogen aufgrund ihrer großen Potenzial für biomedizinische Anwendungen 1-3. Bei Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre reagiert LTP mit molekularem Gehalt von Luft (N 2, O 2, H 2 O – Dampf), die eine Vielzahl von reaktiven Sauerstoff und Stickstoffspezies (RONS) -2,4 zu erzeugen. Unter diesen sind relativ stabile Spezies (wie Wasserstoffperoxid, Ozon, Nitrit und Nitrat – Anionen) und hochreaktiven Radikalen (• OH, • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Diese Arten, erzeugt zunächst in der Gasphase, werden durch das Plasma auf dem biologischen Substrat 5 geliefert. RONS mit Substraten in Wechselwirkung treten und somit die antimikrobielle, Anti – Krebs und antivirale Wirkung von LTP 6-8 definieren.
Die Entwicklung von LTP Therapien erfordert komplexe Modellierung der Reaktionen von9 RONS. Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil des biologischen Milieus und die Reaktionen in der wässrigen Phase, die die Komplexität des Systems erheblich steigern. Die Untersuchung der Gasphasen – Plasma wird allgemein unter Verwendung von verschiedenen analytischen Techniken durchgeführt, einschließlich optischer Emissionsspektroskopie, Laser – induzierte Fluoreszenz, Infrarotspektroskopie, Massenspektrometrie (MS) usw. 10-12. Zur gleichen Zeit, detaillierte Untersuchungen der Spezies in der flüssigen Phase nachgewiesen sind noch knapp. Verfügbaren Berichte beschreiben die Verwendung von verschiedenen analytischen Methoden, wie UV- und Elektronenspinresonanz (EPR) -Spektroskopie, Cytometry, etc. für den Nachweis von RONS in wässrigen Lösungen 13,14. EPR ist einer der direktesten Methoden zur Radikal Detektion in der Flüssigkeit. Allerdings können viele radikale Spezies nicht durch EPR aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer nachgewiesen werden. In diesen Fällen wird Spin Trapping häufig verwendet. Spin eine Technik Einfangen einer Verbindung (Spin-Trap) beteiligt which schnell und selektiv reagiert mit dem Rest , der einen beständigeren Radikaladdukt zu erhalten (zB DMPO mit dem Hydroxyl – Radikal reagiert, DMPO-OH – Addukt bilden).
Die gemeinsamen Herausforderungen in Plasma-Flüssig – Wechselwirkungsstudien sind die Unfähigkeit , die Umgebungsatmosphäre um den Plasma Abstrom und andere Störfaktoren (externe Felder, umweltempfindliche Stromversorgungsteile, etc.) zu steuern. Hier zeigen wir die Verwendung einer Einrichtung, bestehend aus einem Metallgitter Fall das operierte Plasma enthalten, und ein hauseigenes gebaut Reaktor um den Plasmastrahl-Düse. Das Metallgitter dient als Faraday-Käfig, wodurch deutlich verbesserte Reproduzierbarkeit und allgemeine Funktionsfähigkeit des Plasmastrahls. Der Glasreaktor kapselt sowohl den Plasmastrahl und die flüssige Probe, ohne die Umgebungsatmosphäre aus dem System.
Dieses Verfahren kann für jede Atmosphärendruck Plasmastrahl in Kontakt mit flüssigen Lösungen eingesetzt werden.Zum Beispiel haben wir vor kurzem eine Untersuchung der Quelle der reaktiven Sauerstoffspezies in einer wässrigen Probe zu Plasma ausgesetzt detektiert. Isotopisch markiertem Wasser wurde verwendet , um zwischen den Arten in der flüssigen und in der Gasphase des Plasmastrahl-Flüssig – Lösungssystem 15 gebildet zu unterscheiden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier zeigen wir die Verwendung eines in-Haus gebaut Atmosphärendruck-Plasma-Setup. Das Metallmaschenkäfig hilft mit minimierten Störung von äußeren Feldern, die gleichzeitig den Schutz in der Nähe empfindlicher Geräte vor möglichen Störungen und / oder Schäden durch irgendwelche plasmainduzierten Felder reproduzierbaren Plasmabedingungen zu erreichen. Die Abschirmung (caging) der Einrichtung hängt von der Art der betriebenen Plasma und seine elektrischen Eigenschaften. Das Ziel ist die Abwesenheit von externen Störungen auf der Plasmabetrieb zu gewährleisten und die Plasma Störfelder mit umgebenden Geräte zu vermeiden. In diesem Fall ist die Maschenweite 22 mm, kann jedoch reduziert Maschenweite für verschiedene Plasmen erforderlich. Die Plasmabetriebsparameter wurden gesteuert, um eine Spannung und eine Stromsonde mit einem Oszilloskop verbunden. Die Einführung der Hochspannungssonde erheblich ändert die elektrische Umgebung, und deshalb muss die Sonde Teil des elektrischen Systems geworden und postulieren werdenioned die gleiche Weise in allen der Experimente.
Die Verwendung des Glasreaktor, der Probe und des Plasmastrahls Einkapselung ermöglicht Ausschluß der Umgebungsatmosphäre häufig unbekannter Zusammensetzung aus dem Reaktionssystem. In den vorgestellten Ergebnisse (vide supra), wurde es verwendet, um die Quelle der plasmainduzierten reaktiven Sauerstoffspezies in der wässrigen Probe dem Plasma Abstrom ausgesetzt zu bestimmen. Diese Untersuchung ist möglich, wenn die Moleküle des flüssigen Wassers und das Wasser in dem Beschickungsgas (Dampf) unterschieden werden können. Um zu bestimmen , ob die Hydroxylradikale wurden in der Gasphase oder aus den flüssigen Wassermoleküle gebildet, isotopisch markiertem Wasser eingeführt wurde: H 2 17 O als flüssiges Medium, H 2 16 O – Dampf in dem Speisegas. Wenn ein hypothetischer Experiment wurde in einer offenen Atmosphäre durchgeführt wird, würde zwischen den beiden Phasen unterscheiden, durch die Anwesenheit von Wasserdampf in der Umgebungsluft behindert wurden. Einalternative Methode , um den Einfluss der Umgebungsatmosphäre zu minimieren , wurde in der Literatur gezeigt, in denen die Diffusion der Spezies aus der Atmosphäre in das Plasma Ausfluß verhindert wurde 17 ein Schutzgas verwendet wird . Das Schutzgas (N 2 oder O 2) erzeugt einen Gasvorhang mit einer bekannten Zusammensetzung 18. Der Reaktor in diesem Manuskript dargestellt ist eine einfache Weise, den Einfluß der Umgebungsluft Komponenten (wie Wasserdampf) zu entfernen, und kann mit verschiedenen Plasmastrahlen ohne die Einführung des zusätzlichen Gasstromes verwendet werden. Ähnlich wie bei dem • OH – Radikals, die Quelle des H • Rest kann durch Verwendung eines D 2 O / H 2 O – System bestimmt werden. Die preiswerte D 2 O können auch in dem Speisegas als Dampf , wie oben beschrieben eingeführt werden.
Die Sättigung des Gases mit H 2 O – Dampf wurde , bevor durch Wiegen des Drechsel Kolben bestimmt und nach der Strömungsgas eingeblasen through es. Die relative Feuchtigkeit (dh Sättigung) des Gases wird durch die Menge des Wassers verdampft und das Gasvolumen durchlaufen berechnet.
Man beachte, dass in längeren Experimenten wurde die Temperatur der Flüssigkeit in dem Drechsel-Kolben aufgrund der Verdampfung kann abnehmen. Die relative Feuchtigkeit ist für eine bestimmte Temperatur berechnet. Die berechneten Werte werden weiter im Vergleich mit denen in der Literatur 19 die relative Feuchtigkeit des Einsatzgases zu bestimmen. Wir haben empirisch herausgefunden, dass ein Strom von bis zu 2 slm He durch einen mit Wasser gefüllten Drechsel Kolben sättigt vollständig das Gas mit Wasserdampf. Jedoch erlauben erhöhten Strömungsraten nicht ausreichend Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeit zur vollständigen Sättigung. Andere Sättigungstechniken erforderlich sein.
Eine weitere schwierige Aufgabe ist sicherzustellen, dass keine Umgebungsluft in dem System vorhanden ist. Der Reaktor wird mit dem Einsatzgas vorgespült die Restluft zu entfernen.Die Zeit für die Vorspülung erforderlich wird auf dem Volumen des Reaktors ab und der Strömung des Zufuhrgases. Das Fehlen von äußeren Umgebungsluftverteilung und Mitnahme in das System wie ein Gasplasmasystem Helium Feed kann eine • keine Radikalfänger Reaktion getestet werden. Stickstoffmonoxid erzeugt durch Plasma aus N 2 und O 2 -Moleküle von Luft kann durch EPR als Radikal Addukt des (MGD) 2 Fe 2+ -Komplex 20 (MGD = N – Methyl-D-glucamin dithiocarbamat) nachgewiesen werden. Im Falle der vollständigen Abwesenheit von Luft wird das EPR-Signal des Adduktes nicht beobachtet. Die Abwesenheit von externen Wassermoleküle in den Reaktor kann durch das folgende Experiment demonstriert werden. Eine flüssige Probe von D 2 O wird zu einem trockenen Speisegas Plasma ausgesetzt. Die NMR – Analyse der Nachbelichtung Probe zeigt die Menge an H 2 O in die Flüssigkeit während der Belichtung gebracht. Dies ermöglicht es, die Menge des Rest – H 2 O in der Tubin abzuschätzeng verwendet für das Speisegas 15 in dem Experiment.
Der Probenbehälter-Design ist von entscheidender Bedeutung bei der experimentellen Arbeit. Am Anfang haben wir mit Kunststoff und Glas-Mikrozentrifugenröhrchen versucht. Zusammen mit relativ hohen Plasmazufuhrgasstrom, der kleine Durchmesser der Öffnung lässt nicht die umgebende Luft in das Mikrozentrifugenröhrchen durchdringen. Dies hat jedoch viele Nachteile. Das Plasma zeigte Aufwölbung und großen Temperaturanstieg in der Nähe der Ränder des Mikrozentrifugenröhrchens. Die Lieferung der Spezies aus der Gasphase in die Flüssigkeit wurde ebenfalls signifikant weniger effizient aufgrund der unterschiedlichen Gasphasendynamik und der geringen Oberfläche (und große Volumen) der flüssigen Probe. Somit ist die Oberfläche der Flüssigkeitsprobe entscheidend für die Bereitstellung der reaktiven Spezies aus der Gasphase zu der flüssigen Probe. Dies ist besonders wichtig für die kurzlebigen Radikalen. Der Flüssigkeitsprobenbehälter muss daher ausgelegt sein, die freiliegende zu ermöglichenFlüssigkeit mit hoher Oberfläche für eine effiziente Diffusion zu haben. Die Probe sollte auch eine geringe Tiefe haben, die Konvektion bezogenen Einschränkungen der Flüssigkeitsprobe zu minimieren. Es muss berücksichtigt werden , dass Gasströme erhöht und vor allem mit gezündeten Plasma zu erheblichen Störungen an der Oberfläche der flüssigen Probe 21. Daher weist der Probenbehälter eine wannenartige Form mit einem Durchmesser und Tiefe für den speziellen Versuch benötigt. Die Höhe des Ständers, auf dem das gut positioniert ist, kann auf experimentelle Bedürfnisse angepasst werden. Die Gummitülle, durch welche der Plasmastrahl in den Reaktor eingeführt wird, ist es möglich, mit der Flüssigkeit, den Kontaktwinkel des Abstroms zu ändern.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht Untersuchung der Quelle der reaktiven Spezies (• OH, • H, etc.) in der Flüssigkeit durch ein paralleles Feld Plasmastrahl kHz Frequenz induziert. Wobei das Verfahren einen Glasreaktor unter Verwendung des Strahl umgebenden ist nicht auf das beschränkt described Bedingungen, und kann mit anderen Atmosphärendruckplasmen verwendet werden. Das Verfahren ermöglicht Einführung irgendwelcher Zusatzmittel zu dem Speisegas: Dampf, O 2, N 2 usw. Unter ihren anderen Vorteilen ist die Möglichkeit , optische Messungen im Inneren der Durchführung, obwohl in diesem Fall die optische Qualität Quarzglas als Reaktor verwendet werden müssen , Stoff. Das Abgasrohr in den unteren Teil des Reaktors ermöglicht, in praktisch jedem Labor den Plasmastrahl verwendet: das Abgas kann über Kunststoffschlauch zu einer entfernten Abzugshaube verbunden sein. Der Reaktorkonzept ist vielseitig und kann in der Forschung von verschiedenen Plasmen verwendet werden, wo kontrollierte Atmosphäre erforderlich ist. B. Polymerisation von Styrol wird durch die Sauerstoffspezies 22, hemmte aber kann in dem Reaktor beobachtet werden , wenn flüssiges Styrol zu dem Heliumzufuhrgasplasma ausgesetzt wird.
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).
