התקנת פלזמת לחץ אטמוספרה לחקר היווצרות המינים הריאקטיבי
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
פלזמות ללא תרמית בלחץ אטמוספרי ( "קרות") זכו לתשומת לב מוגברת בשנים האחרונות בשל הפוטנציאל ביו המשמעותי שלהם. התגובות של פלזמה קרה עם האווירה שמסביב להניב מגוון של מינים תגובתי, אשר יכולה להגדיר את יעילותו. בעוד פיתוח יעיל של טיפול פלזמה קר מצריך מודלים קינטית, בהשוואות מודל צריכים נתונים אמפיריים. מחקרים ניסיוניים של מקור מינים תגובתי זוהו בתמיסות מימיות חשופות פלזמה עדיין נדירים. פלזמת ביו לעתים קרובות מופעלת עם הוא או גז להאכיל Ar, לבין אינטרס ספציפי טמון החקירה של המינים תגובתי שנוצרו על ידי פלזמה עם מוספי גז שונים (O 2, N 2, אוויר, H 2 O אדי, וכו ') חקירות כאלה הן מורכב מאוד בשל קשיים בשליטה על אווירת הסביבה במגע עם קולחי הפלזמה. בעבודה זו, התייחסו בעיות נפוצות של מתח 'גבוה'תדירות kHz מונעת סילון פלזמת מחקרים ניסיוניים. כור פותחה המאפשר הדרת האווירה הסביבה ממערכת פלזמה נוזלי. המערכת ובכך היוותה את הגז להאכיל עם מוספים ואת מרכיבי המדגם הנוזלי. באווירה מבוקרת זו אפשרה את חקירת מקור מיני חמצן תגובתי המושרית בתמיסות מימיות ידי פלזמה אדי הוא מים. השימוש במי isotopically שכותרתו מותר הבחנה בין המינים שמקורם בשלב הגז ואלה יצרו בנוזל. ציוד הפלזמה כלול בתוך כלוב פאראדיי לחסל השפעה אפשרית של כל שדה חיצוני. ההתקנה היא צדדית והוא יכול לסייע נוסף להבנת כימית אינטראקציות פלזמת נוזל הקרה.
Introduction
פלזמות בלחץ אטמוספרי בעלי טמפרטורה נמוכה (LTPS) משכו תשומת לב מוגברת בשנים האחרונות בשל הפוטנציאל העצום שלהם עבור יישומים ביו 1-3. במגע עם אווירת הסביבה, LTP מגיב עם תוכן מולקולרי של אוויר (N 2, O 2, H 2 O אדי), יצירת מגוון מיני חמצן וחנקן תגובתי (הנוירונים) 2,4. בין אלה יחסית מינים יציבים (כגון מי חמצן, אוזון, ניטריט ואניונים חנקו) ורדיקלים תגובתי (• OH, • אווה / O 2 • -, • H, • NO, וכו '). מינים אלה, בתחילה שנוצרו בשלב הגז, מועברים עוד יותר על ידי הפלזמה למצע הביולוגי 5. הנוירונים אינטראקציה עם מצעים ובכך להגדיר את מיקרוביאלית, אנטי סרטני ואפקטים אנטי-ויראלית של LTP 6-8.
פיתוח טיפולי LTP דורש דוגמנות מורכבת התגובות שלהנוירונים 9. מים הם חלק חיוני של המילייה הביולוגי, והתגובות בשלב המימי להגדיל את המורכבות של המערכת באופן דרמטית. החקירה של הפלזמה פאזיים גז מתבצעת נרחבת בשיטות אנליטיות שונות, כוללים ספקטרוסקופית פליטה אופטית, קרינה הנגרם ליזר, גלאי אינפרא אדומים פסיביים, ספקטרומטריית מסה (MS), וכו '10-12. במקביל, חקירות מפורטות של המינים שזוהו בשלב הנוזל עדיין נדירות. דוחות זמינים לתאר את השימוש בשיטות שונות אנליטי כגון תהודת פאראמגנטיים UV אלקטרוני ספקטרוסקופיה (EPR), cytometry, וכו 'לצורך זיהוי של הנוירונים בתמיסות מימיות 13,14. EPR הוא אחת השיטות הישירות ביותר לגילוי רדיקלי בנוזל. עם זאת, מינים רבים רדיקליים לא יכולים להיות מזוהים על ידי EPR בשל זמן החיים הקצר שלהם. במקרים אלה, השמנת ספין משמשת לעתים קרובות. ספין השמנה טכניקה מעורבת (מלכודת ספין) מתחם ש"שich במהירות ובאופן סלקטיבי מגיב עם הרדיקלי להניב adduct הרדיקלי מתמשך יותר (למשל, DMPO מגיב עם רדיקלי הידרוקסיל, ויצרו adduct DMPO-OH).
האתגרים הנפוצים מחקרי אינטראקצית פלזמה נוזלית הם חוסר היכולת לשלוט על אווירת הסביבה ברחבי שפכי הפלזמה וגורמי מפריעים אחרים (שדות חיצוניים, חלקי אספקת חשמל רגיש לסביבה, וכו '). הנה, אנחנו מדגימים את שימוש התקנה הכולל מקרה רשת מתכת המכיל פלזמה פעלה כור בתוך הבית בנוי סביב נחיר סילון פלזמה. רשת המתכת משמשת כלוב פאראדיי, המאפשר שחזור שיפור משמעותי וכושר תפעולו הכללי של סילון הפלזמה. כור הזכוכית מתמצת הוא סילון פלזמת המדגם הנוזלי, למעט האווירה שמסביב מהמערכת.
שיטה זו יכולה להיות מועסקת על כל מטוס פלזמה בלחץ אטמוספרי במגע עם פתרונות נזילים.לדוגמא, אנו לאחרונה הצגנו חקירה של מקור מיני החמצן תגובתי זוהו מדגם מימי חשופי פלזמה. מים שכותרתו isotopically שמשו להבחין בין המינים נוצרו נוזלי הגז בשלב של פתרון מערכת סילון נוזל פלזמת 15.
Protocol
Representative Results
Discussion
הנה, אנחנו מדגימים את השימוש התקנה פלזמה בתוך הבית שנבנה בלחץ אטמוספרי. כלוב רשת המתכת עוזר להשיג תנאי פלזמה לשחזור עם הפרעה ממוזערת מתחומים חיצוניים, בעת ובעונה האחת להגן על ציוד סמוך רגיש מפני הפרעות אפשריות ו / או ניזק בכל שדות פלזמה מושרה. המיגון (כלובים) של ההתקנה תלוי בסוג של פלזמה מופעלת המאפיינים החשמליים שלה. המטרה היא להבטיח היעדר התערבות חיצונית על מבצע הפלזמה ולהימנע שדות הפלזמה מפריעה שמסביב ציוד. במקרה זה גודל הרשת הוא 22 מ"מ, עם זאת, גודל רשת מופחתת עשוי להידרש פלזמות שונות. הפרמטרים המבצע הפלזמה נשלטו באמצעות מתח בדיקה נוכחית חובר אוסצילוסקופ. המבוא של חללית מתח הגבוהה משנה את הסביבה החשמלית משמעותי, ולכן החללית חייבת להיות חלק של מערכת החשמל ולהיות מניחהioned באותו אופן לאורך כל הניסויים.
שימוש כור הזכוכית encapsulating מדגם סילון הפלזמה מאפשר הרחקה של אטמוספרת הסביבה של רכב לעתים קרובות ידוע ממערכת התגובה. בשנת התוצאות שהוצגו (לעיל vide), זה היה בשימוש כדי לקבוע את מקור מיני חמצן תגובתי נגרם פלזמה במדגם המימי חשופי קולחי הפלזמה. חקירה כזו היא אפשרית אם המולקולות של המים הנוזליים ושל מי הגז להאכיל (אדי) יכולים להיות מובחנות. כדי לקבוע אם רדיקלים הידרוקסיל נוצרו בשלב הגז או מן מולקולות מים הנוזליות, מים שכותרתו isotopically הוצגו: H 2 O 17 כמדיום הנוזלי, H 2 O 16 אדי גז ההזנה. אם ניסוי היפותטי נערך באווירה פתוחה, תוך הבחנה בין שני השלבים היו כבר הקשתה על ידי הנוכחות של אדי המים באוויר שמסביב.שיטה חלופית כדי למזער את ההשפעה של האווירה שמסביב הודגמה בספרות, שבה דיפוזיה של המינים מן האטמוספרה לתוך שפכי הפלזמה נמנעה באמצעות גז מגן 17. גז המיגון (N 2 או O 2) יוצר וילון גז עם רכב ידוע 18. הכור שהוצג בכתב היד הזה הוא דרך פשוטה להסיר את שפעת הרכיבים באוויר הסביבה (כגון אדי מים), וניתן להשתמש בו עם מטוסי פלזמה שונים ללא ההקדמה של זרימת גז הנוספת. בדומה • OH הרדיקלי, המקור • H הרדיקלי יכול להיקבע על ידי העסקת D 2 O / H 2 O מערכת. ה O הזול D 2 יכול גם להיות מוחדר גז העדכון בתור אד כמתואר לעיל.
הרוויה של הגז עם אדי H 2 O נקבעה על ידי שקילת בקבוק Drechsel לפני ואחרי מבעבע את זרימת גז throuGH זה. הלחות היחסית (כלומר, הרוויה) של הגז מחושבת לפי כמות המים התאדו היקף הגז עבר.
שים לב בניסויים ממושכים, הטמפרטורה של הנוזל בבקבוק Drechsel עשויה לקטון בשל ההתאדות. הלחות היחסית מחושבת עבור לטמפרטורה מסוימת. הערכים חושב מושווים נוספים עם אלה בספרות 19 כדי לקבוע את הלחות היחסית של גז ההזנה. גילינו אמפירי כי זרימה של עד 2 SLM של הוא דרך Drechsel מלא מי בקבוקון מלא מרווה הגז עם אדי מים. עם זאת, ספיקות גבוהות לא יכולות לאפשר זמן מגורים המספק של הגז בנוזל הרוויה מלאה. ייתכן שתידרשנה טכניקות רוויה אחרות.
עוד משימה מאתגרת היא להבטיח כי לא אוויר שמסביב קיים במערכת. הכור הוא מראש סמוק עם הגז להאכיל להסיר באוויר שיורית.הזמן הדרוש-שטיפה מראש יהיה תלוי בהיקף הכור ואת זרימת גז ההזנה. העדר דיפוזיה באוויר הסביבה החיצונית entrainment למערכת כגון מערכת פלזמה גז הליום להאכיל יכול להיבדק באמצעות • אין תגובה השמנה קיצונית. תחמוצת החנקן שנוצר על ידי פלזמה מ N 2 ו- O 2 מולקולות של אוויר יכול להיות מזוהים על ידי EPR בתור adduct הרדיקלי של (MGD) 2 Fe 2+ 20 מורכבים (MGD = N -methyl-D-glucamine dithiocarbamate). במקרה של העדר מוחלט של אוויר, האות EPR של adduct לא הוא ציין. היעדרם של מולקולות מים חיצוניות בכור ניתן להדגים על ידי הניסוי הבא. מדגם נוזלי של D 2 O חשוף פלזמת גז מזון יבשה. ניתוח התמ"ג של המדגם-החשיפה פוסט חושף את הסכום של H 2 O הביא לתוך הנוזל במהלך החשיפה. זה מאפשר לאמוד את הסכום של H 2 O שיורית של טוביןגרם משמש הגז להאכיל 15 בניסוי.
העיצוב מיכל המדגם הוא מכריע העבודה הניסויית. בתחילה, ניסינו באמצעות צינורות פלסטיק וזכוכית microcentrifuge. יחד עם זרימת גז להאכיל פלזמה גבוהה יחסית, הקוטר הקטן של הפתיחה אינו מאפשר את האוויר שמסביב לחדור צינור microcentrifuge. עם זאת, יש לכך חסרונות רבים. הפלזמה הציגה קימור ולהגדיל טמפרטורה גדולה ליד הקצוות של צינור microcentrifuge. המשלוח של המינים משלב הגז לתוך הנוזל היה גם באופן משמעותי פחות יעיל בגלל הדינמיקה בשלב תדלוק השונה ואת השטח הנמוך (ונפח גדול) של המדגם הנוזלי. לכן, שטח הפנים של מדגם הנוזל חיוני עבור המשלוח של מיני תגובתי משלב גז המדגם הנוזלי. זה חשוב במיוחד עבור רדיקלים הקצר המועד. מכולת המדגם הנוזלי ולכן צריכה להיות מתוכננת לאפשר חשוףלנוזל יש שטח פנים גבוה עבור דיפוזיה יעילה. המדגם צריך גם עומק נמוך כדי למזער את המגבלות הקשורות הסעה של המדגם נוזלי. זה חייב להילקח בחשבון כי מוגבה תזרים גז ובמיוחד עם פלזמה מתלקחת ליצור הפרעות משמעותיות על פני השטח של המדגם הנוזל 21. לכן, מכל המדגם יש צורה היטב כמו עם קוטר ועומק הנדרש לצורך הניסוי הספציפי. גובה עמדה אשר הבאר ממוקמת יכול להיות מותאם לצרכים ניסיוניים. Grommet הגומי שדרכו סילון הפלזמה מוכנס לתוך הכור מאפשר לשנות את זווית המגע של הקולחים עם הנוזל.
השיטה המוצגת מאפשרת חקירה של מקור המינים תגובתי (• OH, • H, וכו ') הנגרם בנוזל על ידי סילון פלזמת שדה מקביל תדירות kHz. שיטת העסקת כור זכוכית סביב הסילון אינה מוגבלת אל described תנאים, וניתן להשתמש בו עם פלזמות בלחץ אטמוספרי אחרות. השיטה מאפשרת הכנסה כל מוספים לגז ההזנה: אדי, O 2, N 2, וכו 'בין שאר היתרונות שלה היא האפשרות לקיים מדידות אופטיות בתוכו, אם כי זכוכית קוורץ באיכות אופטית במקרה זה חייב לשמש כור חוֹמֶר. צינור הפליטה בחלק התחתון של הכור מאפשר באמצעות סילון הפלזמה כמעט בכל מעבדה: המפלט יכול להיות מחובר דרך צינורות פלסטיק כדי ברדס חילוץ מרחוק. מושג הכור הוא תכליתי ויכול לשמש במחקר של פלזמות שונות שבם באווירה מבוקרת נדרשת. לדוגמא, פילמור של סטירן מעוכב על ידי מיני חמצן 22, אבל ניתן לראות את הכור כאשר סטירן הנוזלי חשופת פלזמת גז הליום ההזנה.
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).
