Атмосферное давление установки Плазменный по расследованию активных форм
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
Нетермические атмосферное давление ( «холодные») плазм получили повышенное внимание в последние годы в связи с их значительным биомедицинским потенциалом. Реакции холодной плазмы с окружающей атмосферой дают различные активные формы, которые могут определить его эффективность. В то время как эффективное развитие холодной плазмы терапии требует кинетических моделей, модель бенчмаркинга нуждается в эмпирических данных. Экспериментальные исследования источника активных форм, обнаруженных в водных растворах, подвергающихся плазме все еще являются дефицитными. Биомедицинские плазмы часто работает с He или Ar подачи газа, а также определенный интерес заключается в исследовании активных форм , генерируемых плазмой с различными газовыми примесями (O 2, N 2, воздух, H 2 O пар и т.д.) Такие исследования являются очень сложным из-за трудностей в управлении окружающей атмосферы в контакте с плазмой стоках. В этой работе, мы обратились общие вопросы "высокого напряжения"частота кГц приводом плазменной струи экспериментальные исследования. Реактор был разработан позволяет исключение окружающей атмосферы из плазмы-жидкостной системы. Таким образом, система состоит сырьевого газа с добавками и компонентами жидкой пробы. Это контролируемая атмосфера позволила исследование источника активных форм кислорода, индуцируемых в водных растворах с помощью плазмы паров Он воды. Использование меченных изотопами воды позволило различении видов, происходящих в газовой фазе, и те, которые образуются в жидкости. Плазменное оборудование содержится внутри клетки Фарадея, чтобы исключить возможное влияние любого внешнего поля. Установка является универсальным и может помочь в дальнейшем понимании холодной плазмы жидкости взаимодействий химии.
Introduction
Низкотемпературной плазмы атмосферного давления (LTPS) привлекли повышенное внимание в последние годы из – за их огромного потенциала для биомедицинских применений 1-3. При контакте с окружающей атмосферой, БПЛ реагирует с молекулярным содержанием воздуха (N 2, O 2, H 2 O) пара, создавая различные химически активного кислорода и азота (РОНС) 2,4. Среди них относительно стабильные частицы (такие как перекись водорода, озон, нитрит и нитрат – анионов) и обладающие высокой реакционной способностью радикалов (• ОН, • OOH / O 2 • -, • Н, • НЕТ, и т.д.). Эти виды, первоначально сгенерированные в газовой фазе, дополнительно поставляется плазмой с биологической подложкой 5. РОНС взаимодействуют с подложками и тем самым определяют противомикробным, противоопухолевым и противовирусные эффекты LTP 6-8.
Развитие LTP терапии требует сложного моделирования реакцийРОНС 9. Вода является неотъемлемой частью биологической среды, и реакции в водной фазе увеличивают сложность системы резко. Исследование газовой фазы плазмы широко осуществляется с использованием различных аналитических методов, в том числе оптические эмиссионной спектроскопии, лазерной индуцированной флуоресценции, инфракрасной спектроскопии, масс – спектрометрии (МС) и т.д. 10-12. В то же время, детальное изучение видов, обнаруженных в жидкой фазе до сих пор не хватает. Доступные отчеты описывают использование различных аналитических методов , таких как УФ и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) спектроскопии, цитометрии и т.д. для обнаружения РОНС в водных растворах 13,14. ЭПР является одним из наиболее прямых методов радикального обнаружения в жидкости. Тем не менее, многие радикальные частицы не могут быть обнаружены с помощью ЭПР из-за их короткого времени жизни. В этих случаях спин улавливание часто используется. Спин захвата технику с участием соединения (Спинозахватывающее) ВГIch быстро и селективно реагирует с радикалом с образованием более стойких радикальной аддукта (например, ДМПО реагирует с гидроксильным радикалом, образуя ДМПО-ОН – аддукт).
Общие проблемы в исследованиях взаимодействия плазмы жидкости являются неспособность контролировать окружающую атмосферу вокруг плазмы сточных вод и других мешающих факторов (внешних полей, экологически чувствительной части питания и т.д.). Здесь мы демонстрируем использование установки, включающей в случае металлической сетки, содержащей обслуживаемое плазму и в доме построен реактор вокруг плазменной струи сопла. Металлическая сетка служит в качестве клетки Фарадея, что позволяет значительно улучшить воспроизводимость и общую работоспособность плазменной струи. Стеклянный реактор инкапсулирует и плазменной струи и жидкий образец, исключая окружающую атмосферу из системы.
Этот способ может быть использован для любого атмосферного давления плазмы струи в контакте с жидкими растворами.Например, недавно мы представили исследование источника активных форм кислорода, обнаруженных в водном образце воздействию плазмы. Меченные изотопами воду использовали для различения частиц , образующихся в жидкости и в газовой фазе системы раствора струйно-жидкостной плазмы 15.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь мы демонстрируем использование построенной установки плазменного атмосферного давления в доме. Клетка металлическая сетка помогает достичь воспроизводимых условий плазмы с сведено к минимуму помех от внешних полей, в то же время защищая рядом чувствительного оборудования от возможных помех и / или повреждения любыми плазменно-индуцированных полей. Экранирование (арретирования) от установки, зависит от типа управляемой плазмы и его электрические характеристики. Цель состоит в том, чтобы обеспечить отсутствие внешних помех на работу плазменной и избежать плазменных полей мешают окружающее оборудование. В этом случае размер ячейки 22 мм, однако, уменьшается размер сетки может потребоваться для различных плазм. Технологические параметры плазмы контролировались с помощью напряжения и тока датчика, подключенного к осциллографу. Введение высокого напряжения зонда существенно изменяет электрическую среду, и, следовательно, зонд должен стать частью электрической системы и быть постулироватьподкладку таким же образом на протяжении всех экспериментов.
Использование стеклянного реактора, инкапсулирующего образец и плазменной струи позволит исключить окружающую атмосферу часто неизвестного состава из реакционной системы. В представленных результатов (смотри выше), он был использован для определения источника плазмы индуцированных активных форм кислорода в водном образце подвергается воздействию плазмы вытекающего потока. Такое исследование возможно, если молекулы жидкой воды и воды в исходном газе (пара) можно дифференцировать. Для того, чтобы определить , были ли сформированы гидроксильные радикалы в газовой фазе , или из жидких молекул воды, меченные изотопами воду вводили: Н 2 O 17 в качестве жидкой среды, H 2 O 16 пар в сырьевом газе. Если гипотетический эксперимент был проведен в открытой атмосфере, различие между этими двумя фазами были бы затруднены наличием водяного пара в окружающем воздухе.Альтернативный метод , чтобы минимизировать влияние окружающей атмосферы была продемонстрирована в литературе, в которой была предотвращена диффузия веществ из атмосферы в плазму с помощью выходящего потока защитного газа 17. Защитный газ (N 2 или O 2) создает газовую завесу с известной композицией 18. Реактор представлен в этой рукописи является простым способом устранения влияния окружающих компонентов воздуха (например, водяной пар), и могут быть использованы с различными плазменных струй без введения дополнительного потока газа. По аналогии с • радикала ОН, источник • H радикал может быть определена путем использования D 2 O / H 2 O системы. Недорогое D 2 O , также могут быть введены в сырьевом газе в виде пара , как описано выше.
Насыщение газа с H 2 O паров определяли перед взвешиванием колбы Drechsel и после того, как кипящий поток газа throuGh его. Относительная влажность (т.е. насыщение) газа вычисляется по количеству испаренной воды и объема газа , прошедшего через.
Обратите внимание, что в длительных экспериментах, температура жидкости в колбе Drechsel может уменьшаться из-за испарения. Относительная влажность рассчитывается для конкретной температуры. Рассчитанные значения дополнительно по сравнению с теми , в литературе 19 , чтобы определить относительную влажность подаваемого газа. Мы эмпирически обнаружили, что поток до 2 слм гелия через заполненную водой Drechsel колбу полностью насыщает газ с водяным паром. Однако повышенные скорости потока не может обеспечить достаточное время пребывания газа в жидкости для полного насыщения. Другие способы насыщения может потребоваться.
Еще одной сложной задачей является обеспечение того, что ни окружающего воздуха не присутствует в системе. Реактор предварительно продувают подаваемого газа с целью удаления остаточного воздуха.Время, необходимое для предварительной промывки будет зависеть от объема реактора и поток подаваемого газа. Отсутствие внешней диффузии атмосферного воздуха и уноса в систему, таких как система подачи газа плазмы гелий может быть протестирована с использованием не • NO радикальной реакции захвата. Оксид азота генерируется плазма из N 2 и О 2 молекулы воздуха могут быть обнаружены с помощью ЭПР в качестве радикального аддукта (MGD) 2 Fe 2+ 20 (MGD = N – метил-D-глюкаминовая дитиокарбаматной). В случае полного отсутствия воздуха, сигнал ЭПР аддукта не наблюдается. Отсутствие внешних молекул воды в реакторе, может быть продемонстрирована с помощью следующего эксперимента. Жидкий образец D 2 O подвергается воздействию сухой плазмы сырьевого газа. ЯМР – анализ образца после воздействия показывает количество H 2 O , привезенные в жидкости во время экспозиции. Это позволяет оценить количество остаточного H 2 O в тубинскимг используется для подачи газа 15 в эксперименте.
Конструкция контейнера образца имеет решающее значение в экспериментальной работе. Сначала мы попытались использовать пластиковые и стеклянные трубки микроцентрифужных. Вместе с относительно высоким потоком подачи плазмообразующего газа, малый диаметр отверстия не пропускает окружающий воздух проникает в микроцентрифужных трубку. Тем не менее, это имеет много недостатков. Плазма выставлены изогнуты и на значительное увеличение температуры вблизи краев трубки микроцентрифужных. Доставку вида из газовой фазы в жидкость была также значительно менее эффективным из-за различной динамики газовой фазы и областью низкого поверхности (и большой объем) жидкого образца. Таким образом, площадь поверхности жидкого образца имеет решающее значение для доставки активных форм из газовой фазы в жидкой пробе. Это особенно важно для короткоживущих радикалов. Таким образом, контейнер жидкий образец должен быть разработан, чтобы позволить обнаженныйжидкость, чтобы иметь большую площадь поверхности для эффективной диффузии. Образец должен также иметь низкую глубину, чтобы минимизировать конвекционные связанные ограничения жидкой пробы. Следует принимать во внимание , что повышенные потоков газа и особенно с зажженной плазмы создают значительные помехи на поверхности жидкого образца 21. Поэтому контейнер образец имеет хорошо-образную форму с диаметром и глубиной, необходимой для конкретного эксперимента. Высота стенда, на котором расположена скважина может быть скорректирована на экспериментальных потребностей. Резиновая изолирующая втулка, через которую струя плазмы вставляется в реактор дает возможность изменить угол контакта эффлюента с жидкостью.
Представленный метод позволяет исследовать источник активных форм (• ОН, • H и т.д.) , наведенный в жидкости с частотой кГц параллельным полем плазменной струи. Способ применения стеклянный реактор, окружающий струю не ограничивается ДЕСКribed условия, и могут быть использованы с другими плазмы атмосферного давления. Способ позволяет введение каких – либо примесей в подаваемом газе: пара, O 2, N 2 и т.д. Среди других его преимуществ является возможность проведения оптических измерений внутри него, хотя в этом случае оптическое качество кварцевого стекла должен быть использован в качестве реактора материал. Выпускная труба в нижней части реактора, позволяет использовать плазменную струю практически в любой лаборатории: выхлоп могут быть соединены с помощью пластиковой трубки с капюшоном удаленной экстракции. Концепция реактора является универсальным и может быть использовано в исследованиях различных плазм, где требуется контролируемая атмосфера. Например, полимеризация стирола ингибируется вида 22 кислорода, но может наблюдаться в реакторе , когда жидкий стирол подвергается воздействию плазмы подачи газообразного гелия.
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).
