Bir Atmosfer Basıncı Plazma Kurulum Reaktif Türler Oluşumu Araştırma
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
Termal olmayan atmosfer basıncı ( 'soğuk') plazmalar nedeniyle önemli biyomedikal potansiyeli son yıllarda artan ilgi görmüştür. Çevre atmosferle soğuk plazma reaksiyonları etkinliğini tanımlayabilir reaktif türlerin çeşitli verir. soğuk plazma tedavisinin etkili gelişme kinetik modeller gerektirirken, model kıyaslama ampirik veriler ihtiyacı var. plazmaya maruz kalan sulu çözeltilerde tespit reaktif türlerin kaynağı Deneysel çalışmalar hala çok azdır. Bu tür araştırmalar vardır (H 2, vb Ey buharı, O 2, N 2, hava) Biyomedikal plazma genellikle He veya Ar besleme gazı ile çalıştırılır ve belirli bir faiz çeşitli gaz katkılarla plazması tarafından üretilen reaktif türlerin araştırılması yatıyor plazma atık ile temas içinde çevre atmosferini kontrol zorluklar nedeniyle çok karmaşık. Bu çalışmada, 'yüksek' gerilimin ortak konuları elekHz frekans plazma jeti deneysel çalışmalar tahrik. Bir reaktör plazma sıvı sisteminden ortam atmosferine dışlanmasını sağlayan geliştirilmiştir. Sistem böylece katkılar ve sıvı numune bileşenleri ile besleme gazı oluşur. Bu kontrollü bir atmosfer O-su buharı plazma sulu çözeltiler içinde, reaktif oksijen türlerinin kaynağı araştırılmasını sağladı. izotopik olarak etiketlenmiş su kullanımı, gaz fazında, kaynak tür ve sıvı oluşturulanlar arasında ayrım izin verdi. Plazma ekipmanı herhangi bir harici alanın olası etkisini ortadan kaldırmak için bir Faraday kafesi içinde kontrol altına alındı. Kurulum çok yönlüdür ve ayrıca soğuk plazma sıvı etkileşimler kimya anlamada yardımcı olabilir.
Introduction
Düşük sıcaklık, atmosferik basınç plazmalar (LTPS) nedeniyle biyomedikal uygulamalarda 1-3 onların engin potansiyeli son yıllarda artan ilgisini çekmiştir. Çevre atmosferi ile temas ettiği zaman, LTP reaktif oksijen ve nitrojen (RONS) 2,4 çeşitli üreten (N2, O 2 H2O buhar) hava moleküler içeriği ile reaksiyona girer. (-, • H • NO, vb • OH • OOH / O 2) • Bunlar arasında (örneğin hidrojen peroksit, ozon, nitrit ve nitrat anyonlar gibi) nispeten istikrarlı türler ve son derece reaktif radikaller vardır. Ilk önce gaz fazında üretilmiş Bu türler, ayrıca, biyolojik substrat 5 plazma tarafından sağlanmaktadır. RONS yüzeyler ile etkileşim ve böylece antimikrobiyal, antikanser ve LTP 6-8 antiviral etkileri tanımlar.
LTP tedavilerin geliştirilmesi reaksiyonların karmaşık modelleme gerektirirRONS 9. Su, biyolojik ortamda bir parçasıdır, ve sulu faz reaksiyonları önemli ölçüde sistemin karmaşıklığını artırır. Gaz fazı plazma araştırılması yaygın optik emisyon spektroskopisi, lazer kaynaklı floresan, kızıl ötesi spektroskopisi, kütle spektrometrisi (MS) gibi 10-12 dahil olmak üzere çeşitli analitik teknikler kullanılarak gerçekleştirilir. Aynı zamanda, sıvı fazda tespit türlerin ayrıntılı araştırmalar hala çok azdır. Mevcut raporlar sulu çözeltiler 13,14 nöronlar tespiti vb sitometrisi UV ve elektron para-manyetik rezonanstır (EPR) spektroskopi, gibi çeşitli analitik yöntemlerin kullanımını tarif eder. EPR sıvı radikal tespiti için en doğrudan yöntem biridir. Ancak, birçok radikal türler nedeniyle kısa yaşam süresi EPR tarafından tespit edilemez. Bu gibi durumlarda, yakalama sıkma sıklıkla kullanılmaktadır. Spin bir bileşik (spin trap) içeren bir teknik yakalama whIch hızlı ve selektif (DMPO-OH, ilave maddesinin oluşturulması, ör DMPO hidroksil kökü ile reaksiyona giren), daha kalıcı bir kökü ilave maddeyi elde etmek için bir radikal ile reaksiyona girer.
Plazma sıvı etkileşim çalışmalarında ortak zorluklar plazma atık etrafında çevre atmosfer ve diğer etkenleri (dış alanları, çevreye duyarlı güç kaynağı parçaları, vs.) kontrol edememe vardır. Burada, ameliyat plazma ve plazma jet nozul etrafında bir in-house inşa reaktör içeren bir metal örgü halinde oluşan bir kurulum kullanımını göstermek. metal örgü önemli ölçüde geliştirilmiş tekrarlanabilirlik ve plazma jetinin genel işlerliğinin sağlayan Faraday kafesi olarak hizmet vermektedir. cam reaktör plazma jet ve sistemden çevreleyen atmosfer hariç sıvı örneği, hem de kapsüller.
Bu yöntem, sıvı çözeltiler ile temas herhangi bir atmosferik basınçlı plazma jeti için de kullanılabilirler.Örneğin, son zamanlarda plazmaya maruz sulu numunede saptanan reaktif oksijen türlerinin kaynağı soruşturma sundu. Izotopik etiketli su sıvı ve plazma jet, sıvı çözelti sisteminin 15 gaz fazında oluşan türler arasında ayrım yapmak için kullanıldı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, bir-house inşa atmosferik basınç plazma kurulum kullanımını göstermek. metal örgü kafes herhangi plazma kaynaklı alanlara göre olası müdahale ve / veya hasar yakındaki hassas ekipmanları korumaktadır aynı zamanda dış alanlardan minimize girişim ile tekrarlanabilir plazma koşullarını sağlamak için yardımcı olur. kurulum koruyucu (caging) ameliyat plazma ve elektriksel özellikleri türüne bağlıdır. Amaç, plazma işlemi dış parazit olmamasını sağlamak ve ekipmanları çevreleyen müdahale plazma alanlarını kaçınmaktır. Bu durumda, göz boyutu Ancak, düşük örgü boyutu farklı plazmalar için gerekli olabilir 22 mm.'dir. Plazma işlemi parametreleri voltajı ve bir osiloskop bağlı bir akım probu kullanılarak kontrol edildi. yüksek gerilim probu giriş ölçüde elektrik çevreyi değiştirir ve bu nedenle prob elektrik sisteminin bir parçası haline gelmeli ve varsaymak edilecekDeneylerin her boyunca aynı şekilde içine dalan.
örnek ve plazma jet encapsulating cam reaktöre kullanımı reaksiyon sisteminden genellikle bilinmeyen kompozisyonun ortam atmosferine dışlanmasını sağlar. sunulan sonuçlar (vide supra), bu plazma çıkış akımı maruz sulu bir numune içinde plazma, reaktif oksijen türlerinin kaynağını belirlemek için kullanılmıştır. sıvı su molekülleri ve besleme gazı (buhar) su ayırt edilebilir eğer böyle bir soruşturma mümkündür. Hidroksil kökleri izotopik olarak etiketlenmiş bir su tanıtıldı, gaz fazında veya sıvı su moleküllerinden oluşan olup olmadığını belirlemek için: H, sıvı ortam olarak 2 17, O, besleme gazı içindeki H2 16 O buhar. Varsayımsal bir deney açık bir ortamda yapılan ise, iki faz birbirinden ayırt çevreleyen hava su buharı varlığı ile engellenmektedir olurdu. birçevreleyen atmosfer etkisini en aza indirmek için alternatif bir yöntem, plazma atık atmosferden türlerin yayılması koruyucu bir gaz 17 ile önlenmiştir olan literatürde gösterilmiştir. Koruyucu gaz (N2 veya O 2), bilinen bir bileşim 18, bir gaz perdesi oluşturur. Bu yazıda sunulan reaktör (su buharı gibi) ortam havası bileşenlerinin etkisini kaldırmak için basit bir yoludur, ve ek gaz akışının giriş olmadan farklı plazma jetleri ile kullanılabilir. • OH kökü benzer kökü • H kaynağı bir D2O / H2O sistemi kullanılarak tespit edilebilir. Yukarıda tarif edildiği gibi pahalı olmayan bir D 2 O da buhar olarak besleme gazının içine sokulabilir.
H2O buhar ile gaz doygunluğu önce Drechsel balon tartılarak ve gaz akışını Throu köpüren sonra belirlendiBunu gh. Gazın bağıl nemi (örn, doygunluk) elde su miktarı ve geçen gazın hacmi hesaplanır.
uzun süreli deneylerde, Drechsel şişede sıvının sıcaklığı buharlaşma nedeniyle azalabilir unutmayın. nem, belirli bir sıcaklık için hesaplanır. Hesaplanan değerler daha da besleme gazının görece neminin tespit literatürde 19 ile karşılaştırılmıştır. Ampirik bir su dolu Drechsel sayesinde o kadar 2 SLM bir akış tam şişe su buharı ile gaz doyurur keşfetmişlerdir. Ancak, yüksek akış oranları tam doygunluk için sıvı içindeki gazın yeterli ikamet süresi izin vermeyebilir. Diğer doygunluk teknikler gerekli olabilir.
Başka zorlu bir görev yok çevreleyen hava sistemde mevcut olduğunu garanti etmektedir. Reaktör artık havayı çıkarmak için besleme gazı ile önceden temizlenir.Ön yıkama için gerekli olan zaman, reaktör hacmi ve verilen gazın akışı bağlıdır. Böyle bir helyum besleme gazı, plazma sistemi, sisteme, dış ortam hava dağılımı ve sürüklenme yokluğunun • radikal tutucu reaksiyonu kullanılarak test edilebilir. N2 plazma ve O hava 2 moleküller tarafından oluşturulan nitrik oksit (MGD) 2 Fe sahip bir radikal adüktü 2+ kompleksi 20 (MGD = N-metil-D-glukamin ditiokarbamat) olarak EPR ile tespit edilebilir. havanın tam olmaması durumunda, kimyasal katkı EPR sinyal gözlenmez. reaktör içinde, dış su moleküllerinin yokluğu aşağıdaki deneyle gösterilebilir. D 2 O sıvı numune, kuru bir besleme gazı plazmaya maruz kalmaktadır. Maruz kalma sonrası numune NMR analizi maruz kalma sırasında sıvı getirilen H2O miktarını gösterir. Bu Tubin artık H2O miktarını tahmin etmek için izin verirg deneyde besleme gazının 15 için de kullanılır.
numune kabı tasarımı deneysel çalışma çok önemlidir. Başlangıçta, biz plastik ve cam mikrosantrifüj tüpler kullanılarak çalıştılar. Birlikte nispeten yüksek plazma besleme gaz akışı ile, açıklığın küçük çaplı çevreleyen hava ependorf tüp nüfuz izin vermez. Bununla birlikte, bu bir çok dezavantajları vardır. Plazma gerilmeye ve mikrosantrifüj tüp kenarlarında büyük sıcaklık artış göstermiştir. sıvı içine gaz fazından türlerin sağlanması, farklı gaz fazı dinamikleri ve sıvı numune düşük yüzey alanı (ve büyük bir hacim) da önemli ölçüde daha az etkili oldu. Bu nedenle, sıvı numune yüzey alanı, sıvı numune gaz fazından reaktif türlerin sağlanması için çok önemlidir. Bu kısa süreli radikalleri için özellikle önemlidir. Sıvı numune kabı nedenle maruz izin verecek şekilde tasarlanmış olmalıdırSıvı verimli difüzyon için yüksek yüzey alanına sahip. Numune sıvı numunenin konveksiyon ile ilgili sınırlamaları en aza indirmek için düşük derinliğe sahip olmalıdır. Gaz akışı yükseltilir ve özellikle de yanmış plazma ile sıvı numune 21 yüzeyinde önemli rahatsızlıklara oluşturmak dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, numune kabı özel deney için gerekli çap ve derinlikte bir kuyu gibi bir şekle sahiptir. iyi konumlandırılmış olduğu standının yüksekliği deney ihtiyaçlarına göre ayarlanabilir. Plazma jet reaktöre sokulduğu bir lastik kapak bu mümkün sıvı ile atık temas açısını değiştirmek mümkün kılar.
Bu çözümler reaktif türlerin bir kHz frekans paralel alan plazma jeti ile sıvı indüklenen (• OH, • lH, vs.) kaynağının inceleme sağlar. jet çevreleyen bir cam reaktör kullanılarak bir yöntem azalan sınırlı değildirkoşulları belirlemiş ve diğer atmosferik basınç plazmalar ile birlikte kullanılabilir. Bu durumda, optik kalite kuvars cam bir reaktör olarak kullanılır olması gerekir, ancak içindeki optik ölçümler yapma imkanı vardır, başka yararları arasında vs buhar, O2, N2,: Yöntem besleme gazı için bir katkı maddelerinin bir giriş sağlar malzeme. reaktörün alt kısmında egzos borusu hemen hemen herhangi bir laboratuar plazma jeti kullanarak sağlar: Egzoz uzak davlumbaz plastik boru ile bağlanabilir. Reaktör kavramı çok yönlü ve kontrollü atmosfer gereklidir farklı plazmaların araştırmalarda kullanılabilir. Örneğin, stiren polimerizasyonu oksijen türlerinin 22 tarafından inhibe edilir, fakat sıvı stiren helyum besleme gazı plazmaya maruz bırakıldığında reaktör içinde görülmektedir.
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).
