Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet

Judith Golda; Kerstin Sgonina; Julian Held; Jan Benedikt; Volker Schulz-von der Gathen

doi:10.3791/61801

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

Обработка поверхностей плазмой холодного атмосферного давления с помощью COST-Jet

Published: November 02, 2020

doi:

10.3791/61801

Judith Golda¹, Kerstin Sgonina¹, Julian Held², Jan Benedikt¹, Volker Schulz-von der Gathen²

¹Experimental Plasma Physics,Kiel University, ²Experimental Physics II,Ruhr-University Bochum

Summary

Этот протокол представлен для характеристики установки, обработки и применения COST-Jet для обработки различных поверхностей, таких как твердые и жидкие вещества.

Abstract

В последние годы плазма без теплового атмосферного давления широко используется для обработки поверхности, в частности, из-за ее потенциала в биологических приложениях. Тем не менее, научные результаты часто страдают от проблем воспроизводимости из-за ненадежных условий плазмы, а также сложных процедур лечения. Для решения этой проблемы и обеспечения стабильного и воспроизводимого источника плазмы был разработан справочный источник COST-Jet.

В этой работе мы предлагаем подробный протокол для выполнения надежных и воспроизводимых поверхностных обработок с использованием эталонной микроплазменной струи COST (COST-Jet). Обсуждаются распространенные вопросы и подводные камни, а также особенности COST-Jet по сравнению с другими устройствами и его выгодный дистанционный характер. Приведено подробное описание обработки как твердой, так и жидкой поверхности. Описанные методы универсальны и могут быть адаптированы для других типов плазменных устройств атмосферного давления.

Introduction

Плазма холодного атмосферного давления (CAPs) привлекла повышенный интерес в последние годы из-за ее потенциала для применения в поверхностных обработках. CAP характеризуются своими неравновесными свойствами, что позволяет проводить комплексную химию плазмы с высокой плотностью реакционноспособных видов при сохранении низкого теплового воздействия на обработанные образцы. Поэтому ЦАПы рассматриваются, в частности, для лечения биологических тканей^1,^2,^3,^4. Многочисленные концепции и конструкции CAP успешно используются для дезинфекции и заживления ран, свертывания крови и лечения рака, среди других биомедицинских применений. Большая часть биологической ткани содержит жидкости. Поэтому исследования также все больше фокусируются на изучении влияния CAP на жидкие поверхности, такие как клеточная среда или вода^5,^6,^7.

Однако научные результаты часто страдают от проблем надежности и воспроизводимости^8,^9,^10. С одной стороны, обработанные биологические субстраты подвержены естественным вариациям. С другой стороны, биологические механизмы редко напрямую приписывались плазменным процессам (таким как электрические поля, ультрафиолетовое излучение, долгоживущие и короткоживущие виды и т. Д.). Кроме того, эти плазменные процессы, в свою очередь, сильно зависят от отдельного источника плазмы и точного типа его применения.

Кроме того, подробные протоколы лечебных процедур редко доступны. Это затрудняет выделение влияния того или иного параметра плазмы на исход лечения, что делает полученные результаты непереносимыми.

Поэтому в последнее время были предприняты различные попытки стандартизировать обработку поверхностей, тканей и жидкостей с использованием плазмы холодного атмосферного давления. Здесь мы представляем только некоторые избранные примеры.

Для упрощения прямого сравнения различных источников плазмы был разработан справочный источник. Вдохновленный сообществом плазмы низкого давления, воспроизводимая и стабильная конструкция разряда (COST-Jet) была разработана в рамках действия COST MP 1101, которая может служить эталонным источником для будущих биомедицинских исследований^11.
Для обеспечения сопоставимости были разработаны справочные протоколы для отдельных приложений. Для стандартизации сравнения антимикробных свойств плазмы холодного атмосферного давления, например, Mann et al. определили эталонный протокол лечения микроорганизмов путем нормализации времени обработки на единицу^{12 площади.}
Для более гибкого подхода Kogelheide et al. разработали метод исследования плазменно-индуцированных химических модификаций на макромолекулах^13. Используя индикаторные соединения, такие как цистеин и/или цистеинсодержащий глутатион (GSH) в сочетании с FTIR и масс-спектрометрией, они попытались экстраполировать химические модификации на биологические субстраты. Используя этот метод, несколько источников плазмы, таких как COST-Jet, kinPen и Cinogy DBD, уже были сопоставлены^14,^15,^16.
Для непосредственного сравнения отдельных источников плазмы необходимо установить сопоставимые контрольные параметры. Основные параметры плазмы, такие как электронная температура, электронная плотность и плотность потока активных веществ, трудно измерить в плазме атмосферного давления, поскольку такая плазма часто является преходящей и ее размеры малы. Вместо этого внешние параметры управления, такие как мощность генератора, приложенное напряжение или зажигание, а также точки дуги, часто используются в качестве эталона, особенно при сравнении результатов с моделированием^17,^18. Совсем недавно измеренное потребление электроэнергии было использовано в качестве более надежного контрольного параметра^19,^20,^21.

Несмотря на эти усилия, сравнение результатов различных исследований все еще может быть невозможным, просто из-за проблемы правильного нанесения источника плазмы на поверхность. Существует огромное количество распространенных ловушек, которые необходимо решать при работе с приложениями плазмы атмосферного давления, такими как влияние внешних электрических полей (компенсационные цепи), петли обратной связи между плазмой и окружающей средой (экранированная атмосфера), перенос видов (ионный ветер) и параметры управления (напряжение, ток, мощность).

Основной целью этой работы является предоставление тщательного, подробного протокола по применению COST-Jet для обработки поверхностей. COST-Jet является надежным источником плазмы, который был разработан для научных справочных целей, а не для промышленного или медицинского использования. Он обеспечивает воспроизводимые условия сброса и широкую базу данных доступных исследований^22,^23. COST-Jet основан на однородной, емкостно связанной RF-плазме. Поскольку электрическое поле ограничено перпендикулярно потоку газа, заряженные виды в основном содержатся в области разряда и не взаимодействуют с мишенью или окружающей атмосферой. Кроме того, ламинарной поток газа обеспечивает воспроизводимые химические условия плазмы в плазменных стоках.

В этой статье мы рассмотрим наиболее распространенные проблемы и представим возможные решения, которые были использованы в литературе. К ним относятся надлежащая подача газа, контроль разряда, воздействие окружающей атмосферы и подготовка поверхности. Соблюдение представленного здесь протокола должно обеспечить воспроизводимость и сопоставимость измерений.

Протокол может также служить примером для других источников атмосферного давления. Он должен быть очищен для других источников струйной плазмы в соответствии с индивидуальным потоком газа и конфигурацией электрического поля. Там, где это применимо, мы постараемся указать на возможные корректировки протокола. Описанные этапы следует учитывать и сообщать о ней при публикации исследований, применяющих плазму атмосферного давления к обработанным образцам.

Protocol

1. Подача кормового газа и контролируемая атмосфера Настройте газоснабжение, состоящее из цельнометаллических газовых линий, избегая любых ТПФЭ или аналогичных пластиковых труб24. Держите линии газоснабжения как можно короче, чтобы избежать каких-либо примесей и облегчить перекачку системы газоснабжения. Выберите контроллеры массового расхода, используемые для подачи питательного газа в соответствии с типичными скоростями потока газа COST-Jet. Используйте рабочий газ с чистотой не менее 99,999%.ПРИМЕЧАНИЕ: Основным рабочим газом COST-Jet является гелий. Работа может быть реализована при скорости потока от 100 sccm до около 5000 sccm, причем 1000 sccm является наиболее распространенным значением. Реализовать примесь реакционноспособных газов системой, состоящей из нескольких контроллеров массового расхода. Для небольших примесей используйте блок контрмешивания, чтобы сократить время, необходимое для смешивания до25.ПРИМЕЧАНИЕ: Распространенными примесями являются кислород и азот со скоростью потока порядка 5 см (0,5% рабочего газа). Добавьте клапан между линиями подачи газа и струей, чтобы предотвратить попадание влажного воздуха в газоснабжение, когда устройство не используется, поскольку вода является наиболее распространенной и наиболее проблематичной примесью в плазме атмосферного давления, критически влияющей на химию плазмы. Очистите линии подачи газа перед обработкой поверхности, чтобы уменьшить примеси в трубках. Для этого либо просто установите умеренный расход газа около 1000 sccm гелия и промывайте линии подачи, либо, предпочтительно, многократно перекачиваем и заправляйте линии питания (примерно три раза).ПРИМЕЧАНИЕ: При простой промывке линий подачи газа для очистки системы может потребоваться несколько часов, в зависимости от состояния загрязнения. Добавьте ловушку молекулярного сита или холодную ловушку (например, с использованием жидкого азота) к линиям подачи газа для дальнейшего снижения влажности в подаемом газе. Если вместо этого в качестве реагента желательно контролируемое количество воды, добавьте барботер в систему26,27. Рассмотрите возможность создания контролируемой атмосферы для вашего эксперимента, поскольку изменения в составе окружающей атмосферы могут повлиять на химические реакции в плазменных стоках.ПРИМЕЧАНИЕ: Этот эффект, вероятно, не очень выражен для COST-Jet28,поскольку конфигурация электрического поля ограничивает плазму внутренней частью разрядного канала, но может играть важную роль для других устройств CAP, где активная плазма частично находится вне устройства. 2. Сборка и настройка устройства Подключите устройство COST-Jet к газоснабжению. Непосредственно подключите устройство к 1/4-дюймовой трубке Swagelok из нержавеющей стали. Используйте адаптеры для различных стандартов труб. Подключите COST-Jet к блоку питания с помощью экранированного кабеля BNC, оснащенного разъемом SMC. Подключите встроенные электрические датчики к осциллографу для мониторинга напряжения и тока, используя резистор 50 Ом в качестве терминации. Откройте корпус COST-Jet и подключите к медной линии с правильной компенсацией коммерческого напряжения, а также к заземленной части струи (например, газовой трубке Swagelok) и осциллографу. Выполните процедуру калибровки зонда: подайте небольшое напряжение на COST-Jet и настройте переменный конденсатор LC-цепи с помощью отвертки для достижения оптимальной связи (максимизация измеренного напряжения). Выполните калибровку напряжения путем сравнения фактического напряжения (коммерческий зонд) с измеренным напряжением (реализованный зонд) с помощью линейной регрессии и расчета калибровочной константы. Снимите коммерческий датчик напряжения и закройте корпус COST-Jet. Опять же, подайте небольшое напряжение на COST-Jet и настройте переменный конденсатор LC-цепи с помощью отвертки для достижения оптимальной связи. Воспламените плазму в устройстве COST-Jet: во-первых, установите расход газа примерно на 1 сл/мин гелия с помощью контроллеров массового расхода (MFC). Откройте клапан между системой газоснабжения и последним COST-Jet. Затем приложите низкое напряжение к электродам и увеличьте амплитуду до тех пор, пока плазма не воспламенится. Если при первом зажигании электроды нечисты и препятствуют зажиганию, подайте высокое начальное напряжение и быстро уменьшите его после зажигания. В качестве альтернативы, используйте искровой пистолет, чтобы облегчить первое зажигание. Установите параметры управления работой (расход газа, приложенное напряжение) на нужные значения. Дайте установке немного времени прогрева, чтобы обеспечить термостабилизацию (около 20 минут) для обеспечения стабильных и воспроизводимых условий эксплуатации. Чтобы изменить состав газа во время экспериментов, обеспечьте приблизительное время равновесия 2 минуты в зависимости от настройки подачи газа.ПРИМЕЧАНИЕ: COST-Jet теперь готов к применению. 3. Измерение мощности Подключите осциллограф, контролируя напряжение и ток, подаваемые на COST-Jet, к компьютеру. Установите на компьютер29 программное обеспечение «COST power monitor», которое позволяет контролировать питание в режиме реальноговремени 11,19. Настройте связь между программным обеспечением и осциллографом, реализуя необходимые команды для управления конкретным осциллографом. Запустите программное обеспечение монитора питания COST и переключитесь на панель настроек. Заполните правильные каналы, подключенные к осциллографу, и константу калибровки, определенную на шаге 2.4.ПРИМЕЧАНИЕ: Кнопка Find может использоваться для автоматического расчета калибровочного коэффициента, если коммерческий датчик напряжения подключен к COST-Jet. Переместись на панель «Развертка». Возьмите фазу отсчета, пока плазма еще выключена, нажав кнопку Найти. Выключите поток газа перед этим измерением и подайте напряжение, которое находится в типичном диапазоне напряжений, используемых для фактической работы разряда, поскольку плазма не будет воспламеняться в воздухе из-за гораздо более высокого напряжения воспламенения по сравнению с газовыми смесями с преобладанием благородных газов. Используйте это измерение для автоматической коррекции относительного сдвига фаз между датчиками напряжения и тока, предполагая фазу 90 ° идеального конденсатора здесь. Нажмите кнопку Пуск и Пауза, чтобы начать или приостановить электрические измерения. Управляйте COST-Jet по желанию. Используйте фактическую электрическую мощность, рассчитанную по амплитудам напряжения и тока, а также их фазовому сдвигу, которые непрерывно отображаются в программном обеспечении для мониторинга и в качестве контрольного параметра. 4. (Твердая) обработка поверхности Настройте контролируемую атмосферу для эксперимента.ПРИМЕЧАНИЕ: В случае COST-Jet контролируемая атмосфера менее важна, чем для источников с активным химическим составом плазмы вне замкнутого разрядного канала. Очистите линии подачи газа, как описано в шаге 1.5. Установите нужные рабочие параметры и подождите примерно 20 минут, пока COST-струя не достигнет стабильной температуры. Выберите расстояние между COST-Jet и обрабатываемой поверхностью, так как расстояние определяет количество реакционноспособных веществ, поражающих обрабатываемую поверхность30. Используйте xyz-ступень для крепления подложки для удобства манипуляций.ПРИМЕЧАНИЕ: Для COST-Jet зазор безопасности добавляет один дополнительный миллиметр к расстоянию между плазменным разрядом и обрабатываемой поверхностью. Начните лечение: просто включите плазму или используйте механический затвор. Помните о возможном превышение напряжения во время события переключения, приводящего к сужению разряда. Для лучшего управления в диапазоне ms используйте поворотный затвор. Обработайте образец в течение нужного количества времени и завершите время обработки, выключив плазму или используя затвор. При необходимости проверьте структуру потока газа перед мишенью с помощью визуализации Шлирена при обработке подложки, поскольку эффекты поверхностной зарядки, сил сопротивления ионов или смешивания окружающего воздуха из-за плавучести могут влиять на количество реакционноспособных веществ, достигающих поверхности. 5. Обработка жидкости Установите контролируемую атмосферу для эксперимента. Очистите линии подачи газа, как описано в шаге 1.5. Установите нужные рабочие параметры и подождите примерно 20 минут, пока COST-jet достигнет стабильной температуры. Выберите расстояние между COST-Jet и обработанной жидкостью. Вылейте жидкость для обработки в соответствующий контейнер. Используйте инертный материал, чтобы избежать реакций потенциально генерируемых реакционноспособных веществ в жидкости с контейнером. Выберите размер контейнера в соответствии с объемом обрабатываемой жидкости. Рассмотрим влияние газового потока на поверхность жидкости: в зависимости от скорости потока газа, имейте в виду вогнутый мениск, который может образоваться, тем самым изменяя расстояние между плазмой и поверхностью жидкости. Начните лечение. Избегайте скачков давления на поверхности жидкости, вызванных внезапным изменением потока газа, так как это может вызвать брызги жидкости в геометрию разряда, возможно, вызывая короткое замыкание и, безусловно, загрязняя плазму. Вместо этого используйте механический затвор или медленно увеличивайте поток газа. Учитывайте смешивание/перемешивание жидкости из-за трения между потоком нейтрального газа и поверхностью жидкости, поскольку это влияет на процессы переноса и профили концентрации в жидкости. Дополнительно, в зависимости от времени обработки, корректировать испарение жидкости во время обработки (например, при расчете констант реакции). В зависимости от источника плазмы, имейте в виду, что это испарение может вызвать обратное соединение с разрядом, тем самым изменяя химический состав плазмы. Пожалуйста, также учитывайте, что реакционная способность с возможными реагентами в жидкостях также зависит от поверхностной активности этого агента. Таким образом, в некоторых случаях поверхностно-активные вещества могут играть важную роль во взаимодействии между короткоживущими видами и жидкостями.

Representative Results

Используя методы и оборудование, описанные выше, мы примерно применили COST-Jet на различные поверхности и жидкости. На рисунке 1 показана экспериментальная установка, используемая для обработки, включая источник питания, систему газоснабжения, датчики напряжения и тока, а также контролируемую атмосферу и механический затвор. Рисунок 1: Экспериментальная установка, используемая для плазменной обработки поверхностей и жидкостей с использованием COST-Jet. Для очистки питательного газа используется холодная ловушка. Контролируемая атмосфера реализуется перекачиваемой вакуумной камерой при атмосферном давлении. Механический затвор облегчает управление временем обработки твердых и жидких поверхностей. Гибкая ступень позволяет контролировать расстояние между плазменной струей и поверхностью. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Используя датчик напряжения и тока, реализованный в COST-Jet, можно рассчитать рассеиваемую электрическую мощность. На рисунке 2 показана измеренная электрическая мощность в гелиевой плазме, генерируемая в пяти различных устройствах COST-Jet с использованием газового потока 1 slpm. Все устройства демонстрируют одинаковое поведение. Отклонение между различными устройствами происходит из-за неопределенности измерения мощности, а также микроскопических различий в настройках, таких как расстояние до электрода. Более подробные измерения активных веществ (например, атомарного кислорода и озона), температуры и мощности, а также измерения бактерицидной активности были выполнены Riedel22. Рисунок 2: Рассеиваемая мощность в функции приложенного напряжения в гелиевой плазме. Данные представляют собой пять идентичных COST-Jet устройств34. Малые отклонения при высоких напряжениях обусловлены неопределенностями измерения, а также небольшими отклонениями в геометрии газоразрядного канала22. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. На фиг.3 показан профиль травления пленки a:C-H для 3-минутной обработки COST-Jet с использованием газового потока гелия 1,4 slpm с примесью 0,5% кислорода, измеренного с использованием спектроскопического рефлектометра31. Рисунок травления показывает круглую структуру, представляющую цилиндрическую симметрию плазменных стоков. На основе профилей травлирования в сочетании с численным моделированием можно оценить вероятность потери поверхности атомарного кислорода. Рисунок 3: Профиль травли плазменной пленки a:C-H. Погружение в пленку травили с использованием газовой смеси 1,4 слм гелия с примесью 0,6% кислорода при напряжении 230 В RMS и времениобработки 3 мин.31Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. На рисунке 4 показаны возникающие вихри в жидкости, вызванные газовым потоком, встряхивающимся на поверхность жидкости. Лазерный лист, освещающий индикаторные частицы в жидкости, позволяет наблюдать траекторию и скорость этих частиц с помощью скорости изображения частиц и, следовательно, изучать поток жидкости32. Важно учитывать одинаковую плотность частиц посева и жидкости, чтобы траектории частиц представляли движение жидкости. С этой визуализацией измерения расхода жидкости и численное моделирование можно сравнить33. Вихри обусловлены поверхностным трением между потоком сточных газов и поверхностью жидкости. На рисунке 4 также показано происходящее углубление поверхности жидкости под газовым каналом плазменной струи, так называемым мениском. Он визуализируется синей линией. Рисунок 4: Фотография освещенных частиц кукурузного крахмала в 3 мл воды, перемешиваемой потоком газа. Вихри обусловлены поверхностным трением между потоком сточных газов и поверхностью жидкости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Discussion

Здесь мы демонстрируем использование плазменной струи атмосферного давления для обработки поверхности различных материалов. Экспериментальная установка для плазменной струи атмосферного давления может оказывать огромное влияние на параметры плазмы, химию и производительность и, следовательно, влияет на результат плазменной обработки и является критическим шагом в протоколе.

Например, линии подачи газа играют важную роль в отношении наиболее распространенной примеси в питательном газе плазмы, которая является влажностью. В частности, производство активных форм азота в плазме снижается, в то время как производство активных форм кислорода является предпочтительным из-за низкой энергии ионизации кислорода по сравнению с молекулами воды и азотом^35. Зима²⁴ выяснила, что влажность питательного газа, исходящая из молекул воды на поверхности внутренней трубки, на порядок выше при использовании полимерных трубок по сравнению с металлическими трубами из-за более высокой пористости и емкости для хранения. Его можно уменьшить, промыв линии питательным газом. Однако сушка линии промывкой занимает пару часов. Поэтому полимерные трубки следует избегать или, по крайней мере, держать как можно короче. Эти результаты подчеркиваются исследованиями Große-Kreul^25. Они сравнили влияние полиамидных и нержавеющих труб на химию плазмы с помощью масс-спектрометрии. Их измерения подтверждают образование ионов кластера воды в плазме из-за отвода воды из полимерных трубок и более быстрого времени высыхания металлическими трубками. Кроме того, они исследовали влияние методов очистки газа, таких как ловушка молекулярного сита и холодная ловушка жидкого азота, на химию плазмы, которая помогла уменьшить количество примесей примерно на два порядка.

Вместо того, чтобы пытаться очистить питательный газ, существует также подход добавления контролируемого количества влажности. Поскольку эта преднамеренная примесь затем доминирует над естественными примесями и, таким образом, контролирует химию плазмы, воспроизводимые условия обеспечиваются до тех пор, пока точно известно количество добавленной влажности.

Для воспламенения разряда приложенное напряжение к электродам обычно можно просто увеличить до точки пробоя. Однако, в зависимости от условий поверхности электродов, иногда необходимо высокое напряжение. Для облегчения зажигания можно использовать высоковольтный искровой пистолет. Это также может быть полезно при попытке воспламенить выброс аргона в COST-Jet.

Перед нанесением COST-Jet на любые поверхности следует выделить достаточно времени для уравновешивания устройства. При установке желаемых параметров управления COST-Jet требуется приблизительно 20 минут для достижения стабильных условий^11. За это время температура прибора, температура газа, а также химия плазмы достигают устойчивого состояния.

Для сравнения научных результатов необходимы сопоставимые параметры контроля плазмы. Для измерения входной электрической мощности монитор мощности COST может быть использован²⁹. Программное обеспечение с открытым исходным кодом и совместимо с рядом различных типов осциллографов. Программное обеспечение работает по принципу, описанию Golda^19.

В дополнение к влиянию влажности кормового газа на химию плазмы, перенос реакционноспособных видов из плазмы в субстрат играет важную роль в составе сточных вод и является еще одним критическим этапом в протоколе. Окружающая атмосфера может влиять на виды, созданные в плазме, на их пути к субстрату. Чтобы свести к минимуму это влияние, используются две различные концепции: (i) Во-первых, может быть создана контролируемая атмосфера, состоящая из питательного газа. Таким образом, состав окружающей атмосферы можно поддерживать постоянным. В зависимости от уровня чистоты, необходимого для обработки, контролируемая атмосфера может быть реализована с помощью защитных корпусов, оснащенных односторонним клапаном для предотвращения избыточного давления. Для более высоких уровней чистоты можно использовать вакуумную камеру с насосом. ii) Во-вторых, контролируемая атмосфера может быть создана с помощью экранной газовой завесы вокруг плазменных стоков^36,^37. Обычно он состоит из инертного газа, но его также можно варьировать в зависимости от потребностей применения.

К счастью, для COST-Jet влияние окружающей атмосферы сравнительно низкое. Используя изотопную маркировку, Горбанев показал, что для плазменной струи параллельного поля активные формы кислорода и азота, достигающие поверхности жидкости, образовывались в плазменной газовой фазе, а также в области между плазменным соплом и образцом^38,^39. Напротив, используя ту же технику для COST-Jet, они обнаружили, что RONS почти исключительно происходит из плазменной фазы, а не из окружающей среды^28. Вероятно, это связано с тем, что электрическое поле ограничено плазменным каналом разряда COST-Jet. Это делает плазменный разряд в значительной степени независимым от окружающей среды и придает ему определенный отдаленный характер.

Для плазменной струи продольного электрического поля Darny et al.⁴⁰ показали, что полярность электрического поля изменяет структуру газового потока и, следовательно, также на реактивные виды, которые достигают цели из-за ионного ветра. Зависимость плотности реактивных видов от окружающей среды была подтверждена измерениями Stancampiano et al.^7. Они сообщили о разнице количества активных видов, создаваемых в очищенной воде, в зависимости от электрических характеристик. Чтобы компенсировать эти различия, им пришлось создать компенсирующую электрическую цепь. Это поведение отличается для COST-Jet: на рисунке 5 сравниваются изображения Шлирена COST-Jet без приложенного напряжения и во время работы для двух разных скоростей потока газа. Изображения были сделаны с использованием одного зеркального встроенного выравнивания, как описано Келли^41. Они показывают, как горизонтально выровненные стоки COST-Jet попадают на плоскую стеклянную подложку. Оба изображения показывают одну и ту же картину потока газа. Это связано с отсутствием ионного ветра из-за отсутствия заряженных видов в плазменных стоках.

Кроме того, COST-Jet демонстрирует очень ламинарную схему потока. Келли⁴¹ показал изображения Шлирена, аналогичные тем, которые представлены на рисунке 5,для различных скоростей потока газа. Даже при сравнительно высоких скоростях потока газа в 2 slpm плазменные стоки не показывают признаков турбулентности. При очень низких расходах газа 0,25 slpm и ниже плавучесть гелиевых стоков начинает играть определенную роль. Однако на расстоянии до 4 – 5 мм от сопла окружающая атмосфера не влияет на состав газа, достигающий поверхности, как это продемонстрировал Эллервег с помощью масс-спектрометрии^17.

Все вышеперечисленные характеристики добавляют к отдаленному характеру COST-Jet. Это делает его идеальным кандидатом для контролируемой, сопоставимой обработки поверхностей.

Рисунок 5: Изображения Шлиреном COST-Jet с приложенным напряжением и без него для двух различных скоростей потока газа. Во время работы плазмы рисунок потока газа в точности напоминает рисунок только с потоком газа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

В зависимости от желаемого воздействия на обрабатываемый образец, параметры контроля газового потока смеси, приложенной электрической мощности и расстояния между плазменным источником и поверхностью могут быть отрегулированы соответствующим образом. Для COST-Jet существует широкая литературная база данных исследований, изучающих активные виды в сточных водах. Например, Willems³⁰ измерил плотность атомарного кислорода с помощью масс-спектрометрии, тогда как Schneider⁴² измерил плотность атомарного азота в сточных водах.

Обработка жидкостей плазмой атмосферного давления может вызывать различные возможные механизмы реакции, управляемые реакционноспособными видами, ионами, фотонами или электрическими полями. Благодаря ранее описанным характеристикам COST-Jet, влияние электрического поля, ионов и фотонов незначительно по сравнению с источниками плазмы, где плазма находится в непосредственном контакте с жидкостями. Поэтому для изучения влияния короткоживущих реактивных веществ, таких как атомарный кислород, на раствор фенола COST-струя использовалась Hefny⁴³ и Benedikt^44. Кроме того, COST-Jet предоставляет удобную возможность сравнения экспериментов и численного моделирования обработки жидкости^28. Поскольку во взаимодействии между плазмой и жидкостью преобладает поток газа реакционноспособных форм из плазмы на поверхность жидкости, сложность модели может быть уменьшена.

Вызванное потоком газа перемешивание жидкости увеличивает скорость реакции между реакционноспособными видами, генерируемыми плазмой, и жидкостью. В отличие от поверхностной обработки твердых веществ, конвекция жидкости постоянно изменяет локальную концентрацию реагентов. Кроме того, скорость реакций между образующихся в плазме веществ с реагентами в жидкости также зависит от поверхностной активности этих реагентов. С увеличением поверхностной активности концентрация реагента на поверхности жидкости увеличивается. Эти поверхностно-активные вещества могут играть важную роль в реакционной способности короткоживущих видов, генерируемых плазмой.

Наряду с перемешиванием поток газа, попадающий на поверхность жидкости, также вызывает испарение, которое необходимо учитывать. Использование COST-Jet с коротким временем обработки испарение может играть незначительную роль, хотя все еще необходимо учитывать для расчета правильной скорости реакции. На разряд COST-Jet испарение не влияет, и поэтому химия плазмы также не влияет. Для различных источников плазмы, где, например, плазма находится в прямом контакте с жидкостью, химия плазмы значительно изменяется с испарением, как показано Тянем и Кушнером⁴⁵ для диэлектрического барьерного разряда. Также для kINPen был определен эффект испарений^46.

Помимо этих упомянутых различий в химии плазмы, которые необходимо учитывать для различных источников плазмы, также изменяется топология мениска, индуцированного потоком газа на поверхности жидкости. Глубина этого мениска обычно зависит от скорости газа. Для источников плазмы, где конфигурация электрода индуцирует значительное электрическое поле, достигающее жидкости или даже с плазмой, контактирующей с жидкостью, этот мениск может быть повышен^{на 47,}^48. Как показано, необходимо учитывать несколько эффектов в соответствии с используемым источником плазмы.

В будущем этот протокол может быть использован для проведения и описания обработки поверхности и жидкости с использованием COST-Jet. Это стабильный, воспроизводимый источник плазмы, демонстрирующий уникальный отдаленный характер среди множества различных конструкций плазменных струй. Эти же методы не ограничиваются только источником COST-Jet и могут быть модифицированы и адаптированы для использования с любым источником плазмы холодного атмосферного давления.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы благодарят Фолькера Рохвера (Институт экспериментальной и прикладной физики Кильского университета) за помощь с оборудованием. Работа была поддержана DFG в рамках CRC 1316 Transient Atmospheric Plasmas,в проекте Cold atmospheric plasmas для изучения фундаментальных механизмов взаимодействия с биологическими субстратами (project-ID BE 4349/5-1), а также в проекте Plasma-generated оксид азота в заживлении ран (project-ID SCHU 2353/9-1).

Materials

COST power monitor software	home-built		according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003
COST-Jet (including matching circuit)	home-built		according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003
current probe	home-built		integrated into the COST-Jet
gas supply system	Swagelok		stainless steel
helium	Air Liquide		99.999 % purity
mass flow controller (MFC)	Analyt-MTC	series 358	5000 sccm
MFC	Analyt-MTC		50 sccm
oscilloscope	Agilent Technologies	DSO7104B	bandwidth 1 GHz, resolution 4 Gsa/s
oxygen	Air Liquide		99.9999 % purity
power supply	home-built		according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003
voltage probe	Tektronix	P5100A
xyz-stage	Zaber	ZAB-X-XAZ-LSM0100A-K0059-SQ3

References

Morfill, G. E., Kong, M. G., Zimmermann, J. L. Focus on Plasma Medicine. New Journal of Physics. 11 (11), 115011 (2009).
Schlegel, J., Köritzer, J., Boxhammer, V. Plasma in cancer treatment. Clinical Plasma Medicine. 1 (2), 2-7 (2013).
Weltmann, K. D., Woedtke, T. von Plasma medicine-current state of research and medical application. Plasma Physics and Controlled Fusion. 59 (1), 14031 (2017).
Graves, D. B. Low temperature plasma biomedicine: A tutorial review. Physics of Plasmas. 21 (8), 80901 (2014).
Bruggeman, P. J., et al. Plasma-liquid interactions: A review and roadmap. Plasma Sources Science and Technology. 25 (5), 53002 (2016).
Simoncelli, E., Stancampiano, A., Boselli, M., Gherardi, M., Colombo, V. Experimental Investigation on the Influence of Target Physical Properties on an Impinging Plasma Jet. Plasma. 2 (3), 369-379 (2019).
Stancampiano, A., et al. Mimicking of human body electrical characteristic for easier translation of plasma biomedical studies to clinical applications. IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. 1, (2019).
Nature Editorial. Reality check on reproducibility. Nature. 533 (7604), 437 (2016).
Baker, M. Is there a reproducibility crisis. Nature. 533, 452-454 (2016).
Begley, C. G., Ioannidis, J. P. A. Reproducibility in science: Improving the standard for basic and preclinical research. Circulation research. 116 (1), 116-126 (2015).
Golda, J., et al. Concepts and characteristics of the ‘COST Reference Microplasma Jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (8), 84003 (2016).
Mann, M. S., Schnabel, U., Weihe, T., Weltmann, K. D., von Woedtke, T. A Reference Technique to Compare the Antimicrobial Properties of Atmospheric Pressure Plasma Sources. Plasma Medicine. 5 (1), 27-47 (2015).
Kogelheide, F., et al. FTIR spectroscopy of cysteine as a ready-to-use method for the investigation of plasma-induced chemical modifications of macromolecules. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (8), 84004 (2016).
Lackmann, J. W., et al. Chemical fingerprints of cold physical plasmas – an experimental and computational study using cysteine as tracer compound. Scientific Reports. 8 (1), 7736 (2018).
Lackmann, J. W., et al. Nitrosylation vs. oxidation – How to modulate cold physical plasmas for biological applications. PloS one. 14 (5), 0216606 (2019).
Ranieri, P., et al. GSH Modification as a Marker for Plasma Source and Biological Response Comparison to Plasma Treatment. Applied Sciences. 10 (6), 2025 (2020).
Ellerweg, D., von Keudell, A., Benedikt, J. Unexpected O and O3 production in the effluent of He/O2 microplasma jets emanating into ambient air. Plasma Sources Science and Technology. 21 (3), 34019 (2012).
Waskoenig, J., et al. Atomic oxygen formation in a radio-frequency driven micro-atmospheric pressure plasma jet. Plasma Sources Science and Technology. 19 (4), 45018 (2010).
Golda, J., Kogelheide, F., Awakowicz, P., Schulz-von der Gathen, V. Dissipated electrical power and electron density in an RF atmospheric pressure helium plasma jet. Plasma Sources Science and Technology. 28 (9), 95023 (2019).
Golda, J., Held, J., Gathen, V. S. Comparison of electron heating and energy loss mechanisms in an RF plasma jet operated in argon and helium. Plasma Sources Science and Technology. 29 (2), 25014 (2020).
Beijer, P. A. C., Sobota, A., van Veldhuizen, E. M., Kroesen, G. M. W. Multiplying probe for accurate power measurements on an RF driven atmospheric pressure plasma jet applied to the COST reference microplasma jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (10), 104001 (2016).
Riedel, F., et al. Reproducibility of ‘COST reference microplasma jets’. Plasma Sources Science and Technology. , (2020).
Winter, J., et al. Feed gas humidity: a vital parameter affecting a cold atmospheric-pressure plasma jet and plasma-treated human skin cells. Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (29), 295401 (2013).
Große-Kreul, S., Hübner, S., Schneider, S., von Keudell, A., Benedikt, J. Methods of gas purification and effect on the ion composition in an RF atmospheric pressure plasma jet investigated by mass spectrometry. EPJ Techniques and Instrumentation. 3 (1), 6 (2016).
Benedikt, J., et al. Absolute OH and O radical densities in effluent of a He/H$_2$O micro-scaled atmospheric pressure plasma jet. Plasma Sources Science and Technology. 25 (4), 45013 (2016).
Willems, G., Benedikt, J., von Keudell, A. Absolutely calibrated mass spectrometry measurement of reactive and stable plasma chemistry products in the effluent of a He/H 2 O atmospheric plasma. Journal of Physics D: Applied Physics. 50 (33), 335204 (2017).
Gorbanev, Y., et al. Combining experimental and modelling approaches to study the sources of reactive species induced in water by the COST RF plasma jet. Physical chemistry chemical physics: PCCP. 20 (4), 2797-2808 (2018).
Held, J. mimurrayy/COST-power-monitor v0.9.2 (Version v0.9.2). Zenodo. , (2019).
Willems, G., et al. Corrigendum: Characterization of the effluent of a He/O 2 micro-scaled atmospheric pressure plasma jet by quantitative molecular beam mass spectrometry (2010 New J. Phys.12 013021). New Journal of Physics. 21 (5), 59501 (2019).
Mokhtar Hefny, M., Nečas, D., Zajíčková, L., Benedikt, J. The transport and surface reactivity of O atoms during the atmospheric plasma etching of hydrogenated amorphous carbon films. Plasma Sources Science and Technology. 28 (3), 35010 (2019).
Grant, I. Particle image velocimetry: A review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 211 (1), 55-76 (2016).
Semenov, I. L., Weltmann, K. D., Loffhagen, D. Modelling of the transport phenomena for an atmospheric-pressure plasma jet in contact with liquid. Journal of Physics D: Applied Physics. 52 (31), 315203 (2019).
Golda, J. Cross-correlating discharge physics, excitation mechanisms and plasma chemistry to describe the stability of an RF-excited atmospheric pressure argon plasma jet. Ruhr-Universität Bochum. , (2017).
Lietz, A. M., Kushner, M. J. Molecular admixtures and impurities in atmospheric pressure plasma jets. Journal of Applied Physics. 124 (15), 153303 (2018).
Reuter, S., et al. Controlling the Ambient Air Affected Reactive Species Composition in the Effluent of an Argon Plasma Jet. IEEE Transactions on Plasma Science. 40 (11), 2788-2794 (2012).
Reuter, S., et al. From RONS to ROS: Tailoring Plasma Jet Treatment of Skin Cells. IEEE Transactions on Plasma Science. 40 (11), 2986-2993 (2012).
Gorbanev, Y., O’Connell, D., Chechik, V. Non-Thermal Plasma in Contact with Water: The Origin of Species. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse). 22 (10), 3496-3505 (2016).
Gorbanev, Y., Soriano, R., O’Connell, D., Chechik, V. An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation. Journal of visualized experiments. (117), e54765 (2016).
Darny, T., et al. Plasma action on helium flow in cold atmospheric pressure plasma jet experiments. Plasma Sources Science and Technology. 26 (10), 105001 (2017).
Kelly, S., Golda, J., Turner, M. M., Schulz-von der Gathen, V. Gas and heat dynamics of a micro-scaled atmospheric pressure plasma reference jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 48 (44), 444002 (2015).
Schneider, S., Dünnbier, M., Hübner, S., Reuter, S., Benedikt, J. Atomic nitrogen: A parameter study of a micro-scale atmospheric pressure plasma jet by means of molecular beam mass spectrometry. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (50), 505203 (2014).
Hefny, M. M., Pattyn, C., Lukes, P., Benedikt, J. Atmospheric plasma generates oxygen atoms as oxidizing species in aqueous solutions. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (40), 404002 (2016).
Benedikt, J., et al. The fate of plasma-generated oxygen atoms in aqueous solutions: Non-equilibrium atmospheric pressure plasmas as an efficient source of atomic O(aq). Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (17), 12037-12042 (2018).
Tian, W., Kushner, M. J. Atmospheric pressure dielectric barrier discharges interacting with liquid covered tissue. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (16), 165201 (2014).
Hansen, L., et al. Influence of a liquid surface on the NO x production of a cold atmospheric pressure plasma jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 51 (47), 474002 (2018).
van Rens, J. F. M., et al. Induced Liquid Phase Flow by RF Ar Cold Atmospheric Pressure Plasma Jet. IEEE Transactions on Plasma Science. 42 (10), 2622-2623 (2014).
Bruggeman, P., Graham, L., Degroote, J., Vierendeels, J., Leys, C. Water surface deformation in strong electrical fields and its influence on electrical breakdown in a metal pin-water electrode system. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (16), 4779-4786 (2007).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Golda, J., Sgonina, K., Held, J., Benedikt, J., Schulz-von der Gathen, V. Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet. J. Vis. Exp. (165), e61801, doi:10.3791/61801 (2020).

Automatically Generated