Summary
Dit protocol wordt gepresenteerd om de installatie, behandeling en toepassing van de COST-Jet te karakteriseren voor de behandeling van diverse oppervlakken zoals vaste stoffen en vloeistoffen.
Abstract
In de afgelopen jaren zijn niet-thermische atmosferische drukplasma's veel gebruikt voor oppervlaktebehandelingen, met name vanwege hun potentieel in biologische toepassingen. De wetenschappelijke resultaten lijden echter vaak aan reproduceerbaarheidsproblemen als gevolg van onbetrouwbare plasmaomstandigheden en complexe behandelingsprocedures. Om dit probleem aan te pakken en een stabiele en reproduceerbare plasmabron te bieden, is de COST-Jet referentiebron ontwikkeld.
In dit werk stellen we een gedetailleerd protocol voor om betrouwbare en reproduceerbare oppervlaktebehandelingen uit te voeren met behulp van de COST-referentiemicroplasmastraal (COST-Jet). Veel voorkomende problemen en valkuilen worden besproken, evenals de eigenaardigheden van de COST-Jet in vergelijking met andere apparaten en het voordelige externe karakter ervan. Een gedetailleerde beschrijving van zowel vaste als vloeibare oppervlaktebehandeling wordt verstrekt. De beschreven methoden zijn veelzijdig en kunnen worden aangepast voor andere soorten atmosferische drukplasma-apparaten.
Introduction
Koude atmosferische drukplasma's (CAPs) hebben de afgelopen jaren een verhoogde belangstelling getrokken vanwege hun potentieel voor oppervlaktebehandelingstoepassingen. CAPs worden gekenmerkt door hun niet-evenwichtseigenschappen, waardoor complexe plasmachemie mogelijk is met een hoge dichtheid van reactieve soorten met behoud van een lage thermische impact op behandelde monsters. Daarom worden CAPs met name overwogen voor de behandeling van biologisch weefsel1,2,3,4. Talrijke concepten en ontwerpen van CAPs worden met succes gebruikt voor wonddesinfectie en genezing, bloedstolling en kankerbehandeling, naast andere biomedische toepassingen. Een groot deel van het biologische weefsel bevat vloeistoffen. Daarom is het onderzoek ook steeds meer gericht op het onderzoeken van de effecten van CAPs op vloeibare oppervlakken zoals celmedium of water5,6,7.
De wetenschappelijke resultaten hebben echter vaak te kampen met betrouwbaarheids - en reproduceerbaarheidsproblemen8,9,10. Aan de ene kant zijn de behandelde biologische substraten onderhevig aan natuurlijke variaties. Aan de andere kant werden biologische mechanismen zelden direct toegeschreven aan plasmaprocessen (zoals elektrische velden, UV-straling en lang- en kortlevende soorten, enz.). Bovendien zijn deze plasmaprocessen op hun beurt sterk afhankelijk van de individuele plasmabron en het exacte type toepassing ervan.
Bovendien zijn gedetailleerde protocollen voor behandelingsprocedures zelden beschikbaar. Dit maakt het moeilijk om de invloed van een bepaalde plasmaparameter op het resultaat van de behandeling te isoleren, waardoor de verkregen resultaten niet overdraagbaar zijn.
Daarom zijn er onlangs verschillende pogingen gedaan om de behandeling van oppervlakken, weefsels en vloeistoffen te standaardiseren met behulp van koude atmosferische drukplasma's. Hier presenteren we slechts enkele geselecteerde voorbeelden.
- Om de directe vergelijking van verschillende plasmabronnen te vereenvoudigen, werd een referentiebron ontwikkeld. Geïnspireerd door de lagedrukplasmagemeenschap werd in het kader van de COST-actie MP 1101 een reproduceerbaar en stabiel ontladingsontwerp (COST-Jet) ontwikkeld dat als referentiebron kan dienen voor toekomstig biomedisch onderzoek11.
- Om vergelijkbaarheid mogelijk te maken, zijn referentieprotocollen voor individuele toepassingen ontwikkeld. Om de vergelijking van de antimicrobiële eigenschappen van koude atmosferische drukplasma's te standaardiseren, hebben Mann et al. bijvoorbeeld een referentieprotocol voor micro-organismenbehandeling gedefinieerd door de behandelingstijd per oppervlakte-eenheid te normaliseren12.
- Voor een flexibelere aanpak ontwikkelden Kogelheide c.s. een methode om plasma-geïnduceerde chemische modificaties op macromoleculen te onderzoeken13. Met behulp van tracerverbindingen zoals cysteïne en of cysteïnebevattend glutathion (GSH) in combinatie met FTIR en massaspectrometrie probeerden ze de chemische modificaties op biologische substraten te extrapoleren. Met behulp van deze methode zijn verschillende plasmabronnen zoals de COST-Jet, de kinPen en de Cinogy DBD al vergeleken met14,15,16.
- Om individuele plasmabronnen rechtstreeks te vergelijken, moeten vergelijkbare controleparameters worden vastgesteld. Basisplasmaparameters zoals elektronentemperatuur, elektronendichtheid en de fluxdichtheden van reactieve soorten zijn moeilijk te meten in atmosferische drukplasma's, omdat dergelijke plasma's vaak van voorbijgaande aard zijn en hun afmetingen klein zijn. In plaats daarvan worden externe regelparameters zoals generatorvermogen, toegepaste spanning of ontsteking en vlampunten vaak als referentie gebruikt, vooral bij het vergelijken van resultaten met simulaties17,18. Meer recentelijk is het gemeten elektriciteitsverbruik gebruikt als een betrouwbaardere controleparameter19,20,21.
Ondanks deze inspanningen kan het vergelijken van de resultaten van verschillende studies nog steeds onmogelijk zijn, simpelweg vanwege de uitdaging om een plasmabron correct op een oppervlak aan te brengen. Er zijn een groot aantal veel voorkomende valkuilen die moeten worden aangepakt bij het werken met atmosferische drukplasmatoepassingen zoals de invloed van externe elektrische velden (compensatiecircuits), terugkoppelingslussen tussen plasma en omgeving (afgeschermde atmosfeer), soortentransport (ionische wind) en controleparameters (spanning, stroom, vermogen).
Het belangrijkste doel van dit werk is om een grondig, gedetailleerd protocol te bieden over de toepassing van de COST-Jet voor oppervlaktebehandelingen. De COST-Jet is een betrouwbare plasmabron die is ontwikkeld voor wetenschappelijke referentiedoeleinden in plaats van voor industrieel of medisch gebruik. Het biedt reproduceerbare lozingsvoorwaarden en een brede databank van beschikbare studies22,23. De COST-Jet is gebaseerd op een homogeen, capacitief gekoppeld RF-plasma. Omdat het elektrische veld loodrecht op de gasstroom is beperkt, worden geladen soorten meestal in het ontladingsgebied gehouden en hebben ze geen interactie met het doel of de omringende atmosfeer. Bovendien zorgt de laminaire gasstroom voor reproduceerbare plasmachemische omstandigheden in het plasma-effluent.
In dit artikel gaan we in op de meest voorkomende uitdagingen en introduceren we mogelijke oplossingen die in de literatuur zijn gebruikt. Deze omvatten een goede gastoevoer, afvoerregeling, invloed van de omgevingslucht en oppervlaktevoorbereiding. De naleving van het hier gepresenteerde protocol moet de reproduceerbaarheid en vergelijkbaarheid van de metingen waarborgen.
Het protocol kan ook als voorbeeld dienen voor andere atmosferische drukbronnen. Het moet worden verfijnd voor andere straalplasmabronnen volgens de individuele gasstroom en elektrische veldconfiguratie. Waar van toepassing zullen we proberen te wijzen op mogelijke aanpassingen van het protocol. De beschreven stappen moeten worden overwogen en gerapporteerd bij het publiceren van studies waarbij atmosferische drukplasma's op behandelde monsters worden toegepast.
Protocol
1. Toevoer van voergas en gecontroleerde atmosfeer
- Stel de gastoevoer in die bestaat uit volledig metalen gasleidingen en vermijd TPFE of soortgelijke kunststofslangen24. Houd de gastoevoerleidingen zo kort mogelijk om onzuiverheden te voorkomen en het pompen van het gastoevoersysteem te vergemakkelijken.
- Kies de massastroomregelaars die worden gebruikt om het voedingsgas te leveren volgens de typische gasdebieten van de COST-Jet. Gebruik werkgas met een zuiverheid van ten minste 99,999%.
OPMERKING: Het primaire werkgas van de COST-Jet is helium. De verrichting kan bij stroomsnelheden tussen 100 sccm en ongeveer 5000 sccm worden gerealiseerd, met 1000 sccm die de gemeenschappelijkste waarde is. - Realiseer de vermenging van reactieve gassen door een systeem dat bestaat uit meerdere massastroomregelaars. Gebruik voor kleinere mengsels een tegenmengunit om de tijd te verkorten die nodig is om het mengen te voltooien25.
OPMERKING: Veel voorkomende mengsels zijn zuurstof en stikstof met een debiet in de orde van grootte van 5 sccm (0,5% van het werkgas). - Voeg een klep toe tussen de gastoevoerleidingen en de straal om te voorkomen dat vochtige lucht in de gastoevoer komt wanneer het apparaat niet in gebruik is, omdat water de meest voorkomende en meest problematische onzuiverheid in atmosferische drukplasma's is, die de plasmachemie kritisch beïnvloedt.
- Reinig de gastoevoerleidingen vóór de oppervlaktebehandeling om onzuiverheden in de slang te verminderen. Stel hiervoor ofwel een matige gasstroom van ongeveer 1000 sccm helium in en spoel de toevoerleidingen door of pomp en vul de toevoerleidingen bij voorkeur herhaaldelijk (ongeveer drie keer).
OPMERKING: Bij het eenvoudig doorspoelen van de gastoevoerleidingen kunnen meerdere uren nodig zijn om het systeem schoon te maken, afhankelijk van de staat van verontreiniging. - Voeg een moleculaire zeefvanger of koude val (bijv. met vloeibare stikstof) toe aan de gastoevoerleidingen om de luchtvochtigheid in het voedingsgas verder te verlagen.
- Als in plaats daarvan een gecontroleerde hoeveelheid water als reagens gewenst is, voegt u een bubbler toe aan het systeem26,27.
- Overweeg een gecontroleerde atmosfeer voor uw experiment in te stellen, omdat veranderingen in de samenstelling van de omgevingslucht chemische reacties in het plasma-effluent kunnen beïnvloeden.
OPMERKING: Dit effect is waarschijnlijk niet erg uitgesproken voor de COST-Jet28, omdat de configuratie van het elektrische veld het plasma beperkt tot de binnenkant van het ontladingskanaal, maar een belangrijke rol kan spelen voor andere CAP-apparaten waar het actieve plasma zich gedeeltelijk buiten het apparaat bevindt.
2. Montage en installatie van het apparaat
- Sluit het COST-Jet apparaat aan op een gastoevoer. Sluit het apparaat direct aan op 1/4 inch roestvrijstalen Swagelok-buizen. Gebruik adapters voor verschillende buizennormen.
- Sluit de COST-Jet aan op de voeding met behulp van een afgeschermde BNC-kabel met een SMC-connector.
- Sluit de geïntegreerde elektrische sondes aan op een oscilloscoop om spanning en stroom te bewaken met behulp van een weerstand van 50 Ohm als beëindiging.
- Open de COST-Jet behuizing en sluit een goed gecompenseerde commerciële spanningssonde aan op de aangedreven koperen lijn, evenals een geaard deel van de straal (bijv. de Swagelok gasbuis) en de oscilloscoop.
- Voer een sondekalibratieroutine uit: Breng een kleine spanning aan op de COST-Jet en stem de variabele condensator van het LC-circuit af met behulp van een schroevendraaier om de optimale koppeling te bereiken (meetspanning maximaliseren). Voer een spanningskalibratie uit door de werkelijke spanning (commerciële sonde) te vergelijken met de gemeten spanning (geïmplementeerde sonde) met behulp van lineaire regressie en bereken een kalibratieconstante. Verwijder de commerciële spanningssonde en sluit de COST-Jet behuizing.
- Nogmaals, breng een kleine spanning aan op de COST-Jet en stem de variabele condensator van het LC-circuit af met behulp van een schroevendraaier om de optimale koppeling te bereiken.
- Ontsteek een plasma in het COST-Jet-apparaat: Stel eerst een gasdebiet van ongeveer 1 slpm helium in met behulp van massadebietregelaars (MFK's). Open de klep tussen het gastoevoersysteem en de COST-Jet als laatste. Breng vervolgens een lage spanning aan op de elektroden en verhoog de amplitude totdat het plasma ontbrandt.
- Als de elektroden bij de eerste ontsteking onrein zijn en de ontsteking belemmeren, breng dan een hoge beginspanning aan en verminder deze snel na ontsteking. U kunt ook een vonkpistool gebruiken om een gemakkelijkere eerste ontsteking te vergemakkelijken.
- Stel de bedrijfsregelparameters (gasstroom, toegepaste spanning) in op de gewenste waarden.
- Geef de opstelling een beetje opwarmtijd om thermische stabilisatie (ca. 20 minuten) mogelijk te maken om stabiele en reproduceerbare bedrijfsomstandigheden te garanderen.
- Om de gassamenstelling tijdens de experimenten te wijzigen, moet u een equilibratietijd van ongeveer 2 minuten toestaan, afhankelijk van de gastoevoeropstelling.
OPMERKING: De COST-Jet is nu klaar voor toepassing.
3. Vermogensmeting
- Sluit de oscilloscoop die de spanning en stroom die op de COST-Jet wordt toegepast aan op een computer.
- Installeer de software "COST power monitor" op de computer29 , die real-time vermogensbewaking11,19mogelijk maakt .
- Pas de communicatie tussen de software en de oscilloscoop aan door de vereiste commando's te implementeren voor het besturen van de specifieke oscilloscoop.
- Start de COST-voedingsmonitorsoftware en schakel over naar het deelvenster Instellingen. Vul de juiste kanalen in die op de oscilloscoop zijn aangesloten en de kalibratieconstante die in stap 2.4 is bepaald.
OPMERKING: De find-knop kan worden gebruikt om automatisch de kalibratiefactor te berekenen als de commerciële spanningssonde aan de COST-Jet is bevestigd. - Ga naar het deelvenster Sweep. Neem een referentiefase terwijl het plasma nog uit is door op de find-knop te drukken. Schakel de gasstroom vóór deze meting uit en pas een spanning toe die zich in het typische spanningsbereik bevindt dat wordt gebruikt voor de daadwerkelijke werking van de ontlading, omdat het plasma niet in de lucht zal ontbranden als gevolg van een veel hogere ontstekingsspanning in vergelijking met door edelgas gedomineerde gasmengsels. Gebruik deze meting om automatisch te corrigeren voor de relatieve faseverschuiving tussen spannings- en stroomsondes, uitgaande van een 90° fase van de perfecte condensator hier.
- Druk op de start- en pauzeknop om de elektrische metingen te starten of te pauzeren.
- Bedien de COST-Jet naar wens. Gebruik het werkelijke elektrische vermogen berekend op basis van spannings- en stroomamplitudes en hun faseverschuiving, die continu worden weergegeven in de software voor bewaking en als controleparameter.
4. (Vaste) oppervlaktebehandeling
- Stel een gecontroleerde atmosfeer in voor je experiment.
OPMERKING: In het geval van de COST-Jet is de gecontroleerde atmosfeer minder belangrijk dan voor bronnen met actieve plasmachemie buiten het beperkte afvoerkanaal. - Reinig de gastoevoerleidingen zoals beschreven in stap 1.5.
- Stel de gewenste bedrijfsparameters in en wacht ongeveer 20 minuten tot de COST-straal een stabiele temperatuur bereikt.
- Kies de afstand tussen de COST-Jet en het behandelde oppervlak, aangezien de afstand de hoeveelheid reactieve soorten bepaalt die op het behandelde oppervlak indringen30. Gebruik een xyz-stage om het substraat te monteren voor eenvoudige manipulatie.
OPMERKING: Voor de COST-Jet voegt de veiligheidsspleet een extra millimeter toe aan de afstand tussen de plasmaontlading en het behandelde oppervlak. - Start de behandelingstijd: Schakel gewoon het plasma in of gebruik een mechanische sluiter. Houd rekening met een mogelijke spanningsoverschrijding tijdens het schakelgebeurtenis die leidt tot een vernauwde ontlading. Gebruik een draaibare sluiter voor een betere controle in het ms-bereik.
- Behandel het monster gedurende de gewenste tijd en beëindig de behandelingstijd door het plasma uit te schakelen of door een sluiter te gebruiken.
- Controleer indien nodig het gasstroompatroon voor het doel met behulp van Schlieren-beeldvorming bij de behandeling van een substraat, aangezien effecten van oppervlaktelading, ionenweerstandskrachten of omgevingsluchtmenging als gevolg van drijfvermogen de hoeveelheid reactieve soorten die een oppervlak bereiken, kunnen beïnvloeden.
5. Vloeibare behandeling
- Stel een gecontroleerde atmosfeer in voor het experiment.
- Reinig de gastoevoerleidingen zoals beschreven in stap 1.5.
- Stel de gewenste bedrijfsparameters in en wacht ongeveer 20 minuten tot de COST-straal een stabiele temperatuur heeft bereikt.
- Kies de afstand tussen de COST-Jet en de behandelde vloeistof.
- Giet de te behandelen vloeistof in een geschikte container. Gebruik inert materiaal om reacties van mogelijk gegenereerde reactieve soorten in de vloeistof met de container te voorkomen. Kies de grootte van de container op basis van het volume vloeistof dat wordt behandeld.
- Houd rekening met de invloed van de gasstroom op het vloeibare oppervlak: Afhankelijk van het gasdebiet, moet u zich bewust zijn van een concave meniscus die zich kan vormen, waardoor de afstand tussen plasma en vloeibaar oppervlak verandert.
- Start de behandeling. Vermijd drukpieken op het oppervlak van de vloeistof veroorzaakt door een plotselinge verandering in de gasstroom, omdat dit vloeistofspatten in de afvoergeometrie kan veroorzaken, mogelijk kortsluiting veroorzaakt en zeker het plasma vervuilt. Gebruik in plaats daarvan een mechanische sluiter of verhoog langzaam de gasstroom.
- Houd rekening met het mengen/roeren van de vloeistof als gevolg van wrijving tussen neutrale gasstroom en vloeistofoppervlak, omdat dit transportprocessen en concentratieprofielen in de vloeistof beïnvloedt. Bovendien, afhankelijk van de behandelingstijd, correct voor de verdamping van vloeistof tijdens de behandeling (bijv. bij het berekenen van reactieconstanten). Afhankelijk van de plasmabron, moet u zich bewust zijn van deze verdamping die mogelijk een terugkoppeling naar de ontlading veroorzaakt, waardoor de plasmachemie verandert.
- Houd er ook rekening mee dat de reactiviteit met mogelijke reagentia in vloeistoffen ook wordt beïnvloed door de oppervlakteactiviteit van dit middel. In sommige gevallen kunnen oppervlakteactieve stoffen dus een belangrijke rol spelen in de interactie tussen kortlevende soorten en vloeistoffen.
Representative Results
Met behulp van de hierboven beschreven methoden en apparatuur hebben we de COST-Jet voorbeeldig toegepast op verschillende oppervlakken en vloeistoffen. Figuur 1 toont de experimentele opstelling die voor de behandeling wordt gebruikt, inclusief de voeding, het gastoevoersysteem, de spannings- en stroomsondes, evenals een gecontroleerde atmosfeer en een mechanische sluiter.
Figuur 1: Experimentele opstelling gebruikt voor de plasmabehandeling van oppervlakken en vloeistoffen met behulp van de COST-Jet. Een koude val wordt gebruikt om het voedergas te zuiveren. De gecontroleerde atmosfeer wordt gerealiseerd door een gepompte vacuümkamer bij atmosferische druk. De mechanische sluiter vergemakkelijkt het tijdsbeheer van vaste en vloeibare oppervlaktebehandeling. De flexibele fase maakt het mogelijk om de afstand tussen de plasmastraal en het oppervlak te regelen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Met behulp van de spannings- en stroomsonde die in de COST-Jet is geïmplementeerd, kan het afgevoerde elektrische vermogen worden berekend. Figuur 2 toont het gemeten elektrische vermogen in een heliumplasma dat wordt gegenereerd in vijf verschillende COST-Jet-apparaten met een gasstroom van 1 slpm. Alle apparaten vertonen vergelijkbaar gedrag. De afwijking tussen de verschillende apparaten komt voort uit de onzekerheid van de vermogensmeting en microscopische verschillen in de opstellingen zoals de elektrodeafstand. Riedel22heeft meer gedetailleerde metingen uitgevoerd van reactieve soorten (bv. atoomzuurstof en ozon), temperatuur en vermogen, alsmede meting van bacteriedodende activiteit.
Figuur 2: Gedissipeerd vermogen als functie van toegepaste spanning in een heliumplasma. De gegevens vertegenwoordigen vijf identieke COST-Jet-apparaten34. De kleine afwijkingen bij hoge spanningen zijn te wijten aan onzekerheden van de meting en kleine afwijkingen in de geometrie van het gasafvoerkanaal22. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3 toont het etsprofiel van een a:C-H-film voor een behandeling van 3 minuten met de COST-Jet met behulp van een gasstroom van 1,4 slpm helium met een mengsel van 0,5% zuurstof gemeten met behulp van een beeldvormingsspectroscopische reflectometer31. Het etspatroon toont een cirkelvormige structuur die de cilindrische symmetrie van het plasma-effluent vertegenwoordigt. Op basis van etsprofielen in combinatie met numerieke simulaties kon de kans op oppervlakteverlies van atoomzuurstof worden geschat.
Figuur 3: Etsprofiel van een plasmabehandelde a:C-H film. De dip in de film werd geëtst met behulp van een gasmengsel van 1,4 slm helium met een mengsel van 0,6% zuurstof bij een spanning van 230 Vrms en een behandelingstijd van 3 min.31Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4 toont de voorkomende wervels in vloeistof veroorzaakt door de gasstroom die het vloeibare oppervlak aanstist. Een laserplaat die tracerdeeltjes in de vloeistof verlicht, maakt het mogelijk om de baan en snelheid van deze deeltjes te observeren via deeltjesbeeld velocimetry en daarom de vloeistofstroom te bestuderen32. Het is belangrijk om rekening te houden met vergelijkbare dichtheden van de zaaideeltjes en de vloeistof, zodat de trajecten van de deeltjes de beweging van vloeistof vertegenwoordigen. Met deze visualisatie van de vloeistofstroommetingen en numerieke simulaties kunnen33worden vergeleken . De wervels zijn te wijten aan de oppervlaktewrijving tussen de effluentgasstroom en het vloeibare oppervlak. Figuur 4 toont ook de optredende depressie van het vloeibare oppervlak onder het gaskanaal van de plasmastraal, de zogenaamde meniscus. Het wordt gevisualiseerd door een blauwe lijn.
Figuur 4: Foto van verlichte maïzenadeeltjes in 3 ml water geroerd door de gasstroom. De wervels zijn te wijten aan de oppervlaktewrijving tussen de effluentgasstroom en het vloeibare oppervlak. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Discussion
Hier demonstreren we het gebruik van een atmosferische drukplasmastraal voor oppervlaktebehandelingen van verschillende materialen. De experimentele opstelling voor een atmosferische drukplasmastraal kan een enorm effect hebben op de plasmaparameters, chemie en prestaties en beïnvloedt bijgevolg de uitkomst van plasmabehandelingen en is een cruciale stap in het protocol.
Als voorbeeld spelen de gastoevoerleidingen een belangrijke rol met betrekking tot de meest voorkomende onzuiverheid in het voedingsgas van het plasma dat vochtigheid is. In het bijzonder wordt de productie van reactieve stikstofsoorten in het plasma verminderd, terwijl de productie van reactieve zuurstofsoorten wordt bevorderd, vanwege de lage ionisatie-energie van zuurstof in vergelijking met watermoleculen en stikstof35. Winter24 ontdekte dat de luchtvochtigheid van het voergas afkomstig van watermoleculen op het oppervlak van de binnenband een orde van grootte hoger is met behulp van polymere buizen in vergelijking met metalen buizen vanwege de hogere porositeit en opslagcapaciteit. Het kan worden verminderd door de leidingen door te spoelen met voergas. Het drogen van de lijn door middel van spoelen duurt echter een paar uur. Daarom moeten polymere buizen worden vermeden of op zijn minst zo kort mogelijk worden gehouden. Deze bevindingen worden onderstreept door studies uit Große-Kreul25. Ze vergeleken het effect van polyamide en roestvrijstalen buizen op de plasmachemie met behulp van massaspectrometrie. Hun metingen bevestigen de ionenvorming van waterclusters in het plasma als gevolg van wateruitgassing uit polymere buizen en snellere droogtijden met metalen buizen. Daarnaast onderzochten ze het effect van gaszuiveringsmethoden zoals een moleculaire zeefval en een vloeibare stikstofkoude val op de plasmachemie, die hielpen om de hoeveelheid onzuiverheden met ongeveer twee ordes van grootte te verminderen.
In plaats van te proberen het voedergas te zuiveren, is er ook de aanpak van het toevoegen van een gecontroleerde hoeveelheid vochtigheid. Aangezien deze opzettelijke onzuiverheid vervolgens de natuurlijke onzuiverheden domineert en zo de plasmachemie controleert, zijn reproduceerbare omstandigheden verzekerd zolang de hoeveelheid toegevoegde vochtigheid precies bekend is.
Voor de ontsteking van de ontlading kan de toegepaste spanning op de elektroden meestal eenvoudig worden verhoogd tot het punt van afbraak. Afhankelijk van de oppervlakteomstandigheden van de elektroden is soms echter een hoogspanning nodig. Om de ontsteking te vergemakkelijken, kan een hoogspanningsvonkpistool worden gebruikt. Dit kan ook nuttig zijn bij het ontsteken van een argonontlading in de COST-Jet.
Voordat de COST-Jet op oppervlakken wordt aangebracht, moet voldoende tijd worden uitgetrokken om het apparaat op gelijke hoogte te brengen. Wanneer de COST-Jet is ingesteld op de gewenste besturingsparameters, heeft hij ongeveer 20 minuten nodig om stabiele omstandigheden te bereiken11. Gedurende deze tijd bereiken de temperatuur van het apparaat, de gastemperatuur en de plasmachemie een stabiele toestand.
Voor vergelijking van wetenschappelijke resultaten zijn vergelijkbare plasmacontroleparameters nodig. Voor het meten van het elektrische ingangsvermogen kan de COST-vermogensmonitor worden gebruikt29. De software is open-source en compatibel met een reeks verschillende soorten oscilloscopen. De software werkt volgens het principe beschreven door Golda19.
Naast het effect van de luchtvochtigheid van het voergas op de plasmachemie, speelt het transport van reactieve soorten van het plasma naar het substraat een belangrijke rol in de effluentsamenstelling en is het een andere cruciale stap in het protocol. De omringende atmosfeer kan de soorten beïnvloeden die in het plasma worden gecreëerd op weg naar het substraat. Om deze invloed tot een minimum te beperken, worden twee verschillende concepten gebruikt: (i) Ten eerste kan een gecontroleerde atmosfeer worden ingesteld die bestaat uit het voedergas. Zo kan de samenstelling van de omringende atmosfeer constant worden gehouden. Afhankelijk van het zuiverheidsniveau dat nodig is voor de behandeling, kan de gecontroleerde atmosfeer worden gerealiseerd via beschermende behuizingen die zijn uitgerust met een eenrichtingsklep om overdruk te voorkomen. Voor hogere zuiverheidsniveaus kan een vacuümkamer met een pomp worden gebruikt. ii) Ten tweede kan een gecontroleerde atmosfeer worden gecreëerd door gebruik te maken van een afschermend gasgordijn rond het plasma-effluent36,37. Meestal bestaat het uit een inert gas, maar het kan ook worden gevarieerd afhankelijk van de behoeften van de toepassing.
Gelukkig is voor de COST-Jet de invloed van de omringende atmosfeer vergelijkbaar laag. Met behulp van isotopenetikettering heeft Gorbanev aangetoond dat voor een plasmastraal met parallelle veldconfiguratie de reactieve zuurstof- en stikstofsoorten die een vloeibaar oppervlak bereiken, werden gevormd in de plasmagasfase en in het gebied tussen het plasmamondstuk en het monster38,39. Daarentegen ontdekten ze met dezelfde techniek voor de COST-Jet dat RONS bijna uitsluitend afkomstig was uit de plasmafase in plaats van de omgeving28. Dit komt waarschijnlijk doordat het elektrische veld beperkt blijft tot het plasmakanaal van de COST-Jet-ontlading. Dit maakt de plasmaontlading grotendeels onafhankelijk van zijn omgeving en geeft het een bepaald afgelegen karakter.
Voor een longitudinale elektrische veldplasmastraal hebben Darny et al.40 aangetoond dat de polariteit van het elektrische veld het gasstroompatroon wijzigt en dus ook op de reactieve soorten die een doel bereiken als gevolg van ionische wind. De afhankelijkheid van de reactieve soortdichtheid van het milieu werd bevestigd door metingen door Stancampiano et al.7. Ze rapporteerden over het verschil in het aantal reactieve soorten dat in behandeld water werd gecreëerd, afhankelijk van de elektrische kenmerken. Om deze verschillen te compenseren, moesten ze een compenserend elektrisch circuit creëren. Dit gedrag is verschillend voor DE KOSTEN-Straal: Figuur 5 vergelijkt Schlieren beelden van de COST-Jet zonder toegepaste spanning en tijdens bedrijf voor twee verschillende gasdebieten. De foto's zijn gemaakt met behulp van een enkele spiegel inline uitlijning zoals beschreven door Kelly41. Ze laten zien hoe het horizontaal uitgelijnde COST-Jet effluent een vlakglassubstraat raakt. Beide afbeeldingen tonen exact hetzelfde gasstroompatroon. Dit is het gevolg van het gebrek aan ionische wind als gevolg van de afwezigheid van geladen soorten in het plasma-effluent.
Bovendien vertoont de COST-Jet een zeer laminair stromingspatroon. Kelly41 toonde Schlieren-afbeeldingen vergelijkbaar met die in figuur 5, voor verschillende gasdebieten. Zelfs bij een vergelijkbaar hoog gasdebiet van 2 slpm vertoont het plasma-effluent geen tekenen van turbulentie. Bij een zeer laag gasdebiet van 0,25 slpm en lager begint het drijfvermogen van het heliumuitvloeiingsmiddel een rol te spelen. Tot 4 – 5 mm afstand van het mondstuk heeft de omgevingslucht echter geen invloed op de gassamenstelling die het oppervlak bereikt, zoals door Ellerweg met behulp van massaspectrometrie17is aangetoond.
Alle bovengenoemde kenmerken dragen bij aan het afstandsbedieningskarakter van de COST-Jet. Dit maakt het een ideale kandidaat voor de gecontroleerde, vergelijkbare behandeling van oppervlakken.
Figuur 5: Schlieren afbeeldingen van de COST-Jet met en zonder toegepaste spanning voor twee verschillende gasdebieten. Tijdens plasmabewerking lijkt het gasstroompatroon precies op het patroon met alleen de gasstroom. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Afhankelijk van het gewenste effect op het behandelde monster kunnen de regelparameters gasstroommengsel, toegepast elektrisch vermogen en afstand tussen plasmabron en oppervlak dienovereenkomstig worden aangepast. Voor de COST-Jet bestaat een brede literatuurdatabase van studies die reactieve soorten in het effluent onderzoeken. Willems30 meet bijvoorbeeld de atoomzuurstofdichtheid met behulp van massaspectrometrie, terwijl Schneider42 atomaire stikstofdichtheden in het effluent meet.
De behandeling van vloeistoffen met atmosferisch drukplasma kan een verscheidenheid aan mogelijke reactiemechanismen veroorzaken die worden aangedreven door reactieve soorten, ionen, fotonen of elektrische velden. Vanwege de eerder beschreven kenmerken van de COST-Jet is het effect van het elektrische veld, ionen en fotonen verwaarloosbaar in vergelijking met plasmabronnen waar het plasma in direct contact staat met vloeistoffen. Daarom werd voor het bestuderen van het effect van kortstondige reactieve soorten zoals atoomzuurstof op een fenoloplossing de COST-jet gebruikt door Hefny43 en Benedikt44. Bovendien biedt de COST-Jet een handige mogelijkheid om experimenten en numerieke simulaties van vloeistofbehandeling te vergelijken28. Aangezien de interactie tussen plasma en vloeistof wordt gedomineerd door de gasstroom van reactieve soorten van plasma naar het vloeibare oppervlak, kan de complexiteit van het model worden verminderd.
De gasstroom veroorzaakt roeren van de vloeistof verhoogt de reactiesnelheid tussen plasma gegenereerde reactieve soorten en de vloeistof. In tegenstelling tot oppervlaktebehandelingen van vaste stoffen verandert de convectie van de vloeistof voortdurend de lokale concentratie van reactanten. Bovendien worden de reactiesnelheden tussen plasmagegenereerde soorten met reactanten in vloeistof ook beïnvloed door de oppervlakteactiviteit van deze reactanten. Met toenemende oppervlakteactiviteit neemt de concentratie van de reactant aan het vloeibare oppervlak toe. Deze oppervlakteactieve stoffen kunnen een belangrijke rol spelen in de reactiviteit van kortlevende soorten die door het plasma worden gegenereerd.
Naast het roeren veroorzaakt de gasstroom die het vloeibare oppervlak aanstijgt ook verdamping die in aanmerking moet worden genomen. Met behulp van de COST-Jet met korte behandelingstijden kan de verdamping een kleine rol spelen, hoewel er nog steeds rekening moet worden gehouden met het berekenen van de juiste reactiesnelheden. De afvoer van de COST-Jet wordt niet beïnvloed door de verdamping en daarom wordt ook de plasmachemie niet beïnvloed. Voor verschillende plasmabronnen, waarbij het plasma bijvoorbeeld in direct contact staat met vloeistof, verandert de plasmachemie aanzienlijk met verdamping, zoals blijkt uit Tian en Kushner45 voor een diëlektrische barrièreafvoer. Ook voor de kINPen werd een effect van verdamping bepaald46.
Naast deze genoemde verschillen in plasmachemie die in aanmerking moeten worden genomen voor verschillende plasmabronnen, ook de topologie van de meniscus veroorzaakt door gasstroom op veranderingen in het vloeibare oppervlak. De diepte van deze meniscus is meestal afhankelijk van de gassnelheid. Voor plasmabronnen waarbij de elektrodeconfiguratie een significant elektrisch veld induceert dat de vloeistof bereikt of zelfs met een plasma dat in contact komt met de vloeistof, kan deze meniscus worden verhoogd47,48. Zoals aangetoond, moeten verschillende effecten worden overwogen op basis van de gebruikte plasmabron.
In de toekomst kan dit protocol worden gebruikt om oppervlakte- en vloeistofbehandelingen uit te voeren en te beschrijven met behulp van de COST-Jet. Het is een stabiele, reproduceerbare plasmabron met een uniek afgelegen karakter onder de overvloed aan verschillende plasmastraalontwerpen. Dezelfde methoden zijn niet beperkt tot de COST-Jet-bron en kunnen worden gewijzigd en aangepast aan gebruik met elke koude atmosferische drukplasmabron.
Disclosures
De auteurs hebben niets bekend te maken.
Acknowledgments
De auteurs danken Volker Rohwer (Institute of Experimental and Applied Physics, Kiel University) voor hulp bij de apparatuur. Het werk werd ondersteund door de DFG binnen CRC 1316 Transient Atmospheric Plasmas, in het project Cold atmospheric plasmas voor de studie van fundamentele interactiemechanismen met biologische substraten (project-ID BE 4349/5-1), en in het project Plasma-generated nitric oxide in wound healing (project-ID SCHU 2353/9-1).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- Schlegel, J., Köritzer, J., Boxhammer, V.
- 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.
- 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).
- Cost-Jet. COST Reference Microplasma Jet Homepage. , Available from: www.cost-jet.eu (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. , Bochum. Dissertation (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), Germany. 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).
