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Engineering

Trattamento di superfici con plasma a pressione atmosferica fredda utilizzando il COST-Jet

Published: November 2, 2020 doi: 10.3791/61801
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 2
1Experimental Plasma Physics, Kiel University, 2Experimental Physics II, Ruhr-University Bochum

Summary

Questo protocollo viene presentato per caratterizzare la configurazione, la gestione e l'applicazione del COST-Jet per il trattamento di diverse superfici come solidi e liquidi.

Abstract

Negli ultimi anni, i plasmi a pressione atmosferica non termica sono stati ampiamente utilizzati per i trattamenti superficiali, in particolare a causa del loro potenziale nelle applicazioni biologiche. Tuttavia, i risultati scientifici spesso soffrono di problemi di riproducibilità a causa di condizioni plasmatiche inaffidabili e di complesse procedure di trattamento. Per affrontare questo problema e fornire una sorgente di plasma stabile e riproducibile, è stata sviluppata la sorgente di riferimento COST-Jet.

In questo lavoro, proponiamo un protocollo dettagliato per eseguire trattamenti superficiali affidabili e riproducibili utilizzando il getto di microplasma di riferimento COST (COST-Jet). Vengono discussi problemi e insidie comuni, nonché le peculiarità del COST-Jet rispetto ad altri dispositivi e il suo vantaggioso carattere remoto. Viene fornita una descrizione dettagliata del trattamento superficiale solido e liquido. I metodi descritti sono versatili e possono essere adattati ad altri tipi di dispositivi al plasma a pressione atmosferica.

Introduction

I plasmi a pressione atmosferica fredda (CAP) hanno attirato un crescente interesse negli ultimi anni a causa del loro potenziale per le applicazioni di trattamento superficiale. I CAP sono caratterizzati dalle loro proprietà di non equilibrio, consentendo una chimica del plasma complessa con un'alta densità di specie reattive pur mantenendo un basso impatto termico sui campioni trattati. Pertanto, i CAP sono considerati in particolare per il trattamento del tessuto biologico1,2,3,4. Numerosi concetti e progetti di CAP sono utilizzati con successo per la disinfezione e la guarigione delle ferite, la coagulazione del sangue e il trattamento del cancro, tra le altre applicazioni biomediche. Una grande percentuale di tessuto biologico contiene liquidi. Pertanto, la ricerca è anche sempre più focalizzata sullo studio degli effetti dei CAP su superfici liquide come il mezzo cellulare o l'acqua5,6,7.

Tuttavia, i risultati scientifici spesso soffrono di problemi di affidabilità e riproducibilità8,9,10. Da un lato, i substrati biologici trattati sono soggetti a variazioni naturali. D'altra parte, i meccanismi biologici sono stati raramente attribuiti direttamente ai processi plasmatici (come campi elettrici, radiazioni UV e specie di lunga e breve durata, ecc.). Inoltre, questi processi al plasma a loro volta dipendono fortemente dalla singola fonte di plasma e dal tipo esatto di applicazione.

Inoltre, i protocolli dettagliati delle procedure di trattamento sono raramente disponibili. Ciò rende difficile isolare l'influenza di un particolare parametro plasmatico sull'esito del trattamento, il che rende i risultati ottenuti non trasferibili.

Pertanto, recentemente, sono stati fatti vari tentativi per standardizzare il trattamento di superfici, tessuti e liquidi utilizzando plasmi a pressione atmosferica fredda. Qui presentiamo solo alcuni esempi selezionati.

  1. Per semplificare il confronto diretto di diverse fonti di plasma, è stata sviluppata una fonte di riferimento. Ispirato alla comunità del plasma a bassa pressione, è stato sviluppato un design di scarica riproducibile e stabile (COST-Jet) nell'ambito dell'azione COST MP 1101 che può servire come fonte di riferimento per la futura ricerca biomedica11.
  2. Per consentire la comparabilità, sono stati sviluppati protocolli di riferimento per le singole applicazioni. Per standardizzare il confronto delle proprietà antimicrobiche dei plasmi a pressione atmosferica fredda, ad esempio, Mann et al. hanno definito un protocollo di riferimento per il trattamento dei microrganismi normalizzando il tempo di trattamento per unità di area12.
  3. Per un approccio più flessibile, Kogelheide et al. hanno sviluppato un metodo per studiare le modificazioni chimiche indotte dal plasma sulle macromolecole13. Utilizzando composti traccianti come la cisteina e o il glutatione contenente cisteina (GSH) in combinazione con FTIR e spettrometria di massa, hanno cercato di estrapolare le modifiche chimiche su substrati biologici. Utilizzando questo metodo, diverse fonti di plasma come il COST-Jet, il kinPen e il Cinogy DBD sono già staticonfrontati 14,15,16.
  4. Per confrontare direttamente le singole sorgenti di plasma, devono essere stabiliti parametri di controllo comparabili. I parametri di base del plasma come la temperatura degli elettroni, la densità degli elettroni e le densità di flusso delle specie reattive sono difficili da misurare nei plasmi a pressione atmosferica poiché tali plasmi sono spesso transitori e le loro dimensioni sono piccole. Invece, i parametri di controllo esterni come la potenza del generatore, la tensione applicata o l'accensione e i punti di arco sono spesso usati come riferimento, specialmente quando si confrontano i risultati con le simulazioni17,18. Più recentemente, il consumo di energia elettrica misurato è stato utilizzato come parametro di controllo più affidabile19,20,21.

Nonostante questi sforzi, confrontare i risultati di diversi studi può ancora essere impossibile, semplicemente a causa della sfida di applicare correttamente una sorgente di plasma su una superficie. Ci sono un gran numero di insidie prevalenti che devono essere affrontate quando si lavora con applicazioni al plasma a pressione atmosferica come l'influenza di campi elettrici esterni (circuiti di compensazione), circuiti di feedback tra plasma e ambiente circostante (atmosfera schermata), trasporto di specie (vento ionico) e parametri di controllo (tensione, corrente, potenza).

L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di fornire un protocollo completo e dettagliato sull'applicazione del COST-Jet per i trattamenti superficiali. Il COST-Jet è una fonte di plasma affidabile che è stata sviluppata per scopi di riferimento scientifici piuttosto che per uso industriale o medico. Fornisce condizioni di scarico riproducibili e un ampio database di studi disponibili22,23. Il COST-Jet si basa su un plasma RF omogeneo e capacitivamente accoppiato. Poiché il campo elettrico è confinato perpendicolarmente al flusso di gas, le specie cariche sono per lo più mantenute nella regione di scarico e non interagiscono con il bersaglio o l'atmosfera circostante. Inoltre, il flusso di gas laminare garantisce condizioni chimiche al plasma riproducibili nell'effluente al plasma.

In questo articolo, affronteremo le sfide più comuni e introdurremo possibili soluzioni che sono state utilizzate in letteratura. Questi includono una corretta fornitura di gas, il controllo delle scariche, l'influenza dell'atmosfera ambientale e la preparazione della superficie. Il rispetto del protocollo qui presentato dovrebbe garantire la riproducibilità e la comparabilità delle misurazioni.

Il protocollo potrebbe anche servire da esempio per altre fonti di pressione atmosferica. Deve essere raffinato per altre sorgenti di plasma a getto in base al flusso di gas individuale e alla configurazione del campo elettrico. Ove applicabile, cercheremo di segnalare eventuali adeguamenti al protocollo. Le fasi descritte devono essere considerate e riportate quando si pubblicano studi che applicano plasmi a pressione atmosferica ai campioni trattati.

Protocol

1. Alimentazione di gas di alimentazione e atmosfera controllata

  1. Impostare l'alimentazione del gas costituita da linee di gas interamente metalliche, evitando qualsiasi TPFE o tubi di plastica simili24. Mantenere le linee di alimentazione del gas il più corte possibile per evitare impurità e facilitare il pompaggio del sistema di alimentazione del gas.
  2. Scegliere i regolatori di portata di massa utilizzati per fornire il gas di alimentazione in base alle portate di gas tipiche del COST-Jet. Utilizzare gas di lavoro con una purezza di almeno il 99,999%.
    NOTA: il principale gas di lavoro del COST-Jet è l'elio. Il funzionamento può essere realizzato a portate comprese tra 100 sccm e circa 5000 sccm, con 1000 sccm come valore più comune.
  3. Realizzare la miscela di gas reattivi da un sistema costituito da più regolatori di flusso massico. Per le mescolanze più piccole, utilizzare un'unità di contro-miscelazione per ridurre il tempo necessario affinché la miscelazione sia completa25.
    NOTA: Gli accessori comuni sono ossigeno e azoto con una portata dell'ordine di 5 sccm (0,5% del gas di lavoro).
  4. Aggiungere una valvola tra le linee di alimentazione del gas e il getto per evitare che l'aria umida entri nell'alimentazione del gas quando il dispositivo non è in uso poiché l'acqua è l'impurità più comune e più problematica nei plasmi a pressione atmosferica, influenzando criticamente la chimica del plasma.
  5. Pulire le linee di alimentazione del gas prima del trattamento superficiale, per ridurre le impurità nel tubo. Per fare ciò, è sufficiente impostare un flusso di gas moderato di circa 1000 sccm di elio e lavare le linee di alimentazione o, preferibilmente, pompare e riempire ripetutamente le linee di alimentazione (circa tre volte).
    NOTA: quando si scaricano semplicemente le linee di alimentazione del gas, potrebbero essere necessarie più ore per pulire il sistema, a seconda dello stato di contaminazione.
  6. Aggiungere una trappola per setaccio molecolare o una trappola fredda (ad esempio, utilizzando azoto liquido) alle linee di alimentazione del gas per ridurre ulteriormente l'umidità nel gas di alimentazione.
  7. Se, invece, si desidera una quantità controllata di acqua come reagente, aggiungere un gorgogliatore al sistema26,27.
  8. Prendi in considerazione la possibilità di creare un'atmosfera controllata per il tuo esperimento poiché i cambiamenti nella composizione dell'atmosfera ambientale potrebbero influenzare le reazioni chimiche nell'effluente al plasma.
    NOTA: Questo effetto non è probabilmente molto pronunciato per il COST-Jet28, poiché la configurazione del campo elettrico confina il plasma all'interno del canale di scarica, ma potrebbe svolgere un ruolo importante per altri dispositivi CAP in cui il plasma attivo è in parte al di fuori del dispositivo.

2. Assemblaggio e configurazione del dispositivo

  1. Collegare il dispositivo COST-Jet a un'alimentazione a gas. Collegare direttamente il dispositivo al tubo Swagelok in acciaio inossidabile da 1/4 di pollice. Utilizzare adattatori per diversi standard di tubazioni.
  2. Collegare il COST-Jet all'alimentatore utilizzando un cavo BNC schermato dotato di connettore SMC.
  3. Collegare le sonde elettriche integrate a un oscilloscopio per monitorare la tensione e la corrente utilizzando un resistore da 50 Ohm come terminazione.
  4. Aprire l'alloggiamento COST-Jet e collegare una sonda di tensione commerciale adeguatamente compensata alla linea di rame alimentata, nonché una parte messa a terra del getto (ad esempio, il tubo del gas Swagelok) e l'oscilloscopio.
  5. Eseguire una routine di calibrazione della sonda: applicare una piccola tensione al COST-Jet e sintonizzare il condensatore variabile del circuito LC utilizzando un cacciavite per raggiungere l'accoppiamento ottimale (massimizzare la tensione misurata). Eseguire una calibrazione della tensione confrontando la tensione effettiva (sonda commerciale) con la tensione misurata (sonda implementata) utilizzando la regressione lineare e calcolare una costante di calibrazione. Rimuovere la sonda di tensione commerciale e chiudere l'alloggiamento COST-Jet.
  6. Ancora una volta, applicare una piccola tensione al COST-Jet e sintonizzare il condensatore variabile del circuito LC utilizzando un cacciavite per raggiungere l'accoppiamento ottimale.
  7. Accendere un plasma nel dispositivo COST-Jet: in primo luogo, impostare una portata di gas di circa 1 slpm di elio utilizzando regolatori di flusso di massa (MFC). Aprire la valvola tra il sistema di alimentazione del gas e l'ultimo COST-Jet. Quindi, applicare una bassa tensione agli elettrodi e aumentare l'ampiezza fino a quando il plasma non si accende.
  8. Se, alla prima accensione, gli elettrodi sono sporchi e impediscono l'accensione, applicare un'alta tensione iniziale e ridurla rapidamente dopo l'accensione. In alternativa, utilizzare una pistola a scintilla per facilitare una prima accensione più facile.
  9. Impostare i parametri di controllo del funzionamento (flusso di gas, tensione applicata) sui valori desiderati.
  10. Dare alla configurazione un po 'di tempo di riscaldamento per consentire la stabilizzazione termica (circa 20 minuti) per garantire condizioni operative stabili e riproducibili.
  11. Per modificare la composizione del gas durante gli esperimenti, consentire un tempo di equilibrio di circa 2 minuti a seconda della configurazione dell'alimentazione del gas.
    NOTA: il COST-Jet è ora pronto per l'applicazione.

3. Misurazione della potenza

  1. Collegare l'oscilloscopio monitorando la tensione e la corrente applicate al COST-Jet a un computer.
  2. Installare il software 'COST power monitor' sul computer29 che consente il monitoraggio dell'alimentazione in tempo reale11,19.
  3. Regolare la comunicazione tra il software e l'oscilloscopio implementando i comandi necessari per il controllo dell'oscilloscopio specifico.
  4. Avviare il software del monitor di alimentazione COST e passare al pannello Impostazioni. Inserire i canali corretti collegati all'oscilloscopio e la costante di calibrazione determinata nel passaggio 2.4.
    NOTA: il pulsante Trova può essere utilizzato per calcolare automaticamente il fattore di calibrazione se la sonda di tensione commerciale è collegata al COST-Jet.
  5. Passate al pannello Sweep. Prendere una fase di riferimento mentre il plasma è ancora spento premendo il pulsante Trova. Spegnere il flusso di gas prima di questa misurazione e applicare una tensione che si trova nell'intervallo tipico di tensioni utilizzate per il funzionamento effettivo della scarica poiché il plasma non si accenderà nell'aria a causa di una tensione di accensione molto più elevata rispetto alle miscele di gas nobili dominate dal gas. Utilizzare questa misurazione per correggere automaticamente lo sfasamento relativo tra le sonde di tensione e corrente, assumendo qui una fase di 90 ° del condensatore perfetto.
  6. Premere il pulsante Start e Pausa per avviare o mettere in pausa le misurazioni elettriche.
  7. Utilizzare il COST-Jet come desiderato. Utilizzare la potenza elettrica effettiva calcolata dalle ampiezze di tensione e corrente, nonché il loro sfasamento, che vengono continuamente visualizzati nel software per il monitoraggio e come parametro di controllo.

4. Trattamento superficiale (solido)

  1. Impostare un'atmosfera controllata per l'esperimento.
    NOTA: Nel caso del COST-Jet, l'atmosfera controllata è meno importante che per le sorgenti con chimica del plasma attivo al di fuori del canale di scarica confinato.
  2. Pulire le linee di alimentazione del gas come descritto al punto 1.5.
  3. Impostare i parametri di funzionamento desiderati e attendere circa 20 minuti fino a quando il GETTO COST raggiunge una temperatura stabile.
  4. Scegliere la distanza tra il COST-Jet e la superficie trattata in quanto la distanza determina la quantità di specie reattive che incidono sulla superficie trattata30. Utilizzare uno stadio xyz per montare il substrato per una facile manipolazione.
    NOTA: per il COST-Jet, lo spazio di sicurezza aggiunge un millimetro in più alla distanza tra la scarica al plasma e la superficie trattata.
  5. Iniziare il tempo di trattamento: è sufficiente accendere il plasma o utilizzare un otturatore meccanico. Essere consapevoli di un possibile superamento della tensione durante l'evento di commutazione che porta a una scarica ristretta. Per un migliore controllo nell'intervallo ms, utilizzare un otturatore girevole.
  6. Trattare il campione per la quantità di tempo desiderata e terminare il tempo di trattamento spegnendo il plasma o utilizzando un otturatore.
  7. Se necessario, controllare il modello di flusso del gas di fronte al bersaglio utilizzando l'imaging di Schlieren quando si tratta un substrato poiché gli effetti della carica superficiale, delle forze di resistenza ionica o della miscelazione dell'aria ambiente a causa della galleggiabilità possono influenzare la quantità di specie reattive che raggiungono una superficie.

5. Trattamento dei liquidi

  1. Impostare un'atmosfera controllata per l'esperimento.
  2. Pulire le linee di alimentazione del gas come descritto al punto 1.5.
  3. Impostare i parametri di funzionamento desiderati e attendere circa 20 minuti affinché il GETTO COST raggiunga una temperatura stabile.
  4. Scegli la distanza tra il COST-Jet e il liquido trattato.
  5. Versare il liquido da trattare in un contenitore adeguato. Utilizzare materiale inerte per evitare reazioni di specie reattive potenzialmente generate nel liquido con il contenitore. Scegli la dimensione del contenitore in base al volume di liquido trattato.
  6. Considera l'influenza del flusso di gas sulla superficie del liquido: a seconda della portata del gas, sii consapevole di un menisco concavo che può formarsi, cambiando così la distanza tra plasma e superficie liquida.
  7. Iniziare il trattamento. Evitare picchi di pressione sulla superficie del liquido causati da un improvviso cambiamento nel flusso di gas in quanto ciò potrebbe causare spruzzi di liquido nella geometria di scarico, causando eventualmente un cortocircuito e certamente contaminando il plasma. Invece, utilizzare un otturatore meccanico o aumentare lentamente il flusso di gas.
  8. Prendere in considerazione la miscelazione / agitazione del liquido a causa dell'attrito tra il flusso di gas neutro e la superficie del liquido in quanto ciò influenza i processi di trasporto e i profili di concentrazione nel liquido. Inoltre, a seconda del tempo di trattamento, correggere l'evaporazione del liquido durante il trattamento (ad esempio, quando si calcolano le costanti di reazione). A seconda della sorgente di plasma, essere consapevoli di questa evaporazione che potrebbe causare l'accoppiamento posteriore alla scarica, cambiando così la chimica del plasma.
  9. Si prega inoltre di considerare che la reattività con eventuali reagenti nei liquidi è influenzata anche dall'attività superficiale di questo agente. Pertanto, in alcuni casi, i tensioattivi potrebbero svolgere un ruolo importante nell'interazione tra specie di breve durata e liquidi.

Representative Results

Utilizzando i metodi e le attrezzature sopra descritti, abbiamo applicato in modo esemplare il COST-Jet a diverse superfici e liquidi. La Figura 1 mostra la configurazione sperimentale utilizzata per il trattamento, tra cui l'alimentazione, il sistema di alimentazione del gas, le sonde di tensione e corrente, nonché un'atmosfera controllata e un otturatore meccanico.

Figure 1
Figura 1: Configurazione sperimentale utilizzata per il trattamento al plasma di superfici e liquidi mediante COST-Jet. Una trappola fredda viene utilizzata per purificare il gas di alimentazione. L'atmosfera controllata è realizzata da una camera a vuoto pompata a pressione atmosferica. L'otturatore meccanico facilita la gestione del tempo di trattamento superficiale solido e liquido. Lo stadio flessibile consente di controllare la distanza tra il getto di plasma e la superficie. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Utilizzando la sonda di tensione e corrente implementata nel COST-Jet, è possibile calcolare la potenza elettrica dissipata. La Figura 2 mostra la potenza elettrica misurata in un plasma di elio generato in cinque diversi dispositivi COST-Jet utilizzando un flusso di gas di 1 slpm. Tutti i dispositivi mostrano un comportamento simile. La deviazione tra i diversi dispositivi deriva dall'incertezza della misurazione della potenza e dalle differenze microscopiche nelle configurazioni come la distanza dell'elettrodo. Riedel22ha eseguito misurazioni più dettagliate delle specie reattive (ad esempio, ossigeno atomico e ozono), della temperatura e della potenza, nonché misurazioni dell'attività battericida.

Figure 2
Figura 2: Potenza dissipata in funzione della tensione applicata in un plasma di elio. I dati rappresentano cinque dispositivi COST-Jet identici34. Le piccole deviazioni ad alte tensioni sono dovute a incertezze della misurazione e piccole deviazioni nella geometria del canale di scarica del gas22. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La Figura 3 mostra il profilo di incisione di un film a:C-H per un trattamento di 3 minuti con il COST-Jet utilizzando un flusso di gas di elio da 1,4 slpm con una miscela dello 0,5% di ossigeno misurata utilizzando un riflettometro spettroscopico di imaging31. Il modello di incisione mostra una struttura circolare che rappresenta la simmetria cilindrica dell'effluente al plasma. Sulla base di profili di incisione in combinazione con simulazioni numeriche, è possibile stimare la probabilità di perdita superficiale di ossigeno atomico.

Figure 3
Figura 3: Profilo di incisione di un film a:C-H trattato al plasma. Il tuffo nel film è stato inciso utilizzando una miscela di gas di elio 1,4 slm con una miscela di ossigeno allo 0,6% ad una tensione di 230 Vrms e un tempo di trattamento di 3 min.31Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La Figura 4 mostra i vortici che si verificano nel liquido causati dal flusso di gas che impaatra sulla superficie del liquido. Un foglio laser che illumina le particelle traccianti nel liquido consente di osservare la traiettoria e la velocità di queste particelle tramite la velocimetria dell'immagine delle particelle e quindi studiare il flusso del fluido32. È importante considerare densità simili delle particelle di semina e del fluido in modo che le traiettorie delle particelle rappresentino il movimento del fluido. Con questa visualizzazione del flusso del fluido le misure e le simulazioni numeriche possono essere confrontate33. I vortici sono dovuti all'attrito superficiale tra il flusso di gas di effluente e la superficie del liquido. La Figura 4 mostra anche la depressione che si verifica della superficie liquida sotto il canale del gas del getto di plasma, il cosiddetto menisco. È visualizzato da una linea blu.

Figure 4
Figura 4: Fotografia di particelle di amido di mais illuminate in 3 ml di acqua agitata dal flusso di gas. I vortici sono dovuti all'attrito superficiale tra il flusso di gas di effluente e la superficie del liquido. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Qui, dimostriamo l'uso di un getto di plasma a pressione atmosferica per trattamenti superficiali di diversi materiali. La configurazione sperimentale per un getto di plasma a pressione atmosferica può avere un enorme effetto sui parametri del plasma, sulla chimica e sulle prestazioni e di conseguenza influenza l'esito dei trattamenti al plasma ed è un passo critico nel protocollo.

Ad esempio, le linee di alimentazione del gas svolgono un ruolo importante per quanto riguarda l'impurità più comune nel gas di alimentazione del plasma che è l'umidità. In particolare, la produzione di specie reattive dell'azoto nel plasma è ridotta mentre la produzione di specie reattive dell'ossigeno è favorita, a causa della bassa energia di ionizzazione dell'ossigeno rispetto alle molecole d'acqua e all'azoto35. Winter24 ha scoperto che l'umidità del gas di alimentazione proveniente dalle molecole d'acqua sulla superficie della camera d'aria è di un ordine di grandezza superiore utilizzando tubi polimerici rispetto ai tubi metallici a causa della maggiore porosità e capacità di stoccaggio. Può essere ridotto lavando le linee con gas di alimentazione. Tuttavia, l'asciugatura della linea mediante lavaggio richiede un paio d'ore. Pertanto, i tubi polimerici dovrebbero essere evitati o almeno mantenuti il più corti possibile. Questi risultati sono sottolineati dagli studi di Große-Kreul25. Hanno confrontato l'effetto della poliammide e dei tubi in acciaio inossidabile sulla chimica del plasma utilizzando la spettrometria di massa. Le loro misurazioni confermano la formazione di ioni a grappolo d'acqua nel plasma a causa del degassamento dell'acqua dai tubi polimerici e dei tempi di asciugatura più rapidi con i tubi metallici. Inoltre, hanno studiato l'effetto dei metodi di purificazione del gas come una trappola per setaccio molecolare e una trappola fredda di azoto liquido sulla chimica del plasma che ha contribuito a ridurre la quantità di impurità di circa due ordini di grandezza.

Invece di cercare di purificare il gas di alimentazione, c'è anche l'approccio di aggiungere una quantità controllata di umidità. Poiché questa impurità intenzionale domina sulle impurità naturali e quindi controlla la chimica del plasma, le condizioni riproducibili sono garantite purché la quantità di umidità aggiunta sia nota con precisione.

Per l'accensione della scarica, la tensione applicata agli elettrodi di solito può essere semplicemente aumentata fino al punto di rottura. Tuttavia, a seconda delle condizioni superficiali degli elettrodi, a volte è necessaria un'alta tensione. Per facilitare l'accensione, è possibile utilizzare una pistola a scintilla ad alta tensione. Questo può anche essere utile quando si tenta di accendere una scarica di argon nel COST-Jet.

Prima di applicare il COST-Jet su qualsiasi superficie, è necessario assegnare un tempo sufficiente affinché il dispositivo si equilibra. Se impostato sui parametri di controllo desiderati, il COST-Jet ha bisogno di circa 20 minuti per raggiungere condizioni stabili11. Durante questo periodo, la temperatura del dispositivo, la temperatura del gas e la chimica del plasma stanno raggiungendo uno stato stazionario.

Per il confronto dei risultati scientifici, sono necessari parametri di controllo del plasma comparabili. Per misurare la potenza elettrica in ingresso, è possibile utilizzare il monitor di potenza COST29. Il software è open source e compatibile con una gamma di diversi tipi di oscilloscopi. Il software funziona secondo il principio descritto da Golda19.

Oltre all'effetto dell'umidità del gas di alimentazione sulla chimica del plasma, il trasporto di specie reattive dal plasma al substrato svolge un ruolo importante nella composizione dell'effluente ed è un altro passo critico nel protocollo. L'atmosfera circostante può influenzare le specie create nel plasma nel loro percorso verso il substrato. Per ridurre al minimo questa influenza, vengono utilizzati due diversi concetti: (i) In primo luogo, è possibile creare un'atmosfera controllata costituita dal gas di alimentazione. Pertanto, la composizione dell'atmosfera circostante può essere mantenuta costante. A seconda del livello di purezza richiesto per il trattamento, l'atmosfera controllata può essere realizzata tramite alloggiamenti protettivi dotati di una valvola unizionale per prevenire la sovrapressione. Per livelli di purezza più elevati, è possibile utilizzare una camera a vuoto con una pompa. (ii) In secondo luogo, un'atmosfera controllata può essere creata utilizzando una cortina di gas schermante attorno all'effluente al plasma36,37. Solitamente, è costituito da un gas inerte, ma può anche essere variato in base alle esigenze dell'applicazione.

Fortunatamente, per il COST-Jet, l'influenza dell'atmosfera circostante è relativamente bassa. Utilizzando l'etichettatura isotopica, Gorbanev ha dimostrato che per un getto di plasma a campo parallelo, le specie reattive di ossigeno e azoto che raggiungono una superficie liquida si sono formate nella fase gassosa del plasma e nella regione tra l'ugello del plasma e il campione38,39. Al contrario, usando la stessa tecnica per il COST-Jet, hanno scoperto che RONS ha avuto origine quasi esclusivamente dalla fase al plasma anziché dall'ambiente circostante28. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che il campo elettrico è confinato al canale del plasma della scarica COST-Jet. Questo rende la scarica di plasma in gran parte indipendente dal suo ambiente e le conferisce un certo carattere remoto.

Per un getto di plasma a campo elettrico longitudinale, Darny et al.40 hanno dimostrato che la polarità del campo elettrico modifica il modello di flusso del gas e quindi anche sulle specie reattive che raggiungono un bersaglio a causa del vento ionico. La dipendenza della densità delle specie reattive dall'ambiente è stata confermata dalle misurazioni di Stancampiano et al.7. Hanno riportato la differenza del numero di specie reattive create nell'acqua trattata a seconda delle caratteristiche elettriche. Per compensare queste differenze, hanno dovuto creare un circuito elettrico di compensazione. Questo comportamento è diverso per il COST-Jet: la Figura 5 confronta le immagini Schlieren del COST-Jet senza una tensione applicata e durante il funzionamento per due diverse portate di gas. Le immagini sono state scattate utilizzando un singolo allineamento in linea a specchio come descritto da Kelly41. Mostrano come l'effluente COST-Jet allineato orizzontalmente colpisce un substrato di vetro piano. Entrambe le immagini mostrano esattamente lo stesso modello di flusso di gas. Ciò deriva dalla mancanza di vento ionico a causa dell'assenza di specie cariche nell'effluente plasmatico.

Inoltre, il COST-Jet presenta un modello di flusso molto laminare. Kelly41 ha mostrato immagini di Schlieren simili a quelle presentate in Figura 5,per varie portate di gas. Anche a portate di gas relativamente elevate di 2 slpm, l'effluente al plasma non mostra segni di turbolenza. A portate di gas molto basse di 0,25 slpm e inferiori, la galleggiabilità dell'effluente di elio inizia a svolgere un ruolo. Tuttavia, fino a 4 – 5 mm di distanza dall'ugello, l'atmosfera ambiente non influenza la composizione del gas che raggiunge la superficie come dimostrato da Ellerweg utilizzando la spettrometria di massa17.

Tutte le caratteristiche sopra menzionate si aggiungono al carattere remoto del COST-Jet. Questo lo rende un candidato ideale per il trattamento controllato e comparabile delle superfici.

Figure 5
Figura 5: Immagini Schlieren del COST-Jet con e senza tensione applicata per due diverse portate di gas. Durante il funzionamento al plasma, il modello di flusso del gas assomiglia esattamente al modello con solo il flusso di gas. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

A seconda dell'effetto desiderato sul campione trattato, i parametri di controllo miscela del flusso di gas, energia elettrica applicata e distanza tra sorgente di plasma e superficie possono essere regolati di conseguenza. Per il COST-Jet esiste un ampio database di letteratura di studi che indagano le specie reattive nell'effluente. Ad esempio, Willems30 ha misurato la densità atomica dell'ossigeno utilizzando la spettrometria di massa, mentre Schneider42 ha misurato le densità di azoto atomico nell'effluente.

Il trattamento dei liquidi con plasma a pressione atmosferica può causare una varietà di possibili meccanismi di reazione guidati da specie reattive, ioni, fotoni o campi elettrici. A causa delle caratteristiche precedentemente descritte del COST-Jet, l'effetto del campo elettrico, degli ioni e dei fotoni è trascurabile rispetto alle sorgenti di plasma in cui il plasma è in contatto diretto con i liquidi. Pertanto, per studiare l'effetto di specie reattive di breve durata come l'ossigeno atomico su una soluzione fenole, il GETTO COST è stato utilizzato da Hefny43 e Benedikt44. Inoltre, il COST-Jet offre una comoda possibilità di confrontare esperimenti e simulazioni numeriche di trattamento liquido28. Poiché l'interazione tra plasma e liquido è dominata dal flusso di gas delle specie reattive dal plasma alla superficie liquida, la complessità del modello può essere ridotta.

L'agitazione indotta dal flusso di gas del liquido aumenta la velocità di reazione tra le specie reattive generate dal plasma e il liquido. A differenza dei trattamenti superficiali dei solidi, la convezione del liquido cambia costantemente la concentrazione locale di reagenti. Inoltre, le velocità di reazione tra le specie generate dal plasma con i reagenti nel liquido sono anche influenzate dall'attività superficiale di questi reagenti. Con l'aumentare dell'attività superficiale, aumenta la concentrazione del reagente sulla superficie liquida. Questi tensioattivi potrebbero svolgere un ruolo importante nella reattività delle specie di breve durata generate dal plasma.

Accanto all'agitazione il flusso di gas che impaatra sulla superficie del liquido induce anche l'evaporazione che deve essere considerata. Utilizzando il COST-Jet con tempi di trattamento brevi, l'evaporazione potrebbe svolgere un ruolo minore, anche se deve ancora essere considerato per il calcolo delle corrette velocità di reazione. Lo scarico del COST-Jet non è influenzato dall'evaporazione e quindi anche la chimica del plasma non è influenzata. Per diverse fonti di plasma, dove ad esempio il plasma è in contatto diretto con il liquido, la chimica del plasma sta cambiando significativamente con l'evaporazione, come mostrato da Tian e Kushner45 per una scarica di barriera dielettrica. Inoltre, per la kINPen, è stato determinato un effetto delle evaporazioni46.

Oltre a queste differenze menzionate nella chimica del plasma che devono essere considerate per diverse fonti di plasma, anche la topologia del menisco indotta dal flusso di gas sui cambiamenti superficiali del liquido. La profondità di questo menisco dipende solitamente dalla velocità del gas. Per le sorgenti di plasma in cui la configurazione dell'elettrodo induce un campo elettrico significativo che raggiunge il liquido o anche con un plasma a contatto con il liquido, questo menisco può essere elevato47,48. Come mostrato, diversi effetti devono essere considerati in base alla fonte di plasma utilizzata.

In futuro, questo protocollo può essere utilizzato per condurre e descrivere trattamenti superficiali e liquidi utilizzando il COST-Jet. È una sorgente di plasma stabile e riproducibile che mostra un carattere remoto unico tra la pletora di diversi progetti di getti di plasma. Gli stessi metodi non sono limitati alla sola sorgente COST-Jet e possono essere modificati e adattati per l'uso con qualsiasi sorgente di plasma a pressione atmosferica fredda.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Gli autori ringraziano Volker Rohwer (Istituto di Fisica Sperimentale e Applicata, Università di Kiel) per l'aiuto con l'attrezzatura. Il lavoro è stato supportato dal DFG nell'ambito del CRC 1316 Transient Atmospheric Plasmas,nel progetto Cold atmospheric plasmas per lo studio dei meccanismi fondamentali di interazione con substrati biologici (project-ID BE 4349/5-1), e nel progetto 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

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Ingegneria Numero 165 Plasma a pressione atmosferica COST-Jet medicina al plasma trattamento al plasma protocollo di manipolazione liquido trattamento superficiale CAP
Trattamento di superfici con plasma a pressione atmosferica fredda utilizzando il COST-Jet
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Golda, J., Sgonina, K., Held, J.,… More

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).

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