Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Behandling af overflader med et koldt atmosfærisk trykplasma ved hjælp af 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

Denne protokol præsenteres for at karakterisere opsætningen, håndteringen og anvendelsen af COST-Jet til behandling af forskellige overflader som faste stoffer og væsker.

Abstract

I de senere år er ikke-termiske atmosfæriske trykplasmaer blevet anvendt i vid udstrækning til overfladebehandlinger, især på grund af deres potentiale i biologiske anvendelser. De videnskabelige resultater lider imidlertid ofte af reproducerbarhedsproblemer på grund af upålidelige plasmaforhold samt komplekse behandlingsprocedurer. For at løse dette problem og tilvejebringe en stabil og reproducerbar plasmakilde blev COST-Jet-referencekilden udviklet.

I dette arbejde foreslår vi en detaljeret protokol til at udføre pålidelige og reproducerbare overfladebehandlinger ved hjælp af COST-referencemikroplasmastrålen (COST-Jet). Fælles problemer og faldgruber diskuteres, samt de særlige forhold i COST-Jet i forhold til andre enheder og dens fordelagtige fjernbetjening karakter. Der gives en detaljeret beskrivelse af både fast og flydende overfladebehandling. De beskrevne metoder er alsidige og kan tilpasses til andre typer atmosfæriske trykplasmaenheder.

Introduction

Kold atmosfærisk trykplasmaer (CAP) har tiltrukket sig øget interesse i de seneste år på grund af deres potentiale for overfladebehandling applikationer. CAP'er er kendetegnet ved deres ikke-ligevægtsegenskaber, hvilket muliggør kompleks plasmakemi med en høj tæthed af reaktive arter, samtidig med at de opretholder en lav termisk indvirkning på behandlede prøver. Derfor overvejes CAP'er især til behandling af biologisk væv1,2,3,4. Talrige koncepter og design af CAP'er bruges med succes til sårdesinficering og helbredelse, blodkoagulation og kræftbehandling, blandt andre biomedicinske applikationer. En stor del af biologisk væv indeholder væsker. Derfor er forskningen også i stigende grad fokuseret på at undersøge virkningerne af CAP'er på flydende overflader som cellemedie eller vand5,6,7.

De videnskabelige resultater lider dog ofte af pålideligheds- og reproducerbarhedsproblemer8,9,10. På den ene side er de behandlede biologiske substrater udsat for naturlige variationer. På den anden side blev biologiske mekanismer sjældent direkte tilskrevet plasmaprocesser (såsom elektriske felter, UV-stråling og lang- og kortlivede arter osv.). Desuden afhænger disse plasmaprocesser igen i høj grad af den enkelte plasmakilde og den nøjagtige type anvendelse.

Derudover er detaljerede protokoller for behandlingsprocedurer sjældent tilgængelige. Dette gør det vanskeligt at isolere en bestemt plasmaparameters indflydelse på resultatet af behandlingen, hvilket gør de opnåede resultater ikke overførbare.

Derfor er der for nylig gjort forskellige forsøg på at standardisere behandlingen af overflader, væv og væsker ved hjælp af kolde atmosfæriske trykplasmaer. Her præsenterer vi kun nogle udvalgte eksempler.

  1. For at forenkle den direkte sammenligning af forskellige plasmakilder blev der udviklet en referencekilde. Inspireret af lavtryksplasmasamfundet blev der udviklet et reproducerbart og stabilt udledningsdesign (COST-Jet) inden for rammerne af COST-aktionen MP 1101, der kan tjene som referencekilde for fremtidig biomedicinsk forskning11.
  2. For at muliggøre sammenlignelighed blev der udviklet referenceprotokoller for individuelle programmer. For at standardisere sammenligningen af de antimikrobielle egenskaber af kolde atmosfæriske trykplasmaer definerede Mann et al. en referenceprotokol for mikroorganismebehandling ved at normalisere behandlingstiden pr. områdeenhed12.
  3. For en mere fleksibel tilgang udviklede Kogelheide et al. en metode til undersøgelse af plasmainducerede kemiske modifikationer på makromolekyler13. Ved hjælp af sporstoffer som cystein og eller cysteinholdig glutathion (GSH) i kombination med FTIR og massespektrometri forsøgte de at ekstrapolere de kemiske modifikationer på biologiske substrater. Ved hjælp af denne metode er flere plasmakilder som COST-Jet, kinPen og Cinogy DBD allerede blevet sammenlignet14,15,16.
  4. For direkte at sammenligne individuelle plasmakilder skal der fastsættes sammenlignelige kontrolparametre. Grundlæggende plasmaparametre såsom elektrontemperatur, elektrontæthed og fluxtætheden af reaktive arter er svære at måle i atmosfæriske trykplasmaer, da sådanne plasmaer ofte er forbigående, og deres dimensioner er små. I stedet bruges eksterne kontrolparametre som generatorkraft, anvendt spænding eller tænding og buepunkter ofte som reference, især når man sammenligner resultater medsimuleringer 17,18. På det seneste er det målte elforbrug blevet brugt som en mere pålidelig kontrolparameter19,20,21.

På trods af disse bestræbelser kan det stadig være umuligt at sammenligne resultaterne af forskellige undersøgelser, simpelthen på grund af udfordringen med korrekt anvendelse af en plasmakilde på en overflade. Der er en lang række udbredte faldgruber, der skal tackles, når man arbejder med atmosfærisk trykplasmaapplikationer såsom påvirkning af eksterne elektriske felter (kompensationskredsløb), feedbacksløjfer mellem plasma og det omgivende miljø (afskærmet atmosfære), artstransport (ioniske vind) og kontrolparametre (spænding, strøm, strøm).

Hovedformålet med dette arbejde er at tilvejebringe en grundig og detaljeret protokol om anvendelsen af COST-Jet til overfladebehandlinger. COST-Jet er en pålidelig plasmakilde, der blev udviklet til videnskabelige referenceformål snarere end til industriel eller medicinsk brug. Den indeholder reproducerbare udledningsbetingelser og en bred database over tilgængelige undersøgelser22,23. COST-Jet er baseret på et homogent, kapacitively koblet RF-plasma. Da det elektriske felt er begrænset vinkelret på gasstrømmen, holdes ladede arter for det meste i udledningsområdet og interagerer ikke med målet eller den omgivende atmosfære. Derudover sikrer laminargasstrømmen reproducerbare plasmakemiske forhold i plasmaudløbet.

I dette papir vil vi tage fat på de mest almindelige udfordringer og introducere mulige løsninger, der er blevet brugt i litteraturen. Disse omfatter korrekt gasforsyning, udledningskontrol, indflydelse på atmosfæren i den omgivende atmosfære og overfladeforberedelse. Overholdelsen af den protokol, der fremlægges her, bør sikre målingernes reproducerbarhed og sammenlignelighed.

Protokollen kan også tjene som eksempel for andre atmosfæriske trykkilder. Det skal raffineres til andre jetplasmakilder i henhold til den individuelle gasstrøm og elektriske feltkonfiguration. Hvor det er relevant, vil vi forsøge at påpege mulige justeringer af protokollen. De beskrevne trin bør overvejes og rapporteres om, når undersøgelser, der anvender atmosfæriske trykplasmaer på behandlede prøver, offentliggøres.

Protocol

1. Forsyning af fodergas og kontrolleret atmosfære

  1. Opsæt gasforsyningen bestående af gasledninger af metal, så man undgår TPFE eller lignende plastrør24. Hold gasforsyningsledningerne så korte som muligt for at undgå urenheder og lette pumpningen af gasforsyningssystemet.
  2. Vælg de massestrømscontrollere, der bruges til at levere tilførselsgassen i henhold til cost-jet-omkostningernes typiske gasstrømshastigheder. Brug arbejdsgas med en renhed på mindst 99,999%.
    BEMÆRK: COST-Jet's primære arbejdsgas er helium. Betjening kan realiseres med strømningshastigheder mellem 100 sccm og ca. 5000 sccm, hvor 1000 sccm er den mest almindelige værdi.
  3. Indse blandingen af reaktive gasser ved hjælp af et system bestående af flere massestrømsregulatorer. Til mindre blandinger skal du bruge en modblandingsenhed for at reducere den tid, der er nødvendig for, at blandingen kan fuldføre25.
    BEMÆRK: Almindelige blandinger er ilt og nitrogen med en strømningshastighed i størrelsesordenen 5 sccm (0,5% af arbejdsgassen).
  4. Tilføj en ventil mellem gasforsyningsledningerne og strålen for at forhindre fugtig luft i at trænge ind i gasforsyningen, når enheden ikke er i brug, da vand er den mest almindelige og mest problematiske urenhed i atmosfæriske trykplasmaer, der påvirker plasmakemien kritisk.
  5. Rengør gasforsyningsledningerne før overfladebehandlingen for at reducere urenheder i slangen. For at gøre dette skal du enten blot indstille en moderat gasstrøm på ca. 1000 sccm helium og skylle forsyningslinjerne eller helst gentagne gange pumpe og genopfylde forsyningslinjerne (ca. tre gange).
    BEMÆRK: Når gasledningerne skylles, kan der være behov for flere timer til at rengøre systemet, afhængigt af forureningstilstanden.
  6. Der tilsættes en molekylær sigtefælde eller kold fælde (f.eks. ved hjælp af flydende nitrogen) til gasforsyningsledningerne for yderligere at reducere luftfugtigheden i tilførselsgassen.
  7. Hvis der i stedet ønskes en kontrolleret mængde vand som reagens, tilsættes en bubbler til systemet26,27.
  8. Overvej at oprette en kontrolleret atmosfære til dit eksperiment, da ændringer i sammensætningen af den omgivende atmosfære kan påvirke kemiske reaktioner i plasmaafløb.
    BEMÆRK: Denne effekt er sandsynligvis ikke særlig udtalt for COST-Jet28, da den elektriske feltkonfiguration begrænser plasmaet til indersiden af afladningskanalen, men kan spille en vigtig rolle for andre cap-enheder, hvor det aktive plasma delvist er uden for enheden.

2. Montering og opsætning af enheden

  1. Tilslut COST-Jet-enheden til en gasforsyning. Tilslut enheden direkte til swagelokrør i rustfrit stål. Brug adaptere til forskellige slangestandarder.
  2. Tilslut COST-Jet til strømforsyningen ved hjælp af et afskærmet BNC-kabel, der er udstyret med et SMC-stik.
  3. Tilslut de integrerede elektriske sonder til et oscilloskop for at overvåge spænding og strøm ved hjælp af en 50 Ohm modstand som afslutning.
  4. Åbn COST-Jet-huset, og tilslut en korrekt kompenseret kommerciel spændingssonde til den drevne kobberledning samt en jordet del af strålen (f.eks. Swagelok-gasrøret) og oscilloskopet.
  5. Udfør en sondekalibreringsrutine: Påfør en lille spænding på COST-Jet, og tune den variable kondensator af LC-kredsløbet ved hjælp af en skruetrækker for at nå den optimale kobling (maksimer målt spænding). Udfør en spændingskalibrering ved at sammenligne den faktiske spænding (kommerciel sonde) med den målte spænding (implementeret sonde) ved hjælp af lineær regression og beregne en kalibreringskonstant. Fjern den kommercielle spændingssonde, og luk COST-Jet-huset.
  6. Igen, anvende en lille spænding til COST-Jet og tune den variable kondensator af LC-kredsløbet ved hjælp af en skruetrækker for at nå den optimale kobling.
  7. Antænde et plasma i COST-Jet-enheden: For det første skal der fastsættes en gasstrømshastighed på ca. 1 slpm helium ved hjælp af massestrømsregulatorer (MPC'er). Åbn ventilen mellem gasforsyningssystemet og COST-Jet-lasten. Derefter påføres en lav spænding til elektroderne og øger amplituden, indtil plasmaet antændes.
  8. Hvis elektroderne ved den første tænding er urene og hæmmer tændingen, skal du anvende en høj indledende spænding og hurtigt reducere den efter tænding. Alternativt kan du bruge en gnistpistol til at lette en lettere første tænding.
  9. Angiv driftsstyringsparametrene (gasflow, anvendt spænding) til de ønskede værdier.
  10. Giv opsætningen lidt opvarmningstid, så der er mulighed for termisk stabilisering (ca. 20 minutter) for at sikre stabile og reproducerbare driftsforhold.
  11. For at ændre gassammensætningen under forsøgene skal der være en ca. 2 minutters ekvilibreringstid afhængigt af gasforsyningsopsætningen.
    BEMÆRK: COST-Jet er nu klar til anvendelse.

3. Effektmåling

  1. Tilslut oscilloskopet, der overvåger spændingen og strømmen på COST-Jet, til en computer.
  2. Installer softwaren 'COST power monitor' på computeren29, som gør det muligt at overvåge strømovervågning i realtid11,19.
  3. Juster kommunikationen mellem softwaren og oscilloskopet ved at implementere de nødvendige kommandoer til styring af det specifikke oscilloskop.
  4. Start COST-strømovervågningssoftwaren, og skift til panelet Indstillinger. De korrekte kanaler, der er tilsluttet oscilloskopet og kalibreringskonstanten, udfyldes i trin 2.4.
    BEMÆRK: Knappen Søg kan bruges til automatisk at beregne kalibreringsfaktoren, hvis den kommercielle spændingssonde er fastgjort til COST-Jet.
  5. Skift til panelet Oprydning. Tag en referencefase, mens plasmaet stadig er slukket, ved at trykke på knappen Søg. Sluk for gasstrømmen før denne måling, og påfør en spænding, der er i det typiske spændingsområde, der anvendes til den faktiske drift af udledningen, da plasmaet ikke antændes i luften på grund af meget højere antændelsesspænding sammenlignet med ædelgasdominerede gasblandinger. Brug denne måling til automatisk at korrigere for det relative faseskift mellem spænding og strømsonder under forudsætning af en 90° fase af den perfekte kondensator her.
  6. Tryk på knappen Start og afbryd midlertidigt for at starte eller sætte de elektriske målinger på pause.
  7. Brug COST-Jet efter behov. Brug den faktiske elektriske strøm beregnet ud fra spænding og strøm amplituder samt deres faseskift, som løbende vises i softwaren til overvågning og som en kontrolparameter.

4. (Solid) overfladebehandling

  1. Opsæt en kontrolleret atmosfære til dit eksperiment.
    BEMÆRK: For COST-Jet er den kontrollerede atmosfære mindre vigtig end for kilder med aktiv plasmakemi uden for den indelukkede udladningskanal.
  2. Gasforsyningsledningerne rengøres som beskrevet i trin 1.5.
  3. Indstil de ønskede driftsparametre, og vent i ca. 20 minutter, indtil COST-strålen når en stabil temperatur.
  4. Afstanden mellem COST-Jet og den behandlede overflade vælges, da afstanden bestemmer mængden af reaktive arter, der påvirker den behandlede overflade30. Brug en xyz-fase til at montere substratet for nem manipulation.
    BEMÆRK: For COST-Jet tilføjer sikkerhedsgabet en ekstra millimeter til afstanden mellem plasmaudladningen og den behandlede overflade.
  5. Start behandlingstiden: Tænd blot plasmaet, eller brug en mekanisk lukker. Vær opmærksom på en mulig spændingsoverskillelse under koblingshændelsen, der fører til en indsnævret udledning. For bedre kontrol i ms-området skal du bruge en roterende lukker.
  6. Prøven behandles i den ønskede tid, og behandlingstiden afsluttes ved at slukke for plasmaet eller ved hjælp af en lukker.
  7. Hvis det er nødvendigt, skal du kontrollere gasstrømsmønsteret foran målet ved hjælp af Schlieren-billeddannelse, når du behandler et substrat som virkninger af overfladeopladning, iontrækkræfter eller omgivende luftblanding på grund af opdrift, der kan påvirke mængden af reaktive arter, der når en overflade.

5. Flydende behandling

  1. Opsæt en kontrolleret atmosfære til eksperimentet.
  2. Gasforsyningsledningerne rengøres som beskrevet i trin 1.5.
  3. Indstil de ønskede driftsparametre, og vent ca. 20 minutter på, at COST-strålen når en stabil temperatur.
  4. Vælg afstanden mellem COST-Jet og den behandlede væske.
  5. Hæld væsken, der skal behandles, i en passende beholder. Brug inaktivt materiale for at undgå reaktioner fra potentielt genererede reaktive arter i væsken med beholderen. Vælg beholderens størrelse i henhold til mængden af væske, der behandles.
  6. Overvej gasstrømmens indflydelse på væskeoverfladen: Afhængigt af gasstrømshastigheden skal du være opmærksom på en konkav menisk, der kan dannes, og dermed ændre afstanden mellem plasma og flydende overflade.
  7. Start behandlingen. Undgå trykstigninger på overfladen af væsken forårsaget af en pludselig ændring i gasstrømmen, da dette kan forårsage flydende stænk i udledningsgeometrien, hvilket muligvis forårsager en kortslutning og helt sikkert forurener plasmaet. Brug i stedet en mekanisk lukker eller langsomt øge gasstrømmen.
  8. Tag hensyn til blanding/omrøring af væsken på grund af friktion mellem neutral gasstrøm og flydende overflade, da dette påvirker transportprocesser og koncentrationsprofiler i væsken. Afhængigt af behandlingstiden er det desuden korrekt for fordampning af væske under behandlingen (f.eks. ved beregning af reaktionskonstanter). Afhængigt af plasmakilden skal du være opmærksom på denne fordampning, der muligvis forårsager tilbagekobling til udledningen, og dermed ændre plasmakemien.
  9. Vær også opmærksom på, at reaktiviteten med mulige reagenser i væsker også påvirkes af dette middels overfladeaktivitet. Således kan overfladeaktive stoffer i nogle tilfælde spille en vigtig rolle i samspillet mellem kortlivede arter og væsker.

Representative Results

Ved hjælp af de ovenfor beskrevne metoder og udstyr anvendte vi eksemplarisk COST-Jet på forskellige overflader og væsker. Figur 1 viser den eksperimentelle opsætning, der anvendes til behandlingen, herunder strømforsyning, gasforsyningssystem, spænding og strømsonder samt en kontrolleret atmosfære og en mekanisk lukker.

Figure 1
Figur 1: Eksperimentel opsætning, der anvendes til plasmabehandling af overflader og væsker ved hjælp af COST-Jet. En kold fælde bruges til at rense fodergassen. Den kontrollerede atmosfære realiseres af et pumpet vakuumkammer ved atmosfærisk tryk. Den mekaniske lukker letter tidsstyringen af fast og flydende overfladebehandling. Den fleksible fase gør det muligt at kontrollere afstanden mellem plasmastrålen og overfladen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Ved hjælp af spændingen og den strømsonde, der er implementeret i COST-Jet, kan den spredte elektriske strøm beregnes. Figur 2 viser den målte elektriske effekt i et heliumplasma, der genereres i fem forskellige COST-Jet-enheder ved hjælp af en gasstrøm på 1 slpm. Alle enheder viser lignende adfærd. Afvigelsen mellem de forskellige enheder stammer fra usikkerheden ved effektmålingen samt mikroskopiske forskelle i opsætningerne såsom elektrodeafstanden. Riedel22har foretaget mere detaljerede målinger af reaktive arter (f.eks. atomisk ilt og ozon), temperatur og effekt samt målinger af bakterieaktivitet .

Figure 2
Figur 2: Spredet effekt som funktion af anvendt spænding i et heliumplasma. Dataene repræsenterer fem identiske COST-Jet-enheder34. De små afvigelser ved høje spændinger skyldes usikkerheder i målingen samt små afvigelser i gasudladningskanalens geometri22. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3 viser ætseprofilen for en a:C-H-film til en 3 minutters behandling med COST-Jet ved hjælp af en gasstrøm på 1,4 slpm helium med en blanding af 0,5% ilt målt ved hjælp af et billedspektroskopisk refleometer31. Ætsemønsteret viser en cirkulær struktur, der repræsenterer plasmaafglødningens cylindriske symmetri. Baseret på ætseprofiler i kombination med numeriske simuleringer kan sandsynligheden for overfladetab af atomisk ilt estimeres.

Figure 3
Figur 3: Ætseprofilen for en plasmabehandlet a:C-H-film. Dip i filmen blev ætset ved hjælp af en gas blanding af 1,4 slm helium med en blanding af 0,6% ilt ved en spænding på 230 Vrms og en behandlingstid på 3 min.31Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4 viser de forekommende hvirvler i væske forårsaget af gasstrømmen, der påvirker den flydende overflade. En laserplade, der oplyser sporstofpartikler i væsken, gør det muligt at observere disse partiklers bane og hastighed via partikelbillede velocimetry og derfor studere væskestrømmen32. Det er vigtigt at overveje lignende tætheder af såningspartiklerne og væsken, så partiklernes baner repræsenterer væskens bevægelse. Med denne visualisering af væskestrømsmålinger og numeriske simuleringer kan sammenlignes33. Hvirvlerne skyldes overfladefriktionen mellem spildevandsgasstrømmen og den flydende overflade. Figur 4 viser også den forekommende fordybning af den flydende overflade under plasmastrålens gaskanal, den såkaldte menisk. Det visualiseres af en blå linje.

Figure 4
Figur 4: Fotografi af belyste majsstivelsespartikler i 3 ml vand omrørt af gasstrømmen. Hvirvlerne skyldes overfladefriktionen mellem spildevandsgasstrømmen og den flydende overflade. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Her demonstrerer vi brugen af en atmosfærisk trykplasmastråle til overfladebehandling af forskellige materialer. Den eksperimentelle opsætning af en atmosfærisk trykplasmastråle kan have en enorm effekt på plasmaparametrene, kemien og ydeevnen og påvirker derfor resultatet af plasmabehandlinger og er et kritisk skridt i protokollen.

F.eks. spiller gasforsyningsledningerne en vigtig rolle med hensyn til den mest almindelige urenhed i plasmaets tilførselsgas, som er fugtighed. Især reduceres produktionen af reaktive nitrogenarter i plasmaet, mens den reaktive iltartproduktion favoriseres på grund af iltens lave ioniseringsenergi sammenlignet med vandmolekyler og nitrogen35. Vinter24 fandt ud af, at fodergasfugtigheden fra vandmolekyler på overfladen af slangen er en størrelsesorden højere ved hjælp af polymerrør sammenlignet med metalrør på grund af den højere porøsitet og lagerkapacitet. Det kan reduceres ved at skylle linjerne med tilførselsgas. Men tørring af linjen ved skylning tager et par timer. Polymerrør bør derfor undgås eller i det mindste holdes så korte som muligt. Disse resultater understreges af undersøgelser fra Große-Kreul25. De sammenlignede effekten af polyamid og rustfri stålrør på plasmakemien ved hjælp af massespektrometri. Deres målinger bekræfter vandklyngeiondannelse i plasmaet på grund af vandudgasning fra polymerrør og hurtigere tørretider med metalrør. Derudover undersøgte de effekten af gasrensningsmetoder som en molekylær sigtefælde og en flydende nitrogenkold fælde på plasmakemien, hvilket bidrog til at reducere mængden af urenheder med omkring to størrelsesordener.

I stedet for at forsøge at rense fodergassen, er der også tilgangen til at tilføje en kontrolleret mængde fugtighed. Da denne forsætlige urenhed derefter dominerer over de naturlige urenheder og dermed styrer plasmakemien, sikres reproducerbare forhold, så længe mængden af tilsat fugtighed er nøjagtigt kendt.

For antændelse af udledningen kan den anvendte spænding til elektroderne normalt simpelthen øges indtil opdelingspunktet. Men afhængigt af elektrodernes overfladeforhold er det nogle gange nødvendigt med høj spænding. For at lette tændingen kan der anvendes en højspændings-gnistpistol. Dette kan også være nyttigt, når du forsøger at antænde en argonudladning i COST-Jet.

Før COST-Jet påføres overflader, skal der afsættes tilstrækkelig tid til, at enheden kan ekvilibrere. Når COST-Jet er indstillet til de ønskede kontrolparametre, skal den bruge ca. 20 minutter for at nå stabile forhold11. I løbet af denne tid når enhedens temperatur, gastemperaturen såvel som plasmakemien en stabil tilstand.

Til sammenligning af videnskabelige resultater er sammenlignelige plasmakontrolparametre nødvendige. Til måling af den elektriske indgangseffekt kan COST-effektmonitoren bruges29. Softwaren er open source og kompatibel med en række forskellige typer af oscilloskoper. Softwaren fungerer i henhold til det princip, der er beskrevet af Golda19.

Ud over virkningen af fodergasfugtighed på plasmakemien spiller transporten af reaktive arter fra plasmaet til substratet en vigtig rolle i spildevandssammensætningen og er endnu et kritisk skridt i protokollen. Den omgivende atmosfære kan påvirke de arter, der skabes i plasmaet på vej til substratet. For at minimere denne påvirkning anvendes to forskellige begreber: (i) For det første kan der opsættes en kontrolleret atmosfære, der består af tilførselsgassen. Således kan sammensætningen af den omgivende atmosfære holdes konstant. Afhængigt af det renhedsniveau, der kræves til behandlingen, kan den kontrollerede atmosfære realiseres via beskyttende huse udstyret med en envejsventil for at forhindre overtryk. For højere renhedsniveauer kan et vakuumkammer med en pumpe bruges. ( ii) For det andet kan der skabes en kontrolleret atmosfære ved hjælp af et afskærmningsgasgardin omkring plasmaudledningen36,37. Normalt består den af en inert gas, men den kan også varieres afhængigt af applikationens behov.

Heldigvis for COST-Jet er indflydelsen fra den omgivende atmosfære sammenlignelig lav. Ved hjælp af isotopmærkning har Gorbanev vist, at der for en parallelfeltskonfigurationsplasmastråle blev dannet reaktive ilt- og nitrogenarter, der nåede en flydende overflade, i plasmagasfasen såvel som i området mellem plasmadysen og prøven38,39. I modsætning hertil fandt de ved hjælp af den samme teknik til COST-Jet ud af, at RONS næsten udelukkende stammede fra plasmafasen i stedet for det omgivende miljø28. Dette skyldes sandsynligvis, at det elektriske felt er begrænset til plasmakanalen for COST-Jet-udledningen. Dette gør plasmaudladningen stort set uafhængig af dens miljø og giver den en vis fjern karakter.

For en langsgående elektrisk feltplasmastråle har Darny et al.40 vist, at polariteten af det elektriske felt ændrer gasflowmønsteret og dermed også på de reaktive arter, der når et mål på grund af ioniske vind. Afhængigheden af den reaktive artstæthed på miljøet blev bekræftet ved målinger foretaget af Stancampiano et al.7. De rapporterede om forskellen i antallet af reaktive arter, der blev skabt i behandlet vand afhængigt af de elektriske egenskaber. For at kompensere for disse forskelle måtte de skabe et kompenserende elektrisk kredsløb. Denne adfærd er forskellig for COST-Jet: Figur 5 sammenligner Schlieren-billeder af COST-Jet uden en anvendt spænding og under drift for to forskellige gasstrømshastigheder. Billederne blev taget ved hjælp af et enkelt spejl inline justering som beskrevet af Kelly41. De viser, hvordan det vandret justerede COST-Jet-spildevand rammer et fladt glassubstrat. Begge billeder viser nøjagtig det samme gasflowmønster. Dette skyldes manglen på ionisk vind på grund af fraværet af ladede arter i plasmaafløb.

Derudover udviser COST-Jet et meget laminar flow mønster. Kelly41 viste Schlieren billeder svarende til dem, der præsenteres i figur 5, for forskellige gas flow satser. Selv ved sammenligneligt høje gasstrømshastigheder på 2 kl. Ved meget lave gasstrømshastigheder på 0,25 slpm og derunder begynder opdriften af heliumudløb at spille en rolle. Men op til 4 – 5 mm afstand fra dysen påvirker den omgivende atmosfære ikke gassammensætningen, der når overfladen, som påvist af Ellerweg ved hjælp af massespektrometri17.

Alle ovennævnte egenskaber føjer til COST-Jet's fjerne karakter. Dette gør det til en ideel kandidat til kontrolleret, sammenlignelig behandling af overflader.

Figure 5
Figur 5: Schlieren billeder af COST-Jet med og uden anvendt spænding for to forskellige gasstrømshastigheder. Under plasmadriften ligner gasflowmønsteret nøjagtigt mønsteret med kun gasstrømmen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Afhængigt af den ønskede effekt på den behandlede prøve kan kontrolparametrene gasstrømsblanding, anvendt elektrisk strøm og afstand mellem plasmakilde og overflade justeres i overensstemmelse hermed. For COST-Jet findes der en bred litteraturdatabase over undersøgelser, der undersøger reaktive arter i spildevandet. Som et eksempel målte Willems30 den atomare ilttæthed ved hjælp af massespektrometri, mens Schneider42 målte atomet kvælstoftæthed i spildevandet.

Behandlingen af væsker med atmosfærisk trykplasma kan forårsage en række mulige reaktionsmekanismer drevet af reaktive arter, ioner, fotoner eller elektriske felter. På grund af COST-Jet's tidligere beskrevne egenskaber er virkningen af det elektriske felt, ioner og fotoner ubetydelig sammenlignet med plasmakilder, hvor plasmaet er i direkte kontakt med væsker. Derfor blev COST-jet brugt af Hefny43 og Benedikt44til at studere effekten af kortvarige reaktive arter som atomisk ilt på en phenolopløsning. Desuden giver COST-Jet en bekvem mulighed for at sammenligne eksperimenter og numeriske simuleringer af flydende behandling28. Da samspillet mellem plasma og væske domineres af gasstrømmen af reaktive arter fra plasma til den flydende overflade, kan modellens kompleksitet reduceres.

Gasstrømmen induceret omrøring af væsken øger reaktionshastigheden mellem plasmagenererede reaktive arter og væsken. I modsætning til overfladebehandlinger af faste stoffer ændrer konvektionen af væsken konstant den lokale koncentration af reaktanter. Derudover påvirkes reaktionshastighederne mellem plasmagenererede arter med reaktanter i væske også af disse reaktanters overfladeaktivitet. Ved stigende overfladeaktivitet øges koncentrationen af reaktanten på den flydende overflade. Disse overfladeaktive stoffer kan spille en vigtig rolle i reaktiviteten af kortvarige arter, der genereres af plasmaet.

Ved siden af omrøring af gasstrømmen, der påvirker den flydende overflade, fremkalder også fordampning, som skal overvejes. Ved hjælp af COST-Jet med korte behandlingstider kan fordampningen spille en mindre rolle, men skal stadig overvejes til beregning af korrekte reaktionshastigheder. Udledningen af COST-Jet påvirkes ikke af fordampningen, og plasmakemien påvirkes derfor heller ikke. For forskellige plasmakilder, hvor plasmaet f.eks. er i direkte kontakt med væske, ændrer plasmakemien sig betydeligt med fordampning som vist af Tian og Kushner45 for en dielektrisk barriereudladning. Også for kINPen blev en effekt af fordampninger bestemt46.

Ud over disse nævnte forskelle i plasmakemi, der skal overvejes for forskellige plasmakilder, også meniskens topologi induceret af gasstrøm på flydende overfladeændringer. Dybden af denne menisk er normalt afhængig af gashastigheden. For plasmakilder, hvor elektrodekonfigurationen fremkalder et betydeligt elektrisk felt, der når væsken eller endda med et plasma i kontakt med væsken, kan denne menisk hæves47,48. Som vist skal flere virkninger overvejes i henhold til den anvendte plasmakilde.

I fremtiden kan denne protokol bruges til at udføre og beskrive overflade- og væskebehandlinger ved hjælp af COST-Jet. Det er en stabil, reproducerbar plasmakilde, der udviser en unik fjern karakter blandt overfloden af forskellige plasmastråledesign. De samme metoder er ikke begrænset til COST-Jet-kilden og kan ændres og tilpasses til brug sammen med enhver kold atmosfærisk trykplasmakilde.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takker Volker Rohwer (Institut for Eksperimentel og Anvendt Fysik, Kiel Universitet) for hjælp med udstyret. Arbejdet blev støttet af DFG inden for CRC 1316 Forbigående atmosfæriske plasmaer, i projektet Kolde atmosfæriske plasmaer til undersøgelse af grundlæggende interaktionsmekanismer med biologiske substrater (projekt-ID BE 4349/5-1) og i projektet Plasma-genereret nitrogenoxid i sårheling (projekt-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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Morfill, G. E., Kong, M. G., Zimmermann, J. L. Focus on Plasma Medicine. New Journal of Physics. 11 (11), 115011 (2009).
  2. Schlegel, J., Köritzer, J., Boxhammer, V. Plasma in cancer treatment. Clinical Plasma Medicine. 1 (2), 2-7 (2013).
  3. Weltmann, K. D., Woedtke, T. von Plasma medicine-current state of research and medical application. Plasma Physics and Controlled Fusion. 59 (1), 14031 (2017).
  4. Graves, D. B. Low temperature plasma biomedicine: A tutorial review. Physics of Plasmas. 21 (8), 80901 (2014).
  5. Bruggeman, P. J., et al. Plasma-liquid interactions: A review and roadmap. Plasma Sources Science and Technology. 25 (5), 53002 (2016).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Nature Editorial. Reality check on reproducibility. Nature. 533 (7604), 437 (2016).
  9. Baker, M. Is there a reproducibility crisis. Nature. 533, 452-454 (2016).
  10. 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).
  11. Golda, J., et al. Concepts and characteristics of the 'COST Reference Microplasma Jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (8), 84003 (2016).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Lackmann, J. W., et al. Nitrosylation vs. oxidation - How to modulate cold physical plasmas for biological applications. PloS one. 14 (5), 0216606 (2019).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Riedel, F., et al. Reproducibility of 'COST reference microplasma jets'. Plasma Sources Science and Technology. , (2020).
  23. Cost-Jet. COST Reference Microplasma Jet Homepage. , Available from: www.cost-jet.eu (2020).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Held, J. mimurrayy/COST-power-monitor v0.9.2 (Version v0.9.2). Zenodo. , (2019).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Lietz, A. M., Kushner, M. J. Molecular admixtures and impurities in atmospheric pressure plasma jets. Journal of Applied Physics. 124 (15), 153303 (2018).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).

Tags

165 Atmosfærisk trykplasma COST-Jet plasmamedicin plasmabehandling håndteringsprotokol væske overfladebehandling CAP
Behandling af overflader med et koldt atmosfærisk trykplasma ved hjælp af COST-Jet
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter