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一种用于研究活性物种生成的大气压等离子体装置

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DOI：

10.3791/54765

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2016年11月3日

 ,  ,  , 
1Department of Chemistry, University of York, 2York Plasma Institute, Department of Physics, University of York

通讯作者： Victor Chechik <victor.chechik@york.ac.uk>

本文内容

摘要

为氦气驱动的千赫兹频率等离子体射流构建了一套实验装置。该装置包括等离子体电源和射流装置的屏蔽箱，以及一个自行研制的反应器，用于在无环境大气干扰的情况下监测等离子体诱导产生的活性物种。

摘要

非热常压等离子体（“冷”等离子体）近年来因其显著的生物医学潜力而受到越来越多关注。冷等离子体与周围大气发生反应，产生多种活性物质，这些物质可决定其作用效果。尽管冷等离子体治疗的高效开发需要动力学模型支持，但模型的基准验证依赖于实证数据。目前针对暴露于等离子体的水溶液中所检测到的活性物质来源的实验研究仍较为匮乏。生物医学应用中的等离子体通常以He或Ar作为供气气体，特别值得关注的是研究不同气体掺杂条件下等离子体生成的活性物质2，N2，空气，H2O vapor, 等等。由于难以控制与等离子体出流接触的周围环境气氛，此类研究非常复杂。本研究针对由“高”电压千赫兹频率驱动的等离子体射流实验中常见的问题进行了探讨。我们开发了一种反应器，可将环境气氛从等离子体-液体系统中完全排除。因此，该系统仅包含载气及其添加组分，以及液体样品的组分。这种受控气氛使得能够探究由氦气-水蒸气等离子体在水溶液中诱导产生的活性氧物种的来源。通过使用同位素标记的水，可区分来源于气相的物种与在液相中生成的物种。等离子体设备置于法拉第笼内，以消除任何外部电场的可能干扰。该装置具有良好的通用性，有助于进一步理解冷等离子体与液体相互作用的化学机制。

引言

近年来，低温常压等离子体（LTP）因其在生物医学应用方面的巨大潜力而受到越来越多的关注1-3。当LTP与周围空气接触时，会与空气中的分子成分（N2、O2、H2O 蒸气）发生反应，产生多种活性氧和活性氮物种（RONS）2,4。其中既包括相对稳定的物种（如过氧化氢、臭氧、亚硝酸根和硝酸根阴离子），也包括高活性自由基（•OH、•OOH/O2•-、•H、•NO、等）。这些物种最初在气相中生成，随后由等离子体传递至生物基质5。RONS与基质相互作用，从而决定了LTP的抗菌、抗癌和抗病毒效应6-8。

LTP疗法的开发需要对RONS的反应进行复杂的建模9水是生物环境中的基本组成部分，水相中的反应会显著增加系统的复杂性。对气相等离子体的研究广泛采用多种分析技术进行，包括光发射光谱、激光诱导荧光、红外光谱和质谱（MS）。 等等。10-12同时，针对液相中检测到的物种的详细研究仍然较少。现有报道描述了多种分析方法的应用，如紫外光谱和电子顺磁共振（EPR）光谱、流式细胞术， 等等。 用于检测水溶液中的活性氧和氮物种13,14电子顺磁共振（EPR）是检测液相中自由基的最直接方法之一。然而，由于许多自由基寿命较短，无法被EPR直接检测。在此类情况下，常采用自旋捕获技术。自旋捕获是一种利用特定化合物（自旋捕获剂）快速且选择性地与自由基反应，生成更稳定的自由基加合物的方法。例如DMPO 与羟基自由基反应，形成 DMPO-OH 加合物。

等离子体-液体相互作用研究中的常见挑战包括无法控制等离子体出流周围环境气氛以及其他干扰因素（如外加场、对环境敏感的电源部件）。 等等。）。在此，我们展示了一种装置的使用方法，该装置由一个金属网罩构成，用于容纳工作中的等离子体，以及一个围绕等离子体射流喷嘴自行研制的反应器。该金属网作为法拉第笼，显著提高了等离子体射流的可重复性和整体操作性。玻璃反应器封装了等离子体射流和液体样品，使系统与周围大气隔离。

该方法可应用于任何与液体溶液接触的常压等离子体射流。例如，我们近期报道了一项研究，探讨了在暴露于等离子体的水溶液样品中检测到的活性氧物种的来源。通过使用同位素标记的水，可以区分在等离子体射流-液体溶液体系的液相和气相中生成的物种15。

方案

1. 等离子体装置的屏蔽

  1. 将电学环境的所有部件置于笼内：电源、电压/电流表、电源线、等离子体电极、等离子体射流 等等。
  2. 确保笼内空间充足，使活电极、接地电极及其相应导线之间互不接触，且均不与金属网接触。
  3. 将笼子配备与等离子体电源相连的联锁装置，以避免在等离子体运行期间因高压电极而产生电击风险。
  4. 将电压和频率控制装置置于笼子的外表面，以便在不中断等离子体运行的情况下调节参数。
  5. 将金属网笼内的所有金属支架以及网笼本身通过导线连接至接地插座进行接地。

2. 放电参数

  1. 将活电极置于玻璃管上接地电极的下方（即，更靠近管口。
  2. 将电压探头连接至等离子体电源以测量工作电压，并将接地电极穿过环形电流探头以监测回路电流。
  3. 将电压探头和电流探头均连接至示波器，用于监测电流、电压以及等离子体工作频率（可通过电流或电压探头确定）。
  4. 使用质量流量控制器（MFCs）将气体通过玻璃管的流量设定为 2 slm。
  5. 在玻璃管中通入载气氦气，打开等离子体电源以点燃等离子体。根据探针读数，将放电电压和频率分别设定为18 kV和25 kHz。
    注意：通过改变参数来确定在所有实验中产生最高分子含量时发生放电的最低电压和频率。分子含量增加需要更高的电压才能点燃等离子体。需要注意的是，较高的电压可能导致等离子体气体温度显著升高，从而引起液态样品的蒸发增加。
  6. 所有实验中均保持电压恒定。

3. 向进料气体中引入掺杂剂

  1. 使用三通连接器将第二个质量流量控制器（MFC）连接到主进气管路。
  2. 为向进气中添加水蒸气，将由MFC调节的氦气流导入一个装有水的德雷歇尔瓶（Drechsel flask），并将该瓶置于网状笼外（顶部或侧面）。
  3. 通过分流进气气流获得所需的饱和度：将10%的气体流量（200 sccm）通入装有水（H216O）的德雷歇尔瓶，以实现进气10%的饱和度。
  4. 使用三通连接器，将此完全被水蒸气饱和的气体与90%（1,800 sccm）的干燥气体流合并。

4. 反应器

  1. 准备一个由上下两部分组成的玻璃反应器，将排气管安装在下部。
  2. 将玻璃反应器置于等离子体射流的喷嘴处。
  3. 将等离子体射流喷嘴插入反应器上部开口内的橡胶衬套中。
  4. 准备一个容器，该容器由置于支架顶部的井状储液池构成。支架和井状结构均需使用介电材料制成（例如、玻璃、石英玻璃）
  5. 将样品容器放入反应器内，使其暴露于等离子体射流喷嘴产生的等离子体尾流中。
  6. 加入液体 H217O样品置于样品容器内。为检测羟基自由基，使用5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）自旋捕获剂（见5.1）。
    注意：自旋捕获剂的选择以及液体样品组分的选择取决于所研究的具体物种。例如，研究羟基自由基（•OH）的来源时，使用 H216O/H217O 和 DMPO 自旋捕获剂。•H 自由基的来源需要使用 H2O/D2O（气体和液体） N-叔丁基-α-苯基-氮氧化物（PBN）应用于•H自由基的检测。在含氢的氦等离子体情况下2O 气相中，主要捕获氢自由基，而 DMPO 主要形成 DMPO-OH 加合物15.
  7. 通过磨砂玻璃表面接触连接两个反应器部件。

5. 自由基物种的自旋捕获

  1. 配制所选自旋捕获剂的溶液至所需浓度。对于水溶液，使用去离子水。对于硝酮类自旋捕获剂（如 DMPO），使用 100 mM 的浓度。
  2. 用进料气体（2 slm）对反应器进行预吹扫 30 秒。
  3. 点燃等离子体（参见2.5），并将液体样品暴露于等离子体出流中一定时间（例如，60秒。
  4. 经过所需的暴露时间后，关闭等离子体电源并打开反应器。从反应器中取出样品容器。
  5. 采集样品，并使用电子顺磁共振波谱法（EPR）进行分析15.

结果

利用上述方法和设备，我们研究了与水接触的LTP系统中活性氧物种的来源。等离子体工作频率和电压分别为25 kHz和18 kV（峰峰值）（图1）。

例如，通过使用同位素标记的水来确定羟基自由基的来源。这使得能够区分进料气体中的水分子与液相样品中的水分子。具体操作中，将 H216O 作为蒸气引入进料气体中，而将含有溶解自旋捕获剂 DMPO 的 H217O 液体样品置于样品容器内。反应器先用进料气体预吹扫 30 秒。需要注意的是，在此情况下，过长的预吹扫时间可能导致大量 H216O 进入液态 H217O 样品中。随后点燃等离子体，使样品暴露于等离子体尾气中 60 秒。暴露后的溶液通过电子顺磁共振（EPR）进行分析。检测到两种 DMPO-OH 自由基加合物（DMPO-17OH 和 DMPO-16OH）（图 2）。通过进一步分析 EPR 数据确定了两种加合物的生成比例。对液相组成的质谱（MS）分析显示了从气相扩散进入液相的 H216O 与 H217O 的比例（表 1）。两者的比较表明，检测到的液相中的羟基自由基实际上来源于气相，而非液相内部产生。

也可使用其他体系进行类似研究，例如采用 D2O/H2O 体系来检测 •H（•D）自由基的来源15。

用于气体分析的等离子体反应器示意图，包含石英管、铜电极和电源。
图1. 用于研究活性氧来源的实验装置。等离子体在石英玻璃管（内径4 mm，壁厚1 mm）中产生，工作气体为氦气。进气流量为2 slm。进气中包含如上所述引入的H2O蒸气。请点击此处查看该图的放大版本。

EPR 谱学模拟与实验结果；氮氧自由基；磁场测量。
图 2. DMPO-H、DMPO-16OH 与 DMPO-17OH 自由基加合物在含 DMPO 的 H217O 溶液经等离子体处理后产生的 EPR 谱图。 分析采用文献中已知的超精细耦合常数，通过谱图模拟软件完成16。 请点击此处查看该图的高清版本。

饲料气体湿度测量表；·OH加合物浓度，H₂¹⁶O输送速率。
表1. 等离子体处理后液态 H217O 样品中 DMPO-16OH 与 DMPO-17OH 自由基加合物的浓度及 H216O 的含量。加合物的绝对浓度通过使用稳定自由基2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）进行EPR校准获得。在未额外添加水蒸气的情况下（条目1），进料气体中仍存在残余湿度。液态样品中H217O与H216O的相对含量通过肉桂酰氯的水解反应测定，该反应与等离子体处理后的溶液作用生成含16O-和17O-肉桂酸的混合物。所得混合物通过高分辨质谱分析，具体方法见文献15。

讨论

本文演示了一种自制的大气压等离子体装置的使用方法。金属网罩有助于在最小化外部场干扰的同时，实现可重复的等离子体条件，并保护附近敏感设备免受等离子体产生场可能带来的干扰或损坏。该装置的屏蔽（笼式结构）设计取决于所使用的等离子体类型及其电学特性。其目的是确保外部干扰不会影响等离子体运行，同时避免等离子体场干扰周围设备。本例中网孔尺寸为22 mm，但对于不同类型的等离子体，可能需要更小的网孔尺寸。等离子体运行参数通过连接至示波器的电压探头和电流探头进行控制。引入高压探头会显著改变电场环境，因此探头必须成为电学系统的一部分，并在所有实验中保持相同的位置和安装方式。

使用封装样品和等离子体射流的玻璃反应器，可将成分通常未知的环境大气排除在反应体系之外。在前述结果中（见上文），该装置被用于确定暴露于等离子体出流的水溶液中等离子体诱导活性氧物种的来源。若能区分液态水分子与进气气体中的水（蒸气）分子，则此类研究成为可能。为了确定羟基自由基是在气相中生成，还是来源于液态水分子，实验引入了同位素标记水：以 H217O 作为液相介质，H216O 蒸气作为进气气体。若在开放大气环境中进行假设实验，周围空气中存在的水蒸气将干扰对两相来源的区分。文献中曾报道一种替代方法，通过使用屏蔽气体来阻止环境中的物质扩散进入等离子体出流，从而最小化周围大气的影响17。屏蔽气体（N2 或 O2）可形成成分已知的气体屏障18。本文所介绍的反应器提供了一种简便方法，可消除环境空气组分（如水蒸气）的影响，且无需引入额外气流即可与不同等离子体喷头联用。类似于 •OH 自由基，•H 自由基的来源也可通过 D2O/H2O 体系加以确定。廉价的 D2O 同样可如上所述以蒸气形式引入进气气体中。

通过称量气体流经Drechsel洗气瓶前后的质量，确定气体被H2O蒸气饱和的程度。气体的相对湿度（即，饱和度）由蒸发的水量与通过气体的体积计算得出。

请注意，在长时间实验中，由于蒸发作用，Drechsel 洗气瓶内液体的温度可能会下降。相对湿度是针对特定温度计算的。将计算得到的数值与文献19中的数值进行比较，以确定进气的相对湿度。我们通过实验发现，当氦气以不超过 2 slm 的流量通过装有水的 Drechsel 洗气瓶时，可使气体被水蒸气完全饱和。然而，较高的流速可能导致气体在液体中的停留时间不足，无法实现充分饱和。此时可能需要采用其他饱和技术。

另一项具有挑战性的任务是确保系统中不存在周围空气。反应器需预先用进料气体吹扫，以去除残留的空气。预吹扫所需时间取决于反应器的体积和进料气体的流速。可通过•NO自由基捕获反应来检测外部环境空气是否扩散或夹带进入系统，例如在氦气进料等离子体系统中。空气中N2和O2分子经等离子体作用生成的一氧化氮（NO）可通过电子顺磁共振（EPR）检测，表现为(MGD)2Fe2+络合物的自由基加合物信号20（MGD = N-甲基-D-葡糖胺二硫代氨基甲酸盐）。若系统中完全无空气存在，则不会观察到该加合物的EPR信号。反应器中无外来水分子的情况可通过以下实验加以验证：将D2O液体样品暴露于干燥进料气体等离子体中，随后通过核磁共振（NMR）分析暴露后的样品，可检测到暴露过程中带入液体的H2O含量，从而估算实验中进料气体管路内残留H2O的量15。

样品容器的设计在实验工作中至关重要。最初，我们尝试使用塑料和玻璃微量离心管。由于等离子体进气气流相对较高，微离心管开口的直径较小，可阻止周围空气进入管内。然而，这种方法存在诸多缺点。等离子体在微离心管边缘出现电弧放电现象，并导致温度显著升高。同时，由于气相动力学特性不同以及液体样品的表面积较小（体积较大），气相活性物质向液相的传递效率也明显降低。因此，液体样品的表面积对于将气相中的活性物质传递至液体样品中至关重要，这对短寿命自由基尤为关键。液体样品容器的设计必须使暴露的液体具有较大的表面积，以实现高效的扩散。此外，样品深度应较低，以尽量减少与对流相关的传质限制。需要注意的是，较高的气体流速，尤其是激发后的等离子体，会在液体样品表面产生显著扰动21。因此，样品容器设计为井状结构，其直径和深度可根据具体实验需求确定。井状容器所处支架的高度可根据实验需要进行调节。等离子体射流通过插入反应器的橡胶衬套进入，该设计可调节射流出流与液体之间的接触角度。

所提出的方法可用于探究活性物种（•OH、•H）的来源， 等等。由千赫兹频率平行场等离子体射流在液体中诱导产生。该方法采用环绕射流的玻璃反应器，不仅限于所述条件，亦可用于其他常压等离子体。该方法允许向进料气体中引入任意添加剂：蒸气、O2，N2, 等等。 除了其他优势之外，该反应器还可在其内部进行光学测量，但此时必须使用光学质量的石英玻璃作为反应器材料。反应器底部的排气管使得等离子体射流几乎可在任何实验室中使用：可通过塑料管将排气连接至远程排风罩。该反应器设计具有多功能性，适用于需要受控气氛的不同等离子体研究。例如，苯乙烯的聚合反应会受到氧物种的抑制22但当液态苯乙烯暴露于氦气进气等离子体时，可在反应器中观察到。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢 Chris Mortimer、Chris Rhodes（化学系车间）和 Kari Niemi（约克等离子体研究所）在设备方面提供的帮助。本工作由 Leverhulme 信托基金（项目编号：RPG-2013-079）和英国工程与自然科学研究委员会（EPSRC，项目编号：EP/H003797/1 和 EP/K018388/1）资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
等离子体共振与介质阻挡电晕驱动电源 信息无限PVM500 
质量流量控制器（MFC）Brooks Instruments 2 slm（He 标定）
质量流量控制器Brooks Instruments 5 slm（He 标定）
用于MFC的微电脑控制器Brooks Instruments 0254
H217O同位素图标IO 6245
5,5-二甲基-1-吡咯啉 N氧化物Dojindo Molecular Technologies, Inc. D048-10≥99%
2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基 Sigma-Aldrich21400098%
氦气BOC 英国110745-V99.996%
高压探头Tektronix P6015A
电流探头Ion Physics Corporation CM-100-L
示波器Teledyne LeCroyWaveJet 354A 

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