Name: 使用成本喷气机用冷大气压力等离子体处理表面 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-11-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 36 s
Description: 了解如何使用COST-jet设备在常压下生成等离子体并处理固体或液体表面。本方案详细介绍了气体供应设置、功率测量校准及可重复处理的关键步骤，确保实验结果的标准化与可靠性。

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作者感谢基尔大学实验与应用物理研究所的 Volker Rohwer 在设备方面提供的帮助。本工作由德国研究基金会（DFG）在 CRC 1316 项目中资助。 瞬态大气等离子体， 在项目中 用于研究与生物基质基本相互作用机制的低温大气等离子体 （项目编号 BE 4349/5-1）以及该项目中 等离子体产生的一氧化氮在伤口愈合中的作用 （项目编号 SCHU 2353/9-1）

1. 进料气体供应与受控气氛
<ol>
	<li>设置由全金属气路组成的气体供应系统，避免使用任何TPFE或类似的塑料管路24。尽量缩短气体供应管线，以减少杂质并便于对气体供应系统进行抽气。</li>
	<li>根据COST-Jet的典型气体流速选择用于提供进气气体的质量流量控制器。使用纯度至少为99.999%的工作气体。 
	注意：COST-Jet的主要工作气体为氦气。可在100 sccm至约5000 sccm的流速范围内运行，其中1000 sccm为最常用值。</li>
	<li>通过由多个质量流量控制器组成的系统实现反应性气体的掺混。对于较小的掺混量，可使用反向混合单元以缩短混合完成所需时间25。 
	注意：常见的掺混气体为氧气和氮气，其流速通常在5 sccm左右（约为工作气体的0.5%）。</li>
	<li>在气体供应管线与喷嘴之间安装阀门，以防止设备不使用时湿空气进入气体供应系统，因为水是常压等离子体中最常见且最具干扰性的杂质，会显著影响等离子体化学过程。</li>
	<li>在表面处理前清洁气体供应管线，以减少管路中的杂质。清洁方法可采用约1000 sccm的中等氦气流直接冲洗供应管线，或更优地，反复对供应管线进行抽气和充气（约三次）。 
	注意：若仅通过冲洗方式清洁气体管线，所需时间可能长达数小时，具体取决于污染程度。</li>
	<li>在气体供应管线上加装分子筛阱或冷阱（例如使用液氮），以进一步降低进气气体中的湿度。</li>
	<li>若实验中需要精确控制水量作为反应物，则可在系统中添加鼓泡器26,27。</li>
	<li>考虑为实验设置受控气氛环境，因为周围环境气氛成分的变化可能会影响等离子体出流中的化学反应。 
	注意：对于COST-Jet而言，该效应可能并不显著28，因为其电场构型将等离子体限制在放电通道内部；但对于其他一些冷大气等离子体（CAP）设备，由于活性等离子体部分位于设备外部，该因素可能起重要作用。</li>
</ol>
2. 装置的组装与设置
<ol>
	<li>将 COST-Jet 装置连接至气体供应源。直接使用 ¼ 英寸不锈钢 Swagelok 管路连接该装置。若采用其他规格的管路，需使用适配器。</li>
	<li>使用带有 SMC 接头的屏蔽 BNC 电缆将 COST-Jet 连接到电源。</li>
	<li>将集成的电探针连接至示波器，并使用 50 欧姆电阻作为终端，以监测电压和电流。</li>
	<li>打开 COST-Jet 外壳，将一个已正确补偿的商用电压探针连接至带电的铜导线以及喷嘴的接地部分（例如 Swagelok 气体管路），并连接至示波器。</li>
	<li>执行探针校准程序：向 COST-Jet 施加一个小电压，并使用螺丝刀调节 LC 电路中的可变电容器，以达到最佳耦合状态（使测量电压最大化）。通过线性回归比较实际电压（商用探针）与测量电压（集成探针），进行电压校准，并计算校准常数。移除商用电压探针并关闭 COST-Jet 外壳。</li>
	<li>再次向 COST-Jet 施加一个小电压，并使用螺丝刀调节 LC 电路中的可变电容器，以达到最佳耦合状态。</li>
	<li>在 COST-Jet 装置中点燃等离子体：首先，使用质量流量控制器（MFC）设置约 1 slpm 的氦气流速。最后打开气体供应系统与 COST-Jet 之间的阀门。然后向电极施加低电压，并逐步增加电压幅值直至等离子体点燃。</li>
	<li>如果首次点火时电极不洁净而影响点火，可先施加较高初始电压，点火后迅速降低电压。或者，可使用火花枪辅助完成首次点火。</li>
	<li>将操作控制参数（气体流速、施加电压）设置为所需数值。</li>
	<li>让系统预热一段时间，以实现热稳定（约 20 分钟），确保运行条件稳定且可重复。</li>
	<li>若在实验过程中需改变气体组成，应根据气体供应系统的配置预留约 2 分钟的平衡时间。 
	注意：COST-Jet 现已准备就绪，可投入使用。</li>
</ol>
3. 功率测量
<ol>
	<li>将监测施加到 COST-Jet 上的电压和电流的示波器连接至计算机。</li>
	<li>在计算机上安装“COST power monitor”软件29，该软件可实现实时功率监测11,19。</li>
	<li>通过输入控制特定示波器所需的命令，调整软件与示波器之间的通信。</li>
	<li>启动 COST power monitor 软件并切换到 设置 面板。填写连接到示波器的正确通道以及在步骤 2.4 中确定的校准常数。 
	注意：如果商用电压探头已连接至 COST-Jet，可使用 查找 按钮自动计算校准因子。</li>
	<li>切换到 扫描 面板。在等离子体仍处于关闭状态时，按下 查找 按钮获取参考相位。在此测量前关闭气体流量，并施加一个处于放电实际运行常用范围内的电压，因为在空气中点火电压远高于以惰性气体为主的气体混合物，等离子体不会在空气中点燃。利用此测量结果自动校正电压与电流探头之间的相对相位偏移，此处假设理想电容器的相位为 90°。</li>
	<li>按下 开始 和 暂停 按钮以启动或暂停电学测量。</li>
	<li>按需操作 COST-Jet。使用软件持续显示的电压和电流幅值及其相位偏移所计算出的实际电功率，作为监测和控制参数。</li>
</ol>
4. （固体）表面处理
<ol>
	<li>为实验设置受控气氛。 
	注意：对于 COST-Jet 而言，受控气氛的重要性低于那些在受限放电通道外部具有主动等离子体化学反应的等离子源。</li>
	<li>按照步骤 1.5 所述清洁气体供应管路。</li>
	<li>设定所需的运行参数，并等待约 20 分钟，直至 COST-Jet 达到&#160;稳定温度。</li>
	<li>选择 COST-Jet 与处理表面之间的距离，因为该距离决定了到达处理表面的活性粒子数量30。使用 xyz 位移台固定样品，以便于调节。 
	注意：对于 COST-Jet，安全间隙会使等离子体放电区与处理表面之间的距离额外增加 1 毫米。</li>
	<li>开始处理时间：可直接开启等离子体，或使用机械快门。需注意开关过程中可能出现电压过冲，导致放电收缩。若需在毫秒量级实现更精确的控制，建议使用旋转式快门。</li>
	<li>按照所需时间处理样品，并通过关闭等离子体或使用快门结束处理。</li>
	<li>如有必要，在处理样品时可采用纹影成像技术检查靶面前方的气体流动模式，因为表面电荷积累、离子拖拽力或由浮力引起的环境空气混合等因素可能影响到达表面的活性粒子数量。</li>
</ol>
5. 液体处理
<ol>
	<li>为实验设置受控气氛环境。</li>
	<li>按照步骤1.5所述清洁气体供应管路。</li>
	<li>设定所需的运行参数，并等待约20分钟，使COST-jet达到稳定温度。</li>
	<li>选择COST-Jet与待处理液体之间的距离。</li>
	<li>将待处理液体倒入合适的容器中。使用惰性材料以避免液体中可能生成的活性物质与容器发生反应。根据处理液体的体积选择容器的大小。</li>
	<li>考虑气体流速对液体表面的影响：根据气体流速的不同，应注意可能形成的凹形弯月面，这会改变等离子体与液体表面之间的距离。</li>
	<li>开始处理。避免因气体流速突然变化而在液体表面产生压力骤增，这可能导致液体飞溅进入放电区域，可能引起短路并必然污染等离子体。建议使用机械快门或逐步增加气体流速。</li>
	<li>考虑到中性气体流与液体表面之间的摩擦会导致液体混合或搅拌，这会影响液体中的传质过程和浓度分布。此外，根据处理时间，需校正处理过程中液体的蒸发（例如在计算反应常数时）。根据等离子体源的不同，应注意这种蒸发可能引起对放电的反向耦合，从而改变等离子体化学性质。</li>
	<li>还需注意，液体中可能存在的试剂的反应性也受该试剂表面活性的影响。因此，在某些情况下，表面活性剂可能在短寿命物种与液体的相互作用中起重要作用。</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文展示了利用常压等离子体射流对不同材料进行表面处理的方法。常压等离子体射流的实验装置会对等离子体参数、化学特性及性能产生巨大影响，从而影响等离子体处理的结果，是该实验方案中的关键步骤。
例如，气体供应管路在等离子体进气中最常见的杂质——湿度——方面起着重要作用。特别是由于氧气分子相较于水分子和氮气具有更低的电离能，等离子体中活性氮物种的生成会减少，而活性氧物种的生成则被促进35。Winter24发现，进气中湿度来源于内管表面吸附的水分子，使用聚合物管路时该湿度比金属管路高一个数量级，原因是聚合物材料具有更高的孔隙率和储水能力。通过进气吹扫可降低该湿度，但完成干燥过程需要数小时。因此，应避免使用聚合物管路，或至少将其长度保持在最短。Große-Kreul25的研究进一步支持了这些结论。他们采用质谱法比较了聚酰胺管路与不锈钢管路对等离子体化学的影响。其测量结果证实，聚合物管路中释放出的水分子会导致等离子体中水团簇离子的形成，而金属管路的干燥速度更快。此外，他们还研究了气体纯化方法（如分子筛捕集器和液氮冷阱）对等离子体化学的影响，这些方法可使杂质含量降低约两个数量级。
与其尝试纯化进料气体，另一种方法是添加可控量的湿气。由于这种有意引入的杂质会主导等离子体中的自然杂质，从而控制等离子体化学反应，因此只要所添加湿气的量精确已知，即可确保实验条件的可重复性。
为了点燃放电，通常只需增加施加在电极上的电压，直至达到击穿点。然而，根据电极表面状况的不同，有时需要较高的电压。为了促进点燃，可使用高压火花枪。在尝试点燃COST-Jet中的氩气放电时，这种方法也尤为有用。
在将COST-Jet应用于任何表面之前，应留出足够的时间使设备达到平衡状态。当设定为所需的控制参数时，COST-Jet大约需要20分钟才能达到稳定状态11。在此期间，设备温度、气体温度以及等离子体化学成分将逐步达到稳态。
为了比较科学实验结果，需要具备可比性的等离子体控制参数。测量电输入功率时，可以使用COST功率监测器29。该软件为开源软件，可兼容多种不同类型的示波器。其工作原理基于Golda所描述的方法19。
除了进料气体湿度对等离子体化学的影响外，活性物质从等离子体向基底的传输在等离子体尾流成分中也起着重要作用，是本实验方案中的另一个关键步骤。周围环境大气可能在活性物质向基底传输的过程中对其产生影响。为尽量减少这种影响，通常采用两种不同的策略：（i）首先，可建立一个由进料气体组成的受控气氛环境，从而保持周围大气成分的恒定。根据处理过程对纯度的要求，可通过配备单向阀的保护外壳来实现该受控气氛，以防止过压；对于更高纯度要求，可使用带泵的真空腔室。（ii）其次，可通过在等离子体尾流周围引入屏蔽气体帘来形成受控气氛36,37。屏蔽气体通常由惰性气体组成，但也可根据具体应用需求进行调整。
幸运的是，对于COST-Jet而言，周围大气环境的影响相对较小。Gorbanev等人通过同位素标记方法发现，在平行场构型的等离子体射流中，到达液面的活性氧和氮物种不仅在等离子体气相中生成，也产生于等离子体喷嘴与样品之间的区域38,39。相比之下，采用相同技术对COST-Jet进行研究时，他们发现活性氧氮物种（RONS）几乎完全来源于等离子体相，而非周围环境28。这可能是由于COST-Jet放电的电场被限制在等离子体通道内，从而使等离子体放电在很大程度上独立于其周围环境，具有一定的远程特性。
对于纵向电场等离子体射流，Darny 等人40已证明电场的极性会改变气体流动模式，从而通过离子风效应影响到达靶标的活性物种。Stancampiano 等人7的测量结果证实了活性物种密度对环境的依赖性。他们报道了在不同电学特性条件下，处理水中产生的活性物种数量存在差异。为补偿这些差异，他们必须构建一个补偿性电路。COST-Jet 的行为与此不同：图5对比了 COST-Jet 在未施加电压和工作状态下、两种不同气体流速下的纹影图像。图像采用 Kelly41所述的单镜同轴光路获取，展示了水平放置的 COST-Jet 射流气体冲击平面玻璃基底的情况。两张图像显示出完全相同的气体流动模式，这是由于等离子体射流中缺乏带电粒子，因而不存在离子风效应所致。
此外，COST喷射流表现出非常稳定的层流模式。Kelly41展示了与图5中所示类似的纹影图像，对应于不同气体流速条件下的情况。即使在相对较高的2 slpm气体流速下，等离子体射流也未显示出任何湍流迹象。在0.25 slpm及更低的气体流速下，氦气射流的浮力开始产生影响。然而，在距离喷嘴4–5 mm范围内，环境大气不会影响到达表面的气体成分，Ellerweg通过质谱分析已证实了这一点17。
上述所有特性增强了COST-Jet的远距离作用特性，使其成为表面处理的理想选择，可实现可控且可比较的处理效果。
<img alt="等离子体流动可视化，气体流速范围为0.5-1.4 slpm；等离子体开启/关闭状态，光学流动分析示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图5"> 
图5：在两种不同气体流速下，COST-Jet在施加电压与未施加电压时的纹影图像。在等离子体运行期间，气体流动模式与仅通入气体时的流动模式完全相同。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
根据对处理样品所需效果的不同，可相应调节气体流量混合比例、施加的电功率以及等离子体源与表面之间的距离等控制参数。对于COST-Jet，已有大量文献研究其射流出口中活性物种的特性。例如，Willems30 使用质谱法测量了原子氧密度，而施耐德42 测量了尾气中的原子氮密度。
在常压等离子体处理液体时，可能引发多种由活性物种、离子、光子或电场驱动的反应机制。由于COST-Jet具有前述特性，与等离子体直接接触液体的等离子体源相比，其电场、离子和光子的影响可忽略不计。因此，Hefny43和Benedikt44采用COST-Jet研究了短寿命活性物种（如原子氧）对苯酚溶液的作用。此外，COST-Jet为液体处理的实验与数值模拟之间的比较提供了便利条件28。由于等离子体与液体之间的相互作用主要由活性物种从等离子体向液面的气流主导，模型复杂性得以降低。
气体流动引起的液体搅拌可提高等离子体产生的活性物质与液体之间的反应速率。与固体表面处理不同，液体的对流会持续改变反应物的局部浓度。此外，等离子体产生的活性物质与液体中反应物之间的反应速率还受到这些反应物表面活性的影响。随着表面活性的增加，反应物在液体表面的浓度也随之升高。这些表面活性剂可能在等离子体产生的短寿命活性物质的反应活性中发挥重要作用。
除了搅拌之外，冲击液体表面的气体流动也会引发蒸发，这一点必须予以考虑。使用COST-Jet并在较短处理时间下操作时，蒸发可能仅起次要作用，但在计算准确的反应速率时仍需加以考虑。COST-Jet的放电不受蒸发影响，因此等离子体化学过程也不受影响。然而，对于其他类型的等离子体源，例如等离子体直接与液体接触的情况，蒸发会显著改变等离子体化学过程，正如Tian和Kushner45在介质阻挡放电中所展示的那样。此外，对于kINPen，也已检测到蒸发的影响46。
除了上述提及的、针对不同等离子体源需要考虑的等离子体化学差异外，气流在液体表面诱导形成的弯月面形貌也会发生变化。该弯月面的深度通常取决于气体流速。对于电极构型导致显著电场延伸至液体、甚至等离子体与液体直接接触的等离子体源，该弯月面可能被抬高47,48。如上所述，根据所使用的等离子体源，需考虑多种效应。
未来，该方案可用于使用COST-Jet进行表面和液体处理的操作与描述。COST-Jet是一种稳定的、可重复的等离子体源，在多种不同的等离子体射流设计中具有独特的远程特性。这些方法不仅限于COST-Jet源，还可修改和调整后用于任何冷大气压等离子体源。

近年来，冷常压等离子体（CAPs）因其在表面处理应用中的潜力而受到越来越多的关注。CAPs具有非平衡特性，能够在对处理样品保持较低热影响的同时，实现复杂的等离子体化学反应，并产生高密度的活性物质。因此，CAPs尤其被考虑用于生物组织的处理1,2,3,4。目前已有多种CAPs的概念和设计被成功应用于伤口消毒与愈合、血液凝固以及癌症治疗等生物医学领域。由于大部分生物组织含有液体，因此研究也日益聚焦于CAPs对细胞培养基或水等液体表面的作用效果5,6,7。
然而，科学研究结果常常面临可靠性和可重复性问题8,9,10。一方面，经处理的生物基底会受到自然变异的影响；另一方面，生物效应很少能直接归因于等离子体过程（如电场、紫外辐射、长寿命和短寿命活性物种等）。此外，这些等离子体过程本身又强烈依赖于具体的等离子体源及其应用方式的精确类型。
此外，详细的治疗操作方案很少公开。这使得难以分离特定等离子体参数对治疗结果的影响，从而导致所获得的结果无法被重复应用。
因此，近年来已有多项研究尝试利用低温常压等离子体对表面、组织和液体的处理进行标准化。本文仅列举部分代表性实例。
<ol>
	<li>为了简化不同等离子体源之间的直接比较，研究人员开发了一种参考源。受低压等离子体领域启发，在COST行动MP 1101框架下设计了一种可重复且稳定的放电装置（COST-Jet），可作为未来生物医学研究的参考等离子体源11。</li>
	<li>为实现结果的可比性，研究人员针对具体应用开发了参考实验方案。例如，为标准化冷常压等离子体抗菌性能的比较，Mann等人定义了一种微生物处理的参考方案，通过将处理时间归一化至单位面积来实现标准化12。</li>
	<li>为实现更灵活的比较方法，Kogelheide等人开发了一种用于研究等离子体诱导大分子化学修饰的方法13。该方法结合使用半胱氨酸或含半胱氨酸的谷胱甘肽（GSH）作为示踪化合物，并联合傅里叶变换红外光谱（FTIR）和质谱分析，尝试外推等离子体对生物底物的化学修饰效应。利用该方法，已有多个等离子体源（如COST-Jet、kinPen和Cinogy DBD）进行了相互比较14,15,16。</li>
	<li>为直接比较不同等离子体源，必须建立可比的控制参数。在常压等离子体中，电子温度、电子密度以及活性粒子通量密度等基本等离子体参数难以测量，因为这类等离子体通常具有瞬态特性且空间尺度较小。因此，常采用发生器功率、施加电压或点火与电弧位置等外部控制参数作为参考，尤其是在将实验结果与模拟数据进行对比时17,18。近年来，测得的电能消耗量已被用作一种更为可靠的控制参数19,20,21。</li>
</ol>
尽管做出了这些努力，由于将等离子体源正确施加到表面存在困难，不同研究之间的结果比较可能仍然无法实现。在开展常压等离子体应用时，存在大量常见的陷阱需要克服，例如外部电场的影响（补偿电路）、等离子体与周围环境之间的反馈回路（屏蔽气氛）、物种输运（离子风）以及控制参数（电压、电流、功率）等。
本研究的主要目的是提供一份关于COST-Jet在表面处理中应用的全面且详细的实验方案。COST-Jet是一种可靠的等离子体源，其设计初衷是用于科学研究参考，而非工业或医疗用途。它能够提供可重复的放电条件，并拥有大量已发表的研究数据22,23。COST-Jet基于一种均匀的、电容耦合射频等离子体。由于电场被限制在与气体流动方向垂直的区域内，带电粒子主要被限制在放电区域内部，不会与目标样品或周围环境发生相互作用。此外，层流气体流动确保了等离子体羽流中等离子体化学条件的可重复性。
本文将探讨最常见的挑战，并介绍文献中已采用的可能解决方案。这些方案包括适当的气体供应、放电控制、环境气氛影响以及表面处理。遵循本文所述的实验方案，应能确保测量结果的可重复性和可比性。
该方案也可为其他常压等离子体源提供参考。针对不同的射流等离子体源，需根据具体的气体流量和电场构型对该方案进行优化。在适用的情况下，我们将指出该方案可能需要进行的调整。在发表应用常压等离子体处理样品的研究时，应充分考虑并报告所描述的步骤。

<table><tbody><tr><td>COST 功率监测软件</td><td>自制</td><td></td><td>依据 www.cost-jet.eu 及 J Golda 等 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003</td></tr><tr><td>COST-Jet（含匹配电路）</td><td>自制</td><td></td><td>依据 www.cost-jet.eu 及 J Golda 等 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003</td></tr><tr><td>电流探头</td><td>自制</td><td></td><td>集成于 COST-Jet 中</td></tr><tr><td>气体供应系统</td><td>Swagelok</td><td></td><td>不锈钢材质</td></tr><tr><td>氦气</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>纯度 99.999%</td></tr><tr><td>质量流量控制器 (MFC)</td><td>Analyt-MTC</td><td>系列 358</td><td>5000 sccm</td></tr><tr><td>MFC</td><td>Analyt-MTC</td><td></td><td>50 sccm</td></tr><tr><td>示波器</td><td>Agilent Technologies</td><td>DSO7104B</td><td>带宽 1 GHz，分辨率 4 Gsa/s</td></tr><tr><td>氧气</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>纯度 99.9999%</td></tr><tr><td>电源</td><td>自制</td><td></td><td>依据 www.cost-jet.eu 及 J Golda 等 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003</td></tr><tr><td>电压探头</td><td>Tektronix</td><td>P5100A</td><td></td></tr><tr><td>xyz 位移台</td><td>Zaber</td><td>ZAB-X-XAZ-LSM0100A-K0059-SQ3</td><td></td></tr></tbody></table>

使用 cost-jet 对表面进行常压低温等离子体处理

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

近年来，非热常压等离子体已广泛应用于表面处理，尤其是因其在生物应用中的潜力而备受关注。然而，由于等离子体条件不稳定以及处理过程复杂，科研结果常常面临可重复性差的问题。为解决这一问题并提供一种稳定且可重复的等离子体源，研究人员开发了COST-Jet参考源。
本研究提出了一种使用COST参考微等离子体射流（COST-Jet）进行可靠且可重复表面处理的详细方案。文中讨论了常见问题与潜在陷阱，以及COST-Jet与其他设备相比的独特之处及其有利的远程处理特性。同时提供了对固体和液体表面处理的详细描述。所述方法具有良好的通用性，可适用于其他类型的常压等离子体设备。

利用上述方法和设备，我们以不同表面和液体为例，应用了COST-Jet进行处理。图1展示了实验装置，包括电源、气体供应系统、电压和电流探头，以及可控气氛环境和机械快门。
<img alt="等离子体射流实验示意图，气体流量控制，COST射流，光发射光谱装置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
图1：使用COST射流对表面和液体进行等离子体处理的实验装置。采用冷阱对进料气体进行纯化。通过抽气的真空室在常压下实现受控气氛。机械快门有助于精确控制对固体和液体表面处理的时间。可调节平台可控制等离子体射流与表面之间的距离。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
利用 COST-Jet 中集成的电压和电流探针，可计算出耗散的电功率。图 2 展示了在五种不同的 COST-Jet 装置中，以 1 slpm 气体流量产生的氦等离子体所测得的电功率。所有装置表现出相似的行为。不同装置之间的偏差源于功率测量的不确定性，以及装置间微观结构的差异，例如电极间距。关于活性物质（如原子氧和臭氧）、温度和功率的更详细测量，以及杀菌活性的测量，已由 Riedel22 等人完成。
<img alt="功率与电压关系图，显示具有上升趋势的数据点，用于电气分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
图 2：氦等离子体中耗散功率随施加电压的变化关系。数据来自五个相同的 COST-Jet 装置34。在高电压下出现的小幅偏差是由于测量不确定性以及气体放电通道几何结构的微小差异所致22。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
图3展示了使用COST-Jet对a:C-H薄膜进行3分钟处理后的刻蚀形貌，气体流量为1.4 slpm氦气并掺入0.5%氧气，通过成像光谱反射仪测量得到31。刻蚀图案呈现出圆形结构，反映了等离子体羽流的柱对称性。结合刻蚀形貌与数值模拟，可估算原子氧在表面的损失概率。
<img alt="薄膜厚度等高线图；示意图通过颜色标尺展示空间厚度变化。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：等离子体处理的a:C-H薄膜的刻蚀轮廓。 薄膜中的凹陷区域采用1.4 slm氦气并添加0.6%氧气的混合气体进行刻蚀，电压为230 Vrms，处理时间为3分钟。31 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
图4展示了气流冲击液体表面时在液体中产生的涡旋。通过激光片光源照射液体中的示踪粒子，可利用粒子图像测速技术观察这些粒子的运动轨迹和速度，从而研究流体流动32。需注意示踪粒子与液体的密度应相近，以确保粒子的运动轨迹能够真实反映流体的运动。通过这种流体流动的可视化方法，可将测量结果与数值模拟进行对比33。这些涡旋是由于出口气体流动与液体表面之间的表面摩擦所致。图4还显示了等离子体射流气体通道下方液体表面形成的凹陷，即所谓的弯月面，该结构由一条蓝色线条标示。
<img alt="流体动力学；液滴；示意图；表示流动方向的箭头；物理学研究。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 4"> 
图 4：在气体流动搅拌下，3 ml 水中被照亮的玉米淀粉颗粒的照片。 涡旋是由于流出气体与液体表面之间的表面摩擦所致。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

本方案旨在介绍COST-Jet的设置、操作及应用，用于处理各种表面，如固体和液体。

使用 COST-Jet 对表面进行常压低温等离子体处理

近年来，非热常压等离子体已被广泛用于表面处理，尤其是因其在……方面的潜力

通过遵循本方案的步骤，任何科研人员都应能够搭建COST-jet装置，测量施加的功率，并以可重复的方式将装置产生的常压等离子体作用于固体或液体基底。将COST-jet应用于生物样本等样品时，可实现不同研究团队之间研究结果的直接比较，以及模拟与实验之间的直接对比。当应用于生物基底和液体等复杂体系时，COST-jet能够帮助我们有效简化问题，聚焦于关键的科学问题。处理前，使用全金属气体管路搭建供气系统，完成实验装置的准备工作。选择质量流量控制器用于提供进料气体，避免使用任何聚四氟乙烯（TPFE）或类似的塑料管路。通过多个质量流量控制器组成的系统实现反应气体的混合。对于较小的混合物，使用台式混合装置以缩短混合所需时间。在气体供应管线与喷嘴之间安装一个阀门。在表面处理前，通过抽气并重新充气约三次来清洁气体供应管线。向系统中添加一个泵并启动，然后关闭泵并打开气体流量。添加分子筛阱或冷阱。将COST-jet装置连接至气体供应源和电源，再将集成的电探针连接至示波器。正确校准商用电压探头。通过卸下两颗螺丝打开COST-jet外壳，将商用电压探头连接至带电的铜线以及喷嘴的接地部分。随后，执行探头校准程序。对COST喷嘴施加一个小电压，并使用螺丝刀调节LC电路的可变电容器，以达到最佳耦合状态。通过线性回归比较实际电压与测量电压，进行电压校准，并计算校准常数。移除商用电压探头并关闭COST喷嘴外壳。再次向COST喷嘴施加一个小电压，并使用螺丝刀调节LC电路的可变电容器，以达到最佳耦合状态。利用质量流量控制器，将氦气的气体流速设置为约每分钟一标准升。打开气体供应系统与COST喷嘴之间的阀门，然后向电极施加低电压，并逐步增加电压幅值，直至等离子体点燃。让设备预热约20分钟。将监测COST喷射电压和电流的示波器连接至计算机。启动COST电源监控软件，并切换到设置面板。填写连接到示波器的正确通道以及校准常数。关闭气体流量，并施加一个处于放电实际运行时典型电压范围内的电压。切换到扫描面板，在等离子体仍关闭时，通过按下“查找”按钮采集参考相位。找到参考相位后，重新打开气体。按开始和暂停按钮以启动或暂停电学测量。在进行任何处理之前，需清洁气体供应管路，设置控制参数，并按照之前所述让设备预热一段时间。对于固体表面处理，选择 COST-jet 与被处理表面之间的距离。通过开启等离子体或使用机械快门来启动处理时间。如有必要，可使用纹影成像技术检查目标前方的气体流动模式。进行液体处理时，将待处理液体倒入合适的容器中，并考虑气体流动对液面的影响。开始处理过程。避免因气体流量突然变化而在液面产生压力波动，以免导致液体飞溅至放电区域。使用机械快门或缓慢增加气体流量。需考虑中性气体流与液体表面之间的摩擦所导致的液体混合。本方案已用于将 COST 射流应用于不同的表面和液体。为了验证该设备的可靠性，使用每分钟一标准升的气体流量，在五个不同的COST射流装置中产生的氦等离子体的电功率进行了测量。图中每种颜色代表其中一个装置。所有装置均表现出相似的行为，偏差源于功率测量的不确定性以及装置之间在微观结构上的差异。此处展示了ACH薄膜经COST喷射源处理三分钟后所得到的刻蚀轮廓。该图案呈现出代表等离子体羽流柱对称性的圆形结构。结合数值模拟与刻蚀轮廓，可估算原子氧的表面损失概率。液体中的涡旋是由气流冲击液体表面引起的。通过激光片光源照射液体中的示踪粒子，可以利用粒子图像测速技术观察这些粒子的运动轨迹和速度。等离子体射流气体通道下方液体表面形成的凹陷也可被观察到。本方案最重要的部分是尽可能保持系统的可重复性。这需要通过精确测量功率以及清洁气体供应管路以避免任何杂质来实现。采用本方案后，COST射流可重复地应用于各种类型的样品。

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