Artículo de método

Una instalación de plasma a presión atmosférica para investigar la formación de especies reactivas

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DOI:

10.3791/54765

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3 de noviembre de 2016

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

En este artículo

Resumen

Se creó una configuración experimental para el chorro de plasma de frecuencia kHz operado con helio. La configuración incluye una jaula para la fuente de alimentación de plasma y el chorro y un reactor construido internamente para monitorear las especies reactivas inducidas por plasma sin la interferencia de la atmósfera ambiente.

Resumen

presión atmosférica plasmas ( "frío") no térmicos han recibido una mayor atención en los últimos años debido a su considerable potencial biomédico. Las reacciones de plasma frío con la atmósfera circundante producen una variedad de especies reactivas, que pueden definir su eficacia. Si bien el desarrollo eficiente de la terapia de plasma frío requiere modelos cinéticos, modelo de evaluación comparativa necesita datos empíricos. Los estudios experimentales de la fuente de especies reactivas detectados en soluciones acuosas expuestos al plasma son todavía escasos. Plasma biomédica a menudo se desarrolla con Él o gas de alimentación Ar, y un interés específico radica en la investigación de las especies reactivas generadas por plasma con varias mezclas de gases (O2, N2, aire, vapor de H2O, etc.) Estas investigaciones muy complejo debido a las dificultades en el control de la atmósfera ambiente en contacto con el efluente plasma. En este trabajo, hemos abordado cuestiones comunes de voltaje "alto"frecuencia kHz impulsado chorro de plasma estudios experimentales. Un reactor se desarrolló lo que permite la exclusión de atmósfera ambiente del sistema de plasma-líquido. Así, el sistema compuesto por el gas de alimentación con mezclas y los componentes de la muestra de líquido. Esta atmósfera controlada permite la investigación de la fuente de las especies de oxígeno reactivo inducidas en soluciones acuosas por plasma de vapor de He-agua. El uso de agua marcado con isótopos permitió distinguir entre las especies originarias de la fase gaseosa y las formadas en el líquido. El equipo de plasma estaba contenida dentro de una jaula de Faraday para eliminar la posible influencia de cualquier campo externo. La configuración es versátil y puede ayudar a comprender adicionalmente la interacción química de plasma líquido frío.

Introducción

Plasmas de presión atmosférica baja temperatura (LTP) han atraído una atención creciente en los últimos años debido a su gran potencial para aplicaciones biomédicas 1-3. Tras el contacto con la atmósfera ambiente, LTP reacciona con el contenido molecular del aire (N 2, O 2, H 2 O vapor), la generación de una variedad de especies de oxígeno y de nitrógeno reactivos (RONS) 2,4. Entre ellas se encuentran las especies relativamente estables (como el peróxido de hidrógeno, ozono, nitrito y nitrato) y aniones radicales altamente reactivos (OH •, • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Estas especies, inicialmente se generan en la fase de gas, se entregan aún más por el plasma en el sustrato biológico 5. RONS interacciona con sustratos y de este modo definir el antimicrobiana, contra el cáncer y los efectos antivirales de LTP 6-8.

El desarrollo de terapias LTP requiere de diseño complejo de las reacciones deRONS 9. El agua es una parte esencial del medio biológico, y las reacciones en la fase acuosa a aumentar la complejidad del sistema de forma espectacular. La investigación del plasma de fase gaseosa es ampliamente a cabo utilizando diversas técnicas analíticas, incluyendo la espectroscopia de emisión óptica, la fluorescencia inducida por láser, espectroscopia infrarroja, espectrometría de masas (MS), etc. 10-12. Al mismo tiempo, las investigaciones detalladas de las especies detectadas en la fase líquida son todavía escasos. Los informes disponibles describen el uso de diversos métodos de análisis tales como espectroscopía UV y resonancia paramagnética electrónica (EPR), citometría, etc., para la detección de RONS en soluciones acuosas 13,14. EPR es uno de los métodos más directos para la detección radical en el líquido. Sin embargo, muchas especies de radicales no pueden ser detectados por EPR debido a su tiempo de vida corto. En estos casos, se utiliza a menudo de captura de centrifugado. Espín atrapando una técnica que consiste en un compuesto (spin trap) WHICH rápidamente y selectivamente reacciona con el radical para dar un aducto de radical más persistentes (por ejemplo, DMPO reacciona con el radical hidroxilo, formando aducto DMPO-OH).

Los desafíos comunes en estudios de interacción plasma-líquido son la incapacidad de controlar la atmósfera ambiente alrededor del efluente plasma y otros factores de interferencia (campos externos, piezas de la fuente de alimentación con el medio sensible, etc.). Aquí, se demuestra el uso de una configuración que comprende de un caso de malla de metal que contiene el plasma operado y un reactor construido en-casa alrededor de la boquilla de chorro de plasma. La malla de metal sirve como jaula de Faraday, permitiendo mejorado significativamente la reproducibilidad y operatividad general del chorro de plasma. El reactor de vidrio encapsula tanto el chorro de plasma y la muestra de líquido, con exclusión de la atmósfera circundante del sistema.

Este método se puede emplear para cualquier chorro de plasma a presión atmosférica en contacto con soluciones líquidas.Por ejemplo, hemos presentado recientemente una investigación de la fuente de las especies reactivas de oxígeno detectados en una muestra acuosa expuesta al plasma. Isotópicamente se utilizó agua marcado para distinguir entre las especies formadas en el líquido y en la fase de gas del sistema de solución de jet-líquido plasma 15.

Protocolo

1. Blindaje la instalación de plasma

  1. Coloque todas las partes del entorno eléctrico en el interior de la jaula: fuente de alimentación, voltaje / medidor de corriente, cable de alimentación, electrodos de plasma, chorro de plasma, etc.
  2. Asegúrese de que el espacio dentro de la jaula es suficiente para que el electrodo vivo, el electrodo de tierra y los respectivos cables no están en contacto entre sí o la malla de metal.
  3. Dotar a la jaula con un sistema de bloqueo conectado a la fuente de plasma de corriente para evitar el riesgo de descarga eléctrica por el electrodo de alta tensión durante la operación de plasma.
  4. Coloque los controles de tensión y frecuencia en la superficie exterior de la jaula para permitir el cambio de los parámetros sin interrumpir el funcionamiento de plasma.
  5. Planta todo el metal es compatible con el interior de la jaula de malla de la jaula y sí con el cableado de ellas a un enchufe de conexión a tierra.

2. Los parámetros de vertido

  1. Coloque el electrodo en vivo por debajo del electrodo de tierra on el tubo de vidrio (es decir, más cerca de la boquilla de tubo).
  2. Conectar la sonda de tensión a la fuente de plasma de suministro para medir la tensión de funcionamiento, y pasar el electrodo de tierra a través de la sonda de corriente circular de controlar la corriente de retorno.
  3. Conectar la tensión y de la sonda de corriente a un osciloscopio, el control de la corriente, el voltaje y la frecuencia de funcionamiento de plasma (determinado por la corriente o bien la sonda de tensión).
  4. Ajuste el flujo de gas a través del tubo de vidrio de 2 slm utilizando los controladores de flujo másico (MFC).
  5. Encender el plasma en un tubo de vidrio con el helio gas de alimentación que pasa a través de él mediante la activación de la potencia de plasma de suministro. El uso de las lecturas de las sondas, fijar el voltaje y la frecuencia de la descarga a 18 kV y 25 kHz, respectivamente.
    NOTA: variaciones de los parámetros se llevan a cabo para determinar el voltaje mínimo y frecuencia a la que la descarga se produce con el contenido molecular más alto de todos los experimentos. The incremento en el contenido molecular requiere una mayor tensión para el plasma a ser encendido. Tenga en cuenta que las tensiones elevadas pueden resultar en un aumento significativo de la temperatura del gas de plasma, lo que conduce a un aumento de la evaporación de la muestra líquida.
  6. Mantener la tensión constante en todos los experimentos.

3. La introducción de aditivos para el gas de alimentación

  1. Conectar el segundo MFC a la tubería principal de gas de alimentación utilizando un conector en T.
  2. Para añadir el vapor de agua al gas de alimentación, dirigir un flujo regulado por el MFC de helio a través de un matraz de Drechsel lleno de agua y situado en el exterior (en la parte superior o en el lado) de la jaula de malla.
  3. Obtener un nivel deseado de saturación mediante la división del flujo de gas de alimentación. Directo 10% del flujo de gas (200 sccm) a través del matraz Drechsel con agua (H 2 O 16) para conseguir una saturación de 10% del gas de alimentación.
  4. Usando el conector en T, combinar este gas totalmente saturado de vapor de agua con el 90% (1800 sccm) de lael flujo de gas seco.

4. El Reactor

  1. Preparar un reactor de vidrio que consta de dos partes, superior e inferior. Equipar la parte inferior del tubo de escape con un.
  2. Coloque el reactor de vidrio a la boquilla del chorro de plasma.
  3. Inserte la boquilla de chorro de plasma en una arandela de goma dentro de la abertura en la parte superior del reactor.
  4. Preparar el recipiente que consiste en un depósito bien como en la parte superior de un soporte. Hacer tanto el soporte y el bien de un material dieléctrico (por ejemplo, vidrio, vidrio de cuarzo).
  5. Coloque el recipiente de la muestra en el interior del reactor de manera que se expone al efluente de plasma de la boquilla del chorro.
  6. Ponga un líquido H 2 O 17 muestra el interior del recipiente de la muestra. Para la detección de los radicales hidroxilo, usar una solución de la 5,5-dimetil-1-pyrroline- trampa de giro N-óxido (DMPO) (véase 5.1).
    NOTA: La elección de la trampa de giro, así como la elección de la muestra líquida comcomponentes depende de las especies específicas investigados. Por ejemplo, la fuente del radical OH • Se estudia el uso de H 2 16 O / H 2 O y 17 spin trampa DMPO. La fuente de • H radical requiere el uso de un H 2 O / D 2 O (gas y líquido). N terc-butil-α-fenilnitrona (PBN) se debe utilizar para la detección de la • radical H. En el caso de Él plasma con H 2 O vapor, que se demostró que predominantemente trampa de radicales de hidrógeno, mientras que DMPO formado principalmente aducto DMPO-OH 15.
  7. Conectar las dos partes del reactor a través de las superficies de contacto de vidrio esmerilado.

5. Girar el reventado de especies de radicales

  1. Preparar las soluciones de la trampa de giro elegido con la concentración requerida. Para soluciones acuosas, utilizar agua desionizada. Para trampas de spin de nitrona (como DMPO), usar una concentración de 100 mM.
  2. Pre-enjuagar el reactor con el gas de alimentación (2 slm) durante 30 s.
  3. IGNite el plasma (véase 2.5) y exponer la muestra líquida al efluente de plasma durante un periodo de tiempo determinado (por ejemplo, 60 segundos).
  4. Después de un tiempo de exposición necesario, desconectar la fuente de alimentación de plasma y abrir el reactor. Retirar el recipiente de muestras del reactor.
  5. Recoger la muestra y analizarla utilizando la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) 15.

Resultados

Usando el método y el equipo descrito anteriormente, hemos investigado el origen de las especies reactivas del oxígeno en el sistema de LTP en contacto con el agua. La frecuencia de funcionamiento de plasma y tensión eran 25 kHz y 18 kV (pico a pico), respectivamente (Figura 1).

Por ejemplo, se determinó la fuente del radical hidroxilo utilizando el agua marcado isotópicamente. Esto permitió distinguir entre las moléculas de agua en el gas de alimentación de los de la muestra de líquido. Por eso, H 2 O 16 se introdujo en el gas de alimentación (como vapor). Una muestra de líquido de H 2 17 O con la trampa de espín DMPO disuelto se coloca en un recipiente de la muestra. El reactor se pre-lava durante 30 segundos con el gas de alimentación. Es importante destacar que, en este caso ya pre-lavado de tiempo puede resultar en cantidad sustancial de H 2 16 O entregado a la H líquido 2 17 O muestra. A continuación, el plasma se enciende y la muestra se expuso al efluente para 60 seg. La solución de post-exposición se analizó por EPR. Dos radicales aductos DMPO-OH (OH DMPO- 17 y 16 DMPO- OH) se detectaron (Figura 2). La relación de los aductos formados se determinó mediante el análisis adicional de los datos de EPR. El análisis MS de la composición de la fase líquida mostró que la relación de H 2 16 O (difusa en el líquido de la fase gaseosa) a H 2 17 O (Tabla 1). La comparación de los dos sugirió que los radicales hidroxilo detectado en el líquido eran, de hecho, originarios de la fase de gas, y no en el líquido.

Estudios similares se pueden realizar mediante el uso de otros sistemas, tales como un sistema de D 2 O / H 2 O para detectar el origen de la • H (• D) radical 15.

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Figura 1. Configuración utilizada para la investigación de la fuente de especies reactivas de oxígeno. Se genera el plasma en un tubo de vidrio de cuarzo (diámetro interno 4 mm, 1 mm de espesor de pared) con el gas de alimentación de helio. El flujo de gas de alimentación era 2 slm. El gas de alimentación H 2 O contenida vapor introducido como se ha indicado anteriormente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2. Una espectro EPR de la mezcla de DMPO-H, DMPO- 16 OH y DMPO- 17 OH aductos de radicales inducida en la solución de DMPO en H 2 17 O expuesto al plasma. El análisis se realizó utilizando el software de simulación de espectros utilizando los valores hiperfinos disponibles en la literatura 16. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Tabla 1. Concentración de la DMPO- 16 OH y DMPO- 17 OH aductos de radicales y la cantidad de H 2 16 O en el líquido H 2 O 17 muestra después de la exposición de plasma. Las cantidades absolutas de las concentraciones de aductos se obtuvieron utilizando la calibración EPR con el radical estable 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO). En el caso de no vapor de agua añadido (entrada 1), una humedad residual estaba presente en el gas de alimentación. Las cantidades relativas de H 2 17 O y H 2 16 O en la muestra líquida se determinaron utilizando una reacción de hidrólisis de cloruro de cinamoílo produciendo una mezcla de 16 O- y 17 ácidos O-cinámico por reacción con la solución de la exposición post-plasma. La mezcla resultante se analizó por espectrometría de masas de alta resolución como se describe en otra parte 15.

Discusión

A continuación, se demuestra el uso de una instalación de plasma a presión atmosférica integrado en el local. La jaula de malla de metal ayuda a lograr condiciones de plasma reproducibles con interferencia minimizada de los campos externos, al mismo tiempo que protegen los equipos cercanos sensibles de posibles interferencias y / o daños en los campos de plasma inducido. El blindaje (jaulas) de la instalación depende del tipo de plasma operado y sus características eléctricas. El objetivo es asegurar la ausencia de interferencia externa en la operación de plasma y evitar los campos de plasma interferir con el material del entorno. En este caso el tamaño de la malla es 22 mm, sin embargo, el tamaño de malla reducida puede ser necesaria para diferentes plasmas. Los parámetros de funcionamiento de plasma se controlan mediante una tensión y una sonda de corriente conectado a un osciloscopio. La introducción de la sonda de alto voltaje cambia significativamente el entorno eléctrico, y por lo tanto la sonda debe convertirse en parte del sistema eléctrico y puede plantearioned la misma manera en todos los experimentos.

El uso del reactor de vidrio encapsulado de la muestra y el chorro de plasma permite la exclusión de la atmósfera ambiente de la composición a menudo desconocido del sistema de reacción. En los resultados presentados (vide supra), fue utilizado para determinar la fuente de las especies de oxígeno reactivo inducida por plasma en la muestra acuosa expuesta al efluente plasma. Tal investigación es posible si las moléculas del agua líquida y el agua en el gas de alimentación (vapor) se pueden diferenciar. Para determinar si los radicales hidroxilo se formaron en la fase de gas o de las moléculas de agua líquida, isotópicamente se introdujo agua marcada: H 2 O 17 como el medio líquido, H 2 16 O vapor en el gas de alimentación. Si un experimento hipotético se llevó a cabo en un ambiente abierto, distinguiendo entre las dos fases habría visto obstaculizada por la presencia de vapor de agua en el aire circundante. Unmétodo alternativo para reducir al mínimo la influencia de la atmósfera circundante se demostró en la literatura, en la que se impidió la difusión de las especies de la atmósfera en el efluente de plasma usando un gas de protección 17. El gas de protección (N 2 o O 2) crea una cortina de gas con una composición conocida 18. El reactor presenta en este manuscrito es una manera sencilla de eliminar la influencia de los componentes del aire ambiente (tales como vapor de agua), y se puede utilizar con diferentes chorros de plasma sin la introducción de la corriente de gas adicional. Similar al radical • OH, la fuente de la • H radical se puede determinar mediante el empleo de un D 2 O / H 2 O sistema. El bajo costo D 2 O también se puede introducir en el gas de alimentación en forma de vapor como se describe anteriormente.

La saturación del gas con H 2 O vapor se determinó pesando el matraz Drechsel antes y después de burbujeo del flujo de gas through ella. La humedad relativa (es decir, la saturación) del gas se calcula la cantidad del agua evaporada y el volumen de gas pasa a través.

Tenga en cuenta que en los experimentos prolongados, la temperatura del líquido en el matraz de Drechsel puede disminuir debido a la evaporación. La humedad relativa se calcula para una temperatura específica. Los valores calculados se comparan más con los de la literatura 19 para determinar la humedad relativa del gas de alimentación. Hemos descubierto empíricamente que un flujo de hasta 2 slm de él a través de un Drechsel lleno de agua matraz totalmente satura el gas con vapor de agua. Sin embargo, las tasas de flujo elevadas no pueden permitir suficiente tiempo de residencia del gas en el líquido durante la saturación completa. pueden ser necesarias otras técnicas de saturación.

Otro reto es asegurar que no hay aire circundante está presente en el sistema. El reactor se pre-lava con el gas de alimentación para eliminar el aire residual.El tiempo requerido para pre-lavado dependerá del volumen del reactor y el flujo de gas de alimentación. La ausencia de difusión de aire ambiente exterior y el arrastre en el sistema tal como un sistema de plasma de gas de alimentación de helio se puede probar usando un • NO reacción de captura de radicales. El óxido nítrico generado por el plasma de N 2 y O 2 moléculas de aire puede ser detectada por EPR como un aducto de radical de la (MGD) 2 Fe 2 + complejo 20 (MGD = N-metil-D-glucamina ditiocarbamato). En el caso de la ausencia total de aire, no se observa la señal de EPR del producto de adición. La ausencia de moléculas de agua externos en el reactor se puede demostrar por el siguiente experimento. Una muestra de líquido de D 2 O se expone a un plasma de gas de alimentación seco. El análisis de RMN de la muestra después de la exposición revela la cantidad de H 2 O traído en el líquido durante la exposición. Esto permite estimar la cantidad de la H residual 2 O en el tubing utiliza para el gas de alimentación 15 en el experimento.

El diseño del contenedor de la muestra es crucial en el trabajo experimental. Inicialmente, hemos intentado usar tubos de plástico y vidrio de microcentrífuga. Junto con el flujo de gas relativamente alto de alimentación de plasma, el pequeño diámetro de la abertura no permite que el aire circundante penetre en el tubo de microcentrífuga. Sin embargo, esto tiene muchas desventajas. El plasma exhibió arqueo y gran aumento de temperatura cerca de los bordes del tubo de microcentrífuga. La entrega de las especies de la fase gaseosa en el líquido también fue significativamente menos eficiente debido a las diferentes dinámicas en fase gaseosa y el área bajo la superficie (y gran volumen) de la muestra líquida. Por lo tanto, el área superficial de la muestra de líquido es crucial para la entrega de las especies reactivas de la fase gas a la muestra de líquido. Esto es especialmente importante para los radicales de vida corta. Por consiguiente, el recipiente de la muestra de líquido debe estar diseñado para permitir que el expuestolíquido tiene una elevada superficie para la difusión eficiente. La muestra debe tener también una baja profundidad para reducir al mínimo las limitaciones relacionadas con convección de la muestra líquida. Hay que tener en cuenta que la elevación de los flujos de gas y sobre todo con plasma en ignición crear perturbaciones significativas en la superficie de la muestra líquida 21. Por lo tanto, el recipiente de muestra tiene una forma bien como con el diámetro y la profundidad necesaria para el experimento específico. La altura del soporte en el que está situado el bien se puede ajustar a las necesidades experimentales. El pasacables de goma a través del cual se inserta el chorro de plasma en el reactor hace que sea posible cambiar el ángulo de contacto del efluente con el líquido.

El método presentado permite la investigación de la fuente de las especies reactivas (• OH, • H, etc.) inducida en el líquido por un chorro de plasma campo paralelo frecuencia kHz. El método que emplea un reactor de vidrio que rodea el chorro no se limita a la descripciónRibed condiciones, y se puede utilizar con otros plasmas de presión atmosférica. El método permite la introducción de cualquier aditivo para el gas de alimentación: vapor, O 2, N 2, etc. Entre sus otras ventajas es la posibilidad de realizar mediciones ópticas en su interior, aunque en este caso de vidrio de cuarzo de calidad óptica debe ser utilizado como un reactor de material. El tubo de escape en la parte inferior del reactor permite utilizar el chorro de plasma en prácticamente cualquier laboratorio: el tubo de escape puede ser conectado a través de un tubo de plástico a una campana de extracción a distancia. El concepto de reactor es versátil y se puede utilizar en la investigación de diferentes plasmas donde se requiere atmósfera controlada. Por ejemplo, la polimerización de estireno se inhibe por las especies de oxígeno 22, pero se puede observar en el reactor cuando estireno líquido se expone al plasma de gas de alimentación de helio.

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Los autores agradecen a Chris Mortimer, Chris Rhodes (Talleres del Departamento de Química) y Kari Niemi (Instituto de Plasma de York) por su ayuda con el equipo. El trabajo fue apoyado por el Leverhulme Trust (subvención No. RPG-2013-079) y EPSRC (EP/H003797/1 y EP/K018388/1).

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Fuente de alimentación del controlador de corona de barrera dieléctrica y resonante de plasma Información ilimitadaPVM500 
Controlador de flujo másico (MFC)Brooks Instruments 2 slm (Él calib.)
MFCBrooks Instruments 5 slm (Él calib.)
Controlador de microordenador para MFC BrooksInstruments 0254
H217OIcon IsotoposIO 6245
5,5-dimetil-1-pirrolina N-óxidoDojindo Molecular Technologies, Inc. D048-10≥ 99%
2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxyl Sigma-Aldrich21400098%
HelioBOC Reino Unido110745-V99.996%
Sonda de alto voltajeTektronix P6015A
Sonda de corrienteIon Physics Corporation  CM-100-L
OsciloscopioTeledyne LeCroyWaveJet 354A 

Referencias

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