Articolo metodologico

Una configurazione plasma a pressione atmosferica per Indagare sulla formazione reattiva Specie

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DOI:

10.3791/54765

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3 novembre 2016

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

In questo articolo

Sommario

È stata creata una configurazione sperimentale per il getto di plasma a frequenza kHz azionato ad elio. La configurazione include una gabbia per l'alimentazione del plasma e il getto e un reattore costruito internamente per monitorare le specie reattive indotte dal plasma senza l'interferenza dell'atmosfera ambientale.

Abstract

Pressione atmosferica ( 'freddo') plasmi non termici hanno ricevuto maggiore attenzione negli ultimi anni, a causa del loro significativo potenziale biomedico. Le reazioni di plasma freddo con l'atmosfera circostante producono una varietà di specie reattive, che possono definire la sua efficacia. Mentre lo sviluppo efficace della terapia plasma freddo richiede modelli cinetici, modello di benchmarking ha bisogno di dati empirici. Studi sperimentali della fonte di specie reattive identificati in soluzioni acquose esposti al plasma sono ancora scarse. Plasma Biomedical è spesso gestita con Lui o gas di alimentazione Ar, e un interesse specifico risiede nella ricerca delle specie reattive generati da plasma con vari additivi gas (O 2, N 2, aria, H 2 O vapore, ecc) Tali indagini sono molto complessa a causa di difficoltà nel controllare l'atmosfera ambiente in contatto con il plasma effluente. In questo lavoro, abbiamo affrontato i problemi più comuni di tensione 'alta'kHz guidato getto di plasma studi sperimentali. Un reattore è stato sviluppato consente l'esclusione di atmosfera ambiente dal sistema plasma-liquido. Il sistema così compreso il gas di alimentazione con additivi e le componenti del campione liquido. Questa atmosfera controllata ha permesso la ricerca della fonte delle specie reattive dell'ossigeno indotte in soluzioni acquose da plasma vapor He-acqua. L'uso di acqua marcati con isotopi permesso distinguere tra le specie originarie in fase gas e quelli formati nel liquido. L'apparecchiatura plasma era contenuto all'interno di una gabbia di Faraday per eliminare possibile influenza di qualsiasi campo esterno. La configurazione è versatile e può aiutare a comprendere ulteriormente il freddo al plasma-liquido interazioni chimica.

Introduzione

A bassa temperatura plasmi pressione atmosferica (LTPS) hanno attirato maggiore attenzione negli ultimi anni a causa della loro enorme potenziale per applicazioni biomediche 1-3. A contatto con l'atmosfera ambiente, LTP reagisce con contenuto molecolare di aria (N 2, O 2, H 2 O di vapore), generando una varietà di specie di ossigeno e di azoto reattivi (Röns) 2,4. Tra questi sono specie relativamente stabili (come perossido di idrogeno, ozono, nitriti e nitrati anioni) e radicali altamente reattivi (• OH, • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Queste specie, inizialmente generati in fase gassosa, sono ulteriormente consegnati dal plasma al substrato biologico 5. RONS interagisce con i substrati e quindi definire il antimicrobico, antitumorale e effetti antivirali di LTP 6-8.

Lo sviluppo di terapie LTP richiede modellazione complessa delle reazioniRONS 9. L'acqua è una parte essenziale del ambiente biologico, e le reazioni in fase acquosa aumenta la complessità del sistema drammaticamente. L'indagine del plasma in fase gas è ampiamente eseguita utilizzando varie tecniche analitiche, tra spettroscopia ottica di emissione, fluorescenza indotta da laser, spettroscopia infrarossa, spettrometria di massa (MS), ecc 10-12. Allo stesso tempo, indagini dettagliate delle specie rilevate nella fase liquida sono ancora scarse. Rapporti disponibili descrivono l'uso di vari metodi analitici come la spettroscopia UV e risonanza paramagnetica elettronica (EPR), citometria, ecc per la rilevazione di RONS in soluzioni acquose 13,14. EPR è uno dei metodi più diretti per il rilevamento radicale nel liquido. Tuttavia, molte specie radicali non possono essere rilevati da EPR causa del loro tempo breve vita. In questi casi, centrifuga trapping viene spesso utilizzato. Spin intrappolando una tecnica che coinvolge un composto (trappola spin) which rapidamente e selettivamente reagisce con il radicale per produrre un addotto radicale più persistente (ad esempio, DMPO reagisce con il radicale ossidrile, formando DMPO-OH addotto).

I problemi comuni in studi di interazione plasma-liquido sono l'incapacità di controllare l'atmosfera ambiente attorno al plasma effluente e di altri fattori interferenti (campi esterni, parti di alimentazione-ambientali sensibili, ecc). Qui, dimostriamo l'utilizzo di una configurazione che comprende un caso maglia metallica contenente il plasma gestito e un in-casa costruita reattore intorno al diffusore a getto di plasma. La rete metallica funge da gabbia di Faraday, permettendo migliorato significativamente la riproducibilità e l'operabilità generale del getto di plasma. Il reattore di vetro racchiude sia il getto di plasma ed il campione liquido, escludendo l'atmosfera circostante dal sistema.

Questo metodo può essere impiegato per qualsiasi getto di plasma a pressione atmosferica in contatto con soluzioni liquide.Ad esempio, abbiamo recentemente presentato una ricerca della fonte delle specie reattive dell'ossigeno identificati in un campione acquoso esposta a plasma. Isotopicamente acqua marcato è stato utilizzato per distinguere tra le specie formate nel liquido e in fase gas del plasma soluzione sistema jet-liquido 15.

Protocollo

1. schermi al plasma Setup

  1. Posizionare tutte le parti dell'ambiente elettrica all'interno della gabbia: alimentazione, tensione / misuratore di corrente, cavo di alimentazione, gli elettrodi al plasma, getto di plasma, etc.
  2. Assicurarsi che lo spazio all'interno della gabbia è sufficiente in modo che l'elettrodo vivo, l'elettrodo di massa e relativi cavi non sono in contatto tra di loro o rete metallica.
  3. Dotare la gabbia con un interblocco collegato al generatore al plasma per evitare il rischio di folgorazione dall'elettrodo alta tensione durante l'operazione di plasma.
  4. Posizionare i controlli di tensione e frequenza sulla superficie esterna della gabbia per consentire il cambio dei parametri senza interrompere il funzionamento del plasma.
  5. A terra tutte le supporti metallici all'interno della gabbia della maglia e la stessa gabbia da loro cablaggio ad una presa di terra di legame.

2. Parametri di scarico

  1. Posizionare l'elettrodo vive al di sotto l'elettrodo di massa on il tubo di vetro (cioè, più vicino all'ugello tubo).
  2. Collegare la sonda di tensione al generatore al plasma per misurare la tensione di funzionamento, e passare l'elettrodo di massa attraverso la sonda di corrente circolare per monitorare la corrente di ritorno.
  3. Collegare sia la tensione e la sonda di corrente ad un oscilloscopio, monitorare la corrente, la tensione e la frequenza di funzionamento del plasma (determinata da una corrente o la sonda di tensione).
  4. Impostare il flusso di gas attraverso il tubo di vetro di 2 slm usando i controllori di flusso di massa (MFC).
  5. Accendere il plasma in un tubo di vetro con elio gas di alimentazione che lo attraversa accendendo generatore al plasma. Usando le letture di sonde, impostare la tensione e la frequenza della scarica a 18 kV e 25 kHz, rispettivamente.
    NOTA: variazioni dei parametri vengono eseguite per determinare la tensione minima e la frequenza alla quale la scarica si verifica con il più alto contenuto molecolare di tutti gli esperimenti. the aumento del contenuto molecolare richiede una maggiore tensione per il plasma per essere incendiato. Si noti che le tensioni elevate possono provocare significativo aumento della temperatura del gas di plasma, determinando in tal modo una maggiore evaporazione del campione liquido.
  6. Mantenere la tensione costante in tutti gli esperimenti.

3. L'introduzione di Additivi per il gas di alimentazione

  1. Collegare il secondo MFC alla principale tubo gas di alimentazione mediante un connettore a T.
  2. Per aggiungere il vapore acqueo al gas di alimentazione, dirigere un flusso MFC-regolato di elio attraverso un pallone Drechsel riempita con acqua e posizionato all'esterno (in alto o laterale) della gabbia mesh.
  3. Ottenere un livello desiderato di saturazione dividendo il flusso del gas di alimentazione. Diretto 10% del flusso di gas (200 sccm) attraverso la muffola Drechsel con acqua (H 2 O 16) per ottenere una saturazione del 10% del gas di alimentazione.
  4. Uso del connettore a T, combinare questo gas completamente vapor saturo d'acqua con il 90% (1.800 sccm) delflusso di gas secco.

4. Il reattore

  1. Preparare un reattore di vetro costituito da due parti, superiore ed inferiore. Dotare la parte inferiore del tubo di scarico con una.
  2. Posizionare il reattore di vetro in corrispondenza dell'ugello del getto di plasma.
  3. Inserire l'ugello a getto di plasma in un anello di gomma all'interno della apertura nella parte superiore del reattore.
  4. Preparare il contenitore costituito da un serbatoio bene come contro sopra un supporto. Rendere sia il supporto e il pozzo da un materiale dielettrico (ad esempio, vetro, vetro di quarzo).
  5. Posizionare il contenitore del campione all'interno del reattore in modo che sia esposto al plasma effluente dall'ugello del getto.
  6. Mettere un liquido H 2 17 O campione all'interno del contenitore del campione. Per la rilevazione dei radicali idrossilici, utilizzare una soluzione di 5,5-dimetil-1-pyrroline- N -oxide (DMPO) trap centrifuga (vedi 5.1).
    NOTA: La scelta della trappola rotazione così come la scelta del campione liquido comcomponenti dipende dalla specie specifici indagati. Ad esempio, la fonte del • radicale OH è studiata usando H 2 16 O / H 2 O 17 e DMPO spin trap. La fonte di • H radicale richiede l'uso di un H 2 O / D 2 O (gas e liquidi). N -tert-Butyl-α-phenylnitrone (PBN) dovrebbe essere utilizzato per il rilevamento del • H radicale. Nel caso di He plasma con H 2 O vapore, è stato dimostrato principalmente per intrappolare l'idrogeno radicale, mentre DMPO formata principalmente DMPO-OH addotto 15.
  7. Collegare le due parti del reattore tramite il contatto di superfici in vetro smerigliato.

5. Spin trapping di specie radicaliche

  1. Preparare le soluzioni della trappola rotazione prescelto con la concentrazione desiderata. Per le soluzioni acquose, usare acqua deionizzata. Per trappole nitrone di spin (come DMPO), utilizzare una concentrazione di 100 mm.
  2. Pre-lavare il reattore con il gas di alimentazione (2 slm) per 30 sec.
  3. Ignite plasma (vedi 2.5) ed esporre il campione liquido al plasma effluente per un determinato periodo di tempo (ad esempio, 60 sec).
  4. Dopo un tempo di esposizione necessario, spegnere l'alimentazione al plasma e aprire il reattore. Rimuovere il contenitore del campione dal reattore.
  5. Raccogliere il campione e analizzarlo utilizzando la spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) 15.

Risultati

Utilizzando il metodo e apparecchiatura sopra descritta, abbiamo investigato l'origine delle specie reattive dell'ossigeno nel sistema LTP in contatto con l'acqua. La frequenza operativa plasma e tensione erano 25 kHz e 18 kV (picco-picco), rispettivamente (Figura 1).

Ad esempio, la fonte del radicale idrossile è stata determinata utilizzando l'acqua marcati con isotopi. Ciò ha permesso distinguere tra le molecole d'acqua nel gas di alimentazione da quelli del campione liquido. Per questo, H 2 O 16 è stato introdotto nel gas di alimentazione (come vapore). Un campione di liquido di H 2 O 17 con il disciolto spin trap DMPO è stata posizionata in un portacampioni. Il reattore è stato pre-lavata per 30 sec con il gas di alimentazione. È importante sottolineare che, in questo caso più pre-lavaggio tempo può causare una rilevante quantità di H 2 O 16 consegnato al liquido H 2 17 O campione. Poi, il plasma è stato acceso e il campione è stato esposto al effluente per 60 sec. La soluzione post-esposizione è stata analizzata mediante EPR. Due DMPO-OH addotti radicali (DMPO- 17 OH e DMPO- 16 OH) sono stati rilevati (Figura 2). Il rapporto degli addotti formati stata determinata tramite un'ulteriore analisi dei dati EPR. L'analisi MS della composizione in fase liquida ha mostrato il rapporto H 2 O 16 (diffusa nel liquido dalla fase gassosa) per H 2 O 17 (Tabella 1). Il confronto dei due suggerito che i radicali idrossilici rilevati nel liquido erano, infatti, originari in fase gassosa, e non nel liquido.

Studi simili possono essere eseguite utilizzando altri sistemi, ad esempio un sistema D 2 O / H 2 O per rilevare la fonte del • H (• D) radicale 15.

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Figura 1. Configurazione utilizzato per la ricerca della fonte di specie reattive dell'ossigeno. Il plasma è stato generato in un tubo di vetro di quarzo (diametro interno 4 mm, 1 mm Spessore parete) con gas di alimentazione di elio. Il flusso di gas di alimentazione era 2 slm. L'alimentazione del gas H 2 O contenute vapore introdotto come sopra indicato. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 2. Un spettro EPR della miscela di DMPO-H, DMPO- 16 OH e DMPO- 17 OH addotti radicali indotta nella soluzione di DMPO in H 2 17 O esposta al plasma. L'analisi è stata effettuata utilizzando il software di simulazione spettri utilizzando i valori iperfini disponibili in letteratura 16. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Tabella 1. Concentrazione del DMPO- 16 OH e DMPO- 17 OH addotti radicali e la quantità di H 2 O 16 nel liquido H 2 17 O campione dopo l'esposizione al plasma. Le quantità assolute di concentrazioni addotti sono stati ottenuti utilizzando la taratura EPR con la scuderia radicale 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxyl (TEMPO). In caso di mancata vapore acqueo aggiunto (voce 1), una umidità residua era presente nel gas di alimentazione. Le quantità relative di H 2 17 O e H 2 O 16 nel campione liquido sono stati determinati utilizzando una reazione di idrolisi del cloruro cinnamoil ottenendo una miscela di 16 e 17 O- acidi O-cinnamico per reazione con la soluzione di esposizione post-plasma. Il miscuglio risultante è stato analizzato mediante spettrometria di massa ad alta risoluzione come descritto altrove 15.

Discussione

Qui, dimostriamo l'uso di un setup plasma a pressione atmosferica costruito in-house. La gabbia di rete metallica aiuta a raggiungere condizioni di plasma riproducibili con interferenza minimizzata da campi esterni, allo stesso tempo proteggere apparecchiature adiacenti sensibili da possibili interferenze e / o danni da tutti i campi di plasma-indotta. La schermatura (ingabbiamento) della configurazione dipende dal tipo di plasma operato e le sue caratteristiche elettriche. Lo scopo è quello di garantire l'assenza di interferenze esterne sul funzionamento del plasma ed evitare i campi plasma interferire con le apparecchiature circostanti. In questo caso la dimensione delle maglie è 22 mm, tuttavia, ridotta dimensione può essere richiesta per diverse plasmi. I parametri di funzionamento di plasma sono stati controllati mediante una tensione e una sonda di corrente collegato ad un oscilloscopio. L'introduzione della sonda ad alta tensione cambia significativamente l'ambiente elettrico, e quindi la sonda deve diventare parte del sistema elettrico e da porreioned stesso modo durante tutti gli esperimenti.

L'uso del reattore di vetro incapsulare il campione ed il getto di plasma consente esclusione dell'atmosfera ambiente spesso sconosciuti composizione dal sistema di reazione. Nei risultati presentati (vedi sopra), è stato utilizzato per determinare l'origine delle specie reattive dell'ossigeno plasma indotta nel campione acquoso esposto al plasma effluente. Tale esame è possibile se le molecole del liquido dell'acqua e l'acqua nel gas di alimentazione (vapore) possono essere differenziati. Per determinare se i radicali idrossilici sono formate in fase gas o dalle molecole di acqua liquida, isotopicamente acqua marcato è stato introdotto: H 2 O 17 come mezzo liquido, H 2 16 O vapore nel gas di alimentazione. Se un ipotetico esperimento è stato condotto in un'atmosfera aperta, distinguendo tra le due fasi sarebbe stata ostacolata dalla presenza del vapore acqueo nell'aria circostante. Unmetodo alternativo per minimizzare l'influenza dell'atmosfera circostante è stata dimostrata in letteratura, in cui la diffusione delle specie dall'atmosfera nel plasma effluente è stato impedito utilizzando un gas di protezione 17. Il gas di protezione (N 2 o O 2) crea una cortina di gas con una composizione nota 18. Il reattore presentata in questo manoscritto è un modo semplice per rimuovere l'influenza delle componenti dell'aria ambiente (come il vapore acqueo), e può essere utilizzato con diversi getti di plasma senza l'introduzione del flusso di gas aggiuntivo. Simile al • radicale OH, la fonte del • H radicale può essere determinata impiegando un D 2 O / H 2 O sistema. Il conveniente D 2 O può anche essere introdotto nel gas di alimentazione come vapore come descritto sopra.

La saturazione del gas con H 2 O vapore è stato determinato mediante pesatura del pallone Drechsel prima e dopo gorgogliamento del flusso di gas through esso. L'umidità relativa (cioè, saturazione) del gas viene calcolato dalla quantità di acqua evaporata e il volume di gas attraversato.

Si noti che in esperimenti prolungati, la temperatura del liquido nel pallone Drechsel può diminuire a causa dell'evaporazione. L'umidità relativa è calcolato per una temperatura specifica. I valori calcolati sono ulteriormente confrontati con quelli in letteratura 19 per determinare l'umidità relativa del gas di alimentazione. Abbiamo empiricamente scoperto che un flusso fino a 2 slm di He attraverso un Drechsel pieno d'acqua boccetta completamente satura il gas con vapore acqueo. Tuttavia, le portate elevate potrebbero non consentire un tempo di permanenza sufficiente del gas nel liquido per la piena saturazione. possono essere richieste altre tecniche di saturazione.

Un altro compito impegnativo è garantire che l'aria circostante è presente nel sistema. Il reattore viene pre-lavata con il gas di alimentazione per rimuovere l'aria residua.Il tempo necessario per pre-lavaggio dipende dal volume del reattore e il flusso del gas di alimentazione. L'assenza di esterna diffusione dell'aria ambiente e trascinamento nel sistema come un sistema di plasma gas di alimentazione elio può essere testato utilizzando un • NO reazione radicalica trapping. L'ossido di azoto generato da plasma di N 2 e O 2 molecole di aria può essere rilevato da EPR come un addotto radicale (MGD) 2 Fe 2+ complesso 20 (MGD = N-metil-D-glucammina ditiocarbammato). In caso di totale assenza di aria, il segnale EPR dell'addotto non viene osservata. L'assenza di molecole di acqua esterni nel reattore può essere dimostrato dalla seguente esperimento. Un campione di liquido D 2 O è esposto a secco plasma gas di alimentazione. L'analisi NMR del campione post-esposizione rivela la quantità di H 2 O portato nel liquido durante l'esposizione. Questo permette di stimare la quantità di H 2 O residua nel tubing utilizzato per il gas di alimentazione 15 nell'esperimento.

Il design contenitore del campione è fondamentale nel lavoro sperimentale. Inizialmente, abbiamo cercato usando tubi di plastica e vetro microcentrifuga. Insieme con flusso di gas relativamente elevati avanzamenti plasma, il piccolo diametro dell'apertura non consente l'aria circostante penetrare provetta. Tuttavia, questo ha molti svantaggi. Il plasma esposto arcuata e forte aumento della temperatura in prossimità dei bordi della provetta. La consegna della specie dalla fase gas nel liquido era anche significativamente meno efficiente a causa delle diverse dinamiche in fase gas e la zona bassa di superficie (e grande volume) del campione liquido. Così, l'area superficiale del campione liquido è cruciale per la consegna delle specie reattive dalla fase gassosa al campione liquido. Ciò è particolarmente importante per i radicali di breve durata. Il contenitore del campione di liquido deve essere progettato per consentire l'espostoliquido di avere elevata area superficiale per la diffusione efficiente. Il campione deve anche avere bassa profondità di minimizzare le limitazioni convezione relativi del campione liquido. Si deve considerare che elevati flussi di gas e soprattutto con plasma acceso creare perturbazioni significative sulla superficie del campione liquido 21. Pertanto, il contenitore del campione ha una forma ben omogeneo con diametro e profondità necessaria per l'esperimento specifico. L'altezza del supporto su cui è posizionato il pozzo può essere regolata per esigenze sperimentali. La guaina di gomma attraverso il quale il getto di plasma viene inserito nel reattore permette di modificare l'angolo di contatto dell'effluente con il liquido.

Il metodo proposto permette di indagine della fonte delle specie reattive (• OH, • H, etc.) indotta nel liquido da un campo parallelo getto di plasma kHz. Il metodo impiega un reattore di vetro che circonda il getto non è limitata alla desccondizioni ribed, e può essere utilizzato con altri plasma a pressione atmosferica. Il metodo permette introduzione di eventuali additivi per gas di alimentazione: vapore, O 2, N 2, ecc Tra gli altri vantaggi è la possibilità di effettuare misure ottiche al suo interno, anche se in questo vetro di quarzo qualità ottica caso deve essere utilizzato come reattore materiale. Il tubo di scarico nella parte inferiore del reattore permette di utilizzare il getto di plasma in qualsiasi laboratorio: lo scarico può essere collegato tramite tubi di plastica ad una cappa di aspirazione remota. Il concetto reattore è versatile e può essere utilizzato nella ricerca di diversi plasmi dove è richiesta atmosfera controllata. Ad esempio, la polimerizzazione di stirene è inibita dalla specie di ossigeno 22, ma può essere osservato nel reattore quando stirene liquido è esposto al plasma gas di alimentazione elio.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano Chris Mortimer, Chris Rhodes (Department of Chemistry workshops) e Kari Niemi (York Plasma Institute) per il loro aiuto con l'attrezzatura. Il lavoro è stato sostenuto dal Leverhulme Trust (sovvenzione n. RPG-2013-079) e EPSRC (EP/H003797/1 & EP/K018388/1).

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Alimentatore Corona Driver risonante e barriera dielettrica al plasma Informazioni UnlimitedPVM500 
Regolatore di portata massica (MFC)Brooks Instruments 2 slm (Lui calib.)
MFCBrooks Instruments 5 slm (He calib.)
Controllore per microcomputer per MFCBrooks Instruments 0254
H217OIcon IsotopiIO 6245
5,5-dimetil-1-pirrolina N-ossidoDojindo Molecular Technologies, Inc.D048-10≥ 99%
2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-ossil Sigma-Aldrich21400098%
HeliumBOC UK110745-V99.996%
Sonda ad alta tensioneTektronix P6015A
Sonda di correnteIon Physics Corporation CM-100-L
OscilloscopioTeledyne LeCroyWaveJet 354A 

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