Ten protokół jest przedstawiony w celu scharakteryzowania konfiguracji, obsługi i zastosowania COST-Jet do obróbki różnych powierzchni, takich jak ciała stałe i ciecze.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół jest przedstawiony w celu scharakteryzowania konfiguracji, obsługi i zastosowania COST-Jet do obróbki różnych powierzchni, takich jak ciała stałe i ciecze.
W ostatnich latach, plazma nietermiczna pod ciśnieniem atmosferycznym była szeroko stosowana do obróbki powierzchni, szczególnie ze względu na ich potencjał w zastosowaniach biologicznych. Jednak wyniki naukowe często mają problemy z odtwarzalnością z powodu niewiarygodnych warunków osocza, a także skomplikowanych procedur leczenia. Aby rozwiązać ten problem i zapewnić stabilne i powtarzalne źródło plazmy, opracowano źródło referencyjne COST-Jet.
W tej pracy proponujemy szczegółowy protokół do wykonywania niezawodnych i powtarzalnych obróbek powierzchni przy użyciu referencyjnego strumienia mikroplazmy COST (COST-Jet). Omówiono typowe problemy i pułapki, a także specyfikę COST-Jet w porównaniu z innymi urządzeniami i jego korzystny zdalny charakter. Znajduje się tam szczegółowy opis obróbki powierzchni zarówno w ciałach stałych, jak i cieczowych. Opisane metody są wszechstronne i mogą być dostosowane do innych typów urządzeń plazmowych pod ciśnieniem atmosferycznym.
Plazmy zimnego ciśnienia atmosferycznego (CAP) cieszą się coraz większym zainteresowaniem w ostatnich latach ze względu na ich potencjał do zastosowań w obróbce powierzchni. CAP charakteryzują się właściwościami nierównowagowymi, co umożliwia złożoną chemię plazmy o dużej gęstości form reaktywnych przy zachowaniu niskiego wpływu termicznego na badane próbki. W związku z tym CAP są brane pod uwagę w szczególności w leczeniu tkanek biologicznych1,2,3,4. Liczne koncepcje i projekty CAP są z powodzeniem stosowane między innymi do dezynfekcji i gojenia ran, krzepnięcia krwi i leczenia raka. Duża część tkanki biologicznej zawiera płyny. W związku z tym badania coraz częściej koncentrują się na badaniu wpływu CAP na powierzchnie cieczy, takie jak podłoże komórkowe lub woda5,6,7.
Jednak wyniki naukowe często mają problemy z wiarygodnością i odtwarzalnością8,9,10. Z jednej strony traktowane substraty biologiczne podlegają naturalnym zmianom. Z drugiej strony, mechanizmy biologiczne rzadko były bezpośrednio przypisywane procesom plazmowym (takim jak pola elektryczne, promieniowanie UV, długo i krótko żyjące gatunki itp.). Co więcej, te procesy plazmowe z kolei zależą w dużym stopniu od indywidualnego źródła plazmy i dokładnego rodzaju jej zastosowania.
Dodatkowo, szczegółowe protokoły procedur leczenia są rzadko dostępne. Utrudnia to wyizolowanie wpływu konkretnego parametru osocza na wynik leczenia, co sprawia, że uzyskane wyniki są nieprzenoszalne.
Dlatego ostatnio podjęto różne próby standaryzacji obróbki powierzchni, tkanek i płynów za pomocą zimnej plazmy atmosferycznej. Poniżej prezentujemy tylko kilka wybranych przykładów.
Pomimo tych wysiłków, porównanie wyników różnych badań może być nadal niemożliwe, po prostu ze względu na wyzwanie związane z prawidłowym nałożeniem źródła plazmy na powierzchnię. Istnieje ogromna liczba powszechnych pułapek, z którymi należy się zmierzyć podczas pracy z plazmą pod ciśnieniem atmosferycznym, takich jak wpływ zewnętrznych pól elektrycznych (obwody kompensacyjne), pętle sprzężenia zwrotnego między plazmą a otaczającym środowiskiem (atmosfera ekranowana), transport gatunków (wiatr jonowy) i parametry sterujące (napięcie, prąd, moc).
Głównym celem tej pracy jest dostarczenie dokładnego, szczegółowego protokołu dotyczącego zastosowania COST-Jet do obróbki powierzchni. COST-Jet to niezawodne źródło plazmy, które zostało opracowane do celów naukowych, a nie do użytku przemysłowego lub medycznego. Zapewnia powtarzalne warunki wypisu i szeroką bazę danych dostępnych badań22,23. COST-Jet oparty jest na jednorodnej, pojemnościowo sprzężonej plazmie RF. Ponieważ pole elektryczne jest ograniczone prostopadle do przepływu gazu, naładowane cząstki są w większości utrzymywane w obszarze wyładowania i nie oddziałują z celem ani otaczającą atmosferą. Dodatkowo laminarny przepływ gazu zapewnia powtarzalne warunki chemiczne plazmy w ściekach z osocza.
W tym artykule zajmiemy się najczęstszymi wyzwaniami i przedstawimy możliwe rozwiązania, które zostały wykorzystane w literaturze. Należą do nich odpowiednie zaopatrzenie w gaz, kontrola rozładowania, wpływ atmosfery otoczenia i przygotowanie powierzchni. Zgodność z przedstawionym tutaj protokołem powinna zapewnić odtwarzalność i porównywalność pomiarów.
Protokół może również służyć jako przykład dla innych źródeł ciśnienia atmosferycznego. Musi być rafinowany dla innych źródeł plazmy strumieniowej zgodnie z indywidualnym przepływem gazu i konfiguracją pola elektrycznego. W stosownych przypadkach postaramy się wskazać możliwe zmiany w protokole. Opisane kroki powinny być brane pod uwagę i raportowane przy publikowaniu badań z zastosowaniem plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym do próbek poddanych działaniu środka.
1. Zasilanie gazem i kontrolowana atmosfera
2. Montaż i konfiguracja urządzenia
3. Pomiar mocy
4. (Solidna) obróbka powierzchni
5. Leczenie płynami
Wykorzystując opisane powyżej metody i sprzęt, w sposób przykładowy zastosowaliśmy COST-Jet do różnych powierzchni i cieczy. Rysunek 1 przedstawia układ eksperymentalny wykorzystany do obróbki, w tym zasilacz, system doprowadzania gazu, sondy napięcia i prądu, a także kontrolowaną atmosferę i mechaniczną przysłonę.

Rysunek 1: Układ eksperymentalny stosowany do obróbki plazmowej powierzchni i cieczy przy użyciu COST-Jet. Do oczyszczania gazu zasilającego użyto pułapki zimna. Kontrolowana atmosfera jest zapewniona przez pompowaną komorę próżniową przy ciśnieniu atmosferycznym. Mechaniczna przesłona ułatwia zarządzanie czasem obróbki powierzchni stałych i ciekłych. Elastyczny stół pozwala na kontrolę odległości między strumieniem plazmy a powierzchnią. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Wykorzystując sondę napięcia i prądu zaimplementowaną w COST-Jet, można obliczyć rozproszoną moc elektryczną. Rysunek 2 przedstawia zmierzoną moc elektryczną w plazmie helowej generowanej w pięciu różnych urządzeniach COST-Jet przy przepływie gazu wynoszącym 1 slpm. Wszystkie urządzenia wykazują podobne zachowanie. Odchylenia między poszczególnymi urządzeniami wynikają z niepewności pomiaru mocy, a także z mikroskopijnych różnic w konfiguracjach, takich jak odległość między elektrodami. Bardziej szczegółowe pomiary gatunków reaktywnych (np. tlenu atomowego i ozonu), temperatury i mocy, a także pomiary aktywności bakteriobójczej zostały przeprowadzone przez Riedela22.

Rysunek 2: Moc rozproszona jako funkcja przyłożonego napięcia w plazmie helu.Dane reprezentują pięć identycznych urządzeń COST-Jet34. Małe odchylenia przy wysokich napięciach wynikają z niepewności pomiarowej, a także niewielkich różnic w geometrii kanału wyładowania gazowego22. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 3 przedstawia profil trawienia filmu a:C-H po 3 min opracowania za pomocą COST-Jet przy przepływie gazu 1,4 slpm helu z domieszką 0,5% tlenu, zmierzony przy użyciu obrazującego spektroskopowego reflektometru31. Wzór trawienia wykazuje strukturę kołową reprezentującą cylindryczną symetrię wypływu plazmy. Na podstawie profili trawienia w połączeniu z symulacjami numerycznymi można było oszacować prawdopodobieństwo utraty powierzchniowej tlenu atomowego.

Rycina 3: Profil trawienia filmu a:C-H poddanego obróbce plazmą. W zagłębieniu filmu wykonano trawienie przy użyciu mieszaniny gazowej 1.4 slm helu z domieszką 0.6% tlenu, przy napięciu 230 Vrms i czasie obróbki 3 min.31 Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 4 przedstawia wiry powstające w cieczy, wywołane uderzeniem strumienia gazu o powierzchnię cieczy. Arkusz laserowy oświetlający cząstki znacznika w cieczy umożliwia obserwację trajektorii i prędkości tych cząstek za pomocą welocymetrii obrazowej cząstek (PIV), a tym samym badanie przepływu cieczy32. Ważne jest, aby gęstość cząstek znacznika była zbliżona do gęstości cieczy, tak aby trajektorie cząstek odzwierciedlały ruch cieczy. Dzięki tej wizualizacji można porównać pomiary przepływu cieczy z symulacjami numerycznymi33. Wiry powstają w wyniku tarcia powierzchniowego między wypływającym strumieniem gazu a powierzchnią cieczy. Rysunek 4 pokazuje również występujące obniżenie powierzchni cieczy pod kanałem gazowym strumienia plazmy, tzw. menisk. Jest on zwizualizowany za pomocą niebieskiej linii.

Rycina 4: Fotografia oświetlonych cząsteczek skrobi kukurydzianej w 3 ml wody mieszanej przez przepływ gazu. Wiry powstają w wyniku tarcia powierzchniowego między wypływającym strumieniem gazu a powierzchnią cieczy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.
W niniejszym materiale demonstrujemy zastosowanie strumienia plazmy atmosferycznej do obróbki powierzchni różnych materiałów. Konfiguracja eksperymentalna strumienia plazmy atmosferycznej może mieć ogromny wpływ na parametry plazmy, jej chemię i wydajność, a w konsekwencji wpływa na wynik obróbek plazmowych, co czyni ten etap krytycznym krokiem w protokole.
Przykładowo, linie doprowadzające gaz odgrywają istotną rolę w kontekście najczęstszej zanieczyszczenia gazu zasilającego plazmę, jakim jest wilgotność. W szczególności, produkcja reaktywnych form azotu w plazmie ulega zmniejszeniu, podczas gdy sprzyjana jest produkcja reaktywnych form tlenu, co wynika z niskiej energii jonizacji tlenu w porównaniu z cząsteczkami wody i azotem35. Winter24 stwierdził, że wilgotność gazu zasilającego pochodząca z cząsteczek wody na powierzchni wewnętrznej rurki jest o rząd wielkości wyższa w przypadku stosowania rurek polimerowych w porównaniu do rurek metalowych, ze względu na większą porowatość i pojemność sorpcyjną. Można ją zmniejszyć poprzez przemywanie linii gazem zasilającym. Jednakże osuszanie linii poprzez przemywanie trwa kilka godzin. Dlatego należy unikać rurek polimerowych lub przynajmniej utrzymywać je w jak najkrótszej formie. Wyniki te zostały potwierdzone w badaniach Große-Kreula25. Autorzy ci porównali wpływ rurek poliamidowych i ze stali nierdzewnej na chemię plazmy przy użyciu spektrometrii mas. Ich pomiary potwierdzają tworzenie się klastrów jonów wody w plazmie z powodu odgazowywania wody z rurek polimerowych oraz krótszy czas osuszania w przypadku rurek metalowych. Dodatkowo zbadano wpływ metod oczyszczania gazu, takich jak pułapka z sita molekularnego i pułapka zimna z ciekłym azotem, na chemię plazmy, co pomogło zredukować ilość zanieczyszczeń o około dwa rzędy wielkości.
Zamiast próbować oczyszczać gaz zasilający, można zastosować podejście polegające na dodaniu kontrolowanej ilości wilgoci. Ponieważ ta celowa zanieczyszczenie dominuje wówczas nad naturalnymi zanieczyszczeniami i w ten sposób kontroluje chemię plazmy, zapewnione zostają powtarzalne warunki, o ile ilość dodanej wilgoci jest precyzyjnie znana.
Aby zainicjować wyładowanie, zazwyczaj wystarczy stopniowo zwiększać napięcie przyłożone do elektrod aż do momentu przebicia. Jednak w zależności od stanu powierzchni elektrod czasami wymagane jest wysokie napięcie. W celu ułatwienia zapłonu można zastosować pistolet iskrowy wysokiego napięcia. Może to być również pomocne przy próbach wzbudzenia wyładowania argonowego w COST-Jet.
Przed zastosowaniem COST-Jet do jakichkolwiek powierzchni należy przeznaczyć wystarczającą ilość czasu na ustabilizowanie urządzenia. Po ustawieniu pożądanych parametrów sterowania COST-Jet wymaga około 20 minut, aby osiągnąć stabilne warunki11. W tym czasie temperatura urządzenia, temperatura gazu, a także chemia plazmy osiągają stan stacjonarny.
Do porównania wyników naukowych niezbędne są porównywalne parametry kontrolne plazmy. Do pomiaru mocy wejściowej prądu można wykorzystać monitor mocy COST29. Oprogramowanie to jest otwartoźródłowe i kompatybilne z szeregiem różnych typów oscyloskopów. Oprogramowanie działa zgodnie z zasadą opisaną przez Goldę19.
Oprócz wpływu wilgotności gazu zasilającego na chemię plazmy, transport gatunków reaktywnych z plazmy do podłoża odgrywa istotną rolę w składzie strumienia wylotowego i stanowi kolejny krytyczny etap protokołu. Otaczająca atmosfera może wpływać na gatunki powstałe w plazmie w drodze do podłoża. Aby zminimalizować ten wpływ, stosuje się dwie różne koncepcje: (i) po pierwsze, można stworzyć kontrolowaną atmosferę składającą się z gazu zasilającego. Dzięki temu skład otaczającej atmosfery może pozostać stały. W zależności od poziomu czystości wymaganego dla danej obróbki, kontrolowaną atmosferę można uzyskać za pomocą obudów ochronnych wyposażonych w zawór jednokierunkowy zapobiegający nadciśnieniu. Dla wyższych poziomów czystości można zastosować komorę próżniową z pompą. (ii) Po drugie, kontrolowaną atmosferę można stworzyć, stosując osłonową kurtynę gazową wokół strumienia wylotowego plazmy36,37. Zazwyczaj składa się ona z gazu obojętnego, ale może być również modyfikowana w zależności od potrzeb danej aplikacji.
Na szczęście w przypadku COST-Jet wpływ otaczającej atmosfery jest stosunkowo niewielki. Wykorzystując znakowanie izotopowe, Gorbanev wykazali, że w przypadku strumienia plazmy w konfiguracji pola równoległego reaktywne formy tlenu i azotu docierające do powierzchni cieczy powstawały zarówno w fazie gazowej plazmy, jak i w obszarze między dyszą plazmy a próbką38,39. W przeciwieństwie do tego, stosując tę samą technikę dla COST-Jet, stwierdzili oni, że RONS pochodziły niemal wyłącznie z fazy plazmy, a nie z otoczenia28. Jest to prawdopodobnie spowodowane ograniczeniem pola elektrycznego do kanału plazmy wyładowania COST-Jet. Dzięki temu wyładowanie plazmowe jest w dużej mierze niezależne od otoczenia i zyskuje pewien charakter zdalny.
W przypadku plazmowego dżetu z podłużnym polem elektrycznym Darny i wsp.40 wykazali, że polaryzacja pola elektrycznego modyfikuje wzorzec przepływu gazu, a tym samym wpływa na gatunki reaktywne docierające do celu wskutek wiatru jonowego. Zależność gęstości gatunków reaktywnych od środowiska została potwierdzona pomiarami Stancampiano i wsp.7. Autorzy ci zgłosili różnice w liczbie gatunków reaktywnych powstających w traktowanej wodzie w zależności od charakterystyki elektrycznej. Aby zniwelować te różnice, konieczne było stworzenie kompensującego obwodu elektrycznego. Zachowanie to jest odmienne w przypadku COST-Jet: Rycina 5 porównuje obrazy Schlierena z COST-Jet bez przyłożonego napięcia oraz podczas pracy przy dwóch różnych natężeniach przepływu gazu. Obrazy wykonano przy użyciu liniowego ustawienia z jednym lustrem, zgodnie z opisem Kelly'ego41. Przedstawiają one, w jaki sposób poziomo skierowany strumień z COST-Jet uderza w płaską szklaną podłożem. Oba obrazy wykazują dokładnie taki sam wzorzec przepływu gazu. Wynika to z braku wiatru jonowego spowodowanego brakiem naładowanych gatunków w strumieniu plazmy.
Dodatkowo, COST-Jet wykazuje bardzo laminarny wzorzec przepływu. Kelly41 przedstawił obrazy metodą Schlierena podobne do tych pokazanych na Rysunku 5 dla różnych natrzeżeń przepływu gazu. Nawet przy stosunkowo wysokich natrzeńcach przepływu gazu wynoszących 2 slpm, w strumieniu plazmy nie występują oznaki turbulencji. Przy bardzo niskich natrzeńcach przepływu gazu wynoszących 0,25 slpm i mniej, zaczyna odgrywać rolę wyporność strumienia helu. Jednakże, do odległości 4 – 5 mm od dyszy, atmosfera otoczenia nie wpływa na skład gazu docierającego do powierzchni, co zostało wykazane przez Ellerwega przy użyciu spektrometrii mas17.
Wszystkie wyżej wymienione cechy podkreślają zdalny charakter COST-Jet. Dzięki temu jest on idealnym kandydatem do kontrolowanego i porównywalnego opracowywania powierzchni.

Rycina 5: Obrazy Schlieren urządzenia COST-Jet z przyłożonym napięciem i bez niego dla dwóch różnych natężeń przepływu gazu.Podczas pracy plazmy wzorzec przepływu gazu dokładnie odpowiada wzorcowi przy samym przepływie gazu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
W zależności od pożądanego efektu w traktowanej próbce, parametry kontrolne, takie jak skład mieszaniny gazów, przyłożona moc elektryczna oraz odległość między źródłem plazmy a powierzchnią, mogą być odpowiednio dostosowane. W przypadku COST-Jet dostępna jest szeroka baza literatury obejmująca badania nad gatunkami reaktywnymi w strumieniu wylotowym. Przykładowo, Willems30 zmierzył gęstość tlenu atomowego za pomocą spektrometrii mas, podczas gdy Schneider42 zmierzył gęstość azotu atomowego w strumieniu wylotowym.
Opracowywanie cieczy za pomocą plazmy atmosferycznej może wywoływać różnorodne mechanizmy reakcji napędzane przez gatunki reaktywne, jony, fotony lub pola elektryczne. Ze względu na wcześniej opisane właściwości COST-Jet, wpływ pola elektrycznego, jonów i fotonów jest zaniedbywalny w porównaniu do źródeł plazmy, w których plazma znajduje się w bezpośrednim kontakcie z cieczami. Dlatego w celu zbadania wpływu krótkotrwałych gatunków reaktywnych, takich jak tlen atomowy, na roztwór fenolu, COST-jet został wykorzystany przez Hefny43 oraz Benedikta44. Ponadto COST-Jet zapewnia dogodną możliwość porównania eksperymentów i symulacji numerycznych procesów utraty cieczy28. Ponieważ oddziaływanie między plazmą a cieczą jest zdominowane przez przepływ gazowy gatunków reaktywnych z plazmy na powierzchnię cieczy, złożoność modelu może zostać zredukowana.
Mieszanie cieczy indukowane przepływem gazu zwiększa szybkość reakcji między reaktywnymi gatunkami generowanymi przez plazmę a cieczą. W przeciwieństwie do obróbki powierzchniowej ciał stałych, konwekcja cieczy nieustannie zmienia lokalne stężenie substratów. Dodatkowo na szybkość reakcji między gatunkami generowanymi przez plazmę a substratami w cieczy wpływa aktywność powierzchniowa tych substratów. Wraz ze wzrostem aktywności powierzchniowej wzrasta stężenie substratu na powierzchni cieczy. Substancje powierzchniowo czynne te mogą odgrywać istotną rolę w reaktywności krótkotrwałych gatunków generowanych przez plazmę.
Oprócz mieszania, przepływ gazu uderzający w powierzchnię cieczy indukuje również parowanie, które musi zostać uwzględnione. Przy zastosowaniu COST-Jet i krótkich czasach traktowania parowanie może odgrywać drugorzędną rolę, niemniej jednak należy je brać pod uwagę w celu obliczenia prawidłowych szybkości reakcji. Wyładowanie w COST-Jet nie jest wpływane przez parowanie, a co za tym idzie, chemia plazmy również nie ulega zmianie. W przypadku innych źródeł plazmy, gdzie np. plazma znajduje się w bezpośrednim kontakcie z cieczą, chemia plazmy zmienia się znacząco wraz z parowaniem, co wykazali Tian i Kushner45 dla wyładowania barierowego. Efekt parowania stwierdzono również w przypadku kINPen46.
Poza wspomnianymi różnicami w chemii plazmy, które należy uwzględnić w przypadku różnych źródeł plazmy, zmienia się również topologia menisku wywołanego przez strumień gazu na powierzchni cieczy. Głębokość tego menisku zazwyczaj zależy od prędkości gazu. W przypadku źródeł plazmy, w których konfiguracja elektrod indukuje znaczące pole elektryczne docierające do cieczy lub nawet przy plazmie w kontakcie z cieczą, menisk ten może zostać podniesiony47,48. Jak pokazano, w zależności od zastosowanego źródła plazmy należy wziąć pod uwagę szereg efektów.
W przyszłości niniejszy protokół może zostać wykorzystany do przeprowadzania i opisywania obróbki powierzchni oraz cieczy przy użyciu COST-Jet. Jest to stabilne i powtarzalne źródło plazmy wykazujące unikalny charakter zdalny spośród wielu różnych konstrukcji strumieni plazmowych. Te same metody nie są ograniczone wyłącznie do źródła COST-Jet i mogą zostać zmodyfikowane oraz dostosowane do użytku z dowolnym źródłem zimnej plazmy atmosferycznej.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy dziękują Volkerowi Rohwerowi (Instytut Fizyki Doświadczalnej i Stosowanej, Uniwersytet w Kilonii) za pomoc przy sprzęcie. Prace były wspierane przez DFG w ramach CRC 1316 Transient Atmospheric Plasmas, w projekcie Cold atmospheric plasmas for the study of fundamental interaction mechanisms with biological substrates (project-ID BE 4349/5-1) oraz w projekcie Plasma-generated nitric oxide in wound healing (project-ID SCHU 2353/9-1).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Oprogramowanie do monitorowania mocy COST | zbudowane | w domu zgodnie z www.cost-jet.eu i J Golda i in. 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003 | |
| COST-Jet (w tym obwód dopasowujący) | zbudowany | w domu zgodnie z www.cost-jet.eu i J Golda i in. 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003 | |
| sonda prądowa | zbudowana | zintegrowana z | |
| systemem | zasilania gazem COST-JetStal | nierdzewna | |
| hel | Air Liquide | 99,999% czystości | |
| przepływu masowego (MFC) | Analyt-MTC | seria 358 | 5000 sccm |
| MFC | Analyt-MTC | 50 oscyloskop sccm | |
| Agilent Technologies | DSO7104B | szerokość pasma 1 GHz, rozdzielczość 4 Gsa/s | |
| tlen | Air Liquide | Zasilacz o czystości 99,9999 | |
| domu | zgodnie z www.cost-jet.eu i J Golda i in. 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003 | ||
| napięcia | Tektronix | P5100A | |
| xyz-stage | Zaber | ZAB-X-XAZ-LSM0100A-K0059-SQ3 |