Obróbka powierzchni zimną plazmą pod ciśnieniem atmosferycznym za pomocą COST-Jet

Podsumowanie

Ten protokół jest przedstawiony w celu scharakteryzowania konfiguracji, obsługi i zastosowania COST-Jet do obróbki różnych powierzchni, takich jak ciała stałe i ciecze.

Streszczenie

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.

Wprowadzenie

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 biologicznych^1,2,3,4. 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 woda^5,6,7.

Jednak wyniki naukowe często mają problemy z wiarygodnością i odtwarzalnością^8,9,10. 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.

1. Aby uprościć bezpośrednie porównywanie różnych źródeł plazmy, opracowano źródło referencyjne. Zainspirowany społecznością zajmującą się plazmą niskociśnieniową, w ramach działania COST MP 1101 opracowano projekt powtarzalnego i stabilnego wyładowania (COST-Jet), który może służyć jako źródło odniesienia dla przyszłych badań biomedycznych¹¹.
2. Aby umożliwić porównywalność, opracowano protokoły referencyjne dla poszczególnych zastosowań. Na przykład, aby ustandaryzować porównanie właściwości przeciwdrobnoustrojowych plazmy pod zimnym ciśnieniem atmosferycznym, Mann i in. zdefiniowali protokół referencyjny leczenia mikroorganizmów poprzez normalizację czasu leczenia na jednostkę powierzchni¹².
3. Aby uzyskać bardziej elastyczne podejście, Kogelheide i in. opracowali metodę badania indukowanych przez plazmę modyfikacji chemicznych makrocząsteczek¹³. Wykorzystując związki znacznikowe, takie jak cysteina i/lub glutation (GSH) zawierający cysteinę, w połączeniu z FTIR i spektrometrią mas, próbowali ekstrapolować modyfikacje chemiczne na podłoża biologiczne. Korzystając z tej metody, porównano już kilka źródeł plazmy, takich jak COST-Jet, kinPen i Cinogy DBD^14,15,16.
4. Aby bezpośrednio porównać poszczególne źródła osocza, należy ustalić porównywalne parametry kontrolne. Podstawowe parametry plazmy, takie jak temperatura elektronów, gęstość elektronów i gęstości strumienia reaktywnych materiałów, są trudne do zmierzenia w plazmie pod ciśnieniem atmosferycznym, ponieważ taka plazma jest często przejściowa, a jej wymiary są małe. Zamiast tego zewnętrzne parametry sterujące, takie jak moc generatora, przyłożone napięcie lub zapłon oraz punkty łuku, są często używane jako odniesienie, zwłaszcza podczas porównywania wyników z symulacjami^17,18. Ostatnio zmierzone zużycie energii elektrycznej zostało wykorzystane jako bardziej wiarygodny parametr sterujący^19,20,21.

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 badań^22,23. 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.

Protokół

1. Zasilanie gazem i kontrolowana atmosfera

1. Skonfiguruj źródło gazu składające się z całkowicie metalowych przewodów gazowych, unikając TPFE lub podobnych rurek z tworzywa sztucznego²⁴. Przewody doprowadzające gaz powinny być jak najkrótsze, aby uniknąć zanieczyszczeń i ułatwić pompowanie systemu zasilania gazem.
2. Wybierz regulatory przepływu masowego używane do dostarczania gazu zasilającego zgodnie z typowymi natężeniami przepływu gazu COST-Jet. Stosować gaz roboczy o czystości co najmniej 99,999%.
   UWAGA: Podstawowym gazem roboczym COST-Jet jest hel. Operacja może być realizowana przy natężeniach przepływu od 100 sccm do około 5000 sccm, przy czym 1000 sccm jest najczęstszą wartością.
3. Realizacja domieszki gazów reaktywnych za pomocą systemu składającego się z wielu regulatorów przepływu masowego. W przypadku mniejszych domieszek należy użyć jednostki przeciwmieszającej, aby skrócić czas potrzebny do zakończenia mieszania²⁵.
   UWAGA: Typowymi domieszkami są tlen i azot o natężeniu przepływu rzędu 5 sccm (0,5% gazu roboczego).
4. Dodaj zawór między przewodami doprowadzającymi gaz a strumieniem, aby zapobiec przedostawaniu się wilgotnego powietrza do źródła gazu, gdy urządzenie nie jest używane, ponieważ woda jest najczęstszym i najbardziej problematycznym zanieczyszczeniem w plazmie pod ciśnieniem atmosferycznym, wpływając krytycznie na skład chemiczny plazmy.
5. Oczyść przewody doprowadzające gaz przed obróbką powierzchni, aby zmniejszyć zanieczyszczenia w przewodach. Aby to zrobić, po prostu ustaw umiarkowany przepływ gazu na około 1000 sccm helu i przepłucz przewody zasilające lub, najlepiej, wielokrotnie pompuj i uzupełniaj przewody zasilające (około trzy razy).
   UWAGA: W przypadku zwykłego płukania przewodów doprowadzających gaz, w zależności od stanu zanieczyszczenia może być potrzebne wiele godzin na oczyszczenie systemu.
6. Dodać pułapkę sita molekularnego lub zimną wymrażarkę (np. przy użyciu ciekłego azotu) do przewodów doprowadzających gaz, aby jeszcze bardziej zmniejszyć wilgotność w gazie zasilającym.
7. Jeśli zamiast tego wymagana jest kontrolowana ilość wody jako odczynnik, dodaj do systemu bełkotkę^26,27.
8. Rozważ ustawienie kontrolowanej atmosfery na potrzeby eksperymentu, ponieważ zmiany w składzie otaczającej atmosfery mogą wpływać na reakcje chemiczne zachodzące w ściekach plazmowych.
   UWAGA: Efekt ten prawdopodobnie nie jest zbyt wyraźny dla klasy COST-Jet28, ponieważ konfiguracja pola elektrycznego ogranicza plazmę do wnętrza kanału wyładowczego, ale może odgrywać ważną rolę w innych urządzeniach CAP, w których aktywna plazma znajduje się częściowo poza urządzeniem.

2. Montaż i konfiguracja urządzenia

1. Podłącz urządzenie COST-Jet do źródła gazu. Podłącz urządzenie bezpośrednio do rurki Swagelok ze stali nierdzewnej 1/4 cala. Używaj adapterów do różnych standardów przewodów.
2. Podłącz COST-Jet do zasilania za pomocą ekranowanego BNC wyposażonego w złącze SMC.
3. Podłącz zintegrowane sondy elektryczne do oscyloskopu, aby monitorować napięcie i prąd za pomocą rezystora 50 Ohm jako zakończenia.
4. Otwórz obudowę COST-Jet i podłącz odpowiednio skompensowaną komercyjną sondę napięcia do zasilanej linii miedzianej, a także do uziemionej części strumienia (np. rury gazowej Swagelok) i oscyloskopu.
5. Wykonaj rutynową kalibrację sondy: Przyłóż małe napięcie do COST-Jet i dostrój zmienny kondensator obwodu LC za pomocą śrubokręta, aby osiągnąć optymalne sprzężenie (zmaksymalizować zmierzone napięcie). Wykonaj kalibrację napięcia, porównując rzeczywiste napięcie (sonda komercyjna) z napięciem zmierzonym (zaimplementowana sonda) za pomocą regresji liniowej i oblicz stałą kalibracji. Wyjmij komercyjną objętość napięciowe sondy i zamknij obudowę COST-Jet.
6. Ponownie przyłóż małe napięcie do COST-Jet i dostrój zmienny kondensator obwodu LC za pomocą śrubokręta, aby osiągnąć optymalne sprzężenie.
7. Zapal plazmę w urządzeniu COST-Jet: Po pierwsze, ustaw natężenie przepływu gazu na około 1 slpm helu za pomocą kontrolerów przepływu masowego (MFC). Na końcu otwórz zawór między systemem zasilania gazem a COST-Jet. Następnie przyłóż niskie napięcie do elektrod i zwiększaj amplitudę, aż plazma się zapali.
8. Jeśli przy pierwszym zapłonie elektrody są zanieczyszczone i utrudniają zapłon, należy zastosować wysokie napięcie początkowe i szybko je zmniejszyć po zapłonie. Alternatywnie użyj iskrnika, aby ułatwić pierwszy zapłon.
9. Ustaw parametry sterowania pracą (przepływ gazu, przyłożone napięcie) na żądane wartości.
10. Daj zestawowi trochę czasu na rozgrzanie, aby umożliwić stabilizację termiczną (ok. 20 minut), aby zapewnić stabilne i powtarzalne warunki pracy.
11. Aby zmienić skład gazu podczas eksperymentów, należy przewidzieć około 2-minutowy czas równoważenia w zależności od konfiguracji zasilania gazem.
    UWAGA: COST-Jet jest teraz gotowy do aplikacji.

3. Pomiar mocy

1. Podłącz oscyloskop monitorujący napięcie i prąd przyłożony do COST-Jet do komputera.
2. Zainstaluj na komputerze oprogramowanie 'COST power monitor'²⁹, które umożliwia monitorowanie mocy w czasie rzeczywistym^11,19.
3. Dostosuj komunikację między oprogramowaniem a oscyloskopem, wykonując wymagane polecenia do sterowania określonym oscyloskopem.
4. Uruchom oprogramowanie monitora mocy COST i przejdź do panelu Ustawienia. Wypełnij odpowiednie kanały podłączone do oscyloskopu i stałą kalibracji określoną w kroku 2.4.
   UWAGA: Przycisk Znajdź może być używany do automatycznego obliczania współczynnika kalibracji, jeśli komercyjna sonda napięcia jest podłączona do COST-Jet.
5. Przejdź do panelu Przeciągnięcie. Wykonaj fazę referencyjną, gdy plazma jest nadal wyłączona, naciskając przycisk Znajdź. Przed tym pomiarem należy wyłączyć przepływ gazu i przyłożyć napięcie, które mieści się w typowym zakresie napięć używanych do rzeczywistej pracy wyładowania, ponieważ plazma nie zapali się w powietrzu ze względu na znacznie wyższe napięcie zapłonu w porównaniu z mieszankami gazów z dominacją gazów szlachetnych. Użyj tego pomiaru, aby automatycznie skorygować względne przesunięcie fazowe między sondami napięcia i prądu, zakładając tutaj fazę 90° idealnego kondensatora.
6. Naciśnij przycisk Start i Pauza, aby rozpocząć lub wstrzymać pomiary elektryczne.
7. Obsługuj COST-Jet zgodnie z potrzebami. Wykorzystaj rzeczywistą moc elektryczną obliczoną na podstawie amplitud napięcia i prądu, a także ich przesunięcia fazowego, które są stale wyświetlane w oprogramowaniu do monitorowania i jako parametr sterujący.

4. (Solidna) obróbka powierzchni

1. Ustaw kontrolowaną atmosferę dla swojego eksperymentu.
   UWAGA: W przypadku COST-Jet kontrolowana atmosfera jest mniej istotna niż w przypadku źródeł z aktywnym związkiem chemicznym plazmy poza zamkniętym kanałem wyładowczym.
2. Oczyść przewody doprowadzające gaz zgodnie z opisem w kroku 1.5.
3. Ustaw żądane parametry pracy i odczekaj około 20 minut, aż COST-jet osiągnie stabilną temperaturę.
4. Wybierz odległość między COST-Jet a obrabianą powierzchnią, ponieważ odległość określa ilość reaktywnych form uderzających w obrabianą powierzchnię³⁰. Użyj stolika xyz, aby zamontować podłoże w celu łatwej manipulacji.
   UWAGA: W przypadku COST-Jet szczelina bezpieczeństwa dodaje jeden dodatkowy milimetr do odległości między wyładowaniem plazmowym a obrabianą powierzchnią.
5. Rozpocznij czas zabiegu: Po prostu włącz plazmę lub użyj migawki mechanicznej. Należy pamiętać o możliwym przekroczeniu napięcia podczas przełączania, co prowadzi do zwężonego rozładowania. Aby uzyskać lepszą kontrolę w zakresie ms, użyj obrotowej migawki.
6. Poddaj próbkę działaniu przez żądany czas i zakończ czas obróbki, wyłączając plazmę lub używając migawki.
7. W razie potrzeby sprawdź wzorzec przepływu gazu przed celem za pomocą obrazowania Schlierena podczas traktowania podłoża, ponieważ skutki ładowania powierzchniowego, sił oporu jonów lub mieszania się powietrza otoczenia z powodu wyporu mogą wpływać na ilość reaktywnych związków docierających do powierzchni.

5. Leczenie płynami

1. Stwórz kontrolowaną atmosferę na potrzeby eksperymentu.
2. Oczyść przewody doprowadzające gaz zgodnie z opisem w kroku 1.5.
3. Ustaw żądane parametry pracy i odczekaj około 20 minut, aż COST-jet osiągnie stabilną temperaturę.
4. Wybierz odległość między COST-Jet a uzdatnianą cieczą.
5. Wlej płyn, który ma być poddany zabiegowi, do odpowiedniego pojemnika. Używaj materiału obojętnego, aby uniknąć reakcji potencjalnie generowanych form reaktywnych w cieczy z pojemnikiem. Wybierz rozmiar pojemnika w zależności od objętości płynu, który jest traktowany.
6. Rozważ wpływ przepływu gazu na powierzchnię cieczy: W zależności od natężenia przepływu gazu należy pamiętać o wklęsłym menisku, który może się utworzyć, zmieniając w ten sposób odległość między plazmą a powierzchnią cieczy.
7. Rozpocznij kurację. Należy unikać skoków ciśnienia na powierzchni cieczy spowodowanych nagłą zmianą przepływu gazu, ponieważ może to spowodować rozpryskiwanie się cieczy w geometrii wylotu, co może spowodować zwarcie i na pewno zanieczyszczenie plazmy. Zamiast tego użyj mechanicznej migawki lub powoli zwiększaj przepływ gazu.
8. Należy wziąć pod uwagę mieszanie/mieszanie cieczy spowodowane tarciem między neutralnym przepływem gazu a powierzchnią cieczy, ponieważ wpływa to na procesy transportu i profile stężeń w cieczy. Dodatkowo, w zależności od czasu zabiegu, należy skorygować parowanie cieczy podczas zabiegu (np. przy obliczaniu stałych reakcji). W zależności od źródła plazmy, należy pamiętać, że to parowanie może powodować sprzężenie zwrotne z wyładowaniem, zmieniając w ten sposób skład chemiczny plazmy.
9. Należy również wziąć pod uwagę, że na reaktywność z możliwymi odczynnikami w cieczach wpływa również aktywność powierzchniowa tego środka. Tak więc w niektórych przypadkach środki powierzchniowo czynne mogą odgrywać ważną rolę w interakcji między krótko żyjącymi gatunkami a cieczami.

Wyniki

Korzystając z metod i sprzętu opisanego powyżej, przykładowo zastosowaliśmy COST-Jet do różnych powierzchni i płynów. Rysunek 1 pokazuje eksperymentalną konfigurację użytą do zabiegu, w tym zasilanie, system zasilania gazem, sondy napięcia i prądu, a także kontrolowaną atmosferę i mechaniczną migawkę.

Rysunek 1: Układ eksperymentalny używany do plazmowej obróbki powierzchni i cieczy za pomocą COST-Jet. Do oczyszczania gazu zasilającego stosuje się wymrażarkę. Kontrolowana atmosfera jest realizowana przez pompowaną komorę próżniową pod ciśnieniem atmosferycznym. Mechaniczna przesłona ułatwia zarządzanie czasem obróbki powierzchni ciał stałych i cieczy. Elastyczny stolik umożliwia kontrolowanie odległości między strumieniem plazmy a powierzchnią. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Korzystając z sondy napięcia i prądu zaimplementowanej w COST-Jet, można obliczyć rozproszoną moc elektryczną. Rysunek 2 pokazuje zmierzoną moc elektryczną w plazmie helowej generowanej w pięciu różnych urządzeniach COST-Jet przy użyciu przepływu gazu 1 slpm. Wszystkie urządzenia wykazują podobne zachowanie. Odchylenie między różnymi urządzeniami wynika z niepewności pomiaru mocy, a także z mikroskopijnych różnic w ustawieniach, takich jak odległość elektrod. Bardziej szczegółowe pomiary form reaktywnych (np. tlenu atomowego i ozonu), temperatury i mocy, a także pomiary aktywności bakteriobójczej zostały wykonane przez Riedel²².

Ilustracja 2: Moc rozproszona w funkcji przyłożonego napięcia w plazmie helowej. Dane reprezentują pięć identycznych urządzeń COST-Jet³⁴. Małe odchylenia przy wysokich napięciach wynikają z niepewności pomiaru, a także z niewielkich odchyleń geometrii kanału wyładowczego gazu²². Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3 pokazuje profil wytrawiania filmu a:C-H dla 3-minutowego zabiegu za pomocą COST-Jet przy użyciu przepływu gazu 1,4 slpm helu z domieszką 0,5% tlenu mierzonego za pomocą obrazującego spektroskopowego reflektometru³¹. Wzór wytrawiania pokazuje okrągłą strukturę reprezentującą cylindryczną symetrię ścieków plazmowych. Na podstawie profili wytrawiania w połączeniu z symulacjami numerycznymi można było oszacować prawdopodobieństwo utraty powierzchni tlenu atomowego.

Rysunek 3: Profil wytrawiania folii a:C-H poddanej obróbce plazmowej. Zanurzenie w folii zostało wytrawione przy użyciu mieszaniny gazów 1,4 slm helu z domieszką 0,6% tlenu przy napięciu 230 V_rms i czasie obróbki 3 min.³¹ Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4 pokazuje występujące wiry w cieczy, spowodowane przez strumień gazu uderzający o powierzchnię cieczy. Arkusz laserowy oświetlający cząstki znacznikowe w cieczy umożliwia obserwację trajektorii i prędkości tych cząstek za pomocą prędkości obrazu cząstek, a tym samym badanie przepływu płynu³². Ważne jest, aby wziąć pod uwagę podobne gęstości cząstek wysiewających i płynu, tak aby trajektorie cząstek reprezentowały ruch płynu. Dzięki tej wizualizacji przepływu płynu można porównywać pomiary i symulacje numeryczne³³. Wiry są spowodowane tarciem powierzchniowym między przepływem gazów ściekowych a powierzchnią cieczy. Rysunek 4 pokazuje również występujące zagłębienie powierzchni cieczy pod kanałem gazowym strumienia plazmy, tzw. menisk. Jest on wizualizowany przez niebieską linię.

Rysunek 4: Fotografia oświetlonych cząstek skrobi kukurydzianej w 3 ml wody mieszanej przez przepływ gazu. Wiry są spowodowane tarciem powierzchniowym między przepływem gazów ściekowych a powierzchnią cieczy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

W tym miejscu demonstrujemy zastosowanie strumienia plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym do obróbki powierzchni różnych materiałów. Eksperymentalna konfiguracja strumienia plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym może mieć ogromny wpływ na parametry plazmy, skład chemiczny i wydajność, a w konsekwencji wpływa na wynik obróbki plazmą i jest krytycznym krokiem w protokole.

Na przykład przewody doprowadzające gaz odgrywają ważną rolę w odniesieniu do najczęstszego zanieczyszczenia w gazie zasilającym plazmę, jakim jest wilgotność. W szczególności produkcja reaktywnych form azotu w osoczu jest zmniejszona, podczas gdy produkcja reaktywnych form tlenu jest faworyzowana, ze względu na niską energię jonizacji tlenu w porównaniu z cząsteczkami wody i azotu³⁵. Winter²⁴ odkrył, że wilgotność gazu zasilającego pochodząca z cząsteczek wody na powierzchni dętki jest o rząd wielkości wyższa przy użyciu rur polimerowych w porównaniu z rurkami metalowymi ze względu na większą porowatość i pojemność magazynowania. Można go zmniejszyć, przepłukując przewody gazem zasilającym. Jednak suszenie linii przez spłukiwanie trwa kilka godzin. Dlatego należy unikać rurek polimerowych lub przynajmniej utrzymywać je tak krótkie, jak to możliwe. Wyniki te potwierdzają badania przeprowadzone przez Große-Kreul²⁵. Porównali wpływ rur z poliamidu i stali nierdzewnej na skład chemiczny plazmy za pomocą spektrometrii mas. Ich pomiary potwierdzają tworzenie się jonów klastrowych wody w plazmie w wyniku odgazowywania wody z rurek polimerowych i szybszych czasów schnięcia w przypadku rurek metalowych. Ponadto zbadali wpływ metod oczyszczania gazów, takich jak pułapka z sitami molekularnymi i zimna pułapka z ciekłym azotem, na skład chemiczny plazmy, co pomogło zmniejszyć ilość zanieczyszczeń o około dwa rzędy wielkości.

Zamiast próbować oczyścić gaz zasilający, istnieje również podejście polegające na dodawaniu kontrolowanej ilości wilgoci. Ponieważ to zamierzone zanieczyszczenie dominuje nad naturalnymi zanieczyszczeniami i w ten sposób kontroluje skład chemiczny plazmy, zapewnione są powtarzalne warunki, o ile ilość dodanej wilgoci jest dokładnie znana.

W celu zapłonu wyładowania napięcie przyłożone do elektrod można zwykle po prostu zwiększyć aż do punktu awarii. Jednak w zależności od stanu powierzchni elektrod, czasami konieczne jest wysokie napięcie. Aby ułatwić zapłon, można użyć zapłonnika wysokonapięciowego. Może to być również przydatne podczas próby zapalenia wyładowania argonu w COST-Jet.

Przed nałożeniem COST-Jet na jakiekolwiek powierzchnie należy przeznaczyć wystarczająco dużo czasu, aby urządzenie osiągnęło równowagę. Po ustawieniu żądanych parametrów sterowania COST-Jet potrzebuje około 20 minut, aby osiągnąć stabilne warunki¹¹. W tym czasie temperatura urządzenia, temperatura gazu, a także chemia plazmy osiągają stan ustalony.

Do porównania wyników naukowych niezbędne są porównywalne parametry kontrolne plazmy. Do pomiaru wejściowej mocy elektrycznej można użyć monitora mocy COST²⁹. Oprogramowanie jest open-source i kompatybilne z wieloma różnymi typami oscyloskopów. Oprogramowanie działa zgodnie z zasadą opisaną przez Golda¹⁹.

Oprócz wpływu wilgotności gazu zasilającego na skład chemiczny plazmy, transport form reaktywnych z osocza do substratu odgrywa ważną rolę w składzie ścieków i jest kolejnym krytycznym krokiem w protokole. Otaczająca atmosfera może wpływać na gatunki powstające w plazmie w drodze do podłoża. Aby zminimalizować ten wpływ, stosuje się dwie różne koncepcje: (i) Po pierwsze, można ustawić kontrolowaną atmosferę, która składa się z gazu zasilającego. W ten sposób skład otaczającej atmosfery może być utrzymywany na stałym poziomie. W zależności od poziomu czystości wymaganego do zabiegu, kontrolowana atmosfera może być realizowana za pomocą obudów ochronnych wyposażonych w zawór jednokierunkowy zapobiegający nadciśnieniu. Aby uzyskać wyższe poziomy czystości, można zastosować komorę próżniową z pompą. (ii) Po drugie, kontrolowaną atmosferę można wytworzyć za pomocą kurtyny gazowej osłonowej wokół ścieków plazmowych^36,37. Zwykle składa się z gazu obojętnego, ale może być również zmieniany w zależności od potrzeb aplikacji.

Na szczęście dla COST-Jet wpływ otaczającej atmosfery jest stosunkowo niewielki. Korzystając z znakowania izotopowego, Gorbaniew wykazał, że w przypadku strumienia plazmy o konfiguracji równoległego pola, reaktywne formy tlenu i azotu docierające do powierzchni cieczy powstały w fazie gazowej plazmy, a także w obszarze między dyszą plazmową a próbką^38,39. W przeciwieństwie do tego, używając tej samej techniki dla COST-Jet, odkryli, że RONS pochodzi prawie wyłącznie z fazy plazmy, a nie z otaczającego^{środowiska28}. Jest to prawdopodobnie spowodowane tym, że pole elektryczne jest ograniczone do kanału plazmowego wyładowania COST-Jet. To sprawia, że wyładowanie plazmowe jest w dużej mierze niezależne od otoczenia i nadaje mu pewien odległy charakter.

Dla podłużnego strumienia plazmy w polu elektrycznym, Darny i ^wsp.40 wykazali, że polaryzacja pola elektrycznego modyfikuje wzorzec przepływu gazu, a tym samym również na reaktywne formy, które docierają do celu z powodu wiatru jonowego. Zależność zagęszczenia gatunków reaktywnych od środowiska została potwierdzona pomiarami Stancampiano i ^wsp.7. Poinformowali o różnicy w liczbie reaktywnych związków powstających w uzdatnionej wodzie w zależności od charakterystyki elektrycznej. Aby zrekompensować te różnice, musieli stworzyć kompensacyjny obwód elektryczny. To zachowanie jest inne w przypadku COST-Jet: Rysunek 5 porównuje obrazy Schlierena COST-Jet bez przyłożonego napięcia i podczas pracy dla dwóch różnych natężeń przepływu gazu. Zdjęcia zostały wykonane przy użyciu wyrównania liniowego z pojedynczym lustrem, jak opisano przez Kelly⁴¹. Pokazują one, w jaki sposób poziomo ustawione ścieki COST-Jet uderzają w płaskie szklane podłoże. Oba obrazy pokazują dokładnie ten sam wzorzec przepływu gazu. Wynika to z braku wiatru jonowego ze względu na brak naładowanych związków w ściekach plazmowych.

Dodatkowo COST-Jet wykazuje bardzo laminarny wzorzec przepływu. Kelly⁴¹ pokazał obrazy Schlierena podobne do tych przedstawionych na rysunku 5, dla różnych natężeń przepływu gazu. Nawet przy porównywalnie wysokich natężeniach przepływu gazu wynoszących 2 slpm, wyciek z plazmy nie wykazuje oznak turbulencji. Przy bardzo niskich natężeniach przepływu gazu wynoszących 0,25 slpm i poniżej, wyporność odpływu helu zaczyna odgrywać rolę. Jednak w odległości do 4 – 5 mm od dyszy atmosfera otoczenia nie ma wpływu na skład gazu docierającego do powierzchni, jak wykazano przez Ellerweg przy użyciu spektrometrii mas¹⁷.

Wszystkie wyżej wymienione cechy przyczyniają się do zdalnego charakteru COST-Jet. To sprawia, że jest idealnym kandydatem do kontrolowanej, porównywalnej obróbki powierzchni.

Rysunek 5: Obrazy Schlierena odrzutowca COST-Jet z przyłożonym napięciem i bez niego dla dwóch różnych natężeń przepływu gazu. Podczas pracy plazmy wzorzec przepływu gazu dokładnie przypomina wzór, w którym występuje tylko przepływ gazu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

W zależności od pożądanego efektu na badaną próbkę, parametry kontrolne: przepływ gazu, mieszanina, zastosowana moc elektryczna oraz odległość między źródłem plazmy a powierzchnią mogą być odpowiednio dostosowane. W przypadku COST-Jet istnieje obszerna baza danych literatury zawierająca badania nad gatunkami reaktywnymi w ściekach. Na przykład Willems³⁰ zmierzył gęstość tlenu atomowego za pomocą spektrometrii mas, podczas gdy Schneider⁴² zmierzył gęstość azotu atomowego w ściekach.

Traktowanie cieczy plazmą pod ciśnieniem atmosferycznym może powodować różne możliwe mechanizmy reakcji napędzane przez reaktywne formy, jony, fotony lub pola elektryczne. Ze względu na wcześniej opisaną charakterystykę COST-Jet, wpływ pola elektrycznego, jonów i fotonów jest znikomy w porównaniu ze źródłami plazmy, w których plazma ma bezpośredni kontakt z cieczami. Dlatego do badania wpływu krótkożyciowych reaktywnych gatunków, takich jak tlen atomowy, na roztwór fenolu, COST-jet został wykorzystany przez Hefny⁴³ i Benedikt⁴⁴. Ponadto COST-Jet zapewnia wygodną możliwość porównywania eksperymentów i symulacji numerycznych obróbki cieczami²⁸. Ponieważ interakcja między plazmą a cieczą jest zdominowana przez przepływ gazu reaktywnych form z plazmy do powierzchni cieczy, złożoność modelu można zmniejszyć.

Mieszanie cieczy wywołane przepływem gazu zwiększa szybkość reakcji między reaktywnymi formami generowanymi przez plazmę a cieczą. W przeciwieństwie do obróbki powierzchniowej ciał stałych, konwekcja cieczy stale zmienia lokalne stężenie reagentów. Dodatkowo, na szybkość reakcji między gatunkami wytwarzanymi w osoczu z reagentami w cieczy wpływa również aktywność powierzchniowa tych reagentów. Wraz ze wzrostem aktywności powierzchniowej wzrasta stężenie reagenta na powierzchni cieczy. Te środki powierzchniowo czynne mogą odgrywać ważną rolę w reaktywności krótko żyjących gatunków generowanych przez osocze.

Oprócz mieszania, strumień gazu uderzający w powierzchnię cieczy indukuje również parowanie, które należy wziąć pod uwagę. Stosując COST-Jet z krótkimi czasami obróbki, parowanie może odgrywać niewielką rolę, chociaż nadal musi być brane pod uwagę przy obliczaniu prawidłowych szybkości reakcji. Parowanie nie ma wpływu na rozładowanie strumienia COST-Jet, a zatem nie ma to wpływu na chemię plazmy. Dla różnych źródeł plazmy, gdzie np. plazma jest w bezpośrednim kontakcie z cieczą, skład chemiczny plazmy zmienia się znacząco wraz z parowaniem, jak pokazano przez Tiana i Kushnera⁴⁵ dla wyładowania bariery dielektrycznej. Również dla kINPen określono efekt parowania⁴⁶.

Oprócz wspomnianych różnic w chemii plazmy, które należy wziąć pod uwagę dla różnych źródeł plazmy, zmienia się również topologia menisku indukowanego przez strumień gazu na powierzchni cieczy. Głębokość tego menisku jest zwykle zależna od prędkości gazu. W przypadku źródeł plazmy, w których konfiguracja elektrod indukuje znaczne pole elektryczne docierające do cieczy lub nawet z plazmą w kontakcie z cieczą, menisk ten może być podwyższony^47,48. Jak pokazano, w zależności od użytego źródła osocza należy wziąć pod uwagę kilka efektów.

W przyszłości protokół ten może być wykorzystywany do przeprowadzania i opisywania obróbki powierzchni i cieczy za pomocą COST-Jet. Jest to stabilne, powtarzalne źródło plazmy, wykazujące unikalny odległy charakter wśród mnóstwa różnych konstrukcji strumieni plazmy. Te same metody nie ograniczają się tylko do źródła COST-Jet i mogą być modyfikowane i dostosowywane do użycia z dowolnym źródłem plazmy o zimnym ciśnieniu atmosferycznym.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

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