Artigo de método

Uma configuração Plasma Pressão atmosférica para investigar a formação de espécies reativas

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DOI:

10.3791/54765

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3 de novembro de 2016

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

Neste artigo

Resumo

Uma configuração experimental foi criada para o jato de plasma de frequência kHz operado por hélio. A configuração inclui uma gaiola para a fonte de alimentação de plasma e jato e um reator construído internamente para monitorar espécies reativas induzidas por plasma sem a interferência da atmosfera ambiente.

Resumo

pressão atmosférica ( "frio") plasmas não térmicos têm recebido maior atenção nos últimos anos devido ao seu potencial biomédico significativo. As reacções de plasma a frio com a atmosfera circundante produzir uma variedade de espécies reactivas, que pode definir a sua eficácia. Embora o desenvolvimento eficiente da terapia de plasma frio exige modelos cinéticos, o modelo de avaliação do desempenho tem dados empíricos. Estudos experimentais de a fonte de espécies reactivas detectados em soluções aquosas expostas ao plasma ainda são escassos. Biomédica de plasma é frequentemente utilizado com ele ou gás de alimentação de Ar, e um interesse específico reside na investigação das espécies reactivas geradas por plasma com diferentes misturas de gases (O 2, N 2, ar, vapor de H2O, etc.) são Tais investigações muito complexo devido à dificuldade de controlar a atmosfera ambiente em contacto com o efluente de plasma. Neste trabalho, abordamos questões comuns de tensão 'alta'kHz conduzido estudos experimentais jato de plasma. Um reactor foi desenvolvido permitindo a exclusão da atmosfera ambiente a partir do sistema de plasma-líquido. O sistema composto, assim, o gás de alimentação com adjuvantes e os componentes da amostra líquida. Esta atmosfera controlada permitiu a investigação da origem das espécies de oxigénio reactivas induzidas em soluções aquosas por plasma de vapor de He-água. O uso de água marcada isotopicamente permitiu distinguir entre as espécies originárias na fase gasosa e os que são formados no líquido. O equipamento de plasma foi contido dentro de uma gaiola de Faraday para eliminar possível influência de qualquer campo externo. A configuração é versátil e pode ajudar a compreender ainda mais o plasma-líquido frio interações química.

Introdução

Baixa temperatura plasmas pressão atmosférica (LTPS) têm atraído maior atenção nos últimos anos devido ao seu vasto potencial para aplicações biomédicas 1-3. Ao entrar em contacto com a atmosfera ambiente, a LTP reage com teor molecular de ar (N2, O2, H2O vapor), a geração de uma variedade de espécies reactivas de oxigénio e de azoto (2,4 rons). Entre estes são espécies relativamente estáveis (tais como peróxido de hidrogênio, ozônio, nitrito e nitrato ânions) e radicais altamente reativos (• OH, • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Estas espécies, inicialmente gerados na fase gasosa, são ainda fornecidos pelo plasma ao substrato biológico 5. RONS interagir com os substratos e, assim, definir o agente antimicrobiano, anti-cancro e efeitos antivirais da LTP 6-8.

O desenvolvimento de terapias LTP requer modelagem complexa das reacções deRONS 9. A água é uma parte essencial do meio biológico, e as reacções na fase aquosa aumentar a complexidade do sistema dramaticamente. A investigação do plasma em fase gasosa é amplamente realizada utilizando várias técnicas analíticas, incluindo espectroscopia de emissão óptica, fluorescência induzida por laser, espectroscopia de infravermelho, espectrometria de massa (MS), etc 10-12. Ao mesmo tempo, as investigações detalhadas das espécies detectadas na fase líquida ainda são escassos. Os relatórios disponíveis descrevem a utilização de vários métodos analíticos, tais como espectroscopia de UV e espectroscopia de ressonância paramagnética (EPR), Cytometry, etc, para a detecção de RONS em soluções aquosas 13,14. EPR é um dos métodos mais directos para a detecção de radicais no líquido. No entanto, muitas espécies de radicais não pode ser detectado por RPE, devido ao seu tempo de vida curto. Nestes casos, rotação trapping é frequentemente utilizado. Spin prendendo uma técnica que envolve um composto (armadilha de spin) which rapidamente e selectivamente reage com o radical para produzir um aducto radical mais persistente (por exemplo, DMPO reage com o radical hidroxilo, formando DMPO-OH aduto).

Os desafios comuns em estudos de interacção plasma-líquido são a incapacidade de controlar a atmosfera ambiente ao redor do efluente plasma e outros fatores interferentes (campos externos, peças de alimentação sensível ao ambiente, etc.). Aqui, demonstramos a utilização de uma configuração compreendendo um caso de malha de metal contendo o plasma e operado um reactor construído internamente em torno do bico de jacto de plasma. A malha de metal serve como a gaiola de Faraday, permitindo que melhorou significativamente a reprodutibilidade e operabilidade geral do jato de plasma. O reactor de vidro incorpora tanto o jacto de plasma e a amostra líquida, excluindo a atmosfera circundante do sistema.

Este método pode ser utilizado para todo o jacto de plasma à pressão atmosférica, em contacto com soluções líquidas.Por exemplo, recentemente apresentado uma investigação da origem das espécies de oxigénio reactivas detectados numa amostra aquosa exposto ao plasma. Isotopicamente água marcada foi utilizada para distinguir entre as espécies formadas no líquido e em fase de gás de plasma de jacto de líquido sistema de solução a 15.

Protocolo

1. Proteger a Configuração Plasma

  1. Posicione todas as partes do ambiente elétrico dentro da gaiola: fonte de alimentação, tensão / medidor de corrente, cabo de alimentação, os eléctrodos de plasma, jato de plasma, etc.
  2. Certifique-se de que o espaço no interior da gaiola é suficiente de modo a que o eléctrodo em directo, o eléctrodo de terra e respectivos cabos não estão em contacto uns com os outros ou a malha de metal.
  3. Equipar a gaiola com um intertravamento ligado à fonte plasma para evitar o risco de choque eléctrico do eléctrodo de alta tensão durante a operação de plasma.
  4. Colocar os controlos de voltagem e frequência na superfície externa da gaiola para permitir a alteração dos parâmetros, sem interromper o funcionamento do plasma.
  5. Ligue todos os suportes de metal no interior da gaiola de malha e da própria gaiola por fiação-los a uma tomada de ligação terra.

2. Os parâmetros de descarga

  1. Posicione o eletrodo vivem abaixo do eletrodo terra on o tubo de vidro (isto é, mais próximo do bico do tubo).
  2. Ligue a sonda de tensão para a fonte plasma para medir a tensão de funcionamento, e passar o eletrodo terra através da sonda de corrente circular para monitorar a corrente de retorno.
  3. Conectar-se tanto a tensão e a sonda de corrente a um osciloscópio, monitorando a corrente, a tensão ea freqüência de operação plasma (determinada tanto pelo atual ou a sonda de tensão).
  4. Definir o fluxo de gás através do tubo de vidro de 2 SLM utilizando os controladores de fluxo de massa (MFCs).
  5. Inflamar o plasma num tubo de vidro com o hélio gás de alimentação que passa através dele ligando a fonte plasma. Usando as leituras das sondas, definir a tensão e frequência da descarga a 18 kV e 25 kHz, respectivamente.
    NOTA: variações de parâmetros são realizados para determinar a voltagem mínima e a frequência na qual a descarga está a ocorrer com maior teor molecular de todos os experimentos. ºe aumento do conteúdo molecular requer maior tensão para o plasma para se inflamar. Note-se que as tensões elevadas podem resultar em aumento significativo da temperatura do gás de plasma, levando assim a um aumento da evaporação do líquido da amostra.
  6. Manter a tensão constante em todas as experiências.

3. Apresentando Adjuvantes para o gás de alimentação

  1. Ligue o segundo MFC à tubulação de gás de alimentação principal usando um T-conector.
  2. Para adicionar o vapor de água ao gás de alimentação, dirigir um fluxo de MFC-regulada de hélio através de um balão de Drechsel cheia de água e posicionado no exterior (na parte superior ou no lado) da gaiola de malha.
  3. Obter um nível desejado de saturação, dividindo o fluxo do gás de alimentação. Directo 10% do fluxo de gás (200 sccm) através do balão de Drechsel com água (16 H 2 O) para atingir uma saturação de 10% do gás de alimentação.
  4. Usando o conector T, combinar este gás totalmente saturado de água-vapor com o 90% (1.800 sccm) dofluxo de gás seco.

4. O reactor

  1. Preparar um reactor de vidro que consiste em duas partes, superior e inferior. Equipar a parte inferior do tubo com um escape.
  2. Posicionar o reactor de vidro no bico do jacto de plasma.
  3. Inserir o bico de jacto de plasma para um anel de borracha no interior da abertura na parte superior do reactor.
  4. Prepara-se o recipiente constituído por um reservatório bem como em cima de um suporte. Adicione tanto o suporte e o bem a partir de um material dieléctrico (por exemplo, vidro, vidro de quartzo).
  5. Colocar o recipiente da amostra no interior do reactor de modo que o mesmo fique exposto ao efluente de plasma a partir do injector do jacto.
  6. Coloque um líquido H 2 O 17 de amostra dentro do recipiente da amostra. Para a detecção dos radicais hidroxilo, usar uma solução do 5,5-dimetil-1-pyrroline- N-óxido (DMPO) armadilha de spin (ver 5.1).
    NOTA: A escolha da armadilha de spin, bem como a escolha da amostra líquida COMcomponentes depende das espécies específicas investigados. Por exemplo, a fonte do • radical OH é estudada usando H 2 16 O / H 2 O e 17 DMPO rotação armadilha. A fonte de • H radical requer o uso de um H2O / D 2 O (gás e líquido). N-terc-Butil-α-fenilnitrona (PBN) deve ser usada para a detecção do radical • h. No caso de He plasma com vapor de H2O, foi demonstrado que predominantemente armadilha de radicais hidrogénio, enquanto DMPO formado principalmente DMPO-OH aducto 15.
  7. Ligue as duas partes do reator através do contato superfícies de vidro chão.

5. rotação captura de espécies de radicais

  1. Preparar as soluções de armadilha de spin escolhido com a concentração requerida. Para as soluções aquosas, usar água desionizada. Para armadilhas de spin nitrona, tais como (DMPO), usar uma concentração de 100 mM.
  2. Pré-lavar o reactor com o gás de alimentação (2 SLM) durante 30 segundos.
  3. ignite do plasma (ver 2.5) e expor a amostra de líquido para o efluente plasma por um determinado período de tempo (por exemplo, 60 seg).
  4. Depois de um tempo de exposição necessário, desligue a fonte de alimentação de plasma e abrir o reactor. Retirar o recipiente da amostra a partir do reactor.
  5. Coletar a amostra e analisá-lo usando a espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR) 15.

Resultados

Utilizando o método e equipamento descrito acima, investigou-se a origem das espécies reactivas de oxigénio no sistema de LTP em contacto com a água. A frequência de funcionamento do plasma e a tensão foi de 25 kHz e 18 kV (pico-a-pico), respectivamente (Figura 1).

Por exemplo, a fonte do radical hidroxilo foi determinada utilizando a água marcada isotopicamente. Isto permitiu distinguir entre as moléculas de água no gás de alimentação a partir das da amostra líquida. Para isso, H 2 O 16 foi introduzido no gás de alimentação (como vapor). Uma amostra de líquido de 17 de H 2 O com o DMPO armadilha de spin dissolvido foi posicionado num recipiente de amostra. O reactor foi pré-lavada durante 30 segundos com o gás de alimentação. É importante notar, neste caso, já pré-lavagem pode resultar em tempo substancial quantidade de H 2 O 16 H entregue ao líquido 2 17 O amostra. Em seguida, o plasma foi acesa e a amostra foi exposta ao efluente durante 60 seg. A solução de pós-exposição foi analisada por RPE. Dois adutos radicais DMPO-OH (DMPO- 17 OH e DMPO- 16 OH) foram detectados (Figura 2). A proporção dos adutos formados foi determinada através de uma análise mais aprofundada dos dados EPR. A análise MS da composição da fase líquida mostrou que a proporção de H 2 O 16 (difundido para dentro do líquido a partir da fase gasosa) e H 2 O 17 (Tabela 1). A comparação dos dois sugeriu que os radicais hidroxilo detectados no líquido eram, na verdade, de origem na fase gasosa, e não no líquido.

Estudos semelhantes pode ser realizada usando outros sistemas, tais como um sistema de D 2 O / H 2 O para detectar a fonte do • H (• D) um radical 15.

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Figura 1. Configuração utilizado para a investigação da origem das espécies reactivas de oxigénio. O plasma foi gerado num tubo de vidro de quartzo (diâmetro interno de 4 mm, 1 milímetro de espessura de parede) com o gás de alimentação de hélio. O fluxo de gás de alimentação era de 2 SLM. O gás de alimentação continha H 2 O vapor introduzido como indicado acima. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 2. Espectro de um EPR da mistura de DMPO-H, DMPO- 16 OH OH 17 e DMPO- aductos de radicais induzida na solução de DMPO em H 2 17 O exposta ao plasma. A análise foi realizada utilizando o software de simulação de espectros usando os valores hiperfinos disponíveis na literatura 16. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Tabela 1. Concentração do DMPO- 16 OH OH 17 e DMPO- aductos radicais e a quantidade de H 2 O na 16 o líquido H2 17O amostra após a exposição ao plasma. As quantidades absolutas de aductos concentrações foram obtidas usando a calibração de EPR com o radical estável 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO). No caso de nenhum vapor de água adicionada (entrada 1), uma humidade residual estava presente no gás de alimentação. As quantidades relativas de H 2 O e 17 de H 2 O 16 na amostra líquida foram determinados utilizando uma reacção de hidrólise de cloreto de cinamoílo obtendo-se uma mistura de 16 e 17 O- ácidos O-cinâmico por reacção com a solução de pós-exposição de plasma. A mistura resultante foi analisada por espectrometria de massa de alta resolução como descrito em outro lugar 15.

Discussão

Aqui, demonstramos a utilização de uma instalação de plasma à pressão atmosférica construído internamente. A gaiola de malha de metal ajuda a alcançar condições reprodutíveis de plasma com interferência de campos externos minimizado, ao mesmo tempo que protegem o equipamento nas proximidades sensível da possível interferência e / ou danos por quaisquer campos induzida por plasma. A blindagem (gaiolas) da configuração depende do tipo de plasma utilizado e as suas características eléctricas. O objectivo é o de garantir a ausência de interferência externa sobre o funcionamento do plasma e evitar os campos de plasma interferir com o material adjacente. Neste caso, o tamanho da malha é 22 mm, no entanto, o tamanho de malha reduzido podem ser necessários para diferentes plasmas. Os parâmetros de funcionamento do plasma foram controlados utilizando uma voltagem e uma corrente de sonda ligada a um osciloscópio. A introdução da sonda de alta tensão altera significativamente o ambiente elétrico, e, portanto, a sonda deve tornar-se parte do sistema elétrico e ser postularioned da mesma maneira ao longo de todas as experiências.

A utilização do reactor de vidro de encapsular a amostra e o jacto de plasma permite a exclusão da atmosfera ambiente da composição muitas vezes desconhecida do sistema de reacção. Nos resultados apresentados (vide supra), que foi usada para determinar a origem das espécies de oxigénio reactivo induzida por plasma na amostra aquosa expostos ao efluente de plasma. Tal investigação é possível, se as moléculas de água no estado líquido e a água no gás de alimentação (vapor) podem ser diferenciadas. Para determinar se os radicais hidroxilo foram formadas na fase gasosa ou de as moléculas de água líquida, água isotopicamente marcada foi introduzido: H 2 O 17 como o meio líquido, H 2 O 16 de vapor no gás de alimentação. Se um experimento hipotético foi conduzida numa atmosfera aberta, a distinção entre as duas fases que têm sido dificultados pela presença do vapor de água no ar circundante. Amétodo alternativo para minimizar a influência da atmosfera circundante foi demonstrado na literatura, em que a difusão da espécie a partir da atmosfera para o efluente do plasma foi impedido utilizando um gás de blindagem 17. O gás de proteção (N 2 ou O 2) cria uma cortina de gás com composição conhecida 18. O reactor apresentado neste trabalho é uma forma simples de remover a influência dos componentes de ar ambiente (tais como vapor de água), e pode ser usado com diferentes jactos de plasma sem a introdução do fluxo de gás adicional. Semelhante ao • radical OH, a fonte do • H radical pode ser determinada empregando um D 2 O / H 2 O sistema. A barata D 2 O pode também ser introduzido no gás de alimentação na forma de vapor, tal como descrito acima.

A saturação do gás com H 2 O vapor foi determinada por pesagem da garrafa de Drechsel antes e depois borbulhando o fluxo de gás atragh-lo. A humidade relativa (isto é, saturação) do gás é calculada pela quantidade de água e evaporou-se o volume de gás passado através de.

Note-se que em experiências prolongados, a temperatura do líquido no frasco Drechsel podem diminuir devido à evaporação. A umidade relativa é calculada para uma temperatura específica. Os valores calculados são ainda mais em comparação com aqueles na literatura 19 para determinar a humidade relativa do gás de alimentação. Temos empiricamente descoberto que um fluxo de até 2 SLM de He através de um Drechsel cheia de água totalmente balão satura o gás com vapor de água. No entanto, as taxas de fluxo elevadas podem não permitir que o tempo de permanência suficiente do gás no líquido durante a saturação completa. Outras técnicas de saturação pode ser necessária.

Um outro desafio é garantir que nenhum ar circundante está presente no sistema. O reactor é previamente enxaguado com gás de alimentação para retirar o ar residual.O tempo necessário para a pré-lavagem dependerá do volume do reactor e o fluxo do gás de alimentação. A ausência de difusão do ar ambiente exterior e o arrastamento para o sistema, como um sistema de gás de alimentação de plasma hélio pode ser testado usando um • Nenhuma reacção retenção de radicais. O óxido nítrico gerado por plasma a partir de N 2 e O 2 moléculas de ar pode ser detectada por RPE como um aducto radical de (MGD) 2 Fe 2+ complexo 20 (MGD = N-metil-D-glucamina ditiocarbamato). No caso de a completa ausência de ar, não se observa o sinal EPR da aducto. A ausência de moléculas de água externas no reactor pode ser demonstrada pela seguinte experiência. Uma amostra de líquido de D 2 O está exposto a um plasma de gás de alimentação seco. A análise por RMN da amostra de pós-exposição revela a quantidade de H 2 O trazido para dentro do líquido durante a exposição. Isto permite estimar a quantidade de residual da H 2 O no Tubing utilizado para o gás de alimentação 15 no experimento.

O projeto recipiente da amostra é crucial para o trabalho experimental. Inicialmente, tentamos usar tubos de plástico e de microcentrífuga de vidro. Juntamente com o fluxo de gás relativamente elevada de alimentação de plasma, o pequeno diâmetro da abertura não deixar penetrar o ar circundante no tubo de microcentrífuga. No entanto, esta tem muitas desvantagens. O plasma exibiram arqueamento e grande aumento de temperatura perto das bordas do tubo de microcentrífuga. A entrega das espécies a partir da fase gasosa para dentro do líquido também foi significativamente menos eficiente devido às diferentes dinâmicas fase gasosa e a área de superfície baixa (e de grande volume) da amostra líquida. Assim, a área da superfície da amostra líquida é crucial para a entrega das espécies reactivas a partir da fase gasosa para a amostra líquida. Isto é especialmente importante para os radicais de vida curta. O recipiente de amostra líquida, portanto, concebido para permitir que o expostolíquido de ter elevada área superficial para a difusão eficiente. A amostra também deve ter uma reduzida profundidade para minimizar as limitações relacionadas com a convecção da amostra líquida. Deve ser tido em conta que elevados fluxos de gás e, especialmente, com o plasma inflamado criar perturbações significativas na superfície da amostra de líquido 21. Por conseguinte, o recipiente de amostra tem uma forma bem como com o diâmetro e a profundidade requerida para a experiência específica. A altura da base sobre o qual o poço é posicionado pode ser ajustada às necessidades experimentais. A anilha de borracha através da qual o jacto de plasma é inserido para dentro do reactor torna possível mudar o ângulo de contacto do efluente com o líquido.

O método apresentado permite a investigação da origem das espécies reactivas (• OH, • H, etc.) induzida no líquido por um jacto de plasma campo paralelo kHz. O método emprega um reactor de vidro em torno do jacto não se limita à descRiBED condições, e pode ser usado com outros plasmas à pressão atmosférica. O método permite a introdução de quaisquer misturas de gás de alimentação: de vapor, O 2, N 2, etc Entre as suas outras vantagens é a possibilidade da realização de medições ópticas no seu interior, embora, neste caso, a qualidade óptica de vidro de quartzo deve ser usado como um reactor material. O tubo de escape na parte inferior do reactor permite utilizar o jacto de plasma em praticamente qualquer laboratório: os gases de escape pode ser conectado através de uma tubagem de plástico a um exaustor remoto. O conceito do reactor é versátil e pode ser utilizado na pesquisa de diferentes plasmas em que é necessária atmosfera controlada. Por exemplo, a polimerização de estireno é inibida pelas espécies de oxigénio 22, mas pode ser observado no reactor quando estireno líquido é exposta ao plasma de gás de alimentação de hélio.

Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Chris Mortimer, Chris Rhodes (oficinas do Departamento de Química) e Kari Niemi (York Plasma Institute) por sua ajuda com o equipamento. O trabalho foi apoiado pelo Leverhulme Trust (concessão nº. RPG-2013-079) e EPSRC (EP/H003797/1 & EP/K018388/1).

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Fonte de alimentação do driver Corona de barreira ressonante e dielétrica de plasma Informações IlimitadasPVM500 
Controlador de fluxo de massa (MFC)Brooks Instruments 2 slm (Ele calib.)
MFCBrooks Instruments 5 slm (Ele calib.)
Controlador de microcomputador para MFCsBrooks Instruments 0254
Isótoposícones de H217O6245
5,5-dimetil-1-pirrolina N-óxidoDojindo Molecular Technologies, Inc. D048-10≥ 99%
2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxil Sigma-Aldrich21400098%
HélioBOC UK110745-V99.996%
Sonda de alta tensãoTektronix P6015A
Sonda de correnteIon Physics Corporation Osciloscópio CM-100-L
Teledyne LeCroyWaveJet 354A 
de IO

Referências

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