Abstract
非熱気圧（「コールド」）プラズマは、その重要な生物医学の可能性のために近年増加し注目を集めています。周囲の大気と低温プラズマの反応は、その有効性を定義することができる反応性種の多様性をもたらします。低温プラズマ療法の効率的な開発が運動モデルを必要とするが、モデルのベンチマークは、経験的データを必要とします。プラズマにさらされ、水溶液中で検出された反応種のソースの実験的研究はまだ不足しています。生物医学的プラズマは、多くの場合、HeやAr供給ガス、および特定の関心は、（ その他 O 2、N 2、空気、H 2 O蒸気）は、様々なガスの混合物を用いてプラズマによって生成される反応種の研究にあるような調査されて運転されますプラズマ排出物に接触して周囲の雰囲気を制御することの難しさに起因する非常に複雑。本研究では、「高」電圧の一般的な問題に対処しましたkHzの周波数は、プラズマジェットの実験的研究を駆動します。反応器は、プラズマ液系から周囲雰囲気の排除を可能に開発されました。システムは、このように混和し、液体試料の成分と供給ガスを含んでいました。この制御された雰囲気は、He-水蒸気プラズマによって水溶液中で誘導される活性酸素種の供給源の調査を可能にしました。同位体標識水の使用は気相に由来する種と液体で形成されるものとを区別できました。プラズマ装置は、外部磁界の可能な影響を排除するファラデーケージ内部に収容しました。セットアップは汎用性があり、さらに低温プラズマ - 液体相互作用の化学的性質の理解を助けることができます。
Introduction
低温大気圧プラズマ（LTPS）の生物医学的応用のための1-3それらの大きな可能性のために、近年ますます注目を集めています。周囲の大気と接触すると、LTPは、活性酸素と窒素種の様々な（RONS）2,4を生成し 、空気の分子量（N 2、O 2、H 2 O蒸気）と反応します。 （ - 、•H、NO• など •OH、•OOH / O 2•）これらの中でも（例えば、過酸化水素、オゾン、亜硝酸や硝酸アニオンなど）は比較的安定した種と反応性の高いラジカルがあります。最初は気相中で生成されたこれらの種は、さらなる生物学的基材5にプラズマによって送達されます。 RONSは、基質と相互作用し、したがって、抗菌、抗がんおよびLTP 6-8の抗ウイルス作用を定義します。
LTP療法の開発は、の反応の複雑なモデリングが必要ですRONS 9。水は、生物学的環境の不可欠な一部であり、水相中での反応は劇的にシステムの複雑さを増加させます。気相プラズマの研究が広く光学発光分光法、レーザ誘起蛍光法、赤外分光法、質量分析法（MS） などを10〜12を含む様々な分析技術を用いて行われます。同時に、液相で検出された種の詳細な調査はまだ不足しています。使用可能なレポートは、水溶液13,14におけるRONSの検出のためなど 、フローサイトメトリー、例えば紫外線や電子常磁性共鳴（EPR）分光法などの様々な分析方法の使用を記載しています。 EPRは、液体中のラジカルを検出するための最も直接的な方法の一つです。しかし、多くのラジカル種は、それらの短い寿命にEPRにより検出することができません。これらのケースでは、スピントラップが使用されることが多いです。化合物（スピントラップ）WHを伴う技術をトラップスピンICHは、迅速かつ選択的に（DMPO-OH付加物を形成し、 例えば 、DMPOはヒドロキシルラジカルと反応する）より持続的ラジカル付加物を生成するラジカルと反応します。
プラズマ液体相互作用の研究における共通の課題は、プラズマ排出物の周囲雰囲気と他の干渉要素（外部磁場、環境に敏感な電力供給部、 等）を制御することができないことです。ここでは、操作プラズマとプラズマジェットノズルの周りの社内構築された原子炉を含む金属メッシュケースからなるセットアップの使用を示します。金属メッシュは、大幅に改善再現性プラズマジェットの一般的な操作性を可能にするファラデーケージとして機能します。ガラス反応器には、システムから周囲の雰囲気を除く、プラズマジェットと液体試料の両方をカプセル化します。
この方法は、溶液と接触している任意の大気圧プラズマジェットのために使用することができます。例えば、我々は最近、プラズマに曝さ水性試料中で検出された活性酸素種のソースの調査を提示しています。同位体標識水は、液体中にプラズマジェット溶液系15の気相中で形成された化学種とを区別するために使用しました。
Protocol
1.血漿セットアップをシールド
- 電源、電圧/電流計、電源ケーブル、プラズマ電極、プラズマジェット等 ：ケージの中にある電気環境のすべての部分を置き
- ライブ電極ことを、接地電極とそれぞれのケーブルは互いにまたは金属メッシュと接触していないので、ケージ内の空間が十分であることを確認してください。
- プラズマ処理中に高電圧電極からの電気ショックの危険を回避するために、プラズマ電源に接続されたインターロックとケージを備えます。
- プラズマ動作を中断することなく、パラメータの変更を可能にするために、ケージの外表面上の電圧および周波数コントロールを配置。
- グラウンドすべての金属は、アース接続プラグにそれらを配線することによって、メッシュケージとケージ自体の内部でサポートしています。
2.放電パラメータ
- 接地電極oを下のライブの電極を配置しますnはガラス管（ すなわち 、チューブのノズルに近いです）。
- 動作電圧を測定し、リターン電流を監視するために円形の電流プローブを介して接地電極を通過するようにプラズマ電源に電圧プローブを接続します。
- 電流、電圧（電流または電圧プローブのいずれかによって決定される）プラズマ動作周波数を監視し、オシロスコープの電圧と電流プローブの両方を接続します。
- マスフローコントローラ（MFC）を使用して2 SLMにガラス管を通るガスの流れを設定します。
- プラズマ電源をオンにすることによって、それを通過する供給ガスのヘリウムをガラスチューブ内にプラズマを点火します。プローブからの読み取り値を使用して、それぞれ、18キロボルトおよび25 kHzに放電の電圧と周波数を設定します。
注：パラメータのバリエーションは、放電がすべての実験の最も高い分子含有量と発生される最小の電圧および周波数を決定するために行われます。目分子含有量の増加eはプラズマが点火するための高電圧を必要とします。上昇した電圧は、このように液体試料の増加蒸発につながる、プラズマの重要なガス温度上昇をもたらすことができることに注意してください。 - すべての実験において一定の電圧を保ちます。
3.供給ガスへの混和剤を導入
- T型コネクタを使用して、メイン供給ガス配管に2つ目のMFCを接続します。
- 供給ガスに水蒸気を追加するには、メッシュケージのDrechselフラスコ（側上または上）外部の水で満たされて位置決めを通してヘリウムのMFC-規制流れを導きます。
- 供給ガスの流れを分割することにより、飽和の所望のレベルを得ます。水（H 2 16 O）でDrechselフラスコを通るガス流（200 sccm）との直接の10％は、供給ガスの10％の飽和を達成します。
- Tコネクタを使用して、90％（1,800 SCCM）で、この完全に水蒸気飽和ガスを組み合わせ乾燥ガスの流れ。
4.原子炉
- 二つの部分、上部および下部からなるガラス反応器を準備します。排気管との下部を装備。
- プラズマジェットのノズルでガラス反応器を置きます。
- 反応器の上部の開口部内側のゴムのグロメットにプラズマジェットノズルを挿入します。
- スタンドの上によくような貯水池からなる容器を準備します。スタンドと誘電体材料（ 例えば 、ガラス、石英ガラス）からだけでなく、両方を行います。
- それはジェットのノズルから放出プラズマに露出されるように反応器内の試料容器を置きます。
- 試料容器内の液体H 2 17 Oサンプルを置きます。ヒドロキシルラジカルの検出のために、5,5-ジメチル-1- pyrroline- Nのオキシド（DMPO）をスピントラップ（5.1を参照）の溶液を使用しています。
注：スピントラップの選択だけでなく、液体試料の選択コムンポーネントを調べ、特定の種に依存します。例えば、•OHラジカルの源は、H 2 16 O / H 2 17 OとDMPOのスピントラップを用いて研究されています。 •Hラジカル源は、ラジカル•Hの検出のために使用されるべきであるH 2 O / D 2 O（気体及び液体） のN -tert-ブチル- α -フェニル（PBN）の使用を必要とします。 DMPOはほとんどDMPO-OH付加体15を形成している間、彼はH 2 O蒸気とプラズマの場合には、それは、主にトラップ水素ラジカルを示しました。 - すりガラス面接触を介して、2原子炉の部品を接続します。
ラジカル種の5スピントラッピング
- 必要な濃度で選択されたスピントラップのソリューションを準備します。水溶液の場合は、脱イオン水を使用しています。 （例えばDMPOなど）ニトロンスピントラップについては、100 mMの濃度を使用します。
- 30秒間供給ガス（2 SLM）で原子炉を事前にフラッシュします。
- IGNプラズマをITE（2.5を参照）、一定期間（ 例えば 、60秒）のために放出プラズマに液体サンプルを公開します。
- 必要な露光時間の後、プラズマ電源をオフにし、反応器を開き。反応器から試料容器を取り外します。
- サンプルを収集し、電子常磁性共鳴分光法（EPR）15を使用して、それを分析。
Representative Results
上述の方法および装置を用いて、我々は、水と接触してLTPシステムにおける活性酸素種の起源を調べました。プラズマ動作周波数と電圧は25 kHzから18キロボルト（ピーク・ツー・ピーク）、それぞれ（ 図1）でした。
例えば、ヒドロキシル基の供給源は、同位体標識された水を使用して決定しました。これは、液体試料中のものから、供給ガス中の水分子を区別可能にしました。そのために、H 2 16 Oが（蒸気として）供給ガスで導入されました。溶解スピントラップDMPOとH 2 17 Oの液体試料を試料容器内に配置しました。反応器は、供給ガスで30秒間プレフラッシュしました。重要なことに、この場合には、より長いプレフラッシング時間は、液体Hに送達H 2 16 Oの相当量をもたらすことができます
同様の研究は、•H（•D）ラジカル15のソースを検出するためのD 2 O / H 2 Oシステムなど、他のシステムを用いて行うことができます。
図1 セットアップは、活性酸素種の供給源を調査するために使用される。プラズマは、ヘリウム供給ガスを有する石英ガラス管（4 mmの内径を1mmの肉厚）で生成されました。供給ガス流は2 SLMました。供給ガスは、上述したように導入されたH 2 O蒸気を含んでいた。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
H 2 17 にDMPOの溶液に誘導された DMPO-H、DMPO- 16 OHとDMPO- 17 OHラジカル付加物 の混合物の 図2. アンEPRスペクトル Oプラズマに曝される。分析は、文献16で使用可能な超微細値を使用して、スペクトルシミュレーションソフトウェアを用いて行った。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
DMPO- 16 OHおよび プラズマ曝露後の DMPO- 17 OHラジカル付加物と 液体H 2 17 O、試料 中 の H 2 16 O の量 の 表1 濃縮は 。付加物濃度の絶対量は、EPRのキャリブレーションを使用して得られました安定ラジカル2と、2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシル（TEMPO）。無添加水蒸気（エントリー1）の場合には、残留湿度が供給ガス中に存在しました。液体試料中のH 2 17 OおよびH 2 16 Oの相対量は、ポストプラズマ曝露溶液との反応により混合物16 O-及び17 O -桂皮酸を得た塩化シンナモイルの加水分解反応を使用して決定しました。他の箇所15に記載のように得られた混合物を、高分解能質量分析により分析しました。
Discussion
ここでは、自社で構築された大気圧プラズマセットアップの使用を示します。金属メッシュケージは、干渉の可能性および/または任意のプラズマ誘導フィールドによる損傷から近くの敏感な機器を保護すると同時に、外部のフィールドからの最小化干渉の再現可能なプラズマ条件を達成するのに役立ちます。セットアップのシールド（ケージング）が運営プラズマとその電気的特性のタイプによって異なります。その目的は、プラズマ処理に外部干渉が存在しないことを確実にし、周辺機器との干渉プラズマフィールドを回避することです。この場合、メッシュサイズは、しかし、減少メッシュサイズが異なるプラズマのために必要とされる5月22 mmです。プラズマ動作パラメータは、電圧およびオシロスコープに接続された電流プローブを用いて制御しました。高電圧プローブの導入はかなり電気環境が変化し、したがって、プローブは、電気システムの一部にならなければならないと断定します全ての実験を通して同じようにioned。
サンプルおよびプラズマジェットをカプセル化するガラス反応器の使用は、反応系からしばしば未知の組成の雰囲気の排除を可能にします。提示された結果（上記参照）には、プラズマ排出物に曝露された水性サンプル中のプラズマ誘導反応性酸素種の供給源を決定しました。供給ガス（蒸気）で液体の水と水の分子を区別することができる場合、このような調査が可能です。ヒドロキシルラジカルが同位体標識水が導入された、気相または液体の水の分子から形成されたかどうかを判断するには：H 2 17 O液体媒体として、供給ガス中のH 2 16 O蒸気を。仮想的な実験はオープン雰囲気中で行った場合は、二相間の区別は、周囲の空気中の水蒸気の存在によって妨げられてきただろう。アン周囲の雰囲気の影響を最小化する別の方法は、プラズマ排出物に大気からの種の拡散は、シールドガス17を用いて防止された文献で実証されました。シールドガス（N 2またはO 2）は、既知の組成18とガスカーテンを作成します。本稿で提示リアクターは、（水蒸気として）大気成分の影響を除去するための簡単な方法で、追加のガス流を導入することなく、異なるプラズマジェットで使用することができます。 •OHラジカルと同様に、基•H源は、D 2 O / H 2 O系を用いることによって決定することができます。上記のように、安価なD 2 Oはまた、蒸気として供給ガス中に導入することができます。
H 2 O蒸気とガスの飽和前Drechselフラスコを秤量することにより、ガス流throuバブリング後に測定しましたそれをGH。気体の相対湿度（ すなわち 、飽和）を蒸発させ、気体の体積が通過する水の量によって算出されます。
長時間の実験で、Drechselフラスコ内の液体の温度が蒸発により減少する可能性があることに注意してください。相対湿度は、特定の温度について計算されます。計算された値は、さらに、供給ガスの相対湿度を決定するために、文献19のものと比較されます。我々は、経験的に水で満たされたDrechselフラスコを介して彼の最大2 SLMの流れが完全に水蒸気とガスを飽和することを発見しました。しかし、上昇流量は完全に飽和するため、液体中のガスの十分な滞留時間を許可しない場合があります。他の飽和の技術が必要とされ得ます。
もう一つの困難な課題には、周囲の空気がシステム内に存在しないことを確実にすることです。反応器は、残留空気を除去するために、供給ガスで予めフラッシュされます。予備洗浄に要する時間は、反応器の容積及び供給ガスの流れに依存するであろう。ヘリウム供給ガスプラズマシステムなどのシステムへの外部周囲空気拡散および同伴の不在は•NOラジカル捕捉反応を使用していない試験することができます。空気の窒素N 2のプラズマによって生成された酸化物とO 2分子が（MGD）2のFe 2+錯体20（MGD = Nメチル-D-グルカミンジチオカルバミン酸）のラジカル付加物としてEPRにより検出することができます。空気が完全に存在しない場合には、付加体のEPRシグナルが観測されません。反応器外部の水分子が存在しないことは、以下の実験によって実証することができます。 D 2 Oの液体試料は、乾燥供給ガスのプラズマに曝されます。露光後の試料のNMR分析は、露光中に液体にさH 2 Oの量を明らかにする。これはtubin中の残留H 2 Oの量を推定することができますグラムは、実験で供給ガス15に使用されます。
試料容器のデザインは、実験作業において非常に重要です。当初、私たちは、プラスチックやガラスのマイクロチューブを使用しようとしました。一緒に比較的高いプラズマ供給ガス流と、開口部の小径は、周囲の空気がマイクロチューブを貫通することはできません。しかし、これは多くの欠点を有します。プラズマは、アーチやマイクロチューブの端部近傍に大きな温度上昇を示しました。液体中へのガス相からの化学種の送達は、異なる気相動態および液体試料の低表面積（及び大容量）にも有意に低い効率でした。したがって、液体試料の表面積は、液体試料の気相からの反応性種の送達のために重要です。これは、短寿命のラジカルのために特に重要です。液体試料容器は、したがって、露出を可能にするように設計されなければなりません液体は、効率的な拡散のための高表面積を有することができます。サンプルはまた、液体試料の対流関連の制限を最小限に抑えるために、低深さを持っている必要があります。これは、ガス流を上昇し、特に点火プラズマで液体試料21の表面に著しい障害を作成考慮に入れなければなりません。したがって、試料容器は、特定の実験に必要な直径と深さの井戸状の形状を有しています。ウェルが配置されたスタンドの高さは、実験的なニーズに調整することができます。プラズマジェットは、反応器内に挿入されるゴム製のグロメットは、液体を流出物の接触角を変化させることができます。
提示された方法は、kHzの周波数並列場プラズマジェットによって液体に誘導される反応種（OH•、•H など ）の供給源の調査を可能にします。ジェットを取り囲むガラス反応器を用いる方法は、降順に限定されるものではありません条件ribed、および他の大気圧プラズマで使用することができます。この方法は、供給ガスの任意の混合物を導入することができる：この場合、光学的品質の石英ガラス反応器として使用しなければならないが、その他の利点の中等蒸気、O 2、N 2は 、その内部に光学測定を実施する可能性であります材料。反応器の下部の排気管は、実質的に任意の実験室でプラズマジェットを使用できます排気リモート抽出フードにプラスチックチューブを介して接続することができます。反応器の概念は、汎用性がありかつ制御された雰囲気が必要とされる別のプラズマの研究に使用することができます。例えば、スチレンの重合は酸素種22によって阻害されるが、液体スチレンはヘリウム供給ガスプラズマに曝されたとき、反応器で観察することができます。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Plasma Resonant and Dielectric Barrier Corona Driver power supply | Information Unlimited | PVM500 | |
| Mass flow controller (MFC) | Brooks Instruments | 2 slm (He calib.) | |
| MFC | Brooks Instruments | 5 slm (He calib.) | |
| Microcomputer controller for MFCs | Brooks Instruments | 0254 | |
| H217O | Icon Isotopes | IO 6245 | |
| 5,5-dimethyl-1-pyrroline N-oxide | Dojindo Molecular Technologies, Inc. | D048-10 | ≥99% |
| 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl | Sigma-Aldrich | 214000 | 98% |
| Helium | BOC UK | 110745-V | 99.996% |
| High voltage probe | Tektronix | P6015A | |
| Current probe | Ion Physics Corporation | CM-100-L | |
| Oscilloscope | Teledyne LeCroy | WaveJet 354A |
References
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