Abstract
Нетермические атмосферное давление ( «холодные») плазм получили повышенное внимание в последние годы в связи с их значительным биомедицинским потенциалом. Реакции холодной плазмы с окружающей атмосферой дают различные активные формы, которые могут определить его эффективность. В то время как эффективное развитие холодной плазмы терапии требует кинетических моделей, модель бенчмаркинга нуждается в эмпирических данных. Экспериментальные исследования источника активных форм, обнаруженных в водных растворах, подвергающихся плазме все еще являются дефицитными. Биомедицинские плазмы часто работает с He или Ar подачи газа, а также определенный интерес заключается в исследовании активных форм , генерируемых плазмой с различными газовыми примесями (O 2, N 2, воздух, H 2 O пар и т.д.) Такие исследования являются очень сложным из-за трудностей в управлении окружающей атмосферы в контакте с плазмой стоках. В этой работе, мы обратились общие вопросы "высокого напряжения"частота кГц приводом плазменной струи экспериментальные исследования. Реактор был разработан позволяет исключение окружающей атмосферы из плазмы-жидкостной системы. Таким образом, система состоит сырьевого газа с добавками и компонентами жидкой пробы. Это контролируемая атмосфера позволила исследование источника активных форм кислорода, индуцируемых в водных растворах с помощью плазмы паров Он воды. Использование меченных изотопами воды позволило различении видов, происходящих в газовой фазе, и те, которые образуются в жидкости. Плазменное оборудование содержится внутри клетки Фарадея, чтобы исключить возможное влияние любого внешнего поля. Установка является универсальным и может помочь в дальнейшем понимании холодной плазмы жидкости взаимодействий химии.
Introduction
Низкотемпературной плазмы атмосферного давления (LTPS) привлекли повышенное внимание в последние годы из - за их огромного потенциала для биомедицинских применений 1-3. При контакте с окружающей атмосферой, БПЛ реагирует с молекулярным содержанием воздуха (N 2, O 2, H 2 O) пара, создавая различные химически активного кислорода и азота (РОНС) 2,4. Среди них относительно стабильные частицы (такие как перекись водорода, озон, нитрит и нитрат - анионов) и обладающие высокой реакционной способностью радикалов (• ОН, • OOH / O 2 • -, • Н, • НЕТ, и т.д.). Эти виды, первоначально сгенерированные в газовой фазе, дополнительно поставляется плазмой с биологической подложкой 5. РОНС взаимодействуют с подложками и тем самым определяют противомикробным, противоопухолевым и противовирусные эффекты LTP 6-8.
Развитие LTP терапии требует сложного моделирования реакцийРОНС 9. Вода является неотъемлемой частью биологической среды, и реакции в водной фазе увеличивают сложность системы резко. Исследование газовой фазы плазмы широко осуществляется с использованием различных аналитических методов, в том числе оптические эмиссионной спектроскопии, лазерной индуцированной флуоресценции, инфракрасной спектроскопии, масс - спектрометрии (МС) и т.д. 10-12. В то же время, детальное изучение видов, обнаруженных в жидкой фазе до сих пор не хватает. Доступные отчеты описывают использование различных аналитических методов , таких как УФ и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) спектроскопии, цитометрии и т.д. для обнаружения РОНС в водных растворах 13,14. ЭПР является одним из наиболее прямых методов радикального обнаружения в жидкости. Тем не менее, многие радикальные частицы не могут быть обнаружены с помощью ЭПР из-за их короткого времени жизни. В этих случаях спин улавливание часто используется. Спин захвата технику с участием соединения (Спинозахватывающее) ВГIch быстро и селективно реагирует с радикалом с образованием более стойких радикальной аддукта (например, ДМПО реагирует с гидроксильным радикалом, образуя ДМПО-ОН - аддукт).
Общие проблемы в исследованиях взаимодействия плазмы жидкости являются неспособность контролировать окружающую атмосферу вокруг плазмы сточных вод и других мешающих факторов (внешних полей, экологически чувствительной части питания и т.д.). Здесь мы демонстрируем использование установки, включающей в случае металлической сетки, содержащей обслуживаемое плазму и в доме построен реактор вокруг плазменной струи сопла. Металлическая сетка служит в качестве клетки Фарадея, что позволяет значительно улучшить воспроизводимость и общую работоспособность плазменной струи. Стеклянный реактор инкапсулирует и плазменной струи и жидкий образец, исключая окружающую атмосферу из системы.
Этот способ может быть использован для любого атмосферного давления плазмы струи в контакте с жидкими растворами.Например, недавно мы представили исследование источника активных форм кислорода, обнаруженных в водном образце воздействию плазмы. Меченные изотопами воду использовали для различения частиц , образующихся в жидкости и в газовой фазе системы раствора струйно-жидкостной плазмы 15.
Protocol
1. прикрывая Setup Plasma
- Поместите все части электрической среды внутри клетки: источник питания, напряжение / ток метр, кабель питания, плазменных электродов, плазменной струи и т.д.
- Убедитесь, что пространство внутри клетки достаточно, так что живого электрода, заземляющий электрод и соответствующие кабели не находятся в контакте друг с другом или металлической сетки.
- Оборудуйте клетку с блокировочным устройством, подключенного к источнику питания плазмы, чтобы избежать риска поражения электрическим током от высоковольтного электрода во время операции плазмы.
- Установите регуляторы напряжения и частоты на внешней поверхности клетки, чтобы разрешить изменение параметров без прерывания работы плазменного.
- Заземляйте все металлические опоры внутри клетки сетки и самой клетки отождествлением их к заземляющих заглушкой.
2. Выпускные Параметры
- Поместите электрод живой ниже заземляющего электрода Oп стеклянная трубка (то есть ближе к сопла в виде трубки).
- Подключите датчик напряжения к источнику питания плазмы для измерения рабочего напряжения, и передать заземляющий электрод через круговую тока зонда для контроля обратного тока.
- Подключите оба напряжения и тока зонда на осциллограф, контроля тока, напряжения и плазмы рабочей частоты (определяется либо тока или напряжения зонда).
- Установите поток газа через стеклянную трубку до 2 слм с помощью регуляторов массового расхода (MFCS).
- Воспламенение плазмы в стеклянной трубке с подачей газа гелия, проходящего через него, включив плазменный источник питания. Используя показания датчиков, установите частоту и напряжение разряда до 18 кВ и 25 кГц соответственно.
Примечание: вариаций параметров выполняются для определения минимального напряжения и частоты, при котором разряд возникающую с самым высоким молекулярным содержанием всех экспериментов. Thе увеличенной молекулярной содержание требует более высокого напряжения для плазмы воспламеняться. Обратите внимание, что повышенные напряжения может привести к значительному увеличению температуры газа плазмы, что приводит к увеличению испарения жидкой пробы. - Держите напряжение постоянной во всех экспериментах.
3. Внедрение в Добавки подачи газа
- Подключение второй MFC к основной подачи газа трубопровода с использованием тройнику.
- Для добавления водяного пара в подаваемом газе, направляют в MFC-регулируемый поток гелия через Drechsel колбу, заполненную водой и расположенной снаружи (сверху или сбоку) клетки сетки.
- Получают желаемый уровень насыщения путем разделения потока подаваемого газа. Прямой 10% от газового потока (200 кубических сантиметров в минуту) через колбу Drechsel с водой (H 2 O) 16 для достижения насыщения исходного газа в размере 10%.
- С помощью T-коннектор, объединить эту полностью насыщенную водяным паром газ с 90% (1800 SCCM) изсухой поток газа.
4. Реактор
- Подготовьте стеклянный реактор, состоящий из двух частей, верхней и нижней. Оборудуйте нижней части с выхлопной трубой.
- Поместите стеклянного реактора на выходе из сопла плазменной струи.
- Вставьте плазменную струю сопло в резиновую втулку внутри отверстие в верхней части реактора.
- Подготовьте контейнер, состоящий из хорошо, как резервуар на вершине стойки. Сделайте как стенд и колодец , из диэлектрического материала (например, из стекла, кварцевого стекла).
- Поместите контейнер для пробы внутри реактора таким образом, что он подвергается воздействию плазмы вытекающего потока из сопла струи.
- Поместите жидкой H 2 17 O образец внутри контейнера для образца. Для обнаружения гидроксильных радикалов, используют раствор 5,5-диметил-1-pyrroline- N -оксид (ДМПО) спиновой ловушки (см 5.1).
Примечание: Выбор спиновой ловушки, а также выбор жидкого образца комненты зависит от конкретного вида исследуемых. Например, источник • радикала ОН изучается с помощью H 2 16 O / H 2 O 17 и DMPO Спинозахватывающее. Источником • H радикала требует использования Н 2 O / D 2 O (газ и жидкость). N - трет-бутил-α-фенилнитрон (PBN) должна быть использована для обнаружения • H радикала. В случае He плазмы с парами H 2 O, было показано , что в основном ловушку водорода радикал, в то время как ДМПО образуются в основном DMPO-OH аддукта 15. - Соедините два реактора части через контакт заземления стеклянных поверхностей.
5. Спин улавливание радикалов
- Подготовка решения выбранной спиновой ловушки с требуемой концентрацией. Для получения водных растворов, используют деионизированную воду. Для нитрон спиновых ловушек (таких как DMPO), используют 100 мМ концентрацию.
- Предварительно промыть реактор с подачей газа (2 SLM) в течение 30 сек.
- Ignв Ite плазму (см 2.5) и подвергнуть жидкую пробу в плазму потока , выходящего в течение заданного периода времени (например, 60 секунд).
- После необходимого времени экспозиции, выключите плазменный источник питания и откройте реактор. Извлеките контейнер для пробы из реактора.
- Соберите образец и анализируют его с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР - спектроскопии) 15.
Representative Results
С помощью способа и оборудовани, описанного выше, мы исследовали происхождение активных форм кислорода в системе LTP при контакте с водой. Плазма рабочая частота и напряжение было 25 кГц и 18 кВ ( от пика до пика), соответственно (рис 1).
Например, источник гидроксильных радикалов определяли с использованием меченных изотопами воды. Это позволило различать между молекулами воды в подаваемом газе, из тех, в жидком образце. Для того, Н 2 O 16 был введен в сырьевом газе ( в виде пара). Жидкий образец H 2 O 17 с растворенным Спинозахватывающее DMPO был помещен в контейнер для образца. Реактор предварительно продувают в течение 30 сек с подаваемым газом. Важно отметить, что в этом случае больше предварительно промывка времени может привести к существенному количеству H 2 O 16 , подаваемого в жидкой Н
Подобные исследования могут быть выполнены с использованием других систем, таких как система D 2 O / H 2 O , чтобы обнаружить источник • H (D) • радикальному 15.
Рисунок 1. Установка используется для исследования источника активных форм кислорода. Плазма создавалась в кварцевой стеклянной трубки (4 мм внутренний диаметр 1 мм толщины стенки) с подачи газообразного гелия. Поток сырьевого газа был 2 ОДС. Исходный газ содержал H 2 O паров введены , как указано выше. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2. Спектр ЭПР смеси DMPO-H, DMPO- 16 OH и DMPO- 17 радикала ОН аддуктов , наведенным в растворе DMPO в H 2 17 O подвергается воздействию плазмы. Анализ проводился с использованием программного обеспечения моделирования спектров с использованием значений сверхтонких имеющихся в литературе 16. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Таблица 1. Концентрация DMPO- 16 OH и DMPO- 17 радикала ОН аддукты и количество H 2 16 O в жидком H 2 O 17 образца после воздействия плазмы. Абсолютные величины концентраций аддуктов были получены с использованием ЭПР калибровки со стабильной радикальной 2,2,6,6-тетраметилпиперидин 1-оксил (TEMPO). В случае без добавления водяного пара (вход 1), остаточная влажность присутствовала в сырьевом газе. Относительное количество H 2 17 O и H 2 O 16 в жидком образце определяли с помощью реакции гидролиза хлорангидрида коричной получена смесь 16 O- и 17О-коричные кислоты при реакции с раствором воздействия после плазмы. Полученную смесь анализировали с помощью масс - спектрометрии высокого разрешения , как описано в другом месте 15.
Discussion
Здесь мы демонстрируем использование построенной установки плазменного атмосферного давления в доме. Клетка металлическая сетка помогает достичь воспроизводимых условий плазмы с сведено к минимуму помех от внешних полей, в то же время защищая рядом чувствительного оборудования от возможных помех и / или повреждения любыми плазменно-индуцированных полей. Экранирование (арретирования) от установки, зависит от типа управляемой плазмы и его электрические характеристики. Цель состоит в том, чтобы обеспечить отсутствие внешних помех на работу плазменной и избежать плазменных полей мешают окружающее оборудование. В этом случае размер ячейки 22 мм, однако, уменьшается размер сетки может потребоваться для различных плазм. Технологические параметры плазмы контролировались с помощью напряжения и тока датчика, подключенного к осциллографу. Введение высокого напряжения зонда существенно изменяет электрическую среду, и, следовательно, зонд должен стать частью электрической системы и быть постулироватьподкладку таким же образом на протяжении всех экспериментов.
Использование стеклянного реактора, инкапсулирующего образец и плазменной струи позволит исключить окружающую атмосферу часто неизвестного состава из реакционной системы. В представленных результатов (смотри выше), он был использован для определения источника плазмы индуцированных активных форм кислорода в водном образце подвергается воздействию плазмы вытекающего потока. Такое исследование возможно, если молекулы жидкой воды и воды в исходном газе (пара) можно дифференцировать. Для того, чтобы определить , были ли сформированы гидроксильные радикалы в газовой фазе , или из жидких молекул воды, меченные изотопами воду вводили: Н 2 O 17 в качестве жидкой среды, H 2 O 16 пар в сырьевом газе. Если гипотетический эксперимент был проведен в открытой атмосфере, различие между этими двумя фазами были бы затруднены наличием водяного пара в окружающем воздухе.Альтернативный метод , чтобы минимизировать влияние окружающей атмосферы была продемонстрирована в литературе, в которой была предотвращена диффузия веществ из атмосферы в плазму с помощью выходящего потока защитного газа 17. Защитный газ (N 2 или O 2) создает газовую завесу с известной композицией 18. Реактор представлен в этой рукописи является простым способом устранения влияния окружающих компонентов воздуха (например, водяной пар), и могут быть использованы с различными плазменных струй без введения дополнительного потока газа. По аналогии с • радикала ОН, источник • H радикал может быть определена путем использования D 2 O / H 2 O системы. Недорогое D 2 O , также могут быть введены в сырьевом газе в виде пара , как описано выше.
Насыщение газа с H 2 O паров определяли перед взвешиванием колбы Drechsel и после того, как кипящий поток газа throuGh его. Относительная влажность (т.е. насыщение) газа вычисляется по количеству испаренной воды и объема газа , прошедшего через.
Обратите внимание, что в длительных экспериментах, температура жидкости в колбе Drechsel может уменьшаться из-за испарения. Относительная влажность рассчитывается для конкретной температуры. Рассчитанные значения дополнительно по сравнению с теми , в литературе 19 , чтобы определить относительную влажность подаваемого газа. Мы эмпирически обнаружили, что поток до 2 слм гелия через заполненную водой Drechsel колбу полностью насыщает газ с водяным паром. Однако повышенные скорости потока не может обеспечить достаточное время пребывания газа в жидкости для полного насыщения. Другие способы насыщения может потребоваться.
Еще одной сложной задачей является обеспечение того, что ни окружающего воздуха не присутствует в системе. Реактор предварительно продувают подаваемого газа с целью удаления остаточного воздуха.Время, необходимое для предварительной промывки будет зависеть от объема реактора и поток подаваемого газа. Отсутствие внешней диффузии атмосферного воздуха и уноса в систему, таких как система подачи газа плазмы гелий может быть протестирована с использованием не • NO радикальной реакции захвата. Оксид азота генерируется плазма из N 2 и О 2 молекулы воздуха могут быть обнаружены с помощью ЭПР в качестве радикального аддукта (MGD) 2 Fe 2+ 20 (MGD = N - метил-D-глюкаминовая дитиокарбаматной). В случае полного отсутствия воздуха, сигнал ЭПР аддукта не наблюдается. Отсутствие внешних молекул воды в реакторе, может быть продемонстрирована с помощью следующего эксперимента. Жидкий образец D 2 O подвергается воздействию сухой плазмы сырьевого газа. ЯМР - анализ образца после воздействия показывает количество H 2 O , привезенные в жидкости во время экспозиции. Это позволяет оценить количество остаточного H 2 O в тубинскимг используется для подачи газа 15 в эксперименте.
Конструкция контейнера образца имеет решающее значение в экспериментальной работе. Сначала мы попытались использовать пластиковые и стеклянные трубки микроцентрифужных. Вместе с относительно высоким потоком подачи плазмообразующего газа, малый диаметр отверстия не пропускает окружающий воздух проникает в микроцентрифужных трубку. Тем не менее, это имеет много недостатков. Плазма выставлены изогнуты и на значительное увеличение температуры вблизи краев трубки микроцентрифужных. Доставку вида из газовой фазы в жидкость была также значительно менее эффективным из-за различной динамики газовой фазы и областью низкого поверхности (и большой объем) жидкого образца. Таким образом, площадь поверхности жидкого образца имеет решающее значение для доставки активных форм из газовой фазы в жидкой пробе. Это особенно важно для короткоживущих радикалов. Таким образом, контейнер жидкий образец должен быть разработан, чтобы позволить обнаженныйжидкость, чтобы иметь большую площадь поверхности для эффективной диффузии. Образец должен также иметь низкую глубину, чтобы минимизировать конвекционные связанные ограничения жидкой пробы. Следует принимать во внимание , что повышенные потоков газа и особенно с зажженной плазмы создают значительные помехи на поверхности жидкого образца 21. Поэтому контейнер образец имеет хорошо-образную форму с диаметром и глубиной, необходимой для конкретного эксперимента. Высота стенда, на котором расположена скважина может быть скорректирована на экспериментальных потребностей. Резиновая изолирующая втулка, через которую струя плазмы вставляется в реактор дает возможность изменить угол контакта эффлюента с жидкостью.
Представленный метод позволяет исследовать источник активных форм (• ОН, • H и т.д.) , наведенный в жидкости с частотой кГц параллельным полем плазменной струи. Способ применения стеклянный реактор, окружающий струю не ограничивается ДЕСКribed условия, и могут быть использованы с другими плазмы атмосферного давления. Способ позволяет введение каких - либо примесей в подаваемом газе: пара, O 2, N 2 и т.д. Среди других его преимуществ является возможность проведения оптических измерений внутри него, хотя в этом случае оптическое качество кварцевого стекла должен быть использован в качестве реактора материал. Выпускная труба в нижней части реактора, позволяет использовать плазменную струю практически в любой лаборатории: выхлоп могут быть соединены с помощью пластиковой трубки с капюшоном удаленной экстракции. Концепция реактора является универсальным и может быть использовано в исследованиях различных плазм, где требуется контролируемая атмосфера. Например, полимеризация стирола ингибируется вида 22 кислорода, но может наблюдаться в реакторе , когда жидкий стирол подвергается воздействию плазмы подачи газообразного гелия.
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
- Boxhammer, V., et al. Bactericidal action of cold atmospheric plasma in solution. New J. Phys. 14, 113042 (2012).
- Graves, D. B. The emerging role of reactive oxygen and nitrogen species in redox biology and some implications for plasma applications to medicine and biology. J. Phys. D: Appl. Phys. 45, 263001 (2012).
- von Woedtke, T., Reuter, S., Masur, K., Weltmann, K. -D. Plasmas for medicine. Phys. Rep. 530, 291-320 (2013).
- Machala, Z., et al. Formation of ROS and RNS in Water Electro-Sprayed through Transient Spark Discharge in Air and their Bactericidal Effects. Plasma Proc. Polym. 10, 649-659 (2013).
- Lu, X., et al. Reactive species in non-equilibrium atmospheric-pressure plasmas: Generation, transport, and biological effects. Phys. Rep. 630, 1-84 (2016).
- Takamatsu, T., et al. Microbial Inactivation in the Liquid Phase Induced by Multigas Plasma Jet. PLoS One. 10, 0132381 (2015).
- Ahlfeld, B., et al. Inactivation of a Foodborne Norovirus Outbreak Strain with Nonthermal Atmospheric Pressure Plasma. mBio. 6, 02300 (2015).
- Hirst, A., et al. Low-temperature plasma treatment induces DNA damage leading to necrotic cell death in primary prostate epithelial cells. Brit. J. Cancer. 112, 1536-1545 (2015).
- Norberg, S. A., Tian, W., Johnsen, E., Kushner, M. J. Atmospheric pressure plasma jets interacting with liquid covered tissue: touching and not-touching the liquid. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 475203 (2014).
- Greb, A., Niemi, K., O'Connell, D., Gans, T. Energy resolved actinometry for simultaneous measurement of atomic oxygen densities and local mean electron energies in radio-frequency driven plasmas. Appl. Phys. Lett. 23, 234105 (2014).
- Wagenaars, E., Gans, T., O'Connell, D., Niemi, K. Two-photon absorption laser-induced fluorescence measurements of atomic nitrogen in a radio-frequency atmospheric-pressure plasma jet. Plasma Sources Sci. Technol. 21, 042002 (2012).
- Abd-Allah, Z., et al. Mass spectrometric observations of the ionic species in a double dielectric barrier discharge operating in nitrogen. J. Phys. D: Appl. Phys. 48, 085202 (2015).
- Takamatsu, T., et al. Investigation of reactive species using various gas plasmas. RSC Adv. 4, 39901-39905 (2014).
- Uchiyama, H., et al. EPR-Spin Trapping and Flow Cytometric Studies of Free Radicals Generated Using Cold Atmospheric Argon Plasma and X-Ray Irradiation in Aqueous Solutions and Intracellular Milieu. PloS One. 10, e0136956 (2015).
- Gorbanev, Y., O'Connell, D., Chechik, V. Non-thermal plasma in contact with water: The origin of species. Chem. Eur. J. 22, 3496-3505 (2016).
- Spin Trap Database, National Institute of Environmental Health Sciences. , Available from: http://tools.niehs.nih.gov/stdb/ (2016).
- Schmidt-Bleker, A., Winter, J., Iseni, S., Rueter, S. Reactive species output of a plasma jet with a shielding gas device - Combination of FTIR absorption spectroscopy and gas phase modelling. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 145201 (2014).
- Schmidt-Bleker, A., et al. On the plasma chemistry of a cold atmospheric argon plasma jet with shielding gas device. Plasma Sources Sci. Technol. 25, 015005 (2015).
- CRC Handbook of Chemistry and Physics. Lide, D. R. , CRC Press. Boca Raton, Florida, USA. (1992).
- Tsuchiya, K., et al. Nitric oxide-forming reactions of the water-soluble nitric oxide spin-trapping agent, MGD. Free Radic. Biol. Med. 27, 347-355 (1999).
- Robert, E., et al. Rare gas flow structuration in plasma jet experiments. Plasma Sources Sci. Technol. 23, 012003 (2014).
- Allen, T. L. Oxygen inhibition of the polymerization of styrene. J. Appl. Chem. 4, 289-290 (1954).
