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Une configuration de plasma Pression atmosphérique pour enquêter sur la formation espèces réactives

Published: November 3, 2016 doi: 10.3791/54765
Automatic Translation
1,2, 2, 2, 1
1Department of Chemistry, University of York, 2York Plasma Institute, Department of Physics, University of York

Abstract

pression atmosphérique plasmas non thermiques ( «froid») ont reçu une attention accrue au cours des dernières années en raison de leur potentiel biomédical important. Les réactions du plasma froid avec l'atmosphère environnante produisent une grande variété d'espèces réactives, ce qui peut définir son efficacité. Alors que le développement efficace de la thérapie par plasma froid nécessite des modèles cinétiques, modèle analyse comparative a besoin de données empiriques. Des études expérimentales de la source d'espèces réactives détectées dans des solutions aqueuses exposées au plasma sont encore rares. Plasma biomédicale est souvent utilisé avec He ou de gaz d'alimentation Ar, et un intérêt particulier réside dans les enquêtes sur les espèces réactives générées par plasma avec différents mélanges de gaz (O 2, N 2, l' air, H 2 O vapeur, etc.) Ces enquêtes sont très complexe en raison de difficultés dans le contrôle de l'atmosphère ambiante en contact avec l'effluent du plasma. Dans ce travail, nous avons abordé des questions communes de tension «haute»fréquence kHz conduit jet de plasma études expérimentales. Un réacteur a été mis au point permettant à l'exclusion de l'atmosphère ambiante à partir du système de plasma liquide. Le système comprend donc le gaz d'alimentation avec des adjuvants et des composants de l'échantillon liquide. Cette atmosphère contrôlée a permis l'étude de la source des espèces réactives de l'oxygène induites dans des solutions aqueuses par He dans l'eau du plasma en phase vapeur. L'utilisation d'eau marqué isotopiquement a permis de distinguer les espèces originaires de la phase gazeuse, et ceux formés dans le liquide. L'équipement de plasma a été contenu à l'intérieur d'une cage de Faraday pour éliminer l'influence possible de tout champ extérieur. La configuration est polyvalent et peut aider à comprendre davantage le plasma liquide froid interactions chimie.

Introduction

Plasmas de la pression atmosphérique à basse température (LTP) ont attiré une attention accrue au cours des dernières années en raison de leur vaste potentiel pour des applications biomédicales 1-3. Au moment du contact avec l' atmosphère ambiante, LTP réagit avec le contenu moléculaire de l' air (N 2, O 2, H 2 O vapeur), la génération d' une variété d'espèces d'oxygène et d' azote réactifs (Rous) 2,4. Parmi ceux - ci sont des espèces relativement stables (tels que le peroxyde d'hydrogène, l' ozone, nitrites et nitrates) des anions et des radicaux hautement réactifs (• OH • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Ces espèces, initialement produites dans la phase gazeuse, sont en outre fournis par le plasma sur le substrat biologique 5. RONS interagir avec des substrats et ainsi définir la antimicrobienne, anticancéreuse et effets antiviraux de LTP 6-8.

Le développement de thérapies LTP nécessite une modélisation complexe de réactions deRONS 9. L'eau est une partie essentielle du milieu biologique et les réactions dans la phase aqueuse augmente la complexité du système de manière spectaculaire. L'enquête du plasma en phase gazeuse est largement réalisée en utilisant diverses techniques d' analyse, y compris la spectroscopie optique d'émission, fluorescence induite par laser, la spectroscopie infrarouge, la spectrométrie de masse (MS), etc. 10-12. Dans le même temps, des enquêtes détaillées sur les espèces détectées dans la phase liquide sont encore rares. Les rapports disponibles décrivent l'utilisation de différentes méthodes analytiques , tels que les UV et la résonance paramagnétique électronique (RPE), cytométrie, etc. , pour la détection de RONS dans des solutions aqueuses 13,14. EPR est une des méthodes les plus directes pour la détection reste dans le liquide. Cependant, de nombreuses espèces de radicaux ne peuvent pas être détectées par EPR en raison de leur courte durée de vie. Dans ces cas, le spin piégeage est souvent utilisé. piégeant une technique impliquant un composé (spin trap) Spin which rapidement et sélectivement réagit avec le radical pour obtenir un produit d' addition radicalaire plus persistante (par exemple, DMPO réagit avec le radical hydroxyle, formant DMPO-OH produit d' addition).

Les problèmes communs dans les études d'interaction plasma-liquide sont l'impossibilité de contrôler l'atmosphère ambiante autour de l'effluent du plasma et d' autres facteurs interférant (champs extérieurs, des pièces d' alimentation électrique sensible à l' environnement, etc.). Ici, nous démontrons l'utilisation d'une configuration comprenant un boîtier en treillis métallique contenant le plasma et un réacteur fonctionnant en interne construite autour de la buse à jet de plasma. Le treillis métallique sert de cage de Faraday, ce qui permet d'améliorer de manière significative la reproductibilité et le bon fonctionnement général du jet de plasma. Le réacteur en verre englobera à la fois le jet de plasma et l'échantillon de liquide, à l'exclusion de l'atmosphère environnante du système.

Cette méthode peut être utilisée pour tous les jets de plasma à pression atmosphérique en contact avec des solutions liquides.Par exemple, nous avons récemment présenté une étude de la source des espèces réactives de l'oxygène détectée dans un échantillon aqueux est exposé à plasma. Eau isotopiquement marquée a été utilisée pour faire la distinction entre les espèces formées dans le liquide et dans la phase gazeuse du système de solution jet de liquide plasmatique 15.

Protocol

1. Blindage l'installation plasma

  1. Placez toutes les parties de l'environnement électrique à l' intérieur de la cage: alimentation, tension / mètre courant, câble d'alimentation, des électrodes de plasma, jet de plasma, etc.
  2. Assurez-vous que l'espace intérieur de la cage est suffisante pour que l'électrode sous tension, l'électrode de masse et les câbles respectifs ne sont pas en contact les uns avec les autres ou le treillis métallique.
  3. Équipez la cage avec un dispositif de verrouillage relié à la puissance du plasma approvisionnement afin d'éviter le risque de choc électrique à l'électrode de haute tension pendant l'opération de plasma.
  4. Placer les commandes de tension et de fréquence sur la surface extérieure de la cage pour permettre le changement des paramètres sans interrompre le fonctionnement du plasma.
  5. Rez-de-tous les supports métalliques à l'intérieur de la cage de maille et de la cage elle-même par les câbler à une fiche de liaison de terre.

2. Paramètres de décharge

  1. Positionner l'électrode en direct ci-dessous l'électrode de masse on le tube de verre ( par exemple, plus proche de la buse du tube).
  2. Connecter la sonde de tension à la puissance de plasma d'alimentation pour mesurer la tension de fonctionnement, et passer l'électrode de masse à travers la sonde de courant circulaire pour surveiller le courant de retour.
  3. Connecter à la fois la tension et la sonde de courant à un oscilloscope, surveillant le courant, la tension et la fréquence de fonctionnement du plasma (soit déterminé par le courant ou la sonde de tension).
  4. Régler le débit de gaz à travers le tube de verre à 2 slm à l'aide des régulateurs de débit massique (MFC).
  5. Enflammer le plasma dans un tube en verre avec de l'hélium gazeux d'alimentation traversant par la mise sous tension d'alimentation de plasma. En utilisant les lectures des sondes, régler la tension et la fréquence de la décharge à 18 kV et 25 kHz, respectivement.
    NOTE: les variations de paramètres sont effectuées pour déterminer la tension et la fréquence minimale à laquelle la décharge se produit avec le contenu moléculaire le plus élevé de toutes les expériences. the augmentation de la teneur moléculaire nécessite une tension plus élevée pour que le plasma est enflammé. A noter que les tensions élevées peuvent entraîner une importante augmentation de la température du gaz du plasma, ce qui conduit à une augmentation de l'évaporation de l'échantillon liquide.
  6. Gardez la tension constante dans toutes les expériences.

3. Présentation de Adjuvants pour le gaz d'alimentation

  1. Connectez le deuxième MFC à la tubulure de gaz d'alimentation principale à l'aide d'un connecteur en T.
  2. Pour ajouter de la vapeur d'eau dans le gaz d'alimentation, diriger un flux MFC-régulé de l'hélium à travers un flacon Drechsel rempli d'eau et placé à l'extérieur (au-dessus ou sur le côté) de la cage en filet.
  3. Obtenir un niveau de saturation désiré en séparant l'écoulement du gaz d'alimentation. Direct 10% du débit de gaz (200 sccm) à travers le flacon de Drechsel avec de l' eau (H 2 O 16) pour atteindre une saturation de 10% du gaz d'alimentation.
  4. Utilisation du connecteur en T, mélanger ce gaz entièrement saturé en vapeur d'eau avec 90% (1.800 sccm) de laécoulement de gaz sec.

4. Le réacteur

  1. Préparer un réacteur en verre constitué de deux parties, supérieure et inférieure. Équiper la partie inférieure du munie d'un tube d'échappement.
  2. Placer le réacteur en verre à la buse du jet de plasma.
  3. Insérer la buse à jet de plasma en un joint en caoutchouc à l'intérieur de l'ouverture dans la partie supérieure du réacteur.
  4. Préparer le récipient constitué d'un réservoir bien comme au-dessus d'un stand. Faire à la fois le support et le puits à partir d' un matériau diélectrique (par exemple, le verre, le verre de quartz).
  5. Placer le récipient d'échantillon à l'intérieur du réacteur de sorte qu'elle soit exposée à l'effluent de plasma à partir de la buse du jet.
  6. Mettre un liquide H 2 17 O échantillon à l' intérieur du récipient d'échantillon. Pour la détection des radicaux hydroxyles, utiliser une solution de la 5,5-diméthyl-1-pyrroline- N -oxyde (DMPO) de spin trapping (voir 5.1).
    NOTE: Le choix du piège de spin, ainsi que le choix de l'échantillon liquide comcomposants dépend des espèces spécifiques étudiées. Par exemple, la source du • radical OH est étudiée en utilisant H 2 16 O / H 2 17 O et DMPO rotation piège. • la source de radical H nécessite l'utilisation d'un rapport H 2 O / D 2 O (gaz et liquide). N -tert-butyl-α-phénylnitrone (PBN) doit être utilisé pour la détection du radical • H. Dans le cas de He plasma avec H 2 O vapeur, il a été montré à prédominance piège à radicaux hydrogène, tandis que DMPO formé principalement DMPO-OH produit d' addition 15.
  7. Connecter les deux parties du réacteur par l'intermédiaire des surfaces de verre de contact avec le sol.

5. Spin Défonce de Radical Espèce

  1. Préparer les solutions de l'accepteur de spin choisi à la concentration requise. Pour les solutions aqueuses, utiliser de l'eau déminéralisée. Pour les pièges nitrone de spin (tels que DMPO), utiliser une concentration de 100 mM.
  2. Pré-rincer le réacteur avec le gaz d'alimentation (2 slm) pendant 30 secondes.
  3. Ignite le plasma (voir 2.5) et d' exposer l'échantillon liquide à l'effluent de plasma pendant une période de temps définie (par exemple, 60 secondes).
  4. Après un temps d'exposition nécessaire, coupez l'alimentation de plasma et d'ouvrir le réacteur. Enlever le récipient d'échantillon à partir du réacteur.
  5. Recueillir l'échantillon et l' analyser en utilisant la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (EPR) 15.

Representative Results

En utilisant la méthode et le matériel décrit ci-dessus, nous avons étudié l'origine des espèces réactives de l'oxygène dans le système LTP en contact avec l'eau. La fréquence de fonctionnement du plasma et la tension était de 25 kHz et 18 kV (valeur crête-à-crête), respectivement (figure 1).

Par exemple, la source du radical hydroxyle a été déterminée en utilisant l'eau marquée isotopiquement. Ceci a permis de distinguer entre les molécules d'eau dans le gaz d'alimentation de ceux de l'échantillon liquide. Pour cela, H 2 16 O a été introduit dans le gaz d'alimentation (sous forme de vapeur). Un échantillon de liquide de H 2 17 O le DMPO spin trap dissous a été placé dans un récipient d'échantillon. Le réacteur a été pré-rincé pendant 30 s avec le gaz d'alimentation. Fait important, dans ce cas , plus le temps de pré-rinçage peut entraîner une quantité importante de H 2 16 O délivrée au liquide H 17 O échantillon. Puis, le plasma a été allumé, et l'échantillon a été exposé à l'effluent pendant 60 secondes. La solution post-exposition a été analysée par EPR. Deux adduits radicaux DMPO-OH (DMPO- 17 OH et DMPO- 16 OH) ont été détectés (figure 2). Le rapport des produits d'addition formés a été déterminée au moyen d'une analyse plus poussée des données EPR. L'analyse de la composition de la phase liquide de SM a montré le rapport H 2 16 O (diffusé dans le liquide de la phase gazeuse) à H 2 O 17 (Tableau 1). La comparaison entre les deux suggéré que les radicaux hydroxyle détectés dans le liquide sont, en effet, originaires de la phase gazeuse, et non dans le liquide.

Des études similaires peuvent être réalisées en utilisant d' autres systèmes, tels qu'un système de D 2 O / H 2 O pour détecter la source du radical 15 • H (• D).


Figure 1. Configuration utilisée pour la recherche de la source d'espèces réactives de l' oxygène. Le plasma est généré dans un tube de verre de quartz (diamètre intérieur 4 mm, épaisseur 1 mm) avec le gaz d'alimentation d'hélium. Le flux de gaz d'alimentation était de 2 slm. Le gaz d'alimentation de H 2 O contenu de vapeur introduite comme indiqué ci - dessus. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Un spectre RPE du mélange de DMPO-H DMPO- 16 OH et OH DMPO- 17 produits d' addition radicalaire induite dans la solution de DMPO dans H 2 17 O exposée au plasma. L'analyse a été réalisée à l' aide du logiciel de simulation de spectres en utilisant les valeurs hyperfins disponibles dans la littérature 16. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Tableau 1
Tableau 1. Concentration de la DMPO- 16 OH OH 17 et DMPO- produits d' addition radicalaires et la quantité de H 2 16 O dans le liquide H 2 17 O échantillon après l'exposition au plasma. Les quantités absolues de la concentration des produits d' addition ont été obtenus en utilisant l'étalonnage EPR avec le radical stable 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine 1-oxyle (TEMPO). Dans le cas d'absence de vapeur d'eau ajoutée (entrée 1), une humidité résiduelle était présent dans le gaz d'alimentation. Les quantités relatives de H 2 17 O et H 2 16 O dans l'échantillon de liquide ont été déterminées à l' aide d' une réaction d'hydrolyse du chlorure de cinnamoyle donnant un mélange 16 O et 17 acides O-cinnamique par réaction avec la solution d'exposition après le plasma. Le mélange résultant a été analysé par une haute résolution par spectrométrie de masse comme décrit ailleurs 15.

Discussion

Ici, nous démontrons l'utilisation d'une installation de plasma à la pression atmosphérique construite en interne. La cage de treillis métallique contribue à la réalisation des conditions de plasma reproductibles avec des interférences minimisée des champs externes, en même temps protéger les équipements sensibles à proximité des interférences et / ou dommages potentiels causés par les champs induits par plasma. Le blindage (encagement) de la configuration dépend du type de plasma utilisé et ses caractéristiques électriques. L'objectif est de garantir l'absence d'interférence externe sur le fonctionnement de plasma et d'éviter les champs de plasma interférer avec les équipements environnants. Dans ce cas, la taille de maille est de 22 mm, toutefois, la taille de maille réduite peut être requis pour différents plasmas. Les paramètres de fonctionnement du plasma ont été contrôlés à l'aide d'une tension et d'une sonde de courant connectée à un oscilloscope. L'introduction de la sonde haute tension change de manière significative l'environnement électrique, et donc la sonde doit devenir partie intégrante du système électrique et être poserioned la même manière dans toutes les expériences.

L'utilisation du réacteur en verre d'encapsulation de l'échantillon et le jet de plasma permet d'exclure l'atmosphère ambiante de la composition souvent inconnue du système réactionnel. Dans les résultats présentés (voir ci-dessus), il a été utilisé pour déterminer la source des espèces réactives de l'oxygène induite par plasma dans l'échantillon aqueux est exposé à l'effluent du plasma. Une telle étude est possible si les molécules de l'eau liquide et l'eau contenue dans le gaz d'alimentation (vapeur) peuvent être différenciés. Pour déterminer si les radicaux hydroxyle ont été formés dans la phase gazeuse ou à partir des molécules d'eau liquide, isotopiquement marqué de l' eau a été introduite: H 2 O 17 en tant que milieu liquide, H 2 O 16 vapeur dans le gaz d'alimentation. Si un essai hypothétique a été effectuée dans une atmosphère ouverte, en distinguant entre les deux phases aurait été entravée par la présence de la vapeur d'eau dans l'air environnant. Unméthode alternative pour minimiser l'influence de l'atmosphère ambiante a été démontré dans la littérature, dans laquelle la diffusion des espèces de l'atmosphère dans l'effluent du plasma a été empêchée en utilisant un gaz de protection 17. Le gaz de protection (N 2 ou O 2) crée un rideau de gaz avec une composition connue 18. Le réacteur présenté dans ce manuscrit est un moyen simple de supprimer l'influence des composants de l'air ambiant (tels que la vapeur d'eau), et peut être utilisé avec les différents jets de plasma sans l'introduction du flux de gaz supplémentaire. Similaire au radical OH •, la source du radical H • peut être déterminée en utilisant un D 2 O / H 2 O du système. Le bon marché , le D 2 O peut également être introduit dans le gaz d'alimentation sous forme de vapeur , comme décrit ci - dessus.

La saturation du gaz avec la vapeur de H 2 O a été déterminée par pesée du flacon de Drechsel avant et après avoir fait barboter le courant de gaz Throuil gh. L'humidité relative ( à savoir, la saturation) du gaz est calculée par la quantité d'eau évaporée et le volume de gaz passé à travers.

A noter que dans les expériences prolongées, la température du liquide dans le flacon de Drechsel peut diminuer en raison de l'évaporation. L'humidité relative est calculée pour une température spécifique. Les valeurs calculées sont ensuite comparées à celles de la littérature 19 pour déterminer l'humidité relative du gaz d'alimentation. Nous avons découvert de façon empirique qu'un courant allant jusqu'à 2 slm de He à travers un Drechsel rempli d'eau flacon complètement sature le gaz avec de la vapeur d'eau. Cependant, les débits élevés peuvent ne pas laisser le temps de séjour suffisant du gaz dans le liquide pour la pleine saturation. D'autres techniques de saturation peuvent être nécessaires.

Une autre tâche difficile est d'assurer que l'air environnant est présent dans le système. Le réacteur est pré-rincé avec le gaz d'alimentation pour éliminer l'air résiduel.Le temps nécessaire pour le pré-rinçage dépendra du volume du réacteur et le débit du gaz d'alimentation. L'absence de diffusion de l'air ambiant extérieur et l'entraînement dans le système tel qu'un système de plasma gazeux d'alimentation à l'hélium peut être testée en utilisant un • Pas de réaction de piégeage de radicaux libres. L' oxyde nitrique généré par le plasma à partir de N 2 et O 2 molécules d'air peut être détecté par RPE comme un produit d' addition radicalaire du (MGD) 2 Fe 2+ complexe 20 (MGD = N - méthyl-D-glucamine dithiocarbamate). Dans le cas de l'absence totale d'air, le signal RPE du produit d'addition est pas observée. L'absence de molécules d'eau externe dans le réacteur peut être démontrée par l'expérience suivante. Un échantillon de liquide de D 2 O est exposé à un plasma à sec de gaz d'alimentation. L'analyse par RMN de l'échantillon post-exposition révèle la quantité de H 2 O introduit dans le liquide au cours de l'exposition. Ceci permet d'estimer la quantité de H 2 O résiduel dans le Tubinesg utilisé pour le gaz d'alimentation 15 dans l'expérience.

La conception du conteneur d'échantillon est crucial dans le travail expérimental. Dans un premier temps, nous avons essayé en utilisant des tubes en plastique et microtubes de verre. Ensemble, avec le flux de gaz relativement élevée d'alimentation de plasma, le petit diamètre de l'ouverture ne laisse pas l'air environnant pénétrer dans le tube de microcentrifugation. Cependant, ceci présente de nombreux inconvénients. Le plasma présentait arquées et une grande augmentation de la température à proximité des bords du tube de microcentrifugeuse. La fourniture de l'espèce à partir de la phase gazeuse dans le liquide a également été significativement moins efficace en raison de la dynamique différente de la phase gazeuse et de la faible surface spécifique (et un grand volume) de l'échantillon liquide. Ainsi, la surface de l'échantillon liquide est essentielle pour la livraison des espèces réactives de la phase gazeuse à l'échantillon liquide. Ceci est particulièrement important pour les radicaux de courte durée. Le récipient d'échantillon liquide doit donc être conçu pour permettre l'expositionliquide pour avoir une surface spécifique élevée pour la diffusion efficace. L'échantillon devrait aussi avoir une faible profondeur de minimiser les limitations liées à la convection de l'échantillon liquide. Il faut tenir compte du fait que les flux de gaz élevée et plus particulièrement avec le plasma enflammé créer des perturbations significatives à la surface de l'échantillon de liquide 21. Par conséquent, le conteneur d'échantillon a une forme en forme de puits ayant un diamètre et une profondeur nécessaire pour l'expérience particulière. La hauteur du support sur lequel le puits est positionné peut être ajustée aux besoins expérimentaux. Le joint en caoutchouc à travers lequel le jet de plasma est introduit dans le réacteur permet de changer l'angle de l'effluent avec le liquide de contact.

La méthode présentée permet d' étudier l'origine des espèces réactives (• OH • H, etc.) induite dans le liquide par un champ parallèle à jet de plasma à fréquence kHz. Le procédé utilisant un réacteur en verre entourant le jet ne se limite pas à la described conditions et peut être utilisé avec d'autres plasmas à pression atmosphérique. La méthode permet l' introduction d'aucun adjuvant pour le gaz d'alimentation: vapeur, O 2, N 2, etc. Parmi ses autres avantages est la possibilité d'effectuer des mesures optiques à l' intérieur, bien que dans cette qualité optique en verre de quartz de cas doit être utilisé comme un réacteur Matériel. Le tuyau d'échappement dans la partie inférieure du réacteur permet d'utiliser le jet de plasma dans pratiquement n'importe quel laboratoire: le gaz d'échappement peut être reliée par l'intermédiaire d'un tube en plastique à une hotte d'extraction à distance. Le concept de réacteur est polyvalent et peut être utilisé dans la recherche de différents plasmas où l'atmosphère contrôlée est nécessaire. Par exemple, la polymérisation du styrène , est inhibée par des espèces d'oxygène 22, mais il peut être observé dans le réacteur lorsque le styrène liquide est exposé au plasma de gaz d'alimentation d'hélium.

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 

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References

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