Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Ein Atmosphärendruck-Plasma-Setup die reaktive Spezies Formation zur Untersuchung

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

Nichtthermischen Normaldruck ( "kalten") Plasmen haben erhöhte Aufmerksamkeit in den letzten Jahren aufgrund ihrer signifikanten biomedizinischen Potential. Die Reaktionen von kaltem Plasma mit der umgebenden Atmosphäre, um eine Vielzahl von reaktiven Spezies ergeben, die ihre Wirksamkeit definieren. Während effiziente Entwicklung von Kaltplasma-Therapie kinetische Modelle erfordert, braucht Modell Benchmarking empirischen Daten. Experimentelle Untersuchungen der Quelle reaktiver Spezies in wässrigen Lösungen Plasma ausgesetzt detektiert sind noch knapp. Biomedical Plasma wird häufig mit He oder Ar Speisegas betrieben wird , und ein besonderes Interesse liegt in Untersuchung der reaktiven Spezies , die durch Plasma mit verschiedenen Gasbeimengungen (O 2, N 2, Luft, H 2 O - Dampf, etc.) Solche Untersuchungen sind sehr komplex zu Schwierigkeiten durch in der Umgebungsatmosphäre in Kontakt mit dem Plasma Abflusses zu steuern. In dieser Arbeit haben wir uns häufig gestellte Fragen von "hohen" SpannungkHz Frequenzplasmastrahl experimentelle Studien angetrieben. Ein Reaktor wurde ermöglicht den Ausschluss von Umgebungsatmosphäre aus dem System Plasma-Flüssigkeit entwickelt. Das System besteht somit das Beschickungsgas mit Beimengungen und den Komponenten der flüssigen Probe. Diese kontrollierte Atmosphäre ermöglichte die Untersuchung der Quelle der reaktiven Sauerstoffspezies induziert in wässrigen Lösungen durch He-Wasserdampfplasma. Die Verwendung von isotopisch markiertem Wasser erlaubt zwischen den Spezies unterscheiden, in der Gasphase und die in der Flüssigkeit gebildet Ursprung. Die Plasmaanlage wurde in einem Faradayschen Käfig enthalten sind mögliche Einfluss eines äußeren Feldes zu beseitigen. Das Setup ist vielseitig und in weiteren Verständnis der kalten Plasma-Flüssigkeit-Wechselwirkungen Chemie helfen können.

Introduction

Niedertemperatur - Atmosphärendruckplasmen (LTP) haben eine erhöhte Aufmerksamkeit in den letzten Jahren angezogen aufgrund ihrer großen Potenzial für biomedizinische Anwendungen 1-3. Bei Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre reagiert LTP mit molekularem Gehalt von Luft (N 2, O 2, H 2 O - Dampf), die eine Vielzahl von reaktiven Sauerstoff und Stickstoffspezies (RONS) -2,4 zu erzeugen. Unter diesen sind relativ stabile Spezies (wie Wasserstoffperoxid, Ozon, Nitrit und Nitrat - Anionen) und hochreaktiven Radikalen (• OH, • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Diese Arten, erzeugt zunächst in der Gasphase, werden durch das Plasma auf dem biologischen Substrat 5 geliefert. RONS mit Substraten in Wechselwirkung treten und somit die antimikrobielle, Anti - Krebs und antivirale Wirkung von LTP 6-8 definieren.

Die Entwicklung von LTP Therapien erfordert komplexe Modellierung der Reaktionen von9 RONS. Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil des biologischen Milieus und die Reaktionen in der wässrigen Phase, die die Komplexität des Systems erheblich steigern. Die Untersuchung der Gasphasen - Plasma wird allgemein unter Verwendung von verschiedenen analytischen Techniken durchgeführt, einschließlich optischer Emissionsspektroskopie, Laser - induzierte Fluoreszenz, Infrarotspektroskopie, Massenspektrometrie (MS) usw. 10-12. Zur gleichen Zeit, detaillierte Untersuchungen der Spezies in der flüssigen Phase nachgewiesen sind noch knapp. Verfügbaren Berichte beschreiben die Verwendung von verschiedenen analytischen Methoden, wie UV- und Elektronenspinresonanz (EPR) -Spektroskopie, Cytometry, etc. für den Nachweis von RONS in wässrigen Lösungen 13,14. EPR ist einer der direktesten Methoden zur Radikal Detektion in der Flüssigkeit. Allerdings können viele radikale Spezies nicht durch EPR aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer nachgewiesen werden. In diesen Fällen wird Spin Trapping häufig verwendet. Spin eine Technik Einfangen einer Verbindung (Spin-Trap) beteiligt which schnell und selektiv reagiert mit dem Rest , der einen beständigeren Radikaladdukt zu erhalten (zB DMPO mit dem Hydroxyl - Radikal reagiert, DMPO-OH - Addukt bilden).

Die gemeinsamen Herausforderungen in Plasma-Flüssig - Wechselwirkungsstudien sind die Unfähigkeit , die Umgebungsatmosphäre um den Plasma Abstrom und andere Störfaktoren (externe Felder, umweltempfindliche Stromversorgungsteile, etc.) zu steuern. Hier zeigen wir die Verwendung einer Einrichtung, bestehend aus einem Metallgitter Fall das operierte Plasma enthalten, und ein hauseigenes gebaut Reaktor um den Plasmastrahl-Düse. Das Metallgitter dient als Faraday-Käfig, wodurch deutlich verbesserte Reproduzierbarkeit und allgemeine Funktionsfähigkeit des Plasmastrahls. Der Glasreaktor kapselt sowohl den Plasmastrahl und die flüssige Probe, ohne die Umgebungsatmosphäre aus dem System.

Dieses Verfahren kann für jede Atmosphärendruck Plasmastrahl in Kontakt mit flüssigen Lösungen eingesetzt werden.Zum Beispiel haben wir vor kurzem eine Untersuchung der Quelle der reaktiven Sauerstoffspezies in einer wässrigen Probe zu Plasma ausgesetzt detektiert. Isotopisch markiertem Wasser wurde verwendet , um zwischen den Arten in der flüssigen und in der Gasphase des Plasmastrahl-Flüssig - Lösungssystem 15 gebildet zu unterscheiden.

Protocol

1. Abschirmung des Plasma-Setup

  1. Positionieren Sie alle Teile der elektrischen Umgebung im Inneren des Käfigs: Stromversorgung, Spannungs- / Stromzähler, Stromkabel, Plasmaelektroden, Plasmastrahl, usw.
  2. Stellen Sie sicher, dass der Raum innerhalb des Käfigs ausreichend ist, so daß die lebenden Elektrode, der Masseelektrode und der jeweiligen Kabel nicht in Kontakt miteinander oder Metallgewebe sind.
  3. Rüsten Sie den Käfig mit einer Verriegelung an der Plasmastromversorgung angeschlossen, um das Risiko eines elektrischen Schlags von der Hochspannungselektrode während des Plasmabetriebs zu vermeiden.
  4. Platzieren Sie die Spannung und die Frequenz steuert auf der Außenfläche des Käfigs Änderung der Parameter zu ermöglichen, ohne den Plasmabetrieb zu unterbrechen.
  5. Alle Metall unterstützt innerhalb des Mesh-Käfig und der Käfig selbst, indem sie mit einem Massebond Stecker montiert wird.

2. Entlastung Parameter

  1. Positionieren Sie die Live-Elektrode unterhalb der Masseelektrode on die Glasröhre (dh näher an dem Rohr - Düse).
  2. Schließen Sie die Spannungssonde an die Plasmastromversorgung der Betriebsspannung zu messen, und übergeben Sie die Masseelektrode durch die kreisförmige Stromsonde den Rückstrom zu überwachen.
  3. Schließen Sie sowohl die Spannung und die Stromsonde an ein Oszilloskop, die Überwachung der Strom, die Spannung und die Plasma-Betriebsfrequenz (bestimmt durch entweder der Strom oder der Spannungssonde).
  4. Stellen Sie den Gasfluss durch das Glasrohr auf 2 slm unter Verwendung der Massendurchflussregler (MFCs).
  5. Entzünden des Plasmas in einem Glasrohr mit dem Einsatzgas Helium durch sie vorbei an der Plasma-Stromversorgung einschalten. Mit Hilfe der Messwerte von den Sonden, stellen Sie die Spannung und die Frequenz der Entladung bis 18 kV und 25 kHz auf.
    HINWEIS: Parameter Variationen werden die minimale Spannung, um zu bestimmen durchgeführt und Frequenz, bei der die Entladung mit dem höchsten Molekulargehalt von allen Experimenten auftritt. the molekularen Inhalt erfordert für das Plasma gezündet werden höhere Spannung erhöht. Beachten Sie, dass erhöhte Spannungen in signifikanten Gastemperaturanstieg des Plasmas führen kann, was zu einer erhöhten Verdampfung der flüssigen Probe führt.
  6. Halten Sie die Spannung konstant in allen Experimenten.

3. Einführung in Beimischungen zu dem Einsatzgas

  1. Schließen Sie das zweite MFC an den Hauptspeisegasleitung ein T-Anschluss.
  2. Um den Wasserdampf zu dem Speisegas hinzuzufügen, richten Sie eine MFC-geregelte Strömung von Helium durch einen Kolben Drechsel mit Wasser gefüllt und positioniert außen (oben oder an der Seite) des Gitterkäfig.
  3. Erhalten, die eine gewünschte Sättigungsgrad durch die Strömung des Zufuhrgases zu splitten. Direkte 10% der Gasstrom (200 sccm) durch den Drechsel Kolben mit Wasser (H 2 16 O) , um eine 10% Sättigung des Einsatzgases zu erreichen.
  4. Mit dem T-Verbinder, kombinieren, um diese vollständig wasserdampfgesättigten Gas mit 90% (1800 sccm) von derTrockengasstrom.

4. Der Reaktor

  1. Bereiten Sie einen Glasreaktor, bestehend aus zwei Teilen, obere und untere. Rüsten Sie den unteren Teil der mit einem Auspuffrohr.
  2. Positionieren Sie den Glasreaktor an der Düse des Plasmastrahls.
  3. Legen Sie die Plasmastrahl-Düse in eine Gummitülle innerhalb der Öffnung in dem oberen Teil des Reaktors.
  4. Bereiten Sie die Behälter, bestehend aus einem wannenartigen Behälter auf einem Ständer. Machen Sie sowohl den Stand und die auch aus einem dielektrischen Material (zB Glas, Quarzglas).
  5. Platzieren des Probenbehälters im Inneren des Reaktors, so dass es an die Plasma Abstrom aus der Düse des Strahl ausgesetzt ist.
  6. Legen Sie eine Flüssigkeit H 2 17 O Probe innerhalb des Probenbehälters. Für den Nachweis der Hydroxylradikale, verwenden , um eine Lösung des 5,5-Dimethyl-1-pyrroline- N -Oxid (DMPO) Spin - Trap (siehe 5.1).
    HINWEIS: Die Wahl des Spin-Trap sowie die Wahl der flüssigen Probe comKomponenten hängt von den spezifischen untersuchten Spezies. Zum Beispiel ist die Quelle des • OH - Radikals unter Verwendung von H 2 16 O suchten / H 2 17 O und DMPO Spin - Trap. Die Quelle • H Radikal erfordert die Verwendung eines H 2 O / D 2 O (Gas und Flüssigkeit). N -tert-Butyl-α-phenylnitron (PBN) sollten Radikal zum Nachweis der • H verwendet werden. Im Fall von He mit H 2 O Dampfplasma wurde überwiegend Falle Wasserstoffrest gezeigt, während DMPO meist Addukt 15 DMPO-OH gebildet.
  7. Verbinden Sie die beiden Reaktorteile über den Boden Glasoberflächen Kontakt.

5. Spin Trapping von Radikal-Spezies

  1. Herstellung der Lösungen der ausgewählten Spinfalle mit der erforderlichen Konzentration. Für wässrige Lösungen, verwenden Sie de-ionisiertes Wasser. Für Nitron Spinfallen (wie DMPO), verwenden, um eine Konzentration von 100 mM.
  2. Vorspülen, den Reaktor mit dem Einsatzgas (2 slm) für 30 Sekunden.
  3. Ignite das Plasma (siehe 2.5) und setzen die flüssige Probe in das Plasma Abwasser für einen bestimmten Zeitraum (zB 60 sec).
  4. Nach einer Belichtungszeit erforderlich ist, schalten Sie die Plasma-Leistungsversorgung und öffnen Sie den Reaktor ab. Entfernen Sie den Probenbehälter aus dem Reaktor.
  5. Sammeln Sie die Probe und analysieren sie die Elektronenspinresonanz - Spektroskopie (EPR) 15.

Representative Results

Verwendung des Verfahrens und der Ausrüstung oben beschrieben, haben wir den Ursprung der reaktiven Sauerstoffspezies in der LTP-System in Kontakt mit Wasser untersucht. Die Plasma - Betriebsfrequenz und die Spannung betrug 25 kHz und 18 kV (peak-to-peak), bzw. (Abbildung 1).

So wurde beispielsweise die Quelle der Hydroxyrest mit dem isotopisch markiertem Wasser bestimmt. Dies ermöglichte im Beschickungsgas von den in der flüssigen Probe zwischen den Wassermolekülen zu unterscheiden. Dafür H 2 16 O wurde in dem Speisegas (als Dampf) eingeführt. Eine flüssige Probe von H 2 17 O mit dem gelösten Spin - Trap DMPO wurde in einem Probenbehälter positioniert ist . Der Reaktor wurde für 30 sec mit dem Einsatzgas vorgespült. Wichtig ist , dass in diesem Fall länger vorge Spülzeit in erhebliche Menge an H 2 16 O geliefert führen kann zu der flüssigen H 17 O Probe. Dann wurde das Plasma gezündet und die Probe wurde für 60 sec mit dem Abstrom ausgesetzt. Die Post-Expositions-Lösung wurde durch EPR analysiert. Zwei DMPO-OH - Radikal - Addukte (DMPO- 17 OH und 16 DMPO- OH) wurden nachgewiesen (Abbildung 2). Das Verhältnis der Addukte gebildet wurde durch eine weitere Analyse der EPR Daten bestimmt. Die MS - Analyse der flüssigen Phase zeigte Zusammensetzung das Verhältnis von H 2 16 O (in die Flüssigkeit aus der Gasphase diffundiert) an H 2 17 O (Tabelle 1). Der Vergleich der beiden vorgeschlagen, dass die Hydroxylradikale in der Flüssigkeit nachgewiesen wurden, in der Tat, mit Ursprung in der Gasphase und nicht in der Flüssigkeit.

Ähnliche Studien können mit anderen Systemen, wie beispielsweise ein D 2 O / H 2 O - System zu erfassen , um die Quelle des H • (• D) -Rest 15 durchgeführt werden.


Abbildung 1. Einrichtung zur Untersuchung der Quelle von reaktiven Sauerstoffspezies verwendet. Das Plasma wurde in ein Quarzglasrohr erzeugt (4 mm Innendurchmesser, 1 mm Wandstärke) mit dem Heliumzufuhrgas. Die Speisegasstrom betrug 2 slm. Das Einsatzgas enthaltene H 2 O - Dampf eingeführt , wie oben angegeben. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Figur 2. Ein EPR - Spektrum der Mischung von DMPO-H, OH DMPO- 16 und 17 DMPO- OH Radikale induzierte Addukte in der Lösung von DMPO in H 2 17 O ausgesetzt Plasma. Die Analyse wurde durchgeführt , um die Spektren Simulationssoftware in der Hyperfein- Werten Literatur 16. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Tabelle 1
Tabelle 1 Konzentration des DMPO- 16 OH und DMPO- 17 OH - Radikal - Addukte und die Menge an H 2 16 O in der flüssigen H 2 17 O Probe nach der Plasmaexposition. Die absoluten Mengen von Addukten Konzentrationen wurden unter Verwendung der Kalibrierungs EPR erhalten mit dem stabilen Radikal 2,2,6,6-tetramethylpiperidin 1-oxyl (TEMPO). Im Fall ohne Zusatz von Wasserdampf (Eintrag 1), war eine Restfeuchte im Beschickungsgas. Die relativen Mengen an H 2 17 O und H 2 16 O in der flüssigen Probe wurden unter Verwendung einer Hydrolysereaktion Zimtsäurechlorid bestimmt eine Mischung 16 O- und 17 O-Zimtsäuren bei Reaktion mit dem post-Plasmaexposition Lösung ergab. Die resultierende Mischung wurde durch hochauflösende Massenspektrometrie analysiert , wie an anderer Stelle beschrieben 15.

Discussion

Hier zeigen wir die Verwendung eines in-Haus gebaut Atmosphärendruck-Plasma-Setup. Das Metallmaschenkäfig hilft mit minimierten Störung von äußeren Feldern, die gleichzeitig den Schutz in der Nähe empfindlicher Geräte vor möglichen Störungen und / oder Schäden durch irgendwelche plasmainduzierten Felder reproduzierbaren Plasmabedingungen zu erreichen. Die Abschirmung (caging) der Einrichtung hängt von der Art der betriebenen Plasma und seine elektrischen Eigenschaften. Das Ziel ist die Abwesenheit von externen Störungen auf der Plasmabetrieb zu gewährleisten und die Plasma Störfelder mit umgebenden Geräte zu vermeiden. In diesem Fall ist die Maschenweite 22 mm, kann jedoch reduziert Maschenweite für verschiedene Plasmen erforderlich. Die Plasmabetriebsparameter wurden gesteuert, um eine Spannung und eine Stromsonde mit einem Oszilloskop verbunden. Die Einführung der Hochspannungssonde erheblich ändert die elektrische Umgebung, und deshalb muss die Sonde Teil des elektrischen Systems geworden und postulieren werdenioned die gleiche Weise in allen der Experimente.

Die Verwendung des Glasreaktor, der Probe und des Plasmastrahls Einkapselung ermöglicht Ausschluß der Umgebungsatmosphäre häufig unbekannter Zusammensetzung aus dem Reaktionssystem. In den vorgestellten Ergebnisse (vide supra), wurde es verwendet, um die Quelle der plasmainduzierten reaktiven Sauerstoffspezies in der wässrigen Probe dem Plasma Abstrom ausgesetzt zu bestimmen. Diese Untersuchung ist möglich, wenn die Moleküle des flüssigen Wassers und das Wasser in dem Beschickungsgas (Dampf) unterschieden werden können. Um zu bestimmen , ob die Hydroxylradikale wurden in der Gasphase oder aus den flüssigen Wassermoleküle gebildet, isotopisch markiertem Wasser eingeführt wurde: H 2 17 O als flüssiges Medium, H 2 16 O - Dampf in dem Speisegas. Wenn ein hypothetischer Experiment wurde in einer offenen Atmosphäre durchgeführt wird, würde zwischen den beiden Phasen unterscheiden, durch die Anwesenheit von Wasserdampf in der Umgebungsluft behindert wurden. Einalternative Methode , um den Einfluss der Umgebungsatmosphäre zu minimieren , wurde in der Literatur gezeigt, in denen die Diffusion der Spezies aus der Atmosphäre in das Plasma Ausfluß verhindert wurde 17 ein Schutzgas verwendet wird . Das Schutzgas (N 2 oder O 2) erzeugt einen Gasvorhang mit einer bekannten Zusammensetzung 18. Der Reaktor in diesem Manuskript dargestellt ist eine einfache Weise, den Einfluß der Umgebungsluft Komponenten (wie Wasserdampf) zu entfernen, und kann mit verschiedenen Plasmastrahlen ohne die Einführung des zusätzlichen Gasstromes verwendet werden. Ähnlich wie bei dem • OH - Radikals, die Quelle des H • Rest kann durch Verwendung eines D 2 O / H 2 O - System bestimmt werden. Die preiswerte D 2 O können auch in dem Speisegas als Dampf , wie oben beschrieben eingeführt werden.

Die Sättigung des Gases mit H 2 O - Dampf wurde , bevor durch Wiegen des Drechsel Kolben bestimmt und nach der Strömungsgas eingeblasen through es. Die relative Feuchtigkeit (dh Sättigung) des Gases wird durch die Menge des Wassers verdampft und das Gasvolumen durchlaufen berechnet.

Man beachte, dass in längeren Experimenten wurde die Temperatur der Flüssigkeit in dem Drechsel-Kolben aufgrund der Verdampfung kann abnehmen. Die relative Feuchtigkeit ist für eine bestimmte Temperatur berechnet. Die berechneten Werte werden weiter im Vergleich mit denen in der Literatur 19 die relative Feuchtigkeit des Einsatzgases zu bestimmen. Wir haben empirisch herausgefunden, dass ein Strom von bis zu 2 slm He durch einen mit Wasser gefüllten Drechsel Kolben sättigt vollständig das Gas mit Wasserdampf. Jedoch erlauben erhöhten Strömungsraten nicht ausreichend Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeit zur vollständigen Sättigung. Andere Sättigungstechniken erforderlich sein.

Eine weitere schwierige Aufgabe ist sicherzustellen, dass keine Umgebungsluft in dem System vorhanden ist. Der Reaktor wird mit dem Einsatzgas vorgespült die Restluft zu entfernen.Die Zeit für die Vorspülung erforderlich wird auf dem Volumen des Reaktors ab und der Strömung des Zufuhrgases. Das Fehlen von äußeren Umgebungsluftverteilung und Mitnahme in das System wie ein Gasplasmasystem Helium Feed kann eine • keine Radikalfänger Reaktion getestet werden. Stickstoffmonoxid erzeugt durch Plasma aus N 2 und O 2 -Moleküle von Luft kann durch EPR als Radikal Addukt des (MGD) 2 Fe 2+ -Komplex 20 (MGD = N - Methyl-D-glucamin dithiocarbamat) nachgewiesen werden. Im Falle der vollständigen Abwesenheit von Luft wird das EPR-Signal des Adduktes nicht beobachtet. Die Abwesenheit von externen Wassermoleküle in den Reaktor kann durch das folgende Experiment demonstriert werden. Eine flüssige Probe von D 2 O wird zu einem trockenen Speisegas Plasma ausgesetzt. Die NMR - Analyse der Nachbelichtung Probe zeigt die Menge an H 2 O in die Flüssigkeit während der Belichtung gebracht. Dies ermöglicht es, die Menge des Rest - H 2 O in der Tubin abzuschätzeng verwendet für das Speisegas 15 in dem Experiment.

Der Probenbehälter-Design ist von entscheidender Bedeutung bei der experimentellen Arbeit. Am Anfang haben wir mit Kunststoff und Glas-Mikrozentrifugenröhrchen versucht. Zusammen mit relativ hohen Plasmazufuhrgasstrom, der kleine Durchmesser der Öffnung lässt nicht die umgebende Luft in das Mikrozentrifugenröhrchen durchdringen. Dies hat jedoch viele Nachteile. Das Plasma zeigte Aufwölbung und großen Temperaturanstieg in der Nähe der Ränder des Mikrozentrifugenröhrchens. Die Lieferung der Spezies aus der Gasphase in die Flüssigkeit wurde ebenfalls signifikant weniger effizient aufgrund der unterschiedlichen Gasphasendynamik und der geringen Oberfläche (und große Volumen) der flüssigen Probe. Somit ist die Oberfläche der Flüssigkeitsprobe entscheidend für die Bereitstellung der reaktiven Spezies aus der Gasphase zu der flüssigen Probe. Dies ist besonders wichtig für die kurzlebigen Radikalen. Der Flüssigkeitsprobenbehälter muss daher ausgelegt sein, die freiliegende zu ermöglichenFlüssigkeit mit hoher Oberfläche für eine effiziente Diffusion zu haben. Die Probe sollte auch eine geringe Tiefe haben, die Konvektion bezogenen Einschränkungen der Flüssigkeitsprobe zu minimieren. Es muss berücksichtigt werden , dass Gasströme erhöht und vor allem mit gezündeten Plasma zu erheblichen Störungen an der Oberfläche der flüssigen Probe 21. Daher weist der Probenbehälter eine wannenartige Form mit einem Durchmesser und Tiefe für den speziellen Versuch benötigt. Die Höhe des Ständers, auf dem das gut positioniert ist, kann auf experimentelle Bedürfnisse angepasst werden. Die Gummitülle, durch welche der Plasmastrahl in den Reaktor eingeführt wird, ist es möglich, mit der Flüssigkeit, den Kontaktwinkel des Abstroms zu ändern.

Das vorgestellte Verfahren ermöglicht Untersuchung der Quelle der reaktiven Spezies (• OH, • H, etc.) in der Flüssigkeit durch ein paralleles Feld Plasmastrahl kHz Frequenz induziert. Wobei das Verfahren einen Glasreaktor unter Verwendung des Strahl umgebenden ist nicht auf das beschränkt described Bedingungen, und kann mit anderen Atmosphärendruckplasmen verwendet werden. Das Verfahren ermöglicht Einführung irgendwelcher Zusatzmittel zu dem Speisegas: Dampf, O 2, N 2 usw. Unter ihren anderen Vorteilen ist die Möglichkeit , optische Messungen im Inneren der Durchführung, obwohl in diesem Fall die optische Qualität Quarzglas als Reaktor verwendet werden müssen , Stoff. Das Abgasrohr in den unteren Teil des Reaktors ermöglicht, in praktisch jedem Labor den Plasmastrahl verwendet: das Abgas kann über Kunststoffschlauch zu einer entfernten Abzugshaube verbunden sein. Der Reaktorkonzept ist vielseitig und kann in der Forschung von verschiedenen Plasmen verwendet werden, wo kontrollierte Atmosphäre erforderlich ist. B. Polymerisation von Styrol wird durch die Sauerstoffspezies 22, hemmte aber kann in dem Reaktor beobachtet werden , wenn flüssiges Styrol zu dem Heliumzufuhrgasplasma ausgesetzt wird.

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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Boxhammer, V., et al. Bactericidal action of cold atmospheric plasma in solution. New J. Phys. 14, 113042 (2012).
  2. 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).
  3. von Woedtke, T., Reuter, S., Masur, K., Weltmann, K. -D. Plasmas for medicine. Phys. Rep. 530, 291-320 (2013).
  4. 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).
  5. Lu, X., et al. Reactive species in non-equilibrium atmospheric-pressure plasmas: Generation, transport, and biological effects. Phys. Rep. 630, 1-84 (2016).
  6. Takamatsu, T., et al. Microbial Inactivation in the Liquid Phase Induced by Multigas Plasma Jet. PLoS One. 10, 0132381 (2015).
  7. Ahlfeld, B., et al. Inactivation of a Foodborne Norovirus Outbreak Strain with Nonthermal Atmospheric Pressure Plasma. mBio. 6, 02300 (2015).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Takamatsu, T., et al. Investigation of reactive species using various gas plasmas. RSC Adv. 4, 39901-39905 (2014).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Spin Trap Database, National Institute of Environmental Health Sciences. , Available from: http://tools.niehs.nih.gov/stdb/ (2016).
  17. 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).
  18. 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).
  19. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Lide, D. R. , CRC Press. Boca Raton, Florida, USA. (1992).
  20. 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).
  21. Robert, E., et al. Rare gas flow structuration in plasma jet experiments. Plasma Sources Sci. Technol. 23, 012003 (2014).
  22. Allen, T. L. Oxygen inhibition of the polymerization of styrene. J. Appl. Chem. 4, 289-290 (1954).

Tags

Technik Heft 117 kaltes Plasma Atmosphärendruck-Plasmastrahl reaktive Spezies kontrollierte Atmosphäre Reaktor Plasma Abwasser Faraday-Käfig Radikal Spin-Trapping isotopisch markiertem Wasser Physik
Ein Atmosphärendruck-Plasma-Setup die reaktive Spezies Formation zur Untersuchung
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gorbanev, Y., Soriano, R.,… More

Gorbanev, Y., Soriano, R., O'Connell, D., Chechik, V. An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation. J. Vis. Exp. (117), e54765, doi:10.3791/54765 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter