Detta protokoll presenteras för att karakterisera installation, hantering och tillämpning av COST-Jet för behandling av olika ytor som fasta ämnen och vätskor.
Under de senaste åren har icke-termiska atmosfärstrycksplasmor använts i stor utsträckning för ytbehandlingar, särskilt på grund av deras potential i biologiska tillämpningar. De vetenskapliga resultaten lider dock ofta av reproducerbarhetsproblem på grund av opålitliga plasmaförhållanden samt komplexa behandlingsförfaranden. För att ta itu med problemet och tillhandahålla en stabil och reproducerbar plasmakälla utvecklades COST-Jet-referenskällan.
I detta arbete föreslår vi ett detaljerat protokoll för att utföra tillförlitliga och reproducerbara ytbehandlingar med hjälp av COST referens microplasma jet (COST-Jet). Vanliga frågor och fallgropar diskuteras, liksom COST-Jets särdrag jämfört med andra enheter och dess fördelaktiga fjärrkaraktär. En detaljerad beskrivning av både fast och flytande ytbehandling tillhandahålls. De beskrivna metoderna är mångsidiga och kan anpassas för andra typer av atmosfäriska tryckplasmaenheter.
Kall atmosfäriska tryckplasmor (CAPs) har lockat ökat intresse under de senaste åren på grund av deras potential för ytbehandlingsapplikationer. CAPs kännetecknas av deras icke-jämviktsegenskaper, vilket möjliggör komplex plasmakemi med hög densitet av reaktiva arter samtidigt som en låg termisk inverkan på behandlade prover bibehålls. Därför anses CAPs särskilt för behandling av biologiskvävnad 1,2,3,4. Många koncept och mönster av CAPs används framgångsrikt för sårdesinfektion och läkning, blodkoagulering och cancerbehandling, bland andra biomedicinska applikationer. En stor del av den biologiska vävnaden innehåller vätskor. Därför är forskningen också alltmer inriktad på att undersöka effekterna av CAPs på flytande ytor som cellmedel eller vatten5,6,7.
De vetenskapliga resultaten lider dock ofta av tillförlitlighet och reproducerbarhetsproblem8,9,10. Å ena sidan är de behandlade biologiska substraten föremål för naturliga variationer. Å andra sidan tillskrevs biologiska mekanismer sällan direkt plasmaprocesser (såsom elektriska fält, UV-strålning och lång- och kortlivade arter etc.). Dessutom beror dessa plasmaprocesser i sin tur starkt på den enskilda plasmakällan och den exakta typen av tillämpning.
Dessutom är detaljerade protokoll för behandlingsförfaranden sällan tillgängliga. Detta gör det svårt att isolera påverkan av en viss plasmaparameter på resultatet av behandlingen, vilket gör de erhållna resultaten icke-överförbara.
Därför nyligen har olika försök gjorts att standardisera behandlingen av ytor, vävnader och vätskor med hjälp av kall atmosfäriska tryckplasmor. Här presenterar vi bara några utvalda exempel.
Trots dessa ansträngningar kan det fortfarande vara omöjligt att jämföra resultaten från olika studier, helt enkelt på grund av utmaningen att korrekt applicera en plasmakälla på en yta. Det finns ett stort antal vanliga fallgropar som måste hanteras när man arbetar med atmosfäriska tryckplasmaapplikationer som påverkan av externa elektriska fält (kompensationskretsar), återkopplingsslingor mellan plasma och omgivande miljö (skärmad atmosfär), arttransport (jonisk vind) och kontrollparametrar (spänning, ström, kraft).
Huvudsyftet med detta arbete är att tillhandahålla ett grundligt och detaljerat protokoll om tillämpningen av COST-Jet för ytbehandlingar. COST-Jet är en pålitlig plasmakälla som utvecklats för vetenskapliga referensändamål snarare än för industriellt eller medicinskt bruk. Det ger reproducerbara utsläppsvillkor och en bred databas över tillgängliga studier22,23. COST-Jet är baserad på en homogen, kapacitivt kopplade RF-plasma. Eftersom det elektriska fältet är begränsat vinkelrätt mot gasflödet hålls laddade arter mestadels i utsläppsregionen och interagerar inte med målet eller den omgivande atmosfären. Dessutom säkerställer det laminära gasflödet reproducerbara plasmakemiska förhållanden i plasmautflödet.
I detta dokument kommer vi att ta itu med de vanligaste utmaningarna och införa möjliga lösningar som har använts i litteraturen. Dessa inkluderar korrekt gastillförsel, urladdningskontroll, påverkan i omgivningsatmosfären och ytberedning. Överensstämmelse med det protokoll som presenteras här bör säkerställa att mätningarna reproducerbarhet och jämförbarhet säkerställs.
Protokollet kan också fungera som ett exempel för andra atmosfäriska tryckkällor. Den måste förfinas för andra jetplasmakällor enligt det enskilda gasflödet och den elektriska fältkonfigurationen. I tillämpliga fall kommer vi att försöka påpeka eventuella justeringar av protokollet. De beskrivna stegen bör övervägas och rapporteras vid publicering av studier som tillämpar atmosfärstrycksplasma på behandlade prover.
Här demonstrerar vi användningen av en atmosfärisk tryckplasmastråle för ytbehandlingar av olika material. Den experimentella inställningen för en plasmastråle för atmosfärstryck kan ha en enorm effekt på plasmaparametrarna, kemin och prestandan och påverkar följaktligen resultatet av plasmabehandlingar och är ett kritiskt steg i protokollet.
Som ett exempel spelar gasförsörjningsledningarna en viktig roll när det gäller den vanligaste orenheterna i plasmans matargas som är fuktighet. I synnerhet reduceras produktionen av reaktiva kvävearter i plasma medan produktionen av reaktiva syrearter gynnas, på grund av syrets låga joniseringsenergi jämfört med vattenmolekyler och kväve35. Vinter24 fann att fodergasfuktighet som härrör från vattenmolekyler på ytan av det inre röret är en storleksordning högre med polymerrör jämfört med metallrör på grund av högre porositet och lagringskapacitet. Det kan minskas genom att spola linjerna med matargas. Det tar dock ett par timmar att torka linjen genom spolning. Polymerrör bör därför undvikas eller åtminstone hållas så korta som möjligt. Dessa resultat understryks av studier från Große-Kreul25. De jämförde effekten av polyamid och rostfria rör på plasmakemin med hjälp av masspektrometri. Deras mätningar bekräftar vattenklusterjonbildning i plasman på grund av vattenavgasning från polymerrör och snabbare torktider med metallrör. Dessutom undersökte de effekten av gasreningsmetoder som en molekylär siktfälla och en flytande kvävekylfälla på plasmakemin som bidrog till att minska mängden föroreningar med ungefär två storleksordningar.
Istället för att försöka rena matargasen finns det också tillvägagångssättet att lägga till en kontrollerad mängd fuktighet. Eftersom denna avsiktliga orenheter sedan dominerar över de naturliga föroreningarna och därmed kontrollerar plasmakemin, säkerställs reproducerbara förhållanden så länge mängden tillsatt fuktighet är exakt känd.
För antändningen av urladdningen kan den applicerade spänningen på elektroderna vanligtvis helt enkelt ökas fram till haveripunkten. Men beroende på elektrodernas ytförhållanden är ibland en hög spänning nödvändig. För att underlätta tändning kan en högspänningsgnistor användas. Detta kan också vara användbart när du försöker antända en argonurladdning i COST-Jet.
Innan COST-Jet appliceras på några ytor bör tillräckligt med tid avsättas för att enheten ska balanseras. När COST-Jet är inställd på önskade kontrollparametrar behöver den cirka 20 minuter för att nå stabila förhållanden11. Under denna tid når enhetens temperatur, gastemperaturen och plasmakemin ett stabilt tillstånd.
För jämförelse av vetenskapliga resultat är jämförbara plasmakontrollparametrar nödvändiga. För mätning av den elektriska ingångseffekten kan COST-strömbrytarenanvändas 29. Programvaran är öppen källkod och kompatibel med en rad olika typer av oscilloskop. Programvaran fungerar enligt den princip som beskrivs av Golda19.
Förutom effekten av fodergasfuktighet på plasmakemin spelar transporten av reaktiva arter från plasma till substratet en viktig roll i utflödets sammansättning och är ett annat kritiskt steg i protokollet. Den omgivande atmosfären kan påverka de arter som skapas i plasman på väg till substratet. För att minimera detta inflytande används två olika begrepp: (i) För det första kan en kontrollerad atmosfär ställas in som består av matargasen. Således kan sammansättningen av den omgivande atmosfären hållas konstant. Beroende på den renhetsnivå som krävs för behandlingen kan den kontrollerade atmosfären realiseras via skyddshus utrustade med en enkelvägsventil för att förhindra övertryck. För högre renhetsnivåer kan en vakuumkammare med pump användas. ii) För det andra kan en kontrollerad atmosfär skapas med hjälp av en avskärmningsgasridå runt plasmautflödet36,37. Vanligtvis består den av en inert gas, men den kan också varieras beroende på applikationens behov.
Lyckligtvis, för COST-Jet, är påverkan av den omgivande atmosfären jämförelsestörande låg. Med hjälp av isotopisk märkning har Gorbanev visat att för en plasmastråle med parallell fältkonfiguration bildades de reaktiva syre- och kvävearter som nådde en flytande yta i plasmagasfasen samt i regionen mellan plasmamunstycket ochprovet 38,39. Med samma teknik för COST-Jet fick de däremot reda på att RONS nästan uteslutande härstammar från plasmafasen istället för den omgivande miljön28. Detta beror förmodligen på att det elektriska fältet är begränsat till plasmakanalen för COST-Jet-urladdningen. Detta gör plasmaurladdningen till stor del oberoende av sin miljö och ger den en viss avlägsen karaktär.
För en längsgående elektrisk fältplasmastråle har Darny et al.40 visat att polariteten i det elektriska fältet ändrar gasflödesmönstret och därmed också på de reaktiva arter som når ett mål på grund av jonisk vind. Beroendet av den reaktiva arttätheten på miljön bekräftades genom mätningar av Stancampiano et al.7. De rapporterade om skillnaden mellan antalet reaktiva arter som skapas i behandlat vatten beroende på de elektriska egenskaperna. För att kompensera för dessa skillnader var de tvungna att skapa en kompenserande elektrisk krets. Detta beteende är annorlunda för COST-Jet: Figur 5 jämför Schlieren-bilder av COST-Jet utan anbringad spänning och under drift för två olika gasflöden. Bilderna togs med en enda spegelinline justering som beskrivs av Kelly41. De visar hur det horisontellt justerade COST-Jet-utflödet träffar ett platt glassubstrat. Båda bilderna visar exakt samma gasflödesmönster. Detta beror på bristen på jonisk vind på grund av frånvaron av laddade arter i plasmautflödet.
Dessutom uppvisar COST-Jet ett mycket laminärt flödesmönster. Kelly41 visade Schlieren-bilder som liknar de som presenteras i figur 5, för olika gasflöden. Även vid jämförelsestörande höga gasflöden på 2 slpm visar plasmautflödet inga tecken på turbulens. Vid mycket låga gasflöden på 0,25 slpm och lägre börjar heliumutflödets flytkraft spela en roll. Men upp till 4 – 5 mm avstånd från munstycket påverkar den omgivande atmosfären inte gassammansättningen som når ytan, vilket visas av Ellerweg med hjälp av masspektrometri17.
Alla ovanstående egenskaper bidrar till COST-Jets fjärrtecken. Detta gör det till en idealisk kandidat för kontrollerad, jämförbar behandling av ytor.
Bild 5: Schlieren bilder av COST-Jet med och utan anbringad spänning för två olika gasflöden. Under plasmadrift liknar gasflödesmönstret exakt mönstret med endast gasflödet. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Beroende på önskad effekt på det behandlade provet kan kontrollparametrarna gasflödesblandning, applicerad elektrisk effekt och avståndet mellan plasmakälla och yta justeras i enlighet därmed. För COST-Jet finns det en bred litteraturdatabas med studier som undersöker reaktiva arter i utflödet. Som ett exempel mätte Willems30 den atomiska syretätheten med hjälp av masspektrometri medan Schneider42 mätte atomiska kvävetätheter i utflödet.
Behandling av vätskor med atmosfärisk tryckplasma kan orsaka en mängd möjliga reaktionsmekanismer som drivs av reaktiva arter, joner, fotoner eller elektriska fält. På grund av cost-jets tidigare beskrivna egenskaper är effekten av det elektriska fältet, jonerna och fotonerna försumbar jämfört med plasmakällor där plasman är i direkt kontakt med vätskor. Därför, för att studera effekten av kortlivade reaktiva arter som atomsyre på en fenollösning användes COST-jet av Hefny43 och Benedikt44. Dessutom ger COST-Jet en bekväm möjlighet att jämföra experiment och numeriska simuleringar av flytande behandling28. Eftersom interaktionen mellan plasma och vätska domineras av gasflödet av reaktiva arter från plasma till vätskeytan kan modellens komplexitet minskas.
Gasflödet som induceras under omrörning av vätskan ökar reaktionshastigheten mellan plasmagenererade reaktiva arter och vätskan. I motsats till ytbehandlingar av fasta ämnen förändrar vätskans konvektion ständigt den lokala koncentrationen av reaktanter. Dessutom påverkas reaktionsfrekvensen mellan plasmagenererade arter med reaktanter i vätska också av dessa reaktanternas ytaktivitet. Med ökande ytaktivitet ökar koncentrationen av reaktansmedlet vid vätskeytan. Dessa tensider kan spela en viktig roll i reaktiviteten hos kortlivade arter som genereras av plasma.
Vid omrörning av gasflödet som impingrar på vätskeytan inducerar också avdunstning som måste beaktas. Med hjälp av COST-Jet med korta behandlingstider kan avdunstningen spela en mindre roll, även om den fortfarande måste övervägas för att beräkna korrekta reaktionshastigheter. Urladdningen av COST-Jet påverkas inte av avdunstningen och därför påverkas inte heller plasmakemin. För olika plasmakällor, där t.ex. plasman är i direkt kontakt med vätska, förändras plasmakemin avsevärt med avdunstning, vilket Tian och Kushner45 visar för en dielektrisk barriärurladdning. För kINPen bestämdes också en effekt av avdunstning46.
Förutom dessa nämnda skillnader i plasmakemi som måste övervägas för olika plasmakällor, även topologin i menisk inducerad av gasström på flytande ytförändringar. Djupet av denna menisk beror vanligtvis på gashastigheten. För plasmakällor där elektrodkonfigurationen inducerar ett betydande elektriskt fält som når vätskan eller till och med med en plasma i kontakt med vätskan, kan denna menisk höjas47,48. Som visats måste flera effekter övervägas enligt den använda plasmakällan.
I framtiden kan detta protokoll användas för att genomföra och beskriva yt- och vätskebehandlingar med COST-Jet. Det är en stabil, reproducerbar plasmakälla som uppvisar en unik avlägsen karaktär bland mängden olika plasmajetdesigner. Samma metoder är inte begränsade till COST-Jet-källan och kan modifieras och anpassas för användning med alla kalla atmosfäriska tryckplasmakälla.
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar Volker Rohwer (Institutet för experimentell och tillämpad fysik, Kiel University) för hjälp med utrustningen. Arbetet stöddes av DFG inom CRC 1316 Transient Atmospheric Plasmas, i projektet Kalla atmosfäriska plasmaer för studier av grundläggande interaktionsmekanismer med biologiska substrat (projekt-ID BE 4349/5-1), och i projektet Plasmagenererad kväveoxid vid sårläkning (projekt-ID SCHU 2353/9-1).
COST power monitor software | home-built | according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003 | |
COST-Jet (including matching circuit) | home-built | according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003 | |
current probe | home-built | integrated into the COST-Jet | |
gas supply system | Swagelok | stainless steel | |
helium | Air Liquide | 99.999 % purity | |
mass flow controller (MFC) | Analyt-MTC | series 358 | 5000 sccm |
MFC | Analyt-MTC | 50 sccm | |
oscilloscope | Agilent Technologies | DSO7104B | bandwidth 1 GHz, resolution 4 Gsa/s |
oxygen | Air Liquide | 99.9999 % purity | |
power supply | home-built | according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003 | |
voltage probe | Tektronix | P5100A | |
xyz-stage | Zaber | ZAB-X-XAZ-LSM0100A-K0059-SQ3 |