Summary
Este protocolo é apresentado para caracterizar a configuração, manuseio e aplicação do COST-Jet para o tratamento de diversas superfícies, como sólidos e líquidos.
Abstract
Nos últimos anos, plasmas de pressão atmosférica não térmica têm sido usados extensivamente para tratamentos superficiais, em particular, devido ao seu potencial em aplicações biológicas. No entanto, os resultados científicos muitas vezes sofrem de problemas de reprodutibilidade devido a condições plasmáticas não confiáveis, bem como procedimentos complexos de tratamento. Para resolver esse problema e fornecer uma fonte de plasma estável e reprodutível, foi desenvolvida a fonte de referência COST-Jet.
Neste trabalho, propomos um protocolo detalhado para realizar tratamentos superficiais confiáveis e reprodutíveis utilizando o jato de microplasma de referência COST (COST-Jet). São discutidas questões e armadilhas comuns, bem como as peculiaridades do COST-Jet em comparação com outros dispositivos e seu caráter remoto vantajoso. Uma descrição detalhada do tratamento de superfície sólida e líquida é fornecida. Os métodos descritos são versáteis e podem ser adaptados para outros tipos de dispositivos de plasma de pressão atmosférica.
Introduction
Os plasmas de pressão atmosférica fria (CAPs) têm atraído maior interesse nos últimos anos devido ao seu potencial para aplicações de tratamento superficial. Os CAPs são caracterizados por suas propriedades não-equilibradas, permitindo química plasmática complexa com alta densidade de espécies reativas, mantendo um baixo impacto térmico em amostras tratadas. Portanto, os CAPs são considerados em particular para o tratamento do tecido biológico1,2,3,4. Inúmeros conceitos e desenhos de CAPs são usados com sucesso para desinfecção e cicatrização de feridas, coagulação sanguínea e tratamento do câncer, entre outras aplicações biomédicas. Uma grande proporção de tecido biológico contém líquidos. Portanto, a pesquisa também está cada vez mais focada na investigação dos efeitos dos CAPs em superfícies líquidas como meio celular ou água5,6,7.
No entanto, os resultados científicos muitas vezes sofrem de problemas de confiabilidade e reprodutibilidade8,9,10. Por um lado, os substratos biológicos tratados estão sujeitos a variações naturais. Por outro lado, os mecanismos biológicos raramente eram diretamente atribuídos aos processos plasmá-los (como campos elétricos, radiação UV e espécies de longa e curta duração, etc.). Além disso, esses processos plasmádes, por sua vez, dependem fortemente da fonte de plasma individual e do tipo exato de sua aplicação.
Além disso, protocolos detalhados de procedimentos de tratamento raramente estão disponíveis. Isso dificulta isolar a influência de um parâmetro plasmológico específico no resultado do tratamento, o que torna os resultados obtidos intransferíveis.
Portanto, recentemente, várias tentativas foram feitas para padronizar o tratamento de superfícies, tecidos e líquidos usando plasmas de pressão atmosférica fria. Aqui apresentamos apenas alguns exemplos selecionados.
- Para simplificar a comparação direta de diferentes fontes de plasma, foi desenvolvida uma fonte de referência. Inspirado na comunidade de plasma de baixa pressão, um projeto de descarga reprodutível e estável (COST-Jet) foi desenvolvido no âmbito da ação COST MP 1101 que pode servir de fonte de referência para futuras pesquisas biomédicas11.
- Para permitir a comparabilidade, foram desenvolvidos protocolos de referência para aplicações individuais. Para padronizar a comparação das propriedades antimicrobianas dos plasmas de pressão atmosférica fria, por exemplo, Mann et al. definiram um protocolo de referência para o tratamento de microrganismos, normalizando o tempo de tratamento por unidade de área12.
- Para uma abordagem mais flexível, Kogelheide et al. desenvolveram um método para investigar modificações químicas induzidas pelo plasma em macromoléculas13. Usando compostos rastreadores como cisteína e ou glutationa contendo cisteína (GSH) em combinação com FTIR e espectrometria de massa, eles tentaram extrapolar as modificações químicas em substratos biológicos. Usando este método, várias fontes de plasma, como o COST-Jet, o kinPen e o DbD cinogy já foram comparadas14,15,16.
- Para comparar diretamente as fontes de plasma individuais, devem ser estabelecidos parâmetros de controle comparáveis. Parâmetros básicos de plasma, como temperatura de elétrons, densidade de elétrons e densidades de fluxo de espécies reativas são difíceis de medir em plasmas de pressão atmosférica, uma vez que tais plasmas são muitas vezes transitórios e suas dimensões são pequenas. Em vez disso, parâmetros de controle externo, como energia do gerador, tensão aplicada ou ignição, e pontos de arco são frequentemente usados como referência, especialmente quando comparam resultados com simulações17,18. Mais recentemente, o consumo de energia elétrica medido tem sido usado como parâmetro de controle mais confiável19,20,21.
Apesar desses esforços, comparar os resultados de diferentes estudos ainda pode ser impossível, simplesmente devido ao desafio de aplicar corretamente uma fonte de plasma em uma superfície. Há um grande número de armadilhas prevalentes que devem ser enfrentadas quando se trabalha com aplicações de plasma de pressão atmosférica, como a influência de campos elétricos externos (circuitos de compensação), loops de feedback entre plasma e ambiente circundante (atmosfera protegida), transporte de espécies (vento iônico) e parâmetros de controle (tensão, corrente, potência).
O principal objetivo deste trabalho é fornecer um protocolo minucioso e detalhado sobre a aplicação do COST-Jet para tratamentos superficiais. O COST-Jet é uma fonte de plasma confiável que foi desenvolvida para fins de referência científica, em vez de para uso industrial ou médico. Fornece condições de descarga reprodutíveis e um amplo banco de dados de estudos disponíveis22,23. O COST-Jet é baseado em um plasma RF homogêneo e capacitivamente acoplado. Como o campo elétrico está confinado perpendicular ao fluxo de gás, as espécies carregadas são mantidas principalmente na região de descarga e não interagem com o alvo ou a atmosfera circundante. Além disso, o fluxo de gás laminar garante condições químicas plasmáticas reprodutíveis no efluente plasmá-plasmá-lo.
Neste artigo, abordaremos os desafios mais comuns e apresentaremos possíveis soluções que têm sido utilizadas na literatura. Estes incluem fornecimento adequado de gás, controle de descarga, influência da atmosfera ambiente e preparação da superfície. O cumprimento do protocolo aqui apresentado deve garantir a reprodutibilidade e a comparabilidade das medições.
O protocolo também pode servir de exemplo para outras fontes de pressão atmosférica. Deve ser refinado para outras fontes de plasma de jato de acordo com o fluxo de gás individual e configuração de campo elétrico. Quando for o caso, tentaremos apontar possíveis ajustes no protocolo. As etapas descritas devem ser consideradas e relatadas ao publicar estudos que aplicam plasmas de pressão atmosférica em amostras tratadas.
Protocol
1. Alimentação de fornecimento de gás e atmosfera controlada
- Configure o fornecimento de gás composto por linhas de gás totalmente metálico, evitando qualquer tubo de TPFE ou plásticos similares24. Mantenha as linhas de fornecimento de gás o mais curtas possível para evitar quaisquer impurezas e facilitar o bombeamento do sistema de abastecimento de gás.
- Escolha os controladores de fluxo de massa usados para fornecer o gás de alimentação de acordo com as taxas típicas de fluxo de gás do COST-Jet. Usar gás de trabalho com pureza de pelo menos 99,999%.
NOTA: O gás de trabalho primário da COST-Jet é o hélio. A operação pode ser realizada a taxas de fluxo entre 100 sccm e cerca de 5000 sccm, sendo 1000 sccm o valor mais comum. - Realize a mistura de gases reativos por um sistema composto por múltiplos controladores de fluxo de massa. Para misturas menores, use uma unidade de contra-mistura para reduzir o tempo necessário para que a mistura complete25.
NOTA: Misturas comuns são oxigênio e nitrogênio com vazão na ordem de 5 sccm (0,5% do gás de trabalho). - Adicione uma válvula entre as linhas de abastecimento de gás e o jato para evitar que o ar úmido entre no suprimento de gás quando o dispositivo não estiver em uso, pois a água é a impureza mais comum e problemática em plasmas de pressão atmosférica, influenciando criticamente a química do plasma.
- Limpe as linhas de abastecimento de gás antes do tratamento superficial, para reduzir as impurezas na tubulação. Para isso, basta definir um fluxo de gás moderado de cerca de 1000 sccm hélio e lavar as linhas de abastecimento ou, de preferência, bombear e reabastecer repetidamente as linhas de abastecimento (cerca de três vezes).
NOTA: Ao simplesmente lavar as linhas de abastecimento de gás, várias horas podem ser necessárias para limpar o sistema, dependendo do estado de contaminação. - Adicione uma armadilha molecular de peneira ou armadilha fria (por exemplo, usando nitrogênio líquido) às linhas de fornecimento de gás para reduzir ainda mais a umidade no gás de alimentação.
- Se, em vez disso, uma quantidade controlada de água for desejada como reagente, adicione um bolhar ao sistema26,27.
- Considere configurar uma atmosfera controlada para o seu experimento, pois mudanças na composição da atmosfera ambiente podem influenciar reações químicas no efluente plasmérico.
NOTA: Este efeito provavelmente não é muito pronunciado para o COST-Jet28,uma vez que a configuração do campo elétrico limita o plasma ao interior do canal de descarga, mas pode desempenhar um papel importante para outros dispositivos CAP onde o plasma ativo está parcialmente fora do dispositivo.
2. Montagem e configuração do dispositivo
- Conecte o dispositivo COST-Jet a um suprimento de gás. Conecte diretamente o dispositivo ao tubo swagelok de aço inoxidável de 1/4 polegada. Use adaptadores para diferentes padrões de tubulação.
- Conecte o COST-Jet à fonte de alimentação usando um cabo BNC blindado equipado com um conector SMC.
- Conecte as sondas elétricas integradas a um osciloscópio para monitorar tensão e corrente usando um resistor de 50 Ohm como terminação.
- Abra a carcaça cost-jet e conecte uma sonda de tensão comercial devidamente compensada à linha de cobre alimentada, bem como uma parte aterrada do jato (por exemplo, o tubo de gás Swagelok) e o osciloscópio.
- Execute uma rotina de calibração da sonda: Aplique uma pequena tensão no JATO COST e sintonize o capacitor variável do circuito LC usando uma chave de fenda para alcançar o acoplamento ideal (maximize a tensão medida). Realize uma calibração de tensão comparando a tensão real (sonda comercial) com a tensão medida (sonda implementada) usando regressão linear e calcule uma constante de calibração. Remova a sonda de tensão comercial e feche a carcaça COST-Jet.
- Novamente, aplique uma pequena tensão no COST-Jet e sintonize o capacitor variável do circuito LC usando uma chave de fenda para alcançar o acoplamento ideal.
- Incendeie um plasma no dispositivo COST-Jet: Em primeiro lugar, configure uma taxa de fluxo de gás de aproximadamente 1 slpm de hélio usando controladores de fluxo de massa (MFCs). Abra a válvula entre o sistema de fornecimento de gás e o custo-jet por último. Em seguida, aplique uma baixa tensão nos eletrodos e aumente a amplitude até que o plasma se aciça.
- Se, após a primeira ignição, os eletrodos forem impuros e impedirem a ignição, apliquem uma alta tensão inicial e reduzam-na rapidamente após a ignição. Alternativamente, use uma pistola de faísca para facilitar uma primeira ignição mais fácil.
- Defina os parâmetros de controle de operação (fluxo de gás, tensão aplicada) aos valores desejados.
- Dê à configuração um pouco de tempo de aquecimento para permitir estabilização térmica (aproximadamente 20 minutos) para garantir condições de operação estáveis e reprodutíveis.
- Para alterar a composição do gás durante os experimentos, permita um tempo de equilíbrio aproximado de 2 minutos, dependendo da configuração do fornecimento de gás.
NOTA: O COST-Jet está pronto para aplicação.
3. Medição de energia
- Conecte o osciloscópio monitorando a tensão e a corrente aplicadas ao COST-Jet a um computador.
- Instale o software 'MONITOR DE ENERGIA COST' no computador29 que permite o monitoramento de energia em tempo real11,19.
- Ajuste a comunicação entre o software e o osciloscópio implementando os comandos necessários para controlar o osciloscópio específico.
- Inicie o software de monitor de energia COST e mude para o painel Configurações. Preencha os canais corretos conectados ao osciloscópio e a constante de calibração determinada na etapa 2.4.
NOTA: O botão Encontrar pode ser usado para calcular automaticamente o fator de calibração se a sonda de tensão comercial estiver conectada ao COST-Jet. - Mude para o painel Varrer. Faça uma fase de referência enquanto o plasma ainda está desligado pressionando o botão Encontrar. Desligue o fluxo de gás antes desta medição e aplique uma tensão que está na faixa típica de tensões utilizadas para o funcionamento real da descarga, pois o plasma não inflamará no ar devido a uma tensão de ignição muito maior em comparação com misturas de gás nobre dominadas por gás. Use esta medida para corrigir automaticamente para a mudança de fase relativa entre as sondas de tensão e corrente, assumindo uma fase de 90° do capacitor perfeito aqui.
- Pressione o botão Iniciar e Pausar para iniciar ou pausar as medidas elétricas.
- Opere o COST-Jet conforme desejado. Use a energia elétrica real calculada a partir de amplitudes de tensão e corrente, bem como sua mudança de fase, que são continuamente exibidas no software para monitoramento e como parâmetro de controle.
4. tratamento de superfície (sólido)
- Configure uma atmosfera controlada para sua experiência.
NOTA: No caso do COST-Jet, a atmosfera controlada é menos importante do que para fontes com química de plasma ativo fora do canal de descarga confinado. - Limpe as linhas de abastecimento de gás conforme descrito na etapa 1.5.
- Defina os parâmetros de operação desejados e aguarde por aproximadamente 20 minutos até que o JATO COST atinja uma temperatura estável.
- Escolha a distância entre o COST-Jet e a superfície tratada, pois a distância determina a quantidade de espécies reativas que se insusem na superfície tratada30. Use um estágio xyz para montar o substrato para facilitar a manipulação.
NOTA: Para o COST-Jet, a lacuna de segurança adiciona um milímetro extra à distância entre a descarga plasmática e a superfície tratada. - Inicie o tempo de tratamento: Basta ligar o plasma ou usar um obturador mecânico. Esteja ciente de uma possível sobrecarga de tensão durante o evento de comutação que leva a uma descarga restrita. Para um melhor controle na faixa ms, use um obturador rotativo.
- Trate a amostra pelo tempo desejado e acabe com o tempo de tratamento desligando o plasma ou usando um obturador.
- Se necessário, verifique o padrão de fluxo de gás na frente do alvo usando imagens schlieren ao tratar um substrato como efeitos do carregamento da superfície, forças de arrasto de íons ou mistura de ar ambiente devido à flutuação pode influenciar a quantidade de espécies reativas que atingem uma superfície.
5. Tratamento líquido
- Configure uma atmosfera controlada para o experimento.
- Limpe as linhas de abastecimento de gás conforme descrito na etapa 1.5.
- Defina os parâmetros de operação desejados e espere aproximadamente 20 minutos para que o JATO COST atinja uma temperatura estável.
- Escolha a distância entre o COST-Jet e o líquido tratado.
- Despeje o líquido para ser tratado em um recipiente adequado. Use material inerte para evitar reações de espécies reativas potencialmente geradas no líquido com o recipiente. Escolha o tamanho do recipiente de acordo com o volume de líquido que é tratado.
- Considere a influência do fluxo de gás na superfície líquida: Dependendo da taxa de fluxo de gás, esteja ciente de um menisco côncavo que pode se formar, alterando assim a distância entre plasma e superfície líquida.
- Comece o tratamento. Evite surtos de pressão na superfície do líquido causados por uma mudança brusca no fluxo de gás, pois isso poderia causar respingos líquidos na geometria de descarga, possivelmente causando um curto-circuito e certamente contaminando o plasma. Em vez disso, use um obturador mecânico ou aumente lentamente o fluxo de gás.
- Leve-se em conta a mistura/agitação do líquido devido ao atrito entre o fluxo de gás neutro e a superfície líquida, pois isso influencia os processos de transporte e os perfis de concentração no líquido. Além disso, dependendo do tempo de tratamento, corrija para a evaporação do líquido durante o tratamento (por exemplo, ao calcular as constantes de reação). Dependendo da fonte de plasma, esteja ciente dessa evaporação possivelmente causando acoplamento de volta à descarga, alterando assim a química plasmática.
- Considere também que a reatividade com possíveis reagentes em líquidos também é afetada pela atividade superficial deste agente. Assim, em alguns casos, os surfactantes podem desempenhar um papel importante na interação entre espécies de curta duração e líquidos.
Representative Results
Utilizando os métodos e equipamentos descritos acima, aplicamos exemplarmente o COST-Jet a diferentes superfícies e líquidos. A Figura 1 mostra a configuração experimental utilizada para o tratamento, incluindo a fonte de alimentação, sistema de fornecimento de gás, tensão e sondas de corrente, bem como uma atmosfera controlada e um obturador mecânico.
Figura 1: Configuração experimental utilizada para o tratamento plasmá plasma de superfícies e líquidos usando o COST-Jet. Uma armadilha fria é usada para purificar o gás de alimentação. A atmosfera controlada é realizada por uma câmara de vácuo bombeada à pressão atmosférica. O obturador mecânico facilita o gerenciamento do tempo do tratamento de superfície sólida e líquida. O estágio flexível permite controlar a distância entre o jato de plasma e a superfície. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Utilizando a sonda de tensão e corrente implementada no COST-Jet, a energia elétrica dissipada pode ser calculada. A Figura 2 mostra a energia elétrica medida em um plasma de hélio gerado em cinco diferentes dispositivos COST-Jet usando um fluxo de gás de 1 slpm. Todos os dispositivos mostram comportamento semelhante. O desvio entre os diferentes dispositivos origina-se da incerteza da medição de energia, bem como diferenças microscópicas nas configurações, como a distância do eletrodo. Medições mais detalhadas de espécies reativas (por exemplo, oxigênio atômico e ozônio), temperatura e potência, bem como medições de atividade bactericida foram realizadas por Riedel22.
Figura 2: Energia dissipada em função da tensão aplicada em um plasma de hélio. Os dados representam cinco dispositivos COST-Jet idênticos34. Os pequenos desvios nas altas tensões se devem às incertezas da medição, bem como pequenos desvios na geometria do canal de descarga de gás22. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A Figura 3 mostra o perfil de etch de um filme a:C-H para um tratamento de 3 min com o COST-Jet usando um fluxo de gás de hélio de 1,4 slpm com uma mistura de 0,5% de oxigênio medido usando um reflectômetro espectroscópico de imagem31. O padrão de etch mostra uma estrutura circular representando a simetria cilíndrica do efluente plasmérico. Com base em perfis de gravação em combinação com simulações numéricas, a probabilidade de perda de superfície do oxigênio atômico poderia ser estimada.
Figura 3: Perfil de etch de um filme a:C-H tratado com plasma. A queda no filme foi gravada usando uma mistura de gás de 1,4 slm hélio com uma mistura de 0,6% de oxigênio em uma tensão de 230 Vrms e um tempo de tratamento de 3 min.31Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A Figura 4 mostra os vórtices que ocorrem em líquido causado pelo fluxo de gás que afeta a superfície líquida. Uma folha de laser iluminando partículas rastreadoras no líquido permite observar a trajetória e a velocidade dessas partículas através da velocimetria de imagem de partículas e, portanto, estudar o fluxo defluidos 32. É importante considerar densidades semelhantes das partículas de semeadura e do fluido para que as trajetórias das partículas representem o movimento do fluido. Com esta visualização das medições de fluxo de fluidos e simulações numéricas podem ser comparadas33. Os vórtices são devido ao atrito superficial entre o fluxo de gás efluente e a superfície líquida. A Figura 4 também mostra a depressão da superfície líquida sob o canal de gás do jato de plasma, o chamado menisco. É visualizado por uma linha azul.
Figura 4: Fotografia de partículas iluminadas de amido de milho em 3 ml de água agitada pelo fluxo de gás. Os vórtices são devido ao atrito superficial entre o fluxo de gás efluente e a superfície líquida. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Discussion
Aqui, demonstramos o uso de um jato de plasma de pressão atmosférica para tratamentos superficiais de diferentes materiais. A configuração experimental para um jato de plasma de pressão atmosférica pode ter um tremendo efeito sobre os parâmetros de plasma, química e desempenho e, consequentemente, influencia o resultado dos tratamentos plasmológicos e é um passo crítico no protocolo.
Como exemplo, as linhas de fornecimento de gás desempenham um papel importante em relação à impureza mais comum no gás de alimentação do plasma que é a umidade. Em particular, a produção de espécies reativas de nitrogênio no plasma é reduzida enquanto a produção de espécies reativas de oxigênio é favorecida, devido à baixa energia de ionização de oxigênio em comparação com moléculas de água e nitrogênio35. O inverno24 descobriu que a umidade do gás de alimentação originária de moléculas de água na superfície do tubo interno é uma ordem de magnitude maior usando tubos poliméricos em comparação com tubos metálicos devido à maior porosidade e capacidade de armazenamento. Pode ser reduzido lavando as linhas com gás de alimentação. No entanto, secar a linha lavando leva algumas horas. Portanto, a tubulação polimérica deve ser evitada ou pelo menos mantida o mais curta possível. Esses achados são sublinhados por estudos de Große-Kreul25. Eles compararam o efeito da poliamida e da tubulação de aço inoxidável na química do plasma usando espectrometria de massa. Suas medidas confirmam a formação de íons de aglomerados de água no plasma devido ao desgaseamento de água de tubos polimédicos e tempos de secagem mais rápidos com tubos metálicos. Além disso, eles investigaram o efeito de métodos de purificação de gás, como uma armadilha molecular de peneira e uma armadilha fria de nitrogênio líquido na química plasmática que ajudou a reduzir a quantidade de impurezas em cerca de duas ordens de magnitude.
Em vez de tentar purificar o gás de alimentação, há também a abordagem de adicionar uma quantidade controlada de umidade. Como essa impureza intencional então domina sobre as impurezas naturais e, portanto, controla a química plasmática, condições reprodutíveis são garantidas desde que a quantidade de umidade adicional seja precisamente conhecida.
Para a ignição da descarga, a tensão aplicada aos eletrodos geralmente pode ser aumentada simplesmente até o ponto de ruptura. No entanto, dependendo das condições superficiais dos eletrodos, às vezes é necessária uma alta tensão. Para facilitar a ignição, uma pistola de centelha de alta tensão pode ser usada. Isso também pode ser útil ao tentar inflamar uma descarga de argônio no COST-Jet.
Antes de aplicar o COST-Jet a quaisquer superfícies, deve-se alocar tempo suficiente para que o dispositivo se equilibre. Quando definido para os parâmetros de controle desejados, o COST-Jet precisa de aproximadamente 20 minutos para atingir condições estáveis11. Durante este tempo, a temperatura do dispositivo, a temperatura do gás, bem como a química do plasma estão atingindo um estado estável.
Para comparação de resultados científicos, parâmetros de controle plasmá plasma comparáveis são necessários. Para medir a energia de entrada elétrica, o monitor de alimentação COST pode ser usado29. O software é de código aberto e compatível com uma gama de diferentes tipos de osciloscópios. O software opera de acordo com o princípio descrito pela Golda19.
Além do efeito da umidade do gás alimentar na química plasmática, o transporte de espécies reativas do plasma para o substrato desempenha um papel importante na composição do efluente e é outro passo crítico no protocolo. A atmosfera circundante pode influenciar as espécies criadas no plasma a caminho do substrato. Para minimizar essa influência, dois conceitos diferentes são utilizados: (i) Em primeiro lugar, uma atmosfera controlada pode ser configurada que consiste no gás de alimentação. Assim, a composição da atmosfera circundante pode ser mantida constante. Dependendo do nível de pureza necessário para o tratamento, a atmosfera controlada pode ser realizada através de carcaças protetoras equipadas com uma válvula unidirecional para evitar a sobrepressão. Para níveis mais elevados de pureza, uma câmara de vácuo com uma bomba pode ser usada. (ii) Em segundo lugar, uma atmosfera controlada pode ser criada usando uma cortina de gás de proteção ao redor do efluente de plasma36,37. Geralmente, consiste em um gás inerte, mas também pode ser variado de acordo com as necessidades da aplicação.
Felizmente, para o COST-Jet, a influência da atmosfera circundante é comparativamente baixa. Usando rotulagem isotópica, Gorbanev mostrou que para um jato de plasma de configuração de campo paralelo, as espécies reativas de oxigênio e nitrogênio que atingem uma superfície líquida foram formadas na fase de gás plasmápico, bem como na região entre o bocal de plasma e a amostra38,39. Em contraste, usando a mesma técnica para o COST-Jet, eles descobriram que o RONS quase exclusivamente se originou da fase plasmática em vez do ambiente circundante28. Isso provavelmente é devido ao campo elétrico estar confinado ao canal de plasma da descarga COST-Jet. Isso faz com que a descarga de plasma seja em grande parte independente de seu ambiente e lhe dá um certo caráter remoto.
Para um jato de plasma de campo elétrico longitudinal, Darny et al.40 mostraram que a polaridade do campo elétrico modifica o padrão de fluxo de gás e, portanto, também sobre as espécies reativas que atingem um alvo devido ao vento iônico. A dependência da densidade de espécies reativas no meio ambiente foi confirmada por medições de Stancampiano et al.7. Relataram a diferença do número de espécies reativas criadas na água tratada, dependendo das características elétricas. Para compensar essas diferenças, eles tiveram que criar um circuito elétrico compensando. Este comportamento é diferente para o COST-Jet: A Figura 5 compara as imagens de Schlieren do COST-Jet sem uma tensão aplicada e durante a operação para duas taxas de fluxo de gás diferentes. As imagens foram tiradas usando um único alinhamento de linha de espelho, conforme descrito por Kelly41. Eles mostram como o efluente COST-Jet alinhado horizontalmente atinge um substrato de vidro plano. Ambas as imagens mostram exatamente o mesmo padrão de fluxo de gás. Isso resulta da falta de vento iônico devido à ausência de espécies carregadas no efluente plasmá-lo.
Além disso, o COST-Jet exibe um padrão de fluxo muito laminar. Kelly41 mostrou imagens de Schlieren semelhantes às apresentadas na Figura 5, para várias taxas de fluxo de gás. Mesmo com altas taxas de fluxo de gás de 2 slpm, o efluente plasmá plasma não mostra sinais de turbulência. A taxas de fluxo de gás muito baixas de 0,25 slpm e abaixo, a flutuação do efluente de hélio começa a desempenhar um papel. No entanto, a até 4 – 5 mm de distância do bocal, a atmosfera ambiente não influencia a composição do gás que atinge a superfície como demonstrado por Ellerweg usando espectrometria de massa17.
Todas as características acima mencionadas adicionam-se ao caráter remoto do COST-Jet. Isso o torna um candidato ideal para o tratamento controlado e comparável das superfícies.
Figura 5: Imagens de Schlieren do COST-Jet com e sem tensão aplicada para duas taxas de fluxo de gás diferentes. Durante a operação do plasma, o padrão de fluxo de gás se assemelha exatamente ao padrão com apenas o fluxo de gás. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Dependendo do efeito desejado na amostra tratada, a mistura de fluxo de gás dos parâmetros de controle, a energia elétrica aplicada e a distância entre a fonte de plasma e a superfície podem ser ajustadas em conformidade. Para o COST-Jet, existe um amplo banco de dados de literatura de estudos que investigam espécies reativas no efluente. Como exemplo, Willems30 mediu a densidade atômica de oxigênio usando espectrometria de massa, enquanto Schneider42 mediu densidades atômicas de nitrogênio no efluente.
O tratamento de líquidos com plasma de pressão atmosférica pode causar uma variedade de possíveis mecanismos de reação impulsionados por espécies reativas, íons, fótons ou campos elétricos. Devido às características descritas anteriormente do COST-Jet, o efeito do campo elétrico, íons e fótons são insignificantes em comparação com as fontes de plasma onde o plasma está em contato direto com líquidos. Portanto, para estudar o efeito de espécies reativas de curta duração, como o oxigênio atômico em uma solução de fenol, o JATO COST foi usado por Hefny43 e Benedikt44. Além disso, o COST-Jet oferece uma possibilidade conveniente para comparar experimentos e simulações numéricas de tratamento líquido28. Como a interação entre plasma e líquido é dominada pelo fluxo gasoso de espécies reativas do plasma para a superfície líquida, a complexidade do modelo pode ser reduzida.
O fluxo de gás induzido a mexer do líquido aumenta a taxa de reação entre espécies reativas geradas pelo plasma e o líquido. Em contraste com os tratamentos superficiais de sólidos, a convecção do líquido muda constantemente a concentração local de reagentes. Além disso, as taxas de reação entre espécies geradas por plasma com reagentes em líquido também são afetadas pela atividade superficial desses reagentes. Com o aumento da atividade superficial, a concentração do reagente na superfície líquida aumenta. Esses surfactantes podem desempenhar um papel importante na reatividade de espécies de curta duração geradas pelo plasma.
Além de mexer o fluxo de gás que afeta a superfície líquida também induz a evaporação que deve ser considerada. Usando o COST-Jet com poucos tempos de tratamento, a evaporação pode desempenhar um papel menor, embora ainda tenha que ser considerada para calcular taxas de reação corretas. A descarga do COST-Jet não é afetada pela evaporação e, portanto, a química plasmática também não é afetada. Para diferentes fontes de plasma, onde, por exemplo, o plasma está em contato direto com o líquido, a química plasmática está mudando significativamente com a evaporação, como mostrado por Tian e Kushner45 para uma descarga de barreira dielétrica. Além disso, para o kINPen, foi determinado um efeito de evaporações46.
Além dessas diferenças mencionadas na química plasmática que precisam ser consideradas para diferentes fontes de plasma, também a topologia do menisco induzido pelo fluxo de gás em mudanças de superfície líquida. A profundidade deste menisco é geralmente dependendo da velocidade do gás. Para fontes de plasma onde a configuração do eletrodo induz um campo elétrico significativo atingindo o líquido ou mesmo com um plasma em contato com o líquido, este menisco pode ser elevado47,48. Como mostrado, vários efeitos precisam ser considerados de acordo com a fonte de plasma usada.
No futuro, este protocolo pode ser usado para realizar e descrever tratamentos superficiais e líquidos usando o COST-Jet. É uma fonte de plasma estável e reprodutível exibindo um caráter remoto único entre a infinidade de diferentes projetos de jatos de plasma. Os mesmos métodos não se limitam apenas à fonte COST-Jet e podem ser modificados e adaptados para uso com qualquer fonte de plasma de pressão atmosférica fria.
Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Os autores agradecem a Volker Rohwer (Instituto de Física Experimental e Aplicada da Universidade de Kiel) por ajuda com o equipamento. O trabalho foi apoiado pelo DFG dentro dos Plasmas Atmosféricos TransitóriosCRC 1316, no projeto Plasmas atmosféricos frios para o estudo de mecanismos fundamentais de interação com substratos biológicos (project-ID BE 4349/5-1), e no projeto Óxido nítrico gerado por plasma na cicatrização de feridas (projeto-ID SCHU 2353/9-1).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
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