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Engineering

Tratamiento de superficies con un plasma de presión atmosférica fría utilizando el COST-Jet

Published: November 2, 2020 doi: 10.3791/61801
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 2
1Experimental Plasma Physics, Kiel University, 2Experimental Physics II, Ruhr-University Bochum

Summary

Este protocolo se presenta para caracterizar la configuración, manejo y aplicación del COST-Jet para el tratamiento de diversas superficies como sólidos y líquidos.

Abstract

En los últimos años, los plasmas de presión atmosférica no térmica se han utilizado ampliamente para tratamientos superficiales, en particular, debido a su potencial en aplicaciones biológicas. Sin embargo, los resultados científicos a menudo sufren de problemas de reproducibilidad debido a condiciones de plasma poco confiables, así como a procedimientos de tratamiento complejos. Para abordar este problema y proporcionar una fuente de plasma estable y reproducible, se desarrolló la fuente de referencia COST-Jet.

En este trabajo, proponemos un protocolo detallado para realizar tratamientos superficiales fiables y reproducibles utilizando el chorro de microplasma de referencia COST (COST-Jet). Se discuten problemas y trampas comunes, así como las peculiaridades del COST-Jet en comparación con otros dispositivos y su carácter remoto ventajoso. Se proporciona una descripción detallada del tratamiento de superficies sólidas y líquidas. Los métodos descritos son versátiles y se pueden adaptar a otros tipos de dispositivos de plasma a presión atmosférica.

Introduction

Los plasmas de presión atmosférica fría (CAPs) han atraído un mayor interés en los últimos años debido a su potencial para aplicaciones de tratamiento superficial. Los CAPs se caracterizan por sus propiedades de no equilibrio, lo que permite una química de plasma compleja con una alta densidad de especies reactivas mientras se mantiene un bajo impacto térmico en las muestras tratadas. Por lo tanto, los CAPs se consideran en particular para el tratamiento de tejidos biológicos1,2,3,4. Numerosos conceptos y diseños de CAPs se utilizan con éxito para la desinfección y curación de heridas, coagulación de la sangre y tratamiento del cáncer, entre otras aplicaciones biomédicas. Una gran proporción del tejido biológico contiene líquidos. Por lo tanto, la investigación también se centra cada vez más en investigar los efectos de los CAPs en superficies líquidas como el medio celular o el agua5,6,7.

Sin embargo, los resultados científicos a menudo sufren de problemas de fiabilidad y reproducibilidad8,9,10. Por un lado, los sustratos biológicos tratados están sujetos a variaciones naturales. Por otro lado, los mecanismos biológicos rara vez se atribuyeron directamente a los procesos de plasma (como los campos eléctricos, la radiación UV y las especies de vida larga y corta, etc.). Además, estos procesos de plasma a su vez dependen en gran medida de la fuente de plasma individual y del tipo exacto de su aplicación.

Además, los protocolos detallados de los procedimientos de tratamiento rara vez están disponibles. Esto dificulta el aislamiento de la influencia de un parámetro plasmático particular en el resultado del tratamiento, lo que hace que los resultados obtenidos sean intransferibles.

Por lo tanto, recientemente, se han realizado varios intentos para estandarizar el tratamiento de superficies, tejidos y líquidos utilizando plasmas de presión atmosférica fría. Aquí presentamos solo algunos ejemplos seleccionados.

  1. Para simplificar la comparación directa de diferentes fuentes de plasma, se desarrolló una fuente de referencia. Inspirado en la comunidad de plasma de baja presión, se desarrolló un diseño de descarga reproducible y estable (COST-Jet) en el marco de la acción COST MP 1101 que puede servir como fuente de referencia para futuras investigaciones biomédicas11.
  2. Para permitir la comparabilidad, se desarrollaron protocolos de referencia para aplicaciones individuales. Para estandarizar la comparación de las propiedades antimicrobianas de los plasmas de presión atmosférica fría, por ejemplo, Mann et al. definieron un protocolo de referencia para el tratamiento de microorganismos normalizando el tiempo de tratamiento por unidad de área12.
  3. Para un enfoque más flexible, Kogelheide et al. desarrollaron un método para investigar modificaciones químicas inducidas por plasma en macromoléculas13. Utilizando compuestos trazadores como la cisteína y/o el glutatión que contiene cisteína (GSH) en combinación con FTIR y espectrometría de masas, intentaron extrapolar las modificaciones químicas en sustratos biológicos. Usando este método, varias fuentes de plasma como el COST-Jet, el kinPen y el Cinogy DBD ya se han comparado14,15,16.
  4. Para comparar directamente las fuentes de plasma individuales, se deben establecer parámetros de control comparables. Los parámetros básicos del plasma, como la temperatura de los electrones, la densidad de electrones y las densidades de flujo de las especies reactivas, son difíciles de medir en los plasmas de presión atmosférica, ya que dichos plasmas a menudo son transitorios y sus dimensiones son pequeñas. En cambio, los parámetros de control externo, como la potencia del generador, el voltaje aplicado o la ignición, y los puntos de arco, a menudo se utilizan como referencia, especialmente cuando se comparan los resultados con las simulaciones17,18. Más recientemente, el consumo de energía eléctrica medido se ha utilizado como un parámetro de control más confiable19,20,21.

A pesar de estos esfuerzos, comparar los resultados de diferentes estudios aún puede ser imposible, simplemente debido al desafío de aplicar correctamente una fuente de plasma sobre una superficie. Hay una gran cantidad de trampas prevalentes que deben abordarse cuando se trabaja con aplicaciones de plasma de presión atmosférica, como la influencia de campos eléctricos externos (circuitos de compensación), bucles de retroalimentación entre el plasma y el entorno circundante (atmósfera protegida), el transporte de especies (viento iónico) y los parámetros de control (voltaje, corriente, potencia).

El objetivo principal de este trabajo es proporcionar un protocolo exhaustivo y detallado sobre la aplicación del COST-Jet para tratamientos superficiales. El COST-Jet es una fuente de plasma confiable que fue desarrollada con fines de referencia científica en lugar de para uso industrial o médico. Proporciona condiciones de descarga reproducibles y una amplia base de datos de estudios disponibles22,23. El COST-Jet se basa en un plasma RF homogéneo y acoplado capacitivamente. Debido a que el campo eléctrico está confinado perpendicularmente al flujo de gas, las especies cargadas se mantienen principalmente en la región de descarga y no interactúan con el objetivo o la atmósfera circundante. Además, el flujo de gas laminar garantiza condiciones químicas de plasma reproducibles en el efluente de plasma.

En este artículo, abordaremos los desafíos más comunes e introduciremos posibles soluciones que se han utilizado en la literatura. Estos incluyen el suministro adecuado de gas, el control de descargas, la influencia de la atmósfera ambiental y la preparación de la superficie. El cumplimiento del protocolo presentado aquí debe garantizar la reproducibilidad y comparabilidad de las mediciones.

El protocolo también podría servir como ejemplo para otras fuentes de presión atmosférica. Debe refinarse para otras fuentes de plasma de chorro de acuerdo con el flujo de gas individual y la configuración del campo eléctrico. En su caso, intentaremos señalar posibles ajustes al protocolo. Los pasos descritos deben ser considerados e informados al publicar estudios que apliquen plasmas de presión atmosférica a muestras tratadas.

Protocol

1. Suministro de gas de alimentación y atmósfera controlada

  1. Configure el suministro de gas que consiste en líneas de gas totalmente metálicas, evitando cualquier tubo de plástico TPFE o similar24. Mantenga las líneas de suministro de gas lo más cortas posible para evitar impurezas y facilitar el bombeo del sistema de suministro de gas.
  2. Elija los controladores de flujo másico utilizados para proporcionar el gas de alimentación de acuerdo con los caudales de gas típicos del COST-Jet. Use gas de trabajo con una pureza de al menos 99.999%.
    NOTA: El principal gas de trabajo del COST-Jet es el helio. La operación se puede realizar a caudales entre 100 sccm y aproximadamente 5000 sccm, siendo 1000 sccm el valor más común.
  3. Realice la mezcla de gases reactivos mediante un sistema que consta de múltiples controladores de flujo másico. Para mezclas más pequeñas, use una unidad de contramezcla para reducir el tiempo necesario para que la mezcla se complete25.
    NOTA: Los aditivos comunes son oxígeno y nitrógeno con un caudal del orden de 5 sccm (0,5% del gas de trabajo).
  4. Agregue una válvula entre las líneas de suministro de gas y el chorro para evitar que el aire húmedo ingrese al suministro de gas cuando el dispositivo no está en uso, ya que el agua es la impureza más común y problemática en los plasmas de presión atmosférica, lo que influye críticamente en la química del plasma.
  5. Limpie las líneas de suministro de gas antes del tratamiento de la superficie, para reducir las impurezas en la tubería. Para hacerlo, simplemente establezca un flujo de gas moderado de aproximadamente 1000 sccm de helio y enjuague las líneas de suministro o, preferiblemente, bombee y rellene repetidamente las líneas de suministro (aproximadamente tres veces).
    NOTA: Cuando simplemente se enjuagan las líneas de suministro de gas, es posible que se necesiten varias horas para limpiar el sistema, dependiendo del estado de contaminación.
  6. Agregue una trampa de tamiz molecular o una trampa fría (por ejemplo, utilizando nitrógeno líquido) a las líneas de suministro de gas para reducir aún más la humedad en el gas de alimentación.
  7. Si, en cambio, se desea una cantidad controlada de agua como reactivo, agregue un burbujeador al sistema26,27.
  8. Considere la posibilidad de establecer una atmósfera controlada para su experimento, ya que los cambios en la composición de la atmósfera ambiental podrían influir en las reacciones químicas en el efluente de plasma.
    NOTA: Es probable que este efecto no sea muy pronunciado para el COST-Jet28,ya que la configuración del campo eléctrico limita el plasma al interior del canal de descarga, pero podría desempeñar un papel importante para otros dispositivos CAP donde el plasma activo está parcialmente fuera del dispositivo.

2. Montaje y configuración del dispositivo

  1. Conecte el dispositivo COST-Jet a una fuente de gas. Conecte directamente el dispositivo a un tubo Swagelok de acero inoxidable de 1/4 de pulgada. Utilice adaptadores para diferentes estándares de tuberías.
  2. Conecte el COST-Jet a la fuente de alimentación mediante un cable BNC blindado equipado con un conector SMC.
  3. Conecte las sondas eléctricas integradas a un osciloscopio para monitorear el voltaje y la corriente utilizando una resistencia de 50 Ohm como terminación.
  4. Abra la carcasa COST-Jet y conecte una sonda de voltaje comercial debidamente compensada a la línea de cobre alimentada, así como a una parte a tierra del chorro (por ejemplo, el tubo de gas Swagelok) y el osciloscopio.
  5. Realice una rutina de calibración de la sonda: Aplique un pequeño voltaje al COST-Jet y ajuste el condensador variable del circuito LC utilizando un destornillador para alcanzar el acoplamiento óptimo (maximice el voltaje medido). Realice una calibración de voltaje comparando el voltaje real (sonda comercial) con el voltaje medido (sonda implementada) utilizando regresión lineal y calcule una constante de calibración. Retire la sonda de voltaje comercial y cierre la carcasa COST-Jet.
  6. Una vez más, aplique un pequeño voltaje al COST-Jet y ajuste el condensador variable del circuito LC utilizando un destornillador para alcanzar el acoplamiento óptimo.
  7. Encienda un plasma en el dispositivo COST-Jet: En primer lugar, configure una tasa de flujo de gas de aproximadamente 1 slpm de helio utilizando controladores de flujo másico (MFC). Abra la válvula entre el sistema de suministro de gas y el COST-Jet por última vez. Luego, aplique un voltaje bajo a los electrodos y aumente la amplitud hasta que el plasma se encienda.
  8. Si, en el primer encendido, los electrodos están sucios e impiden el encendido, aplique un alto voltaje inicial y redúzalo rápidamente después del encendido. Alternativamente, use una pistola de chispas para facilitar una primera ignición más fácil.
  9. Establezca los parámetros de control de operación (flujo de gas, voltaje aplicado) a los valores deseados.
  10. Dé a la configuración un poco de tiempo de calentamiento para permitir la estabilización térmica (aprox. 20 minutos) para garantizar condiciones de funcionamiento estables y reproducibles.
  11. Para cambiar la composición del gas durante los experimentos, permita un tiempo de equilibrio aproximado de 2 minutos dependiendo de la configuración del suministro de gas.
    NOTA: El COST-Jet ya está listo para su aplicación.

3. Medición de potencia

  1. Conecte el osciloscopio que monitorea el voltaje y la corriente aplicados al COST-Jet a una computadora.
  2. Instale el software 'COST power monitor' en la computadora29 que permite el monitoreo de energía en tiempo real11,19.
  3. Ajuste la comunicación entre el software y el osciloscopio implementando los comandos necesarios para controlar el osciloscopio específico.
  4. Inicie el software del monitor de potencia COST y cambie al panel Configuración. Rellene los canales correctos conectados al osciloscopio y la constante de calibración determinada en el paso 2.4.
    NOTA: El botón Buscar se puede utilizar para calcular automáticamente el factor de calibración si la sonda de voltaje comercial está conectada al COST-Jet.
  5. Cambie al panel Barrido. Tome una fase de referencia mientras el plasma todavía está apagado presionando el botón Buscar. Apague el flujo de gas antes de esta medición y aplique un voltaje que esté en el rango típico de voltajes utilizados para el funcionamiento real de la descarga, ya que el plasma no se encenderá en el aire debido a un voltaje de ignición mucho más alto en comparación con las mezclas de gases dominados por gases nobles. Utilice esta medición para corregir automáticamente el cambio de fase relativo entre las sondas de voltaje y corriente, suponiendo una fase de 90 ° del condensador perfecto aquí.
  6. Pulse el botón Inicio y pausa para iniciar o pausar las mediciones eléctricas.
  7. Opere el COST-Jet como desee. Utilice la potencia eléctrica real calculada a partir de las amplitudes de voltaje y corriente, así como su cambio de fase, que se muestran continuamente en el software para su monitoreo y como parámetro de control.

4. Tratamiento de superficies (sólidas)

  1. Configure una atmósfera controlada para su experimento.
    NOTA: En el caso del COST-Jet, la atmósfera controlada es menos importante que para las fuentes con química de plasma activa fuera del canal de descarga confinado.
  2. Limpie las líneas de suministro de gas como se describe en el paso 1.5.
  3. Establezca los parámetros de funcionamiento deseados y espere aproximadamente 20 minutos hasta que el COST-jet alcance una temperatura estable.
  4. Elija la distancia entre el COST-Jet y la superficie tratada, ya que la distancia determina la cantidad de especies reactivas que inciden en la superficie tratada30. Utilice una etapa xyz para montar el sustrato para facilitar la manipulación.
    NOTA: Para el COST-Jet, la brecha de seguridad agrega un milímetro adicional a la distancia entre la descarga de plasma y la superficie tratada.
  5. Comience el tiempo de tratamiento: simplemente encienda el plasma o use un obturador mecánico. Tenga en cuenta un posible exceso de voltaje durante el evento de conmutación que conduce a una descarga constreñida. Para un mejor control en el rango ms, use un obturador giratorio.
  6. Trate la muestra durante el tiempo deseado y finalice el tiempo de tratamiento apagando el plasma o mediante el uso de un obturador.
  7. Si es necesario, verifique el patrón de flujo de gas frente al objetivo utilizando imágenes de Schlieren al tratar un sustrato, ya que los efectos de la carga superficial, las fuerzas de arrastre de iones o la mezcla de aire ambiente debido a la flotabilidad pueden influir en la cantidad de especies reactivas que llegan a una superficie.

5. Tratamiento líquido

  1. Establezca una atmósfera controlada para el experimento.
  2. Limpie las líneas de suministro de gas como se describe en el paso 1.5.
  3. Establezca los parámetros de funcionamiento deseados y espere aproximadamente 20 minutos para que el COST-jet alcance una temperatura estable.
  4. Elija la distancia entre el COST-Jet y el líquido tratado.
  5. Vierta el líquido a tratar en un recipiente adecuado. Utilizar material inerte para evitar reacciones de especies reactivas potencialmente generadas en el líquido con el recipiente. Elija el tamaño del recipiente de acuerdo con el volumen de líquido que se trata.
  6. Considere la influencia del flujo de gas en la superficie del líquido: Dependiendo de la tasa de flujo de gas, tenga en cuenta un menisco cóncavo que puede formarse, cambiando así la distancia entre el plasma y la superficie líquida.
  7. Comience el tratamiento. Evite las sobretensiones de presión en la superficie del líquido causadas por un cambio repentino en el flujo de gas, ya que esto podría causar salpicaduras de líquido en la geometría de descarga, posiblemente causando un cortocircuito y ciertamente contaminando el plasma. En su lugar, use un obturador mecánico o aumente lentamente el flujo de gas.
  8. Tenga en cuenta la mezcla / agitación del líquido debido a la fricción entre el flujo de gas neutro y la superficie del líquido, ya que esto influye en los procesos de transporte y los perfiles de concentración en el líquido. Además, dependiendo del tiempo de tratamiento, corrija la evaporación del líquido durante el tratamiento (por ejemplo, al calcular las constantes de reacción). Dependiendo de la fuente de plasma, tenga en cuenta que esta evaporación posiblemente cause un acoplamiento posterior a la descarga, cambiando así la química del plasma.
  9. Tenga en cuenta también que la reactividad con posibles reactivos en líquidos también se ve afectada por la actividad superficial de este agente. Por lo tanto, en algunos casos, los tensioactivos pueden desempeñar un papel importante en la interacción entre especies de corta duración y líquidos.

Representative Results

Utilizando los métodos y equipos descritos anteriormente, aplicamos ejemplarmente el COST-Jet a diferentes superficies y líquidos. La Figura 1 muestra la configuración experimental utilizada para el tratamiento, incluida la fuente de alimentación, el sistema de suministro de gas, las sondas de voltaje y corriente, así como una atmósfera controlada y un obturador mecánico.

Figure 1
Figura 1: Configuración experimental utilizada para el tratamiento con plasma de superficies y líquidos utilizando el COST-Jet. Se utiliza una trampa fría para purificar el gas de alimentación. La atmósfera controlada se realiza mediante una cámara de vacío bombeada a presión atmosférica. El obturador mecánico facilita la gestión del tiempo de tratamiento de superficies sólidas y líquidas. La etapa flexible permite controlar la distancia entre el chorro de plasma y la superficie. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Utilizando la sonda de voltaje y corriente implementada en el COST-Jet, se puede calcular la potencia eléctrica disipada. La Figura 2 muestra la potencia eléctrica medida en un plasma de helio generado en cinco dispositivos COST-Jet diferentes utilizando un flujo de gas de 1 slpm. Todos los dispositivos muestran un comportamiento similar. La desviación entre los diferentes dispositivos se origina en la incertidumbre de la medición de potencia, así como en las diferencias microscópicas en las configuraciones, como la distancia del electrodo. Riedel22ha realizado mediciones más detalladas de especies reactivas (por ejemplo, oxígeno atómico y ozono), temperatura y potencia, así como mediciones de actividad bactericida.

Figure 2
Figura 2: Potencia disipada en función del voltaje aplicado en un plasma de helio. Los datos representan cinco dispositivos COST-Jet idénticos34. Las pequeñas desviaciones a altas tensiones se deben a incertidumbres de la medición, así como pequeñas desviaciones en la geometría del canal de descarga de gas22. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La Figura 3 muestra el perfil de grabado de una película a:C-H para un tratamiento de 3 min con el COST-Jet utilizando un flujo de gas de 1,4 slpm de helio con una mezcla de oxígeno al 0,5% medido utilizando un reflectómetro espectroscópico de imagen31. El patrón de grabado muestra una estructura circular que representa la simetría cilíndrica del efluente plasmático. Sobre la base de perfiles de grabado en combinación con simulaciones numéricas, se pudo estimar la probabilidad de pérdida superficial de oxígeno atómico.

Figure 3
Figura 3: Perfil de grabado de una película a:C-H tratada con plasma. La inmersión en la película se grabó utilizando una mezcla de gas de 1,4 slm helio con una mezcla de oxígeno al 0,6% a un voltaje de 230 Vrms y un tiempo de tratamiento de 3 min.31Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La Figura 4 muestra los vórtices que ocurren en el líquido causados por la corriente de gas que incide en la superficie del líquido. Una lámina láser que ilumina las partículas trazadores en el líquido permite observar la trayectoria y la velocidad de estas partículas a través de la velocimetría de imagen de partículas y, por lo tanto, estudiar el flujo de fluido32. Es importante considerar densidades similares de las partículas de siembra y el fluido para que las trayectorias de las partículas representen el movimiento del fluido. Con esta visualización de las mediciones de flujo de fluidos y simulaciones numéricas se pueden comparar33. Los vórtices se deben a la fricción superficial entre el flujo de gas efluente y la superficie líquida. La Figura 4 también muestra la depresión que ocurre de la superficie líquida debajo del canal de gas del chorro de plasma, el llamado menisco. Se visualiza mediante una línea azul.

Figure 4
Figura 4: Fotografía de partículas de maicena iluminadas en 3 ml de agua agitada por el flujo de gas. Los vórtices se deben a la fricción superficial entre el flujo de gas efluente y la superficie líquida. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Aquí, demostramos el uso de un chorro de plasma a presión atmosférica para tratamientos superficiales de diferentes materiales. La configuración experimental para un chorro de plasma a presión atmosférica puede tener un efecto tremendo en los parámetros del plasma, la química y el rendimiento y, en consecuencia, influye en el resultado de los tratamientos con plasma y es un paso crítico en el protocolo.

Como ejemplo, las líneas de suministro de gas juegan un papel importante con respecto a la impureza más común en el gas de alimentación del plasma, que es la humedad. En particular, se reduce la producción de especies reactivas de nitrógeno en el plasma mientras que se favorece la producción de especies reactivas de oxígeno, debido a la baja energía de ionización del oxígeno en comparación con las moléculas de agua yel nitrógeno 35. El invierno24 descubrió que la humedad del gas de alimentación que se origina en las moléculas de agua en la superficie del tubo interior es un orden de magnitud mayor utilizando tubos poliméricos en comparación con los tubos metálicos debido a la mayor porosidad y capacidad de almacenamiento. Se puede reducir enjuagando las líneas con gas de alimentación. Sin embargo, secar la línea mediante lavado lleva un par de horas. Por lo tanto, los tubos poliméricos deben evitarse o al menos mantenerse lo más cortos posible. Estos hallazgos son subrayados por estudios de Große-Kreul25. Compararon el efecto de la poliamida y los tubos de acero inoxidable en la química del plasma utilizando espectrometría de masas. Sus mediciones confirman la formación de iones de grupos de agua en el plasma debido a la desgasificación del agua de los tubos poliméricos y los tiempos de secado más rápidos con tubos metálicos. Además, investigaron el efecto de los métodos de purificación de gases, como una trampa de tamiz molecular y una trampa fría de nitrógeno líquido en la química del plasma, lo que ayudó a reducir la cantidad de impurezas en aproximadamente dos órdenes de magnitud.

En lugar de tratar de purificar el gas de alimentación, también existe el enfoque de agregar una cantidad controlada de humedad. Como esta impureza intencional domina sobre las impurezas naturales y, por lo tanto, controla la química del plasma, se aseguran condiciones reproducibles siempre que se conozca con precisión la cantidad de humedad agregada.

Para la ignición de la descarga, el voltaje aplicado a los electrodos generalmente se puede aumentar simplemente hasta el punto de ruptura. Sin embargo, dependiendo de las condiciones de la superficie de los electrodos, a veces es necesario un alto voltaje. Para facilitar la ignición, se puede usar una pistola de chispas de alto voltaje. Esto también puede ser útil cuando se intenta encender una descarga de argón en el COST-Jet.

Antes de aplicar el COST-Jet a cualquier superficie, se debe asignar tiempo suficiente para que el dispositivo se equilibre. Cuando se establece en los parámetros de control deseados, el COST-Jet necesita aproximadamente 20 minutos para alcanzar condiciones estables11. Durante este tiempo, la temperatura del dispositivo, la temperatura del gas y la química del plasma están alcanzando un estado estacionario.

Para la comparación de los resultados científicos, son necesarios parámetros de control plasmáticos comparables. Para medir la potencia de entrada eléctrica, se puede utilizar el monitor de potencia COST29. El software es de código abierto y compatible con una gama de diferentes tipos de osciloscopios. El software funciona de acuerdo con el principio descrito por Golda19.

Además del efecto de la humedad del gas de alimentación en la química del plasma, el transporte de especies reactivas del plasma al sustrato juega un papel importante en la composición del efluente y es otro paso crítico en el protocolo. La atmósfera circundante puede influir en las especies creadas en el plasma en su camino hacia el sustrato. Para minimizar esta influencia, se utilizan dos conceptos diferentes: (i) En primer lugar, se puede configurar una atmósfera controlada que consiste en el gas de alimentación. Por lo tanto, la composición de la atmósfera circundante se puede mantener constante. Dependiendo del nivel de pureza requerido para el tratamiento, la atmósfera controlada se puede realizar a través de carcasas protectoras equipadas con una válvula unidireccional para evitar la sobrepresión. Para niveles de pureza más altos, se puede utilizar una cámara de vacío con una bomba. ii) En segundo lugar, se puede crear una atmósfera controlada mediante el uso de una cortina de gas de protección alrededor del efluente de plasma36,37. Por lo general, consiste en un gas inerte, pero también se puede variar según las necesidades de la aplicación.

Afortunadamente, para el COST-Jet, la influencia de la atmósfera circundante es comparativamente baja. Utilizando el etiquetado isotópico, Gorbanev ha demostrado que para un chorro de plasma de configuración de campo paralelo, las especies reactivas de oxígeno y nitrógeno que alcanzan una superficie líquida se formaron en la fase gaseosa plasmática, así como en la región entre la boquilla de plasma y la muestra38,39. En contraste, utilizando la misma técnica para el COST-Jet, descubrieron que RONS se originó casi exclusivamente en la fase de plasma en lugar del entorno circundante28. Esto se debe probablemente a que el campo eléctrico está confinado al canal de plasma de la descarga COST-Jet. Esto hace que la descarga de plasma sea en gran medida independiente de su entorno y le da un cierto carácter remoto.

Para un chorro de plasma de campo eléctrico longitudinal, Darny et al.40 han demostrado que la polaridad del campo eléctrico modifica el patrón de flujo de gas y, por lo tanto, también en las especies reactivas que alcanzan un objetivo debido al viento iónico. La dependencia de la densidad de especies reactivas en el medio ambiente fue confirmada por mediciones de Stancampiano et al.7. Informaron sobre la diferencia del número de especies reactivas creadas en el agua tratada en función de las características eléctricas. Para compensar estas diferencias, tuvieron que crear un circuito eléctrico compensador. Este comportamiento es diferente para el COST-Jet: la Figura 5 compara las imágenes de Schlieren del COST-Jet sin un voltaje aplicado y durante la operación para dos caudales de gas diferentes. Las imágenes fueron tomadas usando una alineación en línea de un solo espejo como lo describe Kelly41. Muestran cómo el efluente COST-Jet alineado horizontalmente golpea un sustrato de vidrio plano. Ambas imágenes muestran exactamente el mismo patrón de flujo de gas. Esto resulta de la falta de viento iónico debido a la ausencia de especies cargadas en el efluente plasmático.

Además, el COST-Jet exhibe un patrón de flujo muy laminar. Kelly41 mostró imágenes de Schlieren similares a las presentadas en la Figura 5,para varios caudales de gas. Incluso a tasas de flujo de gas comparativamente altas de 2 slpm, el efluente plasmático no muestra signos de turbulencia. A caudales de gas muy bajos de 0,25 slpm o menos, la flotabilidad del efluente de helio comienza a desempeñar un papel. Sin embargo, hasta una distancia de 4 a 5 mm de la boquilla, la atmósfera ambiental no influye en la composición del gas que llega a la superficie, como lo demostró Ellerweg utilizando espectrometría de masas17.

Todas las características mencionadas anteriormente se suman al carácter remoto del COST-Jet. Esto lo convierte en un candidato ideal para el tratamiento controlado y comparable de superficies.

Figure 5
Figura 5: Imágenes de Schlieren del COST-Jet con y sin voltaje aplicado para dos caudales de gas diferentes. Durante la operación de plasma, el patrón de flujo de gas se parece exactamente al patrón con solo el flujo de gas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Dependiendo del efecto deseado en la muestra tratada, los parámetros de control de la mezcla de flujo de gas, la potencia eléctrica aplicada y la distancia entre la fuente de plasma y la superficie se pueden ajustar en consecuencia. Para el COST-Jet, existe una amplia base de datos bibliográfica de estudios que investigan especies reactivas en el efluente. Como ejemplo, Willems30 midió la densidad de oxígeno atómico utilizando espectrometría de masas, mientras que Schneider42 midió densidades de nitrógeno atómico en el efluente.

El tratamiento de líquidos con plasma de presión atmosférica puede causar una variedad de posibles mecanismos de reacción impulsados por especies reactivas, iones, fotones o campos eléctricos. Debido a las características descritas anteriormente del COST-Jet, el efecto del campo eléctrico, los iones y los fotones son insignificantes en comparación con las fuentes de plasma donde el plasma está en contacto directo con líquidos. Por lo tanto, para estudiar el efecto de especies reactivas de corta duración como el oxígeno atómico en una solución de fenol, el COST-jet fue utilizado por Hefny43 y Benedikt44. Además, el COST-Jet ofrece una conveniente posibilidad de comparar experimentos y simulaciones numéricas de tratamiento líquido28. Como la interacción entre el plasma y el líquido está dominada por el flujo de gas de las especies reactivas desde el plasma hasta la superficie líquida, la complejidad del modelo puede reducirse.

La agitación inducida por el flujo de gas del líquido aumenta la velocidad de reacción entre las especies reactivas generadas por el plasma y el líquido. A diferencia de los tratamientos superficiales de sólidos, la convección del líquido cambia constantemente la concentración local de reactivos. Además, las velocidades de reacción entre las especies generadas por plasma con reactivos en líquido también se ven afectadas por la actividad superficial de estos reactivos. Con el aumento de la actividad superficial, la concentración del reactivo en la superficie del líquido aumenta. Estos tensioactivos podrían desempeñar un papel importante en la reactividad de las especies de vida corta generadas por el plasma.

Además de agitar el flujo de gas que incide en la superficie del líquido también induce la evaporación que debe considerarse. El uso del COST-Jet con tiempos de tratamiento cortos, la evaporación podría desempeñar un papel menor, aunque aún debe tenerse en cuenta para calcular las velocidades de reacción correctas. La descarga del COST-Jet no se ve afectada por la evaporación y, por lo tanto, la química del plasma tampoco se ve afectada. Para diferentes fuentes de plasma, donde, por ejemplo, el plasma está en contacto directo con el líquido, la química del plasma está cambiando significativamente con la evaporación, como lo muestran Tian y Kushner45 para una descarga de barrera dieléctrica. Asimismo, para el kINPen, se determinó un efecto de las evaporaciones46.

Además de estas diferencias mencionadas en la química del plasma que deben considerarse para diferentes fuentes de plasma, también cambia la topología del menisco inducida por la corriente de gas en la superficie del líquido. La profundidad de este menisco suele depender de la velocidad del gas. Para fuentes plasmáticas donde la configuración del electrodo induce un campo eléctrico significativo que llega al líquido o incluso con un plasma en contacto con el líquido, este menisco puede elevarse47,48. Como se muestra, se deben considerar varios efectos de acuerdo con la fuente de plasma utilizada.

En el futuro, este protocolo se puede utilizar para realizar y describir tratamientos superficiales y líquidos utilizando el COST-Jet. Es una fuente de plasma estable y reproducible que exhibe un carácter remoto único entre la gran cantidad de diferentes diseños de chorros de plasma. Los mismos métodos no se limitan solo a la fuente COST-Jet y se pueden modificar y adaptar para su uso con cualquier fuente de plasma de presión atmosférica fría.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores agradecen a Volker Rohwer (Instituto de Física Experimental y Aplicada, Universidad de Kiel) por su ayuda con el equipo. El trabajo fue apoyado por el DFG dentro de CRC 1316 Plasmas Atmosféricos Transitorios,en el proyecto Plasmas atmosféricos fríos para el estudio de mecanismos fundamentales de interacción con sustratos biológicos (proyecto-ID BE 4349/5-1), y en el proyecto Óxido nítrico generado por plasma en cicatrización de heridas (proyecto-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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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Ingeniería Número 165 Plasma a presión atmosférica COST-Jet medicina de plasma tratamiento de plasma protocolo de manipulación líquido tratamiento de superficies CAP
Tratamiento de superficies con un plasma de presión atmosférica fría utilizando el COST-Jet
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Golda, J., Sgonina, K., Held, J., Benedikt, J., Schulz-von der Gathen, V. Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet. J. Vis. Exp. (165), e61801, doi:10.3791/61801 (2020).

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