Summary
Detta protokoll presenteras för att karakterisera installation, hantering och tillämpning av COST-Jet för behandling av olika ytor som fasta ämnen och vätskor.
Abstract
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.
Introduction
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.
- För att förenkla den direkta jämförelsen av olika plasmakällor utvecklades en referenskälla. Inspirerad av lågtrycksplasmagemenskapen utvecklades en reproducerbar och stabil urladdningsdesign (COST-Jet) inom ramen för COST-åtgärden MP 1101 som kan fungera som referenskälla för framtida biomedicinsk forskning11.
- För att möjliggöra jämförbarhet utvecklades referensprotokoll för enskilda applikationer. För att standardisera jämförelsen av de antimikrobiella egenskaperna hos kalla atmosfäriska tryckplasmor definierade Mann et al. ett referensprotokoll för mikroorganismbehandling genom att normalisera behandlingstiden per områdesenhet12.
- För ett mer flexibelt tillvägagångssätt utvecklade Kogelheide m.fl. en metod för att undersöka plasmainducerade kemiska modifieringar på makromolekyler13. Med hjälp av spårämnen som cystein och eller cysteinhaltig glutation (GSH) i kombination med FTIR och masspektrometri försökte de extrapolera de kemiska modifieringarna på biologiska substrat. Med den här metoden har flera plasmakällor som COST-Jet, kinPen och Cinogy DBD redan jämförts14,15,16.
- För att direkt jämföra enskilda plasmakällor måste jämförbara kontrollparametrar fastställas. Grundläggande plasmaparametrar som elektrontemperatur, elektrontäthet och flödestätheten hos reaktiva arter är svåra att mäta i atmosfäriska tryckplasmor eftersom sådana plasma ofta är övergående och deras dimensioner är små. Istället används externa styrparametrar som generatoreffekt, anbringad spänning eller tändning och bågpunkter ofta som referens, särskilt när man jämför resultatmed simuleringar 17,18. På senare tid har den uppmätta elektriska energiförbrukningen använts som en mer tillförlitlig styrparameter19,20,21.
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.
Protocol
1. Fodergasförsörjning och kontrollerad atmosfär
- Ställ in gastillförseln som består av gasledningar av metall, så att TPFE eller liknande plaströr undviks24. Håll gasledningarna så korta som möjligt för att undvika föroreningar och underlätta pumpning av gasförsörjningssystemet.
- Välj de massflödesregulatorer som används för att tillhandahålla matargasen enligt COST-Jets typiska gasflöden. Använd arbetsgas med en renhet på minst 99,999%.
OBS: COST-Jets primära arbetsgas är helium. Drift kan realiseras vid flödeshastigheter mellan 100 fmcm och ca 5000 sccm, med 1000 sccm som det vanligaste värdet. - Realisera blandningen av reaktiva gaser genom ett system som består av flera massflödesregulatorer. För mindre blandningar, använd en motblandningsenhet för att minska den tid som behövs för att blandningen ska slutföra25.
OBS: Vanliga blandningar är syre och kväve med ett flöde i storleksordningen 5 fmcm (0,5% av arbetsgasen). - Tillsätt en ventil mellan gasledningarna och strålen för att förhindra att fuktig luft kommer in i gastillförseln när enheten inte används eftersom vatten är den vanligaste och mest problematiska orenheten i atmosfäriska tryckplasmor, vilket kritiskt påverkar plasmakemin.
- Rengör gasledningarna före ytbehandlingen för att minska föroreningarna i slangen. För att göra det, antingen helt enkelt ställa in ett måttligt gasflöde på ca 1000 sccm helium och spola matningsledningarna eller helst upprepade gånger pumpa och fylla på matningsledningarna (ungefär tre gånger).
OBS: Vid helt enkelt spolning av gasledningarna kan det behövas flera timmar för att rengöra systemet, beroende på föroreningstillståndet. - Tillsätt en molekylär siktfälla eller en kall fälla (t.ex. med flytande kväve) till gasledningarna för att ytterligare minska luftfuktigheten i matargasen.
- Om istället en kontrollerad mängd vatten önskas som reagens, tillsätt en bubblare till systemet26,27.
- Överväg att ställa in en kontrollerad atmosfär för ditt experiment eftersom förändringar i sammansättningen av den omgivande atmosfären kan påverka kemiska reaktioner i plasmautflödet.
OBS: Denna effekt är sannolikt inte särskilt uttalad för COST-Jet28, eftersom den elektriska fältkonfigurationen begränsar plasman till insidan av urladdningskanalen men kan spela en viktig roll för andra CAP-enheter där den aktiva plasman delvis ligger utanför enheten.
2. Montering och inställning av enheten
- Anslut COST-Jet-enheten till en gasförsörjning. Anslut enheten direkt till 1/4 tums swagelokrör av rostfritt stål. Använd adaptrar för olika slangstandarder.
- Anslut COST-Jet till strömförsörjningen med en skärmad BNC-kabel utrustad med en SMC-kontakt.
- Anslut de integrerade elektriska sonderna till ett oscilloskop för att övervaka spänning och ström med ett 50 Ohm-motstånd som avslutning.
- Öppna COST-Jet-höljet och anslut en korrekt kompenserad kommersiell spänningssond till den drivna kopparledningen samt en jordad del av strålen (t.ex. Swagelok-gasröret) och oscilloskopet.
- Utför en sondkalibreringsrutin: Applicera en liten spänning på COST-Jet och finjustera LC-kretsens variabla kondensator med hjälp av en skruvmejsel för att nå den optimala kopplingen (maximera uppmätt spänning). Utför en spänningskalibrering genom att jämföra den faktiska spänningen (kommersiell sond) med den uppmätta spänningen (implementerad sond) med linjär regression och beräkna en kalibreringskonstant. Ta bort den kommersiella spänningssonden och stäng COST-Jet-höljet.
- Applicera återigen en liten spänning på COST-Jet och justera LC-kretsens variabla kondensator med hjälp av en skruvmejsel för att nå den optimala kopplingen.
- Antänd en plasma i COST-Jet-enheten: Ställ för det första in ett gasflöde på cirka 1 slpm helium med hjälp av massflödesregulatorer (MFC). Öppna ventilen mellan gasförsörjningssystemet och COST-Jet sist. Applicera sedan en låg spänning på elektroderna och öka amplituden tills plasman antänds.
- Om elektroderna vid den första tändningen är orena och impeding tändningen, applicera en hög initial spänning och snabbt minska den efter antändning. Alternativt kan du använda en gnistpistol för att underlätta en enklare första antändning.
- Ställ in driftkontrollparametrarna (gasflöde, anbringade spänning) på önskade värden.
- Ge installationen lite uppvärmningstid för att möjliggöra termisk stabilisering (ca 20 minuter) för att säkerställa stabila och reproducerbara driftsförhållanden.
- För att ändra gassammansättningen under experimenten, låt ungefär 2 minuters jämviktstid ändras beroende på gastillförselinställningen.
COST-Jet är nu klar för applicering.
3. Effektmätning
- Anslut oscilloskopet som övervakar spänningen och strömmen som appliceras på COST-Jet till en dator.
- Installera programvaran "COST power monitor" på datorn29 som möjliggör strömövervakning i realtid11,19.
- Justera kommunikationen mellan programvaran och oscilloskopet genom att implementera de kommandon som krävs för att styra det specifika oscilloskopet.
- Starta COST-strömvaktsprogramvaran och växla till inställningspanelen. Fyll i rätt kanaler som är anslutna till oscilloskopet och kalibreringskonstanten som bestäms i steg 2.4.
OBS: Sökknappen kan användas för att automatiskt beräkna kalibreringsfaktorn om den kommersiella spänningssonden är ansluten till COST-Jet. - Byt till sveppanelen. Ta en referensfas medan plasman fortfarande är avstängd genom att trycka på sökknappen. Stäng av gasflödet före denna mätning och applicera en spänning som ligger inom det typiska spänningsområdet som används för den faktiska driften av urladdningen eftersom plasman inte antänds i luft på grund av mycket högre tändspänning jämfört med ädelgasdominerade gasblandningar. Använd denna mätning för att automatiskt korrigera för den relativa fasförskjutningen mellan spänning och strömsonder, förutsatt en 90° fas av den perfekta kondensatorn här.
- Tryck på start- och pausknappen för att starta eller pausa de elektriska mätningarna.
- Använd COST-Jet efter önskemål. Använd den faktiska elkraften beräknad utifrån spännings- och strömamlituder samt deras fasförskjutning, som kontinuerligt visas i programvaran för övervakning och som en kontrollparameter.
4. (Fast) ytbehandling
- Skapa en kontrollerad atmosfär för experimentet.
OBS: När det gäller COST-Jet är den kontrollerade atmosfären mindre viktig än för källor med aktiv plasmakemi utanför den begränsade urladdningskanalen. - Rengör gasledningarna enligt beskrivningen i steg 1.5.
- Ställ in önskade driftsparametrar och vänta i cirka 20 minuter tills COST-jet når en stabil temperatur.
- Välj avståndet mellan COST-Jet och den behandlade ytan eftersom avståndet bestämmer mängden reaktiva arter som inpår på den behandlade ytan30. Använd ett xyz-steg för att montera substratet för enkel manipulering.
OBS: För COST-Jet lägger säkerhetsgapet till en extra millimeter till avståndet mellan plasmaurladdningen och den behandlade ytan. - Starta behandlingstiden: Slå antingen bara på plasman eller använd en mekanisk slutare. Var medveten om ett eventuellt spänningsöverskridande under omkopplingshändelsen som leder till en förträngd urladdning. För bättre kontroll i ms-området, använd en vridbar slutare.
- Behandla provet under önskad tid och avsluta behandlingstiden genom att stänga av plasman eller genom att använda en slutare.
- Kontrollera vid behov gasflödesmönstret framför målet med Schlieren imaging när du behandlar ett substrat som effekter av ytladdning, jonmotståndskrafter eller omgivningsluftblandning på grund av flytkraft kan påverka mängden reaktiva arter som når en yta.
5. Flytande behandling
- Skapa en kontrollerad atmosfär för experimentet.
- Rengör gasledningarna enligt beskrivningen i steg 1.5.
- Ställ in önskade driftsparametrar och vänta cirka 20 minuter på att COST-jet ska nå en stabil temperatur.
- Välj avståndet mellan COST-Jet och den behandlade vätskan.
- Häll vätskan som ska behandlas i en tillräcklig behållare. Använd inert material för att undvika reaktioner av potentiellt genererade reaktiva arter i vätskan med behållaren. Välj behållarens storlek enligt volymen av vätska som behandlas.
- Tänk på gasflödets påverkan på vätskeytan: Beroende på gasflödet, var medveten om en konkav menisk som kan bildas och ändra därmed avståndet mellan plasma och flytande yta.
- Påbörja behandlingen. Undvik tryckökningar på ytan av vätskan som orsakas av en plötslig förändring i gasflödet eftersom detta kan orsaka vätskestänk i urladdningsgeometrin, vilket kan orsaka kortslutning och säkert förorena plasman. Använd istället en mekanisk slutare eller öka långsamt gasflödet.
- Ta hänsyn till blandning/omrörning av vätskan på grund av friktion mellan neutralt gasflöde och vätskeyta eftersom detta påverkar transportprocesser och koncentrationsprofiler i vätskan. Dessutom, beroende på behandlingstiden, korrigera för avdunstning av vätska under behandlingen (t.ex. vid beräkning av reaktionskonstanter). Beroende på plasmakällan, var medveten om denna avdunstning som kan orsaka ryggkoppling till urladdningen, vilket förändrar plasmakemin.
- Tänk också på att reaktiviteten med eventuella reagenser i vätskor också påverkas av ytaktiviteten hos detta medel. Således kan tensider i vissa fall spela en viktig roll i interaktionen mellan kortlivade arter och vätskor.
Representative Results
Med hjälp av de metoder och den utrustning som beskrivs ovan applicerade vi föredömligt COST-Jet på olika ytor och vätskor. Figur 1 visar den experimentella inställning som används för behandlingen, inklusive strömförsörjning, gasförsörjningssystem, spännings- och strömsonder samt en kontrollerad atmosfär och en mekanisk slutare.
Figur 1: Experimentell installation som används för plasmabehandling av ytor och vätskor med COST-Jet. En kall fälla används för att rena matargasen. Den kontrollerade atmosfären realiseras av en pumpad vakuumkammare vid atmosfärstryck. Den mekaniska slutaren underlättar tidshanteringen av fast och flytande ytbehandling. Det flexibla stadiet gör det möjligt att styra avståndet mellan plasmastrålen och ytan. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Med hjälp av spännings- och strömsonden som implementeras i COST-Jet kan den avlösta elkraften beräknas. Figur 2 visar den uppmätta eleffekten i en heliumplasma som genereras i fem olika COST-Jet-enheter med ett gasflöde på 1 varv/min. Alla enheter visar liknande beteende. Avvikelsen mellan de olika anordningarna härrör från osäkerheten i effektmätningen samt mikroskopiska skillnader i inställningarna såsom elektrodavståndet. Mer detaljerade mätningar av reaktiva arter (t.ex. atomsyre och ozon), temperatur och effekt samt mätningar av bakteriedödande aktivitet har utförts av Riedel22.
Figur 2: Avledd effekt som en funktion av anbringad spänning i heliumplasma. Data representerar fem identiska COST-Jet-enheter34. De små avvikelserna vid höga spänningar beror på mätningens osäkerheter samt små avvikelser i gasurladdningskanalens geometri22. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 3 visar etsningsprofilen för en a:C-H-film för en 3 minuters behandling med COST-Jet med ett gasflöde på 1,4 slpm helium med en blandning av 0,5 % syre uppmätt med hjälp av en avbildningsspektroskopisk reflektor31. Etsningsmönstret visar en cirkulär struktur som representerar plasmautflödets cylindriska symmetri. Baserat på etsningsprofiler i kombination med numeriska simuleringar kan sannolikheten för ytförlust av atomsyre uppskattas.
Figur 3: Etsprofil för en plasmabehandlad a:C-H-film. Doppet i filmen etsades med en gasblandning på 1,4 slm helium med en blandning av 0,6% syre vid en spänning av 230 Vrms och en behandlingstid på 3 min.31Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 visar de förekommande virvlar i vätska som orsakas av gasströmmen som inspelar på vätskeytan. Ett laserark som belyser spårpartiklar i vätskan gör det möjligt att observera dessa partiklars bana och hastighet via partikelbildhastighet och därför studeravätskeflödet 32. Det är viktigt att överväga liknande densiteter hos såddpartiklarna och vätskan så att partiklarnas banor representerar vätskans rörelse. Med denna visualisering av vätskeflödesmätningarna och numeriska simuleringar kan jämföras33. Virvlar beror på ytfriktionen mellan utflödesgasflödet och vätskeytan. Figur 4 visar också den förekommande fördjupningen av vätskeytan under plasmastrålens gaskanal, den så kallade menisken. Den visualiseras av en blå linje.
Figur 4: Fotografi av upplysta majsstärkelsepartiklar i 3 ml vatten som rörs om av gasflödet. Virvlar beror på ytfriktionen mellan utflödesgasflödet och vätskeytan. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Discussion
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.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
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).
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 |
References
- Morfill, G. E., Kong, M. G., Zimmermann, J. L.
- Schlegel, J., Köritzer, J., Boxhammer, V.
- Weltmann, K. D., Woedtke, T. von Plasma medicine-current state of research and medical application. Plasma Physics and Controlled Fusion. 59 (1), 14031 (2017).
- Graves, D. B. Low temperature plasma biomedicine: A tutorial review. Physics of Plasmas. 21 (8), 80901 (2014).
- Bruggeman, P. J., et al. Plasma-liquid interactions: A review and roadmap. Plasma Sources Science and Technology. 25 (5), 53002 (2016).
- Simoncelli, E., Stancampiano, A., Boselli, M., Gherardi, M., Colombo, V. Experimental Investigation on the Influence of Target Physical Properties on an Impinging Plasma Jet. Plasma. 2 (3), 369-379 (2019).
- Stancampiano, A., et al. Mimicking of human body electrical characteristic for easier translation of plasma biomedical studies to clinical applications. IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. 1, (2019).
- Nature Editorial.
- Baker, M. Is there a reproducibility crisis. Nature. 533, 452-454 (2016).
- Begley, C. G., Ioannidis, J. P. A. Reproducibility in science: Improving the standard for basic and preclinical research. Circulation research. 116 (1), 116-126 (2015).
- Golda, J., et al. Concepts and characteristics of the 'COST Reference Microplasma Jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (8), 84003 (2016).
- Mann, M. S., Schnabel, U., Weihe, T., Weltmann, K. D., von Woedtke, T. A Reference Technique to Compare the Antimicrobial Properties of Atmospheric Pressure Plasma Sources. Plasma Medicine. 5 (1), 27-47 (2015).
- Kogelheide, F., et al. FTIR spectroscopy of cysteine as a ready-to-use method for the investigation of plasma-induced chemical modifications of macromolecules. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (8), 84004 (2016).
- Lackmann, J. W., et al. Chemical fingerprints of cold physical plasmas - an experimental and computational study using cysteine as tracer compound. Scientific Reports. 8 (1), 7736 (2018).
- Lackmann, J. W., et al. Nitrosylation vs. oxidation - How to modulate cold physical plasmas for biological applications. PloS one. 14 (5), 0216606 (2019).
- Ranieri, P., et al. GSH Modification as a Marker for Plasma Source and Biological Response Comparison to Plasma Treatment. Applied Sciences. 10 (6), 2025 (2020).
- Ellerweg, D., von Keudell, A., Benedikt, J. Unexpected O and O3 production in the effluent of He/O2 microplasma jets emanating into ambient air. Plasma Sources Science and Technology. 21 (3), 34019 (2012).
- Waskoenig, J., et al. Atomic oxygen formation in a radio-frequency driven micro-atmospheric pressure plasma jet. Plasma Sources Science and Technology. 19 (4), 45018 (2010).
- Golda, J., Kogelheide, F., Awakowicz, P., Schulz-von der Gathen, V. Dissipated electrical power and electron density in an RF atmospheric pressure helium plasma jet. Plasma Sources Science and Technology. 28 (9), 95023 (2019).
- Golda, J., Held, J., Gathen, V. S. Comparison of electron heating and energy loss mechanisms in an RF plasma jet operated in argon and helium. Plasma Sources Science and Technology. 29 (2), 25014 (2020).
- Beijer, P. A. C., Sobota, A., van Veldhuizen, E. M., Kroesen, G. M. W. Multiplying probe for accurate power measurements on an RF driven atmospheric pressure plasma jet applied to the COST reference microplasma jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (10), 104001 (2016).
- Riedel, F., et al. Reproducibility of 'COST reference microplasma jets'. Plasma Sources Science and Technology. , (2020).
- Cost-Jet. COST Reference Microplasma Jet Homepage. , Available from: www.cost-jet.eu (2020).
- Winter, J., et al. Feed gas humidity: a vital parameter affecting a cold atmospheric-pressure plasma jet and plasma-treated human skin cells. Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (29), 295401 (2013).
- Große-Kreul, S., Hübner, S., Schneider, S., von Keudell, A., Benedikt, J. Methods of gas purification and effect on the ion composition in an RF atmospheric pressure plasma jet investigated by mass spectrometry. EPJ Techniques and Instrumentation. 3 (1), 6 (2016).
- Benedikt, J., et al. Absolute OH and O radical densities in effluent of a He/H$_2$O micro-scaled atmospheric pressure plasma jet. Plasma Sources Science and Technology. 25 (4), 45013 (2016).
- Willems, G., Benedikt, J., von Keudell, A. Absolutely calibrated mass spectrometry measurement of reactive and stable plasma chemistry products in the effluent of a He/H 2 O atmospheric plasma. Journal of Physics D: Applied Physics. 50 (33), 335204 (2017).
- Gorbanev, Y., et al. Combining experimental and modelling approaches to study the sources of reactive species induced in water by the COST RF plasma jet. Physical chemistry chemical physics: PCCP. 20 (4), 2797-2808 (2018).
- Held, J. mimurrayy/COST-power-monitor v0.9.2 (Version v0.9.2). Zenodo. , (2019).
- Willems, G., et al. Corrigendum: Characterization of the effluent of a He/O 2 micro-scaled atmospheric pressure plasma jet by quantitative molecular beam mass spectrometry (2010 New J. Phys.12 013021). New Journal of Physics. 21 (5), 59501 (2019).
- Mokhtar Hefny, M., Nečas, D., Zajíčková, L., Benedikt, J. The transport and surface reactivity of O atoms during the atmospheric plasma etching of hydrogenated amorphous carbon films. Plasma Sources Science and Technology. 28 (3), 35010 (2019).
- Grant, I. Particle image velocimetry: A review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 211 (1), 55-76 (2016).
- Semenov, I. L., Weltmann, K. D., Loffhagen, D. Modelling of the transport phenomena for an atmospheric-pressure plasma jet in contact with liquid. Journal of Physics D: Applied Physics. 52 (31), 315203 (2019).
- Golda, J. Cross-correlating discharge physics, excitation mechanisms and plasma chemistry to describe the stability of an RF-excited atmospheric pressure argon plasma jet. Ruhr-Universität Bochum. , Bochum. Dissertation (2017).
- Lietz, A. M., Kushner, M. J. Molecular admixtures and impurities in atmospheric pressure plasma jets. Journal of Applied Physics. 124 (15), 153303 (2018).
- Reuter, S., et al. Controlling the Ambient Air Affected Reactive Species Composition in the Effluent of an Argon Plasma Jet. IEEE Transactions on Plasma Science. 40 (11), 2788-2794 (2012).
- Reuter, S., et al. From RONS to ROS: Tailoring Plasma Jet Treatment of Skin Cells. IEEE Transactions on Plasma Science. 40 (11), 2986-2993 (2012).
- Gorbanev, Y., O'Connell, D., Chechik, V. Non-Thermal Plasma in Contact with Water: The Origin of Species. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse). 22 (10), Germany. 3496-3505 (2016).
- Gorbanev, Y., Soriano, R., O'Connell, D., Chechik, V. An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation. Journal of visualized experiments. (117), e54765 (2016).
- Darny, T., et al. Plasma action on helium flow in cold atmospheric pressure plasma jet experiments. Plasma Sources Science and Technology. 26 (10), 105001 (2017).
- Kelly, S., Golda, J., Turner, M. M., Schulz-von der Gathen, V. Gas and heat dynamics of a micro-scaled atmospheric pressure plasma reference jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 48 (44), 444002 (2015).
- Schneider, S., Dünnbier, M., Hübner, S., Reuter, S., Benedikt, J. Atomic nitrogen: A parameter study of a micro-scale atmospheric pressure plasma jet by means of molecular beam mass spectrometry. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (50), 505203 (2014).
- Hefny, M. M., Pattyn, C., Lukes, P., Benedikt, J. Atmospheric plasma generates oxygen atoms as oxidizing species in aqueous solutions. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (40), 404002 (2016).
- Benedikt, J., et al. The fate of plasma-generated oxygen atoms in aqueous solutions: Non-equilibrium atmospheric pressure plasmas as an efficient source of atomic O(aq). Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (17), 12037-12042 (2018).
- Tian, W., Kushner, M. J. Atmospheric pressure dielectric barrier discharges interacting with liquid covered tissue. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (16), 165201 (2014).
- Hansen, L., et al. Influence of a liquid surface on the NO x production of a cold atmospheric pressure plasma jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 51 (47), 474002 (2018).
- van Rens, J. F. M., et al. Induced Liquid Phase Flow by RF Ar Cold Atmospheric Pressure Plasma Jet. IEEE Transactions on Plasma Science. 42 (10), 2622-2623 (2014).
- Bruggeman, P., Graham, L., Degroote, J., Vierendeels, J., Leys, C. Water surface deformation in strong electrical fields and its influence on electrical breakdown in a metal pin-water electrode system. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (16), 4779-4786 (2007).
