טיפול במשטחים עם פלזמת לחץ אטמוספרי קר באמצעות עלות סילון

פרוטוקול זה מוצג כדי לאפיין את ההתקנה, הטיפול והיישום של ה- COST-Jet לטיפול במשטחים מגוונים כגון מוצקים ונוזלים.

בשנים האחרונות, פלזמות לחץ אטמוספרי לא תרמית שימשו בהרחבה לטיפולים פני השטח, בפרט, בשל הפוטנציאל שלהם ביישומים ביולוגיים. עם זאת, התוצאות המדעיות סובלות לעתים קרובות מבעיות רבייה עקב תנאי פלזמה לא אמינים, כמו גם הליכי טיפול מורכבים. כדי לטפל בבעיה זו ולספק מקור פלזמה יציב ושחזורי, פותח מקור הייחוס COST-Jet.

בעבודה זו, אנו מציעים פרוטוקול מפורט לביצוע טיפולי שטח אמינים ושחזור באמצעות סילון מיקרופלסמה התייחסות עלות (COST-Jet). נושאים נפוצים ומלכודות נדונים, כמו גם את המוזרויות של COST-Jet לעומת מכשירים אחרים ואת אופיו המרוחק יתרון. תיאור מפורט של טיפול משטח מוצק ונוזל מסופק. השיטות המתוארות הן רב-תכליתיות וניתן להתאיםן לסוגים אחרים של התקני פלזמה בלחץ אטמוספרי.

פלזמות לחץ אטמוספרי קר (CAPs) משכו עניין מוגבר בשנים האחרונות בשל הפוטנציאל שלהם עבור יישומי טיפול פני השטח. CAPs מאופיינים בתכונות שאינן שיווי משקל שלהם, המאפשרים כימיית פלזמה מורכבת עם צפיפות גבוהה של מינים תגובתיים תוך שמירה על השפעה תרמית נמוכה על דגימות שטופלו. לכן, CAPs נחשבים במיוחד לטיפול ברקמה ביולוגית^1,2,3,4. מושגים ועיצובים רבים של CAPs משמשים בהצלחה לחיטוי וריפוי פצעים, קרישת דם וטיפול בסרטן, בין יישומים ביו-רפואיים אחרים. חלק גדול מהרקמה הביולוגית מכיל נוזלים. לכן, המחקר מתמקד גם יותר ויותר בחקירת ההשפעות של CAPs על משטחים נוזליים כגון תא בינוני או מים^5,6,7.

עם זאת, התוצאות המדעיות סובלות לעתים קרובות מבעיות אמינות ושחזור^8,9,10. מצד אחד, המצעים הביולוגיים המטופלים כפופים לשינויים טבעיים. מאידך גיסא, רק לעתים רחוקות יוחסו מנגנונים ביולוגיים ישירות לתהליכי פלזמה (כגון שדות חשמליים, קרינת UV ומינים ארוכי מועד וקצרים וכו'). יתר על כן, תהליכי פלזמה אלה בתורו תלויים מאוד במקור הפלזמה הבודד וסוג היישום המדויק שלו.

בנוסף, פרוטוקולים מפורטים של הליכי טיפול זמינים לעתים רחוקות. זה מקשה לבודד את ההשפעה של פרמטר פלזמה מסוים על התוצאה של הטיפול, מה שהופך את התוצאות המתקבלות לא ניתן להעברה.

לכן לאחרונה נעשו ניסיונות שונים לתקנן את הטיפול במשטחים, רקמות ונוזלים באמצעות פלסמות לחץ אטמוספריות קרות. כאן אנו מציגים רק כמה דוגמאות נבחרות.

1. כדי לפשט את ההשוואה הישירה של מקורות פלזמה שונים, פותח מקור התייחסות. בהשראת קהילת הפלזמה בלחץ נמוך, פותח עיצוב פריקה רבייה ויציב (COST-Jet) במסגרת הפעולה עלות MP 1101 שיכול לשמש כמקור התייחסות למחקר ביו-רפואי עתידי¹¹.
2. כדי לאפשר השוואה, פותחו פרוטוקולי הפניה עבור יישומים בודדים. כדי לתקנן את ההשוואה של המאפיינים האנטי מיקרוביאליים של פלסמות לחץ אטמוספרי קר, למשל, מאן ואח 'הגדיר פרוטוקול התייחסות לטיפול מיקרואורגניזם על ידי נרמול זמן הטיפול ליחידת אזור¹².
3. לקבלת גישה גמישה יותר, Kogelheide ואח 'פיתח שיטה לחקור שינויים כימיים הנגרמים על ידי פלזמה על macromolecules¹³. באמצעות תרכובות מעקב כגון ציסטאין או גלוטתיון המכיל ציסטאין (GSH) בשילוב עם ספקטרומטריית מסה ו- FTIR, הם ניסו להסיק את השינויים הכימיים על מצעים ביולוגיים. בשיטה זו, מספר מקורות פלזמה כגון COST-Jet, kinPen, ו DBD Cinogy כבר הושוו^14,15,16.
4. כדי להשוות ישירות מקורות פלזמה בודדים, יש לקבוע פרמטרי בקרה דומים. פרמטרי פלזמה בסיסיים כגון טמפרטורת אלקטרונים, צפיפות אלקטרונים וצפיפות השטף של מינים תגובתיים קשה למדידה בפלסמות לחץ אטמוספריות מכיוון שפלזמות כאלה הן לעתים קרובות חולפות וממדיהן קטנים. במקום זאת, פרמטרי בקרה חיצוניים כגון כוח גנרטור, מתח מיושם או הצתה, ונקודות קשת משמשים לעתים קרובות כהפניה, במיוחד בעת השוואת תוצאות סימולציות^17,18. לאחרונה, צריכת האנרגיה החשמלית הנמדדת שימשה כפרמטר בקרה אמין יותר^19,20,21.

למרות מאמצים אלה, השוואת התוצאות של מחקרים שונים עדיין עשויה להיות בלתי אפשרית, פשוט בשל האתגר של יישום נכון של מקור פלזמה על משטח. ישנם מספר עצום של מלכודות שכיחות שיש להתמודד איתן בעת עבודה עם יישומי פלזמה בלחץ אטמוספרי כגון השפעת שדות חשמליים חיצוניים (מעגלי פיצוי), לולאות משוב בין פלזמה לסביבה (אטמוספירה מוגנת), הובלת מינים (רוח יונית) ופרמטרים שליטה (מתח, זרם, כוח).

המטרה העיקרית של עבודה זו היא לספק פרוטוקול יסודי ומפורט על היישום של COST-Jet לטיפולים פני השטח. ה- COST-Jet הוא מקור פלזמה אמין שפותח למטרות התייחסות מדעית ולא לשימוש תעשייתי או רפואי. הוא מספק תנאי פריקה לשחזור ומאגר מידע רחב של מחקרים זמינים^22,23. ה-COST-Jet מבוסס על פלזמת RF הומוגנית, מצמידה קיבוליות. מכיוון שהשדה החשמלי מוגבל בניצב לזרימת הגז, מינים טעונים נשמרים בעיקר באזור הפריקה ואינם מתקשרים עם המטרה או עם האטמוספירה שמסביב. בנוסף, זרימת גז למינאר מבטיחה תנאים כימיים פלזמה לשחזור בשפחת הפלזמה.

במאמר זה נתמודד עם האתגרים הנפוצים ביותר ונציג פתרונות אפשריים ששימשו בספרות. אלה כוללים אספקת גז נאותה, בקרת פריקה, השפעת אטמוספרת הסביבה והכנת פני השטח. עמידה בפרוטוקול המוצג כאן צריכה להבטיח את השכפול וההשוואה של המדידות.

הפרוטוקול עשוי לשמש גם דוגמה למקורות לחץ אטמוספריים אחרים. זה חייב להיות מזוקק עבור מקורות פלזמה סילון אחרים על פי זרימת גז בודדים ותצורת שדה חשמלי. במידת הצורך, ננסה להצביע על התאמות אפשריות לפרוטוקול. הצעדים המתוארים יש לשקול ולדווח על בעת פרסום מחקרים החלת פלזמות לחץ אטמוספרי על דגימות מטופלות.

1. הזנת אספקת גז ואטמוספירה מבוקרת

1. הקימו את אספקת הגז המורכבת מקווי גז ממתכת, תוך הימנעות מכל TPFE או צינורות פלסטיק דומים²⁴. שמור על קווי אספקת גז קצר ככל האפשר כדי למנוע זיהומים ולהקל על שאיבת מערכת אספקת הגז.
2. בחר את בקרי זרימת ההמונים המשמשים לאספקת גז ההזנה בהתאם לשיעורי זרימת הגז האופייניים של ה- COST-Jet. השתמש בגז עבודה עם טוהר של לפחות 99.999%.
   הערה: גז העבודה העיקרי של עלות-ג'ט הוא הליום. הפעולה יכולה להתממש בקצבי זרימה בין 100 sccm ו כ 5000 sccm, עם 1000 sccm להיות הערך הנפוץ ביותר.
3. מבינים את התיעוש של גזים תגובתיים על ידי מערכת המורכבת מבקרי זרימת מסה מרובים. עבור תערובות קטנות יותר, השתמש ביחידת ערבוב נגד כדי לקצר את הזמן הדרוש לערבוב כדי להשלים²⁵.
   הערה: תסרוקות נפוצות הן חמצן וחנקן עם קצב זרימה בסדר גודל של 5 sccm (0.5% מהגז עובד).
4. הוסף שסתום בין קווי אספקת הגז לבין הסילון כדי למנוע כניסת אוויר לח לאספקת הגז כאשר המכשיר אינו בשימוש מכיוון שהמים הם הטומאה הנפוצה והבעייתית ביותר בפלזמות לחץ אטמוספריות, המשפיעות באופן קריטי על הכימיה של הפלזמה.
5. נקו את קווי אספקת הגז לפני הטיפול על פני השטח, כדי להפחית זיהומים בצינורות. כדי לעשות זאת, או פשוט להגדיר זרימת גז מתונה של כ 1000 sccm הליום לשטוף את קווי האספקה או, רצוי, שוב ושוב לשאוב ולמלא את קווי האספקה (כשלוש פעמים).
   הערה: כאשר פשוט לשטוף את קווי אספקת הגז, ייתכן שיהיה צורך שעות מרובות כדי לנקות את המערכת, בהתאם למצב הזיהום.
6. הוסף מלכודת מסננת מולקולרית או מלכודת קרה (למשל, באמצעות חנקן נוזלי) לקווי אספקת הגז כדי להפחית עוד יותר את הלחות בגז ההזנה.
7. אם, במקום זאת, כמות מבוקרת של מים רצויה כמו ריאגנט, להוסיף bubbler למערכת^26,27.
8. שקול להגדיר אטמוספירה מבוקרת לניסוי שלך כמו שינויים בהרכב של אטמוספרת הסביבה עשוי להשפיע על תגובות כימיות בשפחת הפלזמה.
   הערה: אפקט זה הוא ככל הנראה לא בולט מאוד עבור COST-Jet²⁸, שכן תצורת השדה החשמלי מגבילה את הפלזמה לחלק הפנימי של ערוץ הפריקה, אך עשויה לשחק תפקיד חשוב עבור התקני CAP אחרים שבהם הפלזמה הפעילה נמצאת בחלקה מחוץ למכשיר.

2. הרכבה והגדרת המכשיר

1. חבר את מכשיר COST-Jet לאספקת גז. חבר ישירות את המכשיר לצינורות סווגלוק מפלדת אל-חלד בגודל 1/4 אינץ'. השתמש במתאמים לתקני צינורות שונים.
2. חבר את ה- Cost-Jet לאספקת החשמל באמצעות כבל BNC מוגן המצויד במחבר SMC.
3. חבר את הבדיקות החשמליות המשולבות לאוסקילוסקופ כדי לפקח על מתח וזרם באמצעות נגד 50 אוהם כסיום.
4. פתח את דיור COST-Jet וחבר גשושית מתח מסחרית מתוגמלת כראוי לקו הנחושת המופעל, כמו גם חלק מקורקע של הסילון (למשל, צינור הגז סווגלוק) והאוסקילוסקופ.
5. ביצוע שגרת כיול בדיקה: החל מתח קטן על COST-Jet וכוון את הקבל המשתנה של מעגל ה- LC באמצעות מברג כדי להגיע לצימוד האופטימלי (למקסם את המתח הנמדד). בצע כיול מתח על-ידי השוואת המתח בפועל (בדיקה מסחרית) למתח הנמדד (בדיקה מיושמת) באמצעות רגרסיה ליניארית וחישוב קבוע כיול. הסר את גשושית המתח המסחרית וסגור את הדיור COST-Jet.
6. שוב, להחיל מתח קטן על COST-Jet ולכוון את הקבל המשתנה של מעגל LC באמצעות מברג כדי להגיע צימוד אופטימלי.
7. הצתת פלזמה בהתקן COST-Jet: ראשית, להגדיר קצב זרימת גז של כ 1 סל"ד של הליום באמצעות בקרי זרימת מסה (MFCs). פתח את השסתום בין מערכת אספקת הגז לבין עלות-Jet האחרון. לאחר מכן, להחיל מתח נמוך על האלקטרודות ולהגדיל את המשרעת עד הפלזמה מתצתה.
8. אם, עם ההצתה הראשונה, האלקטרודות טמאות ומעכבות את ההצתה, להחיל מתח ראשוני גבוה ולהפחית אותו במהירות לאחר ההצתה. לחלופין, השתמש באקדח ניצוץ כדי להקל על הצתה ראשונה קלה יותר.
9. הגדר את הפרמטרים של בקרת הפעולה (זרימת גז, מתח מוחל) לערכים הרצויים.
10. תן את ההתקנה קצת זמן חימום כדי לאפשר ייצוב תרמי (כ. 20 דקות) כדי להבטיח תנאי פעולה יציבים לשחזור.
11. כדי לשנות את הרכב הגז במהלך הניסויים, לאפשר זמן שיווי משקל של כ -2 דקות בהתאם למערך אספקת הגז.
    הערה: ה- Cost-Jet מוכן כעת ליישום.

3. מדידת הספק

1. חבר את האוסצילוסקופ ניטור המתח והזרם החלים על COST-Jet למחשב.
2. התקן את תוכנת 'עלות צג צריכת חשמל' למחשב²⁹ המאפשרת ניטור הספק בזמן אמת^11,19.
3. התאם את התקשורת בין התוכנה לבין oscilloscope על ידי יישום הפקודות הנדרשות לשליטה באוסצילוסקופ הספציפי.
4. הפעל את תוכנת צג צריכת החשמל COST ועבור לחלוני 'הגדרות'. מלא את הערוצים הנכונים המחוברים לאוסצילוסקופ ואת קבוע הכיול שנקבע בשלב 2.4.
   הערה: ניתן להשתמש בלחצן חיפוש כדי לחשב באופן אוטומטי את גורם הכיול אם בדיקת המתח המסחרית מחוברת ל- COST-Jet.
5. שנה לחלונית 'טאטוא'. קח שלב התייחסות בזמן שהפלזמה עדיין כבויה על-ידי לחיצה על לחצן חפש. כבה את זרימת הגז לפני מדידה זו והחל מתח הנמצא בטווח המתחים האופייני המשמש לפעולה בפועל של הפריקה מכיוון שהפלזמה לא תתפוצץ באוויר עקב מתח הצתה גבוה בהרבה בהשוואה לתערובות גז הנשלטות על ידי גז אצילי. השתמש במדידה זו כדי לתקן באופן אוטומטי את הסטת הפאזה היחסית בין בדיקות מתח לזרם, בהנחה ששלב של 90° של הקבל המושלם כאן.
6. לחץ על לחצן התחל והשהה כדי להתחיל או להשהות את המדידות החשמליות.
7. הפעל את עלות-סילון כרצונו. השתמש בחשמל בפועל המחושב משרעת מתח וזרם, כמו גם את הסטת הפאזה שלהם, המוצגים ברציפות בתוכנה לניטור וכפרמטר בקרה.

4. טיפול (מוצק) על פני השטח

1. תגדירו אווירה מבוקרת לניסוי שלכם.
   הערה: במקרה של COST-Jet, האטמוספירה המבוקרת פחות חשובה מאשר עבור מקורות עם כימיית פלזמה פעילה מחוץ לערוץ הפריקה הסגור.
2. נקה את קווי אספקת הגז כמתואר בשלב 1.5.
3. הגדר את הפרמטרים ההפעלה הרצויים ולחכות כ 20 דקות עד עלות סילון מגיע לטמפרטורה יציבה.
4. בחר את המרחק בין COST-Jet לבין המשטח המטופל כמו המרחק קובע את כמות המינים תגובתי פוגע על פני השטח^{המטופלים 30}. השתמש בשלב xyz כדי לעלות על המצע למניפולציה קלה.
   הערה: עבור COST-Jet, פער הבטיחות מוסיף מילימטר אחד נוסף למרחק בין הפרשות הפלזמה לבין פני השטח המטופלים.
5. התחל את זמן הטיפול: או פשוט להפעיל את הפלזמה או להשתמש תריס מכני. שים לב להגזמה אפשרית של מתח במהלך אירוע המיתוג המוביל לפריקה מכווצת. לשליטה טובה יותר בטווח הטרנס, השתמש בתריס הניתן לסיבוב.
6. לטפל במדגם למשך פרק הזמן הרצוי ולסיים את זמן הטיפול על ידי כיבוי הפלזמה או על ידי שימוש בתריס.
7. במידת הצורך, בדוק את דפוס זרימת הגז מול המטרה באמצעות הדמיית שלירן בעת טיפול במצע כהשפעות של טעינת פני השטח, כוחות גרירת יונים או ערבוב אוויר סביבתי עקב ציפה יכולים להשפיע על כמות המינים תגובתיים המגיעים לפני השטח.

5. טיפול נוזלי

1. תציב אטמוספירה מבוקרת לניסוי.
2. נקה את קווי אספקת הגז כמתואר בשלב 1.5.
3. הגדר את פרמטרי ההפעלה הרצויים והמתן כ-20 דקות עד שהמטוס יעלה לטמפרטורה יציבה.
4. בחר את המרחק בין ה- COST-Jet לבין הנוזל המטופל.
5. יוצקים את הנוזל לטיפול לתוך מיכל נאות. השתמש בחומר אינרטי כדי למנוע תגובות של מינים תגובתיים שנוצרו פוטנציאלית בנוזל עם המיכל. בחר את גודל המיכל בהתאם לנפח הנוזל המטופל.
6. שקול את ההשפעה של זרימת הגז על פני השטח הנוזלי: בהתאם לקצב זרימת הגז, להיות מודעים למניסקוס קער שעלול להיווצר, ובכך לשנות את המרחק בין פלזמה לפני השטח הנוזלי.
7. תתחיל את הטיפול. הימנע נחשולי לחץ על פני השטח של הנוזל שנגרם על ידי שינוי פתאומי בזרימת הגז כמו זה יכול לגרום התזות נוזל לתוך גיאומטריית הפריקה, אולי גורם קצר ובוודאי לזהם את הפלזמה. במקום זאת, השתמש בתריס מכני או לאט להגדיל את זרימת הגז.
8. קח בחשבון ערבוב / ערבוב של הנוזל עקב חיכוך בין זרימת גז נייטרלי ומשטח נוזלי כמו זה משפיע על תהליכי הובלה ופרופילי ריכוז בנוזל. בנוסף, בהתאם לזמן הטיפול, נכון לאידוי נוזל במהלך הטיפול (למשל, בעת חישוב קבועי תגובה). בהתאם למקור הפלזמה, להיות מודעים לאידוי זה עלול לגרום צימוד בחזרה לפריקה, ובכך לשנות את הכימיה פלזמה.
9. אנא שקול גם כי תגובתיות עם ריאגנטים אפשריים בנוזלים מושפעת גם מפעילות פני השטח של סוכן זה. לכן, במקרים מסוימים, פעילי שטח עשויים לשחק תפקיד חשוב באינטראקציה בין מינים קצרי מועד ונוזלים.

באמצעות השיטות והציוד שתוארו לעיל, יישמנו למופת את ה- COST-Jet על משטחים ונוזלים שונים. איור 1 מציג את ההתקנה הניסיונית המשמשת לטיפול כולל אספקת החשמל, מערכת אספקת הגז, בדיקות המתח והזרם וכן אטמוספרה מבוקרת ותריס מכני.

איור 1: התקנה ניסיונית המשמשת לטיפול בפלזמה במשטחים ונוזלים באמצעות ה-COST-Jet. מלכודת קרה משמשת לטיהור גז ההזנה. האטמוספירה המבוקרת מתממשת על ידי תא ואקום שאוב בלחץ אטמוספרי. התריס המכני מאפשר ניהול זמן של טיפול משטח מוצק ונוזל. השלב הגמיש מאפשר שליטה על המרחק בין סילון הפלזמה לפני השטח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

באמצעות גשושית המתח והזרם המיושמת ב- COST-Jet, ניתן לחשב את הכוח החשמלי המתפוגג. איור 2 מציג את העוצמה החשמלית הנמדדת בפלסמת הליום שנוצרת בחמישה התקני עלות-סילון שונים באמצעות זרימת גז של 1 סל"ד. כל ההתקנים מראים אופן פעולה דומה. הסטייה בין המכשירים השונים נובעת מחוסר הוודאות של מדידת הכוח, כמו גם מהבדלים מיקרוסקופיים בכיוונונים כגון מרחק האלקטרודה. מדידות מפורטות יותר של מינים תגובתיים (למשל, חמצן אטומי ואוזון), טמפרטורה וכוח כמו גם מדידות פעילות חיידקית בוצעו על ידי רידל²².

איור 2: כוח מתפוגג כפונקציה של מתח יישומי בפלסמת הליום. הנתונים מייצגים חמישה התקני עלות-Jet זהים³⁴. הסטיות הקטנות במתחים גבוהים נובעות מחוסר הוודאות של המדידה, כמו גם סטיות קטנות בגיאומטריה של ערוץ פריקה גז²². אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3 מציג את פרופיל החריטה של סרט a:C-H לטיפול של 3 דקות עם COST-Jet באמצעות זרימת גז של הליום ב-1.4 סל"ד עם תפונת חמצן של 0.5% הנמדדת באמצעות רפלקטור ספקטרוסקופי הדמיה³¹. תבנית החריטה מראה מבנה מעגלי המייצג את הסימטריה הגלילית של שפך הפלזמה. בהתבסס על פרופילי תחריט בשילוב עם סימולציות מספריות, ניתן להעריך את הסתברות אובדן פני השטח לחמצן אטומי.

איור 3: פרופיל חריטה של סרט a:C-H שטופלו בפלזמה. הטבילה בסרט נחרטה בתערובת גז של הליום 1.4 סלאם עם תערובת של 0.6% חמצן במתח של 230 V_{rms וזמן} טיפול של 3 דקות.³¹אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4 מראה את מערבולות הנוזל הנגרמות על ידי זרם הגז המעכב את פני הנוזל. יריעת לייזר המאירה חלקיקי מעקב בנוזל מאפשרת להתבונן במסלול ובמהירות של חלקיקים אלה באמצעות ולוקסימטריה של תמונת חלקיקים ולכן ללמוד את זרימת הנוזל³². חשוב לשקול צפיפות דומה של חלקיקי הזריעה והנוזל, כך שהמסלולים של החלקיקים מייצגים את תנועת הנוזלים. עם הדמיה זו של מדידות זרימת הנוזל וסימולציות מספריות ניתן להשוות³³. מערבולות נובעות חיכוך פני השטח בין זרימת גז שפכים ומשטח נוזלי. איור 4 מראה גם את הדיכאון המתרחש של פני השטח הנוזליים מתחת לתעלת הגז של סילון הפלזמה, מה שנקרא מניסקוס. זה מדמיין על ידי קו כחול.

איור 4: צילום של חלקיקי קורנפלור מוארים ב-3 מ"ל מים שזרימת הגז עוררה. מערבולות נובעות חיכוך פני השטח בין זרימת גז שפכים ומשטח נוזלי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

כאן, אנו מדגימים את השימוש במטוס פלזמה בלחץ אטמוספרי לטיפולים על פני השטח של חומרים שונים. ההתקנה הניסיונית של מטוס פלזמה בלחץ אטמוספרי יכולה להשפיע רבות על פרמטרי הפלזמה, הכימיה והביצועים וכתוצאה מכך משפיעה על התוצאה של טיפולי פלזמה והיא צעד קריטי בפרוטוקול.

כדוגמה, קווי אספקת הגז ממלאים תפקיד חשוב לגבי הזיהום הנפוץ ביותר בגז ההזנה של הפלזמה שהוא לחות. בפרט, הייצור של מינים חנקן תגובתי בפלזמה מופחת בעוד ייצור מינים חמצן תגובתי מועדף, בשל אנרגיית יינון נמוכה של חמצן לעומת מולקולות מים וחנקן³⁵. חורף²⁴ גילה כי לחות גז להאכיל שמקורו מולקולות מים על פני השטח של הצינור הפנימי הוא סדר גודל גבוה יותר באמצעות צינורות פולימריים לעומת צינורות מתכת בשל נקבוביות גבוהה יותר ויכולת אחסון. זה יכול להיות מופחת על ידי שטיפה הקווים עם גז הזנה. עם זאת, ייבוש הקו על ידי שטיפה לוקח כמה שעות. לכן, צינורות פולימריים יש להימנע או לפחות נשמר קצר ככל האפשר. ממצאים אלה מודגשים על ידי מחקרים מ Große-Kreul²⁵. הם השוו את ההשפעה של צינורות פוליאמיד ונירוסטה על הכימיה פלזמה באמצעות ספקטרומטריית מסה. המדידות שלהם מאשרות היווצרות יונים של אשכול מים בפלזמה עקב סילוק מים מצינורות פולימריים וזמנים מהירים יותר של ייבוש עם צינורות מתכת. בנוסף, הם חקרו את ההשפעה של שיטות טיהור גז כגון מלכודת מסננת מולקולרית ומלכודת חנקן נוזלית קרה על הכימיה של הפלזמה אשר סייע להפחית את כמות זיהומים על ידי כשני סדרי גודל.

במקום לנסות לטהר את גז ההזנה, יש גם את הגישה של הוספת כמות מבוקרת של לחות. כמו טומה מכוונת זו שולטת אז על זיהומים טבעיים ובכך שולט הכימיה פלזמה, תנאים לשחזור מובטחים כל עוד כמות הלחות הנוספת ידועה במדויק.

עבור ההצתה של הפריקה, המתח להחיל על האלקטרודות בדרך כלל יכול פשוט להיות מוגבר עד לנקודת הפירוק. עם זאת, בהתאם לתנאי השטח של האלקטרודות, לפעמים יש צורך במתח גבוה. כדי להקל על ההצתה, ניתן להשתמש באקדח ניצוץ מתח גבוה. זה יכול להיות שימושי גם בעת ניסיון להצית פריקה ארגון ב COST-Jet.

לפני החלת ה- COST-Jet על משטחים כלשהם, יש להקצות מספיק זמן כדי שהמכשיר ישתוות. כאשר מוגדרים לפרמטרים הרצויים של הבקרה, עלות-Jet צריך כ 20 דקות כדי להגיע לתנאים יציבים¹¹. במהלך תקופה זו, הטמפרטורה של המכשיר, טמפרטורת הגז, כמו גם הכימיה פלזמה מגיעים למצב יציב.

לשם השוואה של תוצאות מדעיות, פרמטרים דומים בקרת פלזמה נחוצים. למדידת כוח הקלט החשמלי, ניתן להשתמש בצג החשמל COST²⁹. התוכנה היא קוד פתוח ותואם עם מגוון של סוגים שונים של אוסצילוסקופים. התוכנה פועלת על פי העיקרון המתואר על ידי גולדה¹⁹.

בנוסף להשפעת לחות גז ההזנה על הכימיה של הפלזמה, הובלת מינים תגובתיים מהפלזמה למצע ממלאת תפקיד חשוב בהרכב הקולחים והיא צעד קריטי נוסף בפרוטוקול. האטמוספירה שמסביב יכולה להשפיע על המינים שנוצרו בפלזמה בדרכם למצע. כדי למזער השפעה זו, נעשה שימוש בשני מושגים שונים: (i) ראשית, ניתן להקים אטמוספירה מבוקרת המורכבת מגז ההזנה. לכן, הרכב האטמוספירה שמסביב יכול להישמר קבוע. בהתאם לרמת הטוהר הנדרשת לטיפול, ניתן לממש את האווירה המבוקרת באמצעות בתי הגנה המצוידים בשסתום חד כיווני למניעת לחץ יתר. עבור רמות טוהר גבוהות יותר, תא ואקום עם משאבה ניתן להשתמש. (ii) שנית, ניתן ליצור אטמוספרה מבוקרת באמצעות וילון גז מגן סביב שפך הפלזמה^36,37. בדרך כלל, הוא מורכב גז אינרטי, אבל זה יכול להיות גם מגוון על פי הצרכים של היישום.

למרבה המזל, עבור COST-Jet, ההשפעה של האווירה שמסביב נמוכה יחסית. באמצעות תיוג איזוטופי, גורבנב הראו כי עבור מטוס פלזמה בתצורת שדה מקביל, מינים חמצן תגובתי וחנקן להגיע משטח נוזלי נוצרו בשלב גז הפלזמה, כמו גם באזור בין זרבובית הפלזמה ואת המדגם^38,39. לעומת זאת, באמצעות אותה טכניקה עבור COST-Jet, הם גילו כי RONS מקורו כמעט אך ורק משלב הפלזמה במקום הסביבה שמסביב²⁸. זה כנראה בגלל השדה החשמלי להיות מרותק לערוץ הפלזמה של פריקה עלות-Jet. זה עושה את הפרשת הפלזמה במידה רבה עצמאית של הסביבה שלה ונותן לו אופי מרוחק מסוים.

עבור סילון פלזמה שדה חשמלי אורך, Darny et al.⁴⁰ הראו כי הקוטביות של השדה החשמלי משנה את דפוס זרימת הגז ובכך גם על מינים תגובתי שמגיעים למטרה עקב רוח יונית. התלות של צפיפות המינים תגובתי על הסביבה אושרה על ידי מדידות על ידי Stancampiano ואח^'7. הם דיווחו על ההבדל במספר המינים תגובתיים שנוצרו במים המטופלים בהתאם למאפיינים החשמליים. כדי לפצות על הבדלים אלה, הם היו צריכים ליצור מעגל חשמלי מפצה. התנהגות זו שונה עבור COST-Jet: איור 5 משווה תמונות של שלירן של ה-COST-Jet ללא מתח שימושי ובמהלך הפעולה עבור שני תעריפי זרימת גז שונים. התמונות צולמו באמצעות יישור מוטבע מראה יחיד כפי שתואר על ידי קלי⁴¹. הם מראים כיצד שפך COST-Jet מיושר אופקית פוגע במצע זכוכית שטוח. שתי התמונות מראות בדיוק את אותה תבנית זרימת גז. זה נובע מהיעדר רוח יונית בשל היעדר מינים טעונים בשפחת הפלזמה.

בנוסף, ה- COST-Jet מציג תבנית זרימה למינארית מאוד. קלי⁴¹ הראה תמונות של שלירן דומות לאלה שהוצגו באיור 5, עבור שיעורי זרימת גז שונים. אפילו בקצב זרימת גז גבוה יחסית של 2 סל"ד, שפך הפלזמה לא מראה סימנים של מערבולת. בקצב זרימת גז נמוך מאוד של 0.25 סל"ד ומתחת, הציפה של שפך הליום מתחילה לשחק תפקיד. עם זאת, עד 4 - 5 מ"מ מרחק מן הזרבובית, האטמוספירה הסביבה אינה משפיעה על הרכב הגז להגיע לפני השטח כפי שהדגים Ellerweg באמצעות ספקטרומטריית מסה¹⁷.

כל המאפיינים הנ"ל מוסיפים לתו המרוחק של ה- COST-Jet. זה הופך אותו למועמד אידיאלי לטיפול מבוקר, דומה של משטחים.

איור 5: תמונות של שלירן של ה-COST-Jet עם ובלי מתח שימושי עבור שני תעריפי זרימת גז שונים. במהלך פעולת פלזמה, דפוס זרימת הגז דומה בדיוק לתבנית עם זרימת הגז בלבד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

בהתאם להשפעה הרצויה על המדגם המטופל, ניתן להתאים בהתאם את תערובת זרימת הגז של פרמטרי הבקרה, הכוח החשמלי המוחל והמרחק בין מקור הפלזמה לפני השטח. עבור COST-Jet, מסד נתונים ספרותי רחב של מחקרים החוקרים מינים תגובתיים בשחים קיים. כדוגמה, וילמס³⁰ מדד את צפיפות החמצן האטומי באמצעות ספקטרומטריית מסה ואילו שניידר⁴² מדד את צפיפות החנקן האטומית בשומר.

הטיפול בנוזלים עם פלזמת לחץ אטמוספרי יכול לגרום למגוון מנגנוני תגובה אפשריים המונעים על ידי מינים תגובתיים, יונים, פוטונים או שדות חשמליים. בשל המאפיינים שתוארו בעבר של COST-Jet, ההשפעה של השדה החשמלי, היונים והפוטונים הם זניחים בהשוואה למקורות פלזמה שבהם הפלזמה נמצאת במגע ישיר עם נוזלים. לכן, לחקר ההשפעה של מינים תגובתיים קצרי מועד כמו חמצן אטומי על פתרון פנול, מטוס העלות שימש את הפני⁴³ ובנדיקט⁴⁴. יתר על כן, ה- COST-Jet מספק אפשרות נוחה להשוות ניסויים וסימולציות מספריות של טיפול נוזלי²⁸. כמו האינטראקציה בין פלזמה לנוזל נשלט על ידי זרימת הגז של מינים תגובתיים מפלזמה אל פני השטח הנוזליים, המורכבות מודל ניתן להפחית.

זרימת הגז המושרה ערבוב של הנוזל מגביר את קצב התגובה בין מינים תגובתי שנוצרו פלזמה לבין הנוזל. בניגוד לטיפולים פני השטח של מוצקים, convection של הנוזל משנה כל הזמן את הריכוז המקומי של מגיבים. בנוסף, שיעורי התגובה בין מינים שנוצרו פלזמה עם מגיבים בנוזל מושפעים גם על ידי פעילות פני השטח של מגיבים אלה. עם פעילות פני השטח הגוברת, הריכוז של המגיב על פני השטח הנוזליים עולה. חומרים פעילי שטח אלה עשויים לשחק תפקיד חשוב בתגובה של מינים קצרי מועד שנוצרו על ידי הפלזמה.

לצד ערבוב זרימת הגז המעכבת על פני הנוזל גם מעורר אידוי אשר יש לקחת בחשבון. שימוש ב- COST-Jet עם זמני טיפול קצרים האידוי עשוי לשחק תפקיד שולי, אם כי עדיין יש לשקול לחישוב שיעורי תגובה נכונים. הפריקה של COST-Jet אינה מושפעת מההתאדות ולכן גם הכימיה של הפלזמה אינה מושפעת. עבור מקורות פלזמה שונים, כאשר למשל הפלזמה נמצאת במגע ישיר עם נוזל, הכימיה פלזמה משתנה באופן משמעותי עם אידוי כפי שמוצג על ידי טיאן וקושנר⁴⁵ עבור פריקת מחסום דיאלקטרי. כמו כן, עבור kINPen, השפעה של אידויים נקבע⁴⁶.

מלבד הבדלים שהוזכרו בכימיה פלזמה כי צריך להיחשב עבור מקורות פלזמה שונים, גם את הטופולוגיה של המניסקוס המושרה על ידי זרם גז על שינויים משטח נוזלי. העומק של המניסקוס הזה תלוי בדרך כלל במהירות הגז. עבור מקורות פלזמה שבו תצורת האלקטרודה גורמת לשדה חשמלי משמעותי להגיע לנוזל או אפילו עם פלזמה במגע עם הנוזל, מניסקוס זה יכול להיות^{מוגבה 47,48}. כפי שמוצג, מספר אפקטים צריך להיחשב על פי מקור הפלזמה בשימוש.

בעתיד, פרוטוקול זה יכול לשמש כדי לנהל ולתאר טיפולים משטח ונוזל באמצעות COST-Jet. זהו מקור פלזמה יציב, לשחזור המציג אופי מרוחק ייחודי בין שפע של עיצובים סילון פלזמה שונים. אותן שיטות אינן מוגבלות למקור COST-Jet בלבד וניתן לשנות ולהתאים אותן לשימוש עם כל מקור פלזמה בלחץ אטמוספרי קר.

למחברים אין מה לחשוף.

המחברים מודים לוולקר רוהוור (המכון לפיזיקה ניסויית ויישומית, אוניברסיטת קיל) על העזרה בציוד. העבודה נתמכה על ידי DFG בתוך CRC 1316 פלזמות אטמוספריות חולפות, בפרויקט פלזמות אטמוספריות קרות לחקר מנגנוני אינטראקציה בסיסיים עם מצעים ביולוגיים (PROJECT-ID BE 4349/5-1), ובפרויקט תחמוצת החנקן שנוצרה על ידי פלזמה בריפוי פצעים (Project-ID SCHU 2353/9-1).