Name: an atmospheric pressure plasma setup to investigate the reactive species formation
Uploaded: 2016-11-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 36 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation at JoVE.com

The authors thank Chris Mortimer, Chris Rhodes (Department of Chemistry workshops) and Kari Niemi (York Plasma Institute) for their help with the equipment. The work was supported by the Leverhulme Trust (grant No. RPG-2013-079) and EPSRC (EP/H003797/1 &amp; EP/K018388/1).

1. Abschirmung des Plasma-Setup <ol><li> Positionieren Sie alle Teile der elektrischen Umgebung im Inneren des Käfigs: Stromversorgung, Spannungs- / Stromzähler, Stromkabel, Plasmaelektroden, Plasmastrahl, usw. </li><li> Stellen Sie sicher, dass der Raum innerhalb des Käfigs ausreichend ist, so daß die lebenden Elektrode, der Masseelektrode und der jeweiligen Kabel nicht in Kontakt miteinander oder Metallgewebe sind. </li><li> Rüsten Sie den Käfig mit einer Verriegelung an der Plasmastromversorgung angeschlossen, um das Risiko eines elektrischen Schlags von der Hochspannungselektrode während des Plasmabetriebs zu vermeiden. </li><li> Platzieren Sie die Spannung und die Frequenz steuert auf der Außenfläche des Käfigs Änderung der Parameter zu ermöglichen, ohne den Plasmabetrieb zu unterbrechen. </li><li> Alle Metall unterstützt innerhalb des Mesh-Käfig und der Käfig selbst, indem sie mit einem Massebond Stecker montiert wird. </li></ol> 2. Entlastung Parameter <ol><li> Positionieren Sie die Live-Elektrode unterhalb der Masseelektrode on die Glasröhre (dh näher an dem Rohr - Düse). </li><li> Schließen Sie die Spannungssonde an die Plasmastromversorgung der Betriebsspannung zu messen, und übergeben Sie die Masseelektrode durch die kreisförmige Stromsonde den Rückstrom zu überwachen. </li><li> Schließen Sie sowohl die Spannung und die Stromsonde an ein Oszilloskop, die Überwachung der Strom, die Spannung und die Plasma-Betriebsfrequenz (bestimmt durch entweder der Strom oder der Spannungssonde). </li><li> Stellen Sie den Gasfluss durch das Glasrohr auf 2 slm unter Verwendung der Massendurchflussregler (MFCs). </li><li> Entzünden des Plasmas in einem Glasrohr mit dem Einsatzgas Helium durch sie vorbei an der Plasma-Stromversorgung einschalten. Mit Hilfe der Messwerte von den Sonden, stellen Sie die Spannung und die Frequenz der Entladung bis 18 kV und 25 kHz auf. HINWEIS: Parameter Variationen werden die minimale Spannung, um zu bestimmen durchgeführt und Frequenz, bei der die Entladung mit dem höchsten Molekulargehalt von allen Experimenten auftritt. the molekularen Inhalt erfordert für das Plasma gezündet werden höhere Spannung erhöht. Beachten Sie, dass erhöhte Spannungen in signifikanten Gastemperaturanstieg des Plasmas führen kann, was zu einer erhöhten Verdampfung der flüssigen Probe führt. </li><li> Halten Sie die Spannung konstant in allen Experimenten. </li></ol> 3. Einführung in Beimischungen zu dem Einsatzgas <ol><li> Schließen Sie das zweite MFC an den Hauptspeisegasleitung ein T-Anschluss. </li><li> Um den Wasserdampf zu dem Speisegas hinzuzufügen, richten Sie eine MFC-geregelte Strömung von Helium durch einen Kolben Drechsel mit Wasser gefüllt und positioniert außen (oben oder an der Seite) des Gitterkäfig. </li><li> Erhalten, die eine gewünschte Sättigungsgrad durch die Strömung des Zufuhrgases zu splitten. Direkte 10% der Gasstrom (200 sccm) durch den Drechsel Kolben mit Wasser (H 2 16 O) , um eine 10% Sättigung des Einsatzgases zu erreichen. </li><li> Mit dem T-Verbinder, kombinieren, um diese vollständig wasserdampfgesättigten Gas mit 90% (1800 sccm) von derTrockengasstrom. </li></ol> 4. Der Reaktor <ol><li> Bereiten Sie einen Glasreaktor, bestehend aus zwei Teilen, obere und untere. Rüsten Sie den unteren Teil der mit einem Auspuffrohr. </li><li> Positionieren Sie den Glasreaktor an der Düse des Plasmastrahls. </li><li> Legen Sie die Plasmastrahl-Düse in eine Gummitülle innerhalb der Öffnung in dem oberen Teil des Reaktors. </li><li> Bereiten Sie die Behälter, bestehend aus einem wannenartigen Behälter auf einem Ständer. Machen Sie sowohl den Stand und die auch aus einem dielektrischen Material (zB Glas, Quarzglas). </li><li> Platzieren des Probenbehälters im Inneren des Reaktors, so dass es an die Plasma Abstrom aus der Düse des Strahl ausgesetzt ist. </li><li> Legen Sie eine Flüssigkeit H 2 17 O Probe innerhalb des Probenbehälters. Für den Nachweis der Hydroxylradikale, verwenden , um eine Lösung des 5,5-Dimethyl-1-pyrroline- N -Oxid (DMPO) Spin - Trap (siehe 5.1). HINWEIS: Die Wahl des Spin-Trap sowie die Wahl der flüssigen Probe comKomponenten hängt von den spezifischen untersuchten Spezies. Zum Beispiel ist die Quelle des • OH - Radikals unter Verwendung von H 2 16 O suchten / H 2 17 O und DMPO Spin - Trap. Die Quelle • H Radikal erfordert die Verwendung eines H 2 O / D 2 O (Gas und Flüssigkeit). N -tert-Butyl-α-phenylnitron (PBN) sollten Radikal zum Nachweis der • H verwendet werden. Im Fall von He mit H 2 O Dampfplasma wurde überwiegend Falle Wasserstoffrest gezeigt, während DMPO meist Addukt 15 DMPO-OH gebildet. </li><li> Verbinden Sie die beiden Reaktorteile über den Boden Glasoberflächen Kontakt. </li></ol> 5. Spin Trapping von Radikal-Spezies <ol><li> Herstellung der Lösungen der ausgewählten Spinfalle mit der erforderlichen Konzentration. Für wässrige Lösungen, verwenden Sie de-ionisiertes Wasser. Für Nitron Spinfallen (wie DMPO), verwenden, um eine Konzentration von 100 mM. </li><li> Vorspülen, den Reaktor mit dem Einsatzgas (2 slm) für 30 Sekunden. </li><li> Ignite das Plasma (siehe 2.5) und setzen die flüssige Probe in das Plasma Abwasser für einen bestimmten Zeitraum (zB 60 sec). </li><li> Nach einer Belichtungszeit erforderlich ist, schalten Sie die Plasma-Leistungsversorgung und öffnen Sie den Reaktor ab. Entfernen Sie den Probenbehälter aus dem Reaktor. </li><li> Sammeln Sie die Probe und analysieren sie die Elektronenspinresonanz - Spektroskopie (EPR) 15. </li></ol>

<ol>
	<li>Boxhammer, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bactericidal+action+of+cold+atmospheric+plasma+in+solution.">Bactericidal action of cold atmospheric plasma in solution.</a> New J. Phys. 14, 113042 (2012).</li><li>Graves, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+emerging+role+of+reactive+oxygen+and+nitrogen+species+in+redox+biology+and+some+implications+for+plasma+applications+to+medicine+and+biology.">The emerging role of reactive oxygen and nitrogen species in redox biology and some implications for plasma applications to medicine and biology.</a> J. Phys. D: Appl. Phys. 45, 263001 (2012).</li><li>von Woedtke, T., Reuter, S., Masur, K., Weltmann, K. -. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmas+for+medicine.">Plasmas for medicine.</a> Phys. Rep. 530, 291-320 (2013).</li><li>Machala, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+ROS+and+RNS+in+Water+Electro-Sprayed+through+Transient+Spark+Discharge+in+Air+and+their+Bactericidal+Effects.">Formation of ROS and RNS in Water Electro-Sprayed through Transient Spark Discharge in Air and their Bactericidal Effects.</a> Plasma Proc. Polym. 10, 649-659 (2013).</li><li>Lu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactive+species+in+non-equilibrium+atmospheric-pressure+plasmas:+Generation,+transport,+and+biological+effects.">Reactive species in non-equilibrium atmospheric-pressure plasmas: Generation, transport, and biological effects.</a> Phys. Rep. 630, 1-84 (2016).</li><li>Takamatsu, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microbial+Inactivation+in+the+Liquid+Phase+Induced+by+Multigas+Plasma+Jet.">Microbial Inactivation in the Liquid Phase Induced by Multigas Plasma Jet.</a> PLoS One. 10, 0132381 (2015).</li><li>Ahlfeld, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inactivation+of+a+Foodborne+Norovirus+Outbreak+Strain+with+Nonthermal+Atmospheric+Pressure+Plasma.">Inactivation of a Foodborne Norovirus Outbreak Strain with Nonthermal Atmospheric Pressure Plasma.</a> mBio. 6, 02300 (2015).</li><li>Hirst, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-temperature+plasma+treatment+induces+DNA+damage+leading+to+necrotic+cell+death+in+primary+prostate+epithelial+cells.">Low-temperature plasma treatment induces DNA damage leading to necrotic cell death in primary prostate epithelial cells.</a> Brit. J. Cancer. 112, 1536-1545 (2015).</li><li>Norberg, S. A., Tian, W., Johnsen, E., Kushner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atmospheric+pressure+plasma+jets+interacting+with+liquid+covered+tissue:+touching+and+not-touching+the+liquid.">Atmospheric pressure plasma jets interacting with liquid covered tissue: touching and not-touching the liquid.</a> J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 475203 (2014).</li><li>Greb, A., Niemi, K., O'Connell, D., Gans, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energy+resolved+actinometry+for+simultaneous+measurement+of+atomic+oxygen+densities+and+local+mean+electron+energies+in+radio-frequency+driven+plasmas.">Energy resolved actinometry for simultaneous measurement of atomic oxygen densities and local mean electron energies in radio-frequency driven plasmas.</a> Appl. Phys. Lett. 23, 234105 (2014).</li><li>Wagenaars, E., Gans, T., O'Connell, D., Niemi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-photon+absorption+laser-induced+fluorescence+measurements+of+atomic+nitrogen+in+a+radio-frequency+atmospheric-pressure+plasma+jet.">Two-photon absorption laser-induced fluorescence measurements of atomic nitrogen in a radio-frequency atmospheric-pressure plasma jet.</a> Plasma Sources Sci. Technol. 21, 042002 (2012).</li><li>Abd-Allah, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+spectrometric+observations+of+the+ionic+species+in+a+double+dielectric+barrier+discharge+operating+in+nitrogen.">Mass spectrometric observations of the ionic species in a double dielectric barrier discharge operating in nitrogen.</a> J. Phys. D: Appl. Phys. 48, 085202 (2015).</li><li>Takamatsu, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+reactive+species+using+various+gas+plasmas.">Investigation of reactive species using various gas plasmas.</a> RSC Adv. 4, 39901-39905 (2014).</li><li>Uchiyama, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EPR-Spin+Trapping+and+Flow+Cytometric+Studies+of+Free+Radicals+Generated+Using+Cold+Atmospheric+Argon+Plasma+and+X-Ray+Irradiation+in+Aqueous+Solutions+and+Intracellular+Milieu.">EPR-Spin Trapping and Flow Cytometric Studies of Free Radicals Generated Using Cold Atmospheric Argon Plasma and X-Ray Irradiation in Aqueous Solutions and Intracellular Milieu.</a> PloS One. 10, e0136956 (2015).</li><li>Gorbanev, Y., O'Connell, D., Chechik, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-thermal+plasma+in+contact+with+water:+The+origin+of+species.">Non-thermal plasma in contact with water: The origin of species.</a> Chem. Eur. J. 22, 3496-3505 (2016).</li><li>Schmidt-Bleker, A., Winter, J., Iseni, S., Rueter, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactive+species+output+of+a+plasma+jet+with+a+shielding+gas+device+-+Combination+of+FTIR+absorption+spectroscopy+and+gas+phase+modelling.">Reactive species output of a plasma jet with a shielding gas device - Combination of FTIR absorption spectroscopy and gas phase modelling.</a> J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 145201 (2014).</li><li>Schmidt-Bleker, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+plasma+chemistry+of+a+cold+atmospheric+argon+plasma+jet+with+shielding+gas+device.">On the plasma chemistry of a cold atmospheric argon plasma jet with shielding gas device.</a> Plasma Sources Sci. Technol. 25, 015005 (2015).</li><li>Lide, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> CRC Handbook of Chemistry and Physics. , (1992).</li><li>Tsuchiya, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nitric+oxide-forming+reactions+of+the+water-soluble+nitric+oxide+spin-trapping+agent,+MGD.">Nitric oxide-forming reactions of the water-soluble nitric oxide spin-trapping agent, MGD.</a> Free Radic. Biol. Med. 27, 347-355 (1999).</li><li>Robert, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rare+gas+flow+structuration+in+plasma+jet+experiments.">Rare gas flow structuration in plasma jet experiments.</a> Plasma Sources Sci. Technol. 23, 012003 (2014).</li><li>Allen, T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxygen+inhibition+of+the+polymerization+of+styrene.">Oxygen inhibition of the polymerization of styrene.</a> J. Appl. Chem. 4, 289-290 (1954).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Hier zeigen wir die Verwendung eines in-Haus gebaut Atmosphärendruck-Plasma-Setup. Das Metallmaschenkäfig hilft mit minimierten Störung von äußeren Feldern, die gleichzeitig den Schutz in der Nähe empfindlicher Geräte vor möglichen Störungen und / oder Schäden durch irgendwelche plasmainduzierten Felder reproduzierbaren Plasmabedingungen zu erreichen. Die Abschirmung (caging) der Einrichtung hängt von der Art der betriebenen Plasma und seine elektrischen Eigenschaften. Das Ziel ist die Abwesenheit von externen Störungen auf der Plasmabetrieb zu gewährleisten und die Plasma Störfelder mit umgebenden Geräte zu vermeiden. In diesem Fall ist die Maschenweite 22 mm, kann jedoch reduziert Maschenweite für verschiedene Plasmen erforderlich. Die Plasmabetriebsparameter wurden gesteuert, um eine Spannung und eine Stromsonde mit einem Oszilloskop verbunden. Die Einführung der Hochspannungssonde erheblich ändert die elektrische Umgebung, und deshalb muss die Sonde Teil des elektrischen Systems geworden und postulieren werdenioned die gleiche Weise in allen der Experimente. Die Verwendung des Glasreaktor, der Probe und des Plasmastrahls Einkapselung ermöglicht Ausschluß der Umgebungsatmosphäre häufig unbekannter Zusammensetzung aus dem Reaktionssystem. In den vorgestellten Ergebnisse (vide supra), wurde es verwendet, um die Quelle der plasmainduzierten reaktiven Sauerstoffspezies in der wässrigen Probe dem Plasma Abstrom ausgesetzt zu bestimmen. Diese Untersuchung ist möglich, wenn die Moleküle des flüssigen Wassers und das Wasser in dem Beschickungsgas (Dampf) unterschieden werden können. Um zu bestimmen , ob die Hydroxylradikale wurden in der Gasphase oder aus den flüssigen Wassermoleküle gebildet, isotopisch markiertem Wasser eingeführt wurde: H 2 17 O als flüssiges Medium, H 2 16 O - Dampf in dem Speisegas. Wenn ein hypothetischer Experiment wurde in einer offenen Atmosphäre durchgeführt wird, würde zwischen den beiden Phasen unterscheiden, durch die Anwesenheit von Wasserdampf in der Umgebungsluft behindert wurden. Einalternative Methode , um den Einfluss der Umgebungsatmosphäre zu minimieren , wurde in der Literatur gezeigt, in denen die Diffusion der Spezies aus der Atmosphäre in das Plasma Ausfluß verhindert wurde 17 ein Schutzgas verwendet wird . Das Schutzgas (N 2 oder O 2) erzeugt einen Gasvorhang mit einer bekannten Zusammensetzung 18. Der Reaktor in diesem Manuskript dargestellt ist eine einfache Weise, den Einfluß der Umgebungsluft Komponenten (wie Wasserdampf) zu entfernen, und kann mit verschiedenen Plasmastrahlen ohne die Einführung des zusätzlichen Gasstromes verwendet werden. Ähnlich wie bei dem • OH - Radikals, die Quelle des H • Rest kann durch Verwendung eines D 2 O / H 2 O - System bestimmt werden. Die preiswerte D 2 O können auch in dem Speisegas als Dampf , wie oben beschrieben eingeführt werden. Die Sättigung des Gases mit H 2 O - Dampf wurde , bevor durch Wiegen des Drechsel Kolben bestimmt und nach der Strömungsgas eingeblasen through es. Die relative Feuchtigkeit (dh Sättigung) des Gases wird durch die Menge des Wassers verdampft und das Gasvolumen durchlaufen berechnet. Man beachte, dass in längeren Experimenten wurde die Temperatur der Flüssigkeit in dem Drechsel-Kolben aufgrund der Verdampfung kann abnehmen. Die relative Feuchtigkeit ist für eine bestimmte Temperatur berechnet. Die berechneten Werte werden weiter im Vergleich mit denen in der Literatur 19 die relative Feuchtigkeit des Einsatzgases zu bestimmen. Wir haben empirisch herausgefunden, dass ein Strom von bis zu 2 slm He durch einen mit Wasser gefüllten Drechsel Kolben sättigt vollständig das Gas mit Wasserdampf. Jedoch erlauben erhöhten Strömungsraten nicht ausreichend Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeit zur vollständigen Sättigung. Andere Sättigungstechniken erforderlich sein. Eine weitere schwierige Aufgabe ist sicherzustellen, dass keine Umgebungsluft in dem System vorhanden ist. Der Reaktor wird mit dem Einsatzgas vorgespült die Restluft zu entfernen.Die Zeit für die Vorspülung erforderlich wird auf dem Volumen des Reaktors ab und der Strömung des Zufuhrgases. Das Fehlen von äußeren Umgebungsluftverteilung und Mitnahme in das System wie ein Gasplasmasystem Helium Feed kann eine • keine Radikalfänger Reaktion getestet werden. Stickstoffmonoxid erzeugt durch Plasma aus N 2 und O 2 -Moleküle von Luft kann durch EPR als Radikal Addukt des (MGD) 2 Fe 2+ -Komplex 20 (MGD = N - Methyl-D-glucamin dithiocarbamat) nachgewiesen werden. Im Falle der vollständigen Abwesenheit von Luft wird das EPR-Signal des Adduktes nicht beobachtet. Die Abwesenheit von externen Wassermoleküle in den Reaktor kann durch das folgende Experiment demonstriert werden. Eine flüssige Probe von D 2 O wird zu einem trockenen Speisegas Plasma ausgesetzt. Die NMR - Analyse der Nachbelichtung Probe zeigt die Menge an H 2 O in die Flüssigkeit während der Belichtung gebracht. Dies ermöglicht es, die Menge des Rest - H 2 O in der Tubin abzuschätzeng verwendet für das Speisegas 15 in dem Experiment. Der Probenbehälter-Design ist von entscheidender Bedeutung bei der experimentellen Arbeit. Am Anfang haben wir mit Kunststoff und Glas-Mikrozentrifugenröhrchen versucht. Zusammen mit relativ hohen Plasmazufuhrgasstrom, der kleine Durchmesser der Öffnung lässt nicht die umgebende Luft in das Mikrozentrifugenröhrchen durchdringen. Dies hat jedoch viele Nachteile. Das Plasma zeigte Aufwölbung und großen Temperaturanstieg in der Nähe der Ränder des Mikrozentrifugenröhrchens. Die Lieferung der Spezies aus der Gasphase in die Flüssigkeit wurde ebenfalls signifikant weniger effizient aufgrund der unterschiedlichen Gasphasendynamik und der geringen Oberfläche (und große Volumen) der flüssigen Probe. Somit ist die Oberfläche der Flüssigkeitsprobe entscheidend für die Bereitstellung der reaktiven Spezies aus der Gasphase zu der flüssigen Probe. Dies ist besonders wichtig für die kurzlebigen Radikalen. Der Flüssigkeitsprobenbehälter muss daher ausgelegt sein, die freiliegende zu ermöglichenFlüssigkeit mit hoher Oberfläche für eine effiziente Diffusion zu haben. Die Probe sollte auch eine geringe Tiefe haben, die Konvektion bezogenen Einschränkungen der Flüssigkeitsprobe zu minimieren. Es muss berücksichtigt werden , dass Gasströme erhöht und vor allem mit gezündeten Plasma zu erheblichen Störungen an der Oberfläche der flüssigen Probe 21. Daher weist der Probenbehälter eine wannenartige Form mit einem Durchmesser und Tiefe für den speziellen Versuch benötigt. Die Höhe des Ständers, auf dem das gut positioniert ist, kann auf experimentelle Bedürfnisse angepasst werden. Die Gummitülle, durch welche der Plasmastrahl in den Reaktor eingeführt wird, ist es möglich, mit der Flüssigkeit, den Kontaktwinkel des Abstroms zu ändern. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht Untersuchung der Quelle der reaktiven Spezies (• OH, • H, etc.) in der Flüssigkeit durch ein paralleles Feld Plasmastrahl kHz Frequenz induziert. Wobei das Verfahren einen Glasreaktor unter Verwendung des Strahl umgebenden ist nicht auf das beschränkt described Bedingungen, und kann mit anderen Atmosphärendruckplasmen verwendet werden. Das Verfahren ermöglicht Einführung irgendwelcher Zusatzmittel zu dem Speisegas: Dampf, O 2, N 2 usw. Unter ihren anderen Vorteilen ist die Möglichkeit , optische Messungen im Inneren der Durchführung, obwohl in diesem Fall die optische Qualität Quarzglas als Reaktor verwendet werden müssen , Stoff. Das Abgasrohr in den unteren Teil des Reaktors ermöglicht, in praktisch jedem Labor den Plasmastrahl verwendet: das Abgas kann über Kunststoffschlauch zu einer entfernten Abzugshaube verbunden sein. Der Reaktorkonzept ist vielseitig und kann in der Forschung von verschiedenen Plasmen verwendet werden, wo kontrollierte Atmosphäre erforderlich ist. B. Polymerisation von Styrol wird durch die Sauerstoffspezies 22, hemmte aber kann in dem Reaktor beobachtet werden , wenn flüssiges Styrol zu dem Heliumzufuhrgasplasma ausgesetzt wird.

Niedertemperatur - Atmosphärendruckplasmen (LTP) haben eine erhöhte Aufmerksamkeit in den letzten Jahren angezogen aufgrund ihrer großen Potenzial für biomedizinische Anwendungen 1-3. Bei Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre reagiert LTP mit molekularem Gehalt von Luft (N 2, O 2, H 2 O - Dampf), die eine Vielzahl von reaktiven Sauerstoff und Stickstoffspezies (RONS) -2,4 zu erzeugen. Unter diesen sind relativ stabile Spezies (wie Wasserstoffperoxid, Ozon, Nitrit und Nitrat - Anionen) und hochreaktiven Radikalen (• OH, • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Diese Arten, erzeugt zunächst in der Gasphase, werden durch das Plasma auf dem biologischen Substrat 5 geliefert. RONS mit Substraten in Wechselwirkung treten und somit die antimikrobielle, Anti - Krebs und antivirale Wirkung von LTP 6-8 definieren. Die Entwicklung von LTP Therapien erfordert komplexe Modellierung der Reaktionen von9 RONS. Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil des biologischen Milieus und die Reaktionen in der wässrigen Phase, die die Komplexität des Systems erheblich steigern. Die Untersuchung der Gasphasen - Plasma wird allgemein unter Verwendung von verschiedenen analytischen Techniken durchgeführt, einschließlich optischer Emissionsspektroskopie, Laser - induzierte Fluoreszenz, Infrarotspektroskopie, Massenspektrometrie (MS) usw. 10-12. Zur gleichen Zeit, detaillierte Untersuchungen der Spezies in der flüssigen Phase nachgewiesen sind noch knapp. Verfügbaren Berichte beschreiben die Verwendung von verschiedenen analytischen Methoden, wie UV- und Elektronenspinresonanz (EPR) -Spektroskopie, Cytometry, etc. für den Nachweis von RONS in wässrigen Lösungen 13,14. EPR ist einer der direktesten Methoden zur Radikal Detektion in der Flüssigkeit. Allerdings können viele radikale Spezies nicht durch EPR aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer nachgewiesen werden. In diesen Fällen wird Spin Trapping häufig verwendet. Spin eine Technik Einfangen einer Verbindung (Spin-Trap) beteiligt which schnell und selektiv reagiert mit dem Rest , der einen beständigeren Radikaladdukt zu erhalten (zB DMPO mit dem Hydroxyl - Radikal reagiert, DMPO-OH - Addukt bilden). Die gemeinsamen Herausforderungen in Plasma-Flüssig - Wechselwirkungsstudien sind die Unfähigkeit , die Umgebungsatmosphäre um den Plasma Abstrom und andere Störfaktoren (externe Felder, umweltempfindliche Stromversorgungsteile, etc.) zu steuern. Hier zeigen wir die Verwendung einer Einrichtung, bestehend aus einem Metallgitter Fall das operierte Plasma enthalten, und ein hauseigenes gebaut Reaktor um den Plasmastrahl-Düse. Das Metallgitter dient als Faraday-Käfig, wodurch deutlich verbesserte Reproduzierbarkeit und allgemeine Funktionsfähigkeit des Plasmastrahls. Der Glasreaktor kapselt sowohl den Plasmastrahl und die flüssige Probe, ohne die Umgebungsatmosphäre aus dem System. Dieses Verfahren kann für jede Atmosphärendruck Plasmastrahl in Kontakt mit flüssigen Lösungen eingesetzt werden.Zum Beispiel haben wir vor kurzem eine Untersuchung der Quelle der reaktiven Sauerstoffspezies in einer wässrigen Probe zu Plasma ausgesetzt detektiert. Isotopisch markiertem Wasser wurde verwendet , um zwischen den Arten in der flüssigen und in der Gasphase des Plasmastrahl-Flüssig - Lösungssystem 15 gebildet zu unterscheiden.

<table><tbody><tr><td>Plasma Resonant and Dielectric Barrier Corona Driver power supply&amp;nbsp;</td><td>Information Unlimited</td><td></td><td>PVM500&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Mass flow controller (MFC)</td><td>Brooks Instruments&amp;nbsp;</td><td></td><td>2 slm (He calib.)</td></tr><tr><td>MFC</td><td>Brooks Instruments&amp;nbsp;</td><td></td><td>5 slm (He calib.)</td></tr><tr><td>Microcomputer controller for MFCs</td><td>Brooks Instruments&amp;nbsp;</td><td></td><td>0254</td></tr><tr><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;&lt;sup&gt;17&lt;/sup&gt;O</td><td>Icon Isotopes</td><td>IO 6245</td><td></td></tr><tr><td>5,5-dimethyl-1-pyrroline &lt;em&gt;N&lt;/em&gt;-oxide</td><td>Dojindo Molecular Technologies, Inc.&amp;nbsp;</td><td>D048-10</td><td>&amp;ge;99%</td></tr><tr><td>2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl&amp;nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>214000</td><td>98%</td></tr><tr><td>Helium</td><td>BOC UK</td><td>110745-V</td><td>99.996%</td></tr><tr><td>High voltage probe</td><td>Tektronix&amp;nbsp;</td><td></td><td>P6015A</td></tr><tr><td>Current probe</td><td>Ion Physics Corporation&amp;nbsp;</td><td></td><td>CM-100-L</td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>Teledyne LeCroy</td><td></td><td>WaveJet 354A&amp;nbsp;</td></tr></tbody></table>

an atmospheric pressure plasma setup to investigate the reactive species formation

Nichtthermischen Normaldruck ( &quot;kalten&quot;) Plasmen haben erhöhte Aufmerksamkeit in den letzten Jahren aufgrund ihrer signifikanten biomedizinischen Potential. Die Reaktionen von kaltem Plasma mit der umgebenden Atmosphäre, um eine Vielzahl von reaktiven Spezies ergeben, die ihre Wirksamkeit definieren. Während effiziente Entwicklung von Kaltplasma-Therapie kinetische Modelle erfordert, braucht Modell Benchmarking empirischen Daten. Experimentelle Untersuchungen der Quelle reaktiver Spezies in wässrigen Lösungen Plasma ausgesetzt detektiert sind noch knapp. Biomedical Plasma wird häufig mit He oder Ar Speisegas betrieben wird , und ein besonderes Interesse liegt in Untersuchung der reaktiven Spezies , die durch Plasma mit verschiedenen Gasbeimengungen (O 2, N 2, Luft, H 2 O - Dampf, etc.) Solche Untersuchungen sind sehr komplex zu Schwierigkeiten durch in der Umgebungsatmosphäre in Kontakt mit dem Plasma Abflusses zu steuern. In dieser Arbeit haben wir uns häufig gestellte Fragen von &quot;hohen&quot; SpannungkHz Frequenzplasmastrahl experimentelle Studien angetrieben. Ein Reaktor wurde ermöglicht den Ausschluss von Umgebungsatmosphäre aus dem System Plasma-Flüssigkeit entwickelt. Das System besteht somit das Beschickungsgas mit Beimengungen und den Komponenten der flüssigen Probe. Diese kontrollierte Atmosphäre ermöglichte die Untersuchung der Quelle der reaktiven Sauerstoffspezies induziert in wässrigen Lösungen durch He-Wasserdampfplasma. Die Verwendung von isotopisch markiertem Wasser erlaubt zwischen den Spezies unterscheiden, in der Gasphase und die in der Flüssigkeit gebildet Ursprung. Die Plasmaanlage wurde in einem Faradayschen Käfig enthalten sind mögliche Einfluss eines äußeren Feldes zu beseitigen. Das Setup ist vielseitig und in weiteren Verständnis der kalten Plasma-Flüssigkeit-Wechselwirkungen Chemie helfen können.

Verwendung des Verfahrens und der Ausrüstung oben beschrieben, haben wir den Ursprung der reaktiven Sauerstoffspezies in der LTP-System in Kontakt mit Wasser untersucht. Die Plasma - Betriebsfrequenz und die Spannung betrug 25 kHz und 18 kV (peak-to-peak), bzw. (Abbildung 1). So wurde beispielsweise die Quelle der Hydroxyrest mit dem isotopisch markiertem Wasser bestimmt. Dies ermöglichte im Beschickungsgas von den in der flüssigen Probe zwischen den Wassermolekülen zu unterscheiden. Dafür H 2 16 O wurde in dem Speisegas (als Dampf) eingeführt. Eine flüssige Probe von H 2 17 O mit dem gelösten Spin - Trap DMPO wurde in einem Probenbehälter positioniert ist . Der Reaktor wurde für 30 sec mit dem Einsatzgas vorgespült. Wichtig ist , dass in diesem Fall länger vorge Spülzeit in erhebliche Menge an H 2 16 O geliefert führen kann zu der flüssigen H <sub&gt; 2 17 O Probe. Dann wurde das Plasma gezündet und die Probe wurde für 60 sec mit dem Abstrom ausgesetzt. Die Post-Expositions-Lösung wurde durch EPR analysiert. Zwei DMPO-OH - Radikal - Addukte (DMPO- 17 OH und 16 DMPO- OH) wurden nachgewiesen (Abbildung 2). Das Verhältnis der Addukte gebildet wurde durch eine weitere Analyse der EPR Daten bestimmt. Die MS - Analyse der flüssigen Phase zeigte Zusammensetzung das Verhältnis von H 2 16 O (in die Flüssigkeit aus der Gasphase diffundiert) an H 2 17 O (Tabelle 1). Der Vergleich der beiden vorgeschlagen, dass die Hydroxylradikale in der Flüssigkeit nachgewiesen wurden, in der Tat, mit Ursprung in der Gasphase und nicht in der Flüssigkeit. Ähnliche Studien können mit anderen Systemen, wie beispielsweise ein D 2 O / H 2 O - System zu erfassen , um die Quelle des H • (• D) -Rest 15 durchgeführt werden. Abbildung 1. Einrichtung zur Untersuchung der Quelle von reaktiven Sauerstoffspezies verwendet. Das Plasma wurde in ein Quarzglasrohr erzeugt (4 mm Innendurchmesser, 1 mm Wandstärke) mit dem Heliumzufuhrgas. Die Speisegasstrom betrug 2 slm. Das Einsatzgas enthaltene H 2 O - Dampf eingeführt , wie oben angegeben. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54765/54765fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54765/54765fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54765/54765fig2.jpg" /> Figur 2. Ein EPR - Spektrum der Mischung von DMPO-H, OH DMPO- 16 und 17 DMPO- OH Radikale induzierte Addukte in der Lösung von DMPO in H 2 17 </sup&gt; O ausgesetzt Plasma. Die Analyse wurde durchgeführt , um die Spektren Simulationssoftware in der Hyperfein- Werten Literatur 16. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54765/54765fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54765/54765fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Tabelle 1" src="/files/ftp_upload/54765/54765tbl1.jpg" /> Tabelle 1 Konzentration des DMPO- 16 OH und DMPO- 17 OH - Radikal - Addukte und die Menge an H 2 16 O in der flüssigen H 2 17 O Probe nach der Plasmaexposition. Die absoluten Mengen von Addukten Konzentrationen wurden unter Verwendung der Kalibrierungs EPR erhalten mit dem stabilen Radikal 2,2,6,6-tetramethylpiperidin 1-oxyl (TEMPO). Im Fall ohne Zusatz von Wasserdampf (Eintrag 1), war eine Restfeuchte im Beschickungsgas. Die relativen Mengen an H 2 17 O und H 2 16 O in der flüssigen Probe wurden unter Verwendung einer Hydrolysereaktion Zimtsäurechlorid bestimmt eine Mischung 16 O- und 17 O-Zimtsäuren bei Reaktion mit dem post-Plasmaexposition Lösung ergab. Die resultierende Mischung wurde durch hochauflösende Massenspektrometrie analysiert , wie an anderer Stelle beschrieben 15.

Watch this Scientific Journal Video about An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation at JoVE.com

An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation

An experimental setup was created for the helium-operated kHz frequency plasma jet. The setup includes a cage for the plasma power supply and jet and an in-house built reactor to monitor plasma-induced reactive species without the interference of the ambient atmosphere.

Ein Atmosphärendruck-Plasma-Setup die reaktive Spezies Formation zur Untersuchung

Non-thermal atmospheric pressure (&#39;cold&#39;) plasmas have received increased attention in recent years due to their significant biomedical potential. ...

an-atmospheric-pressure-plasma-setup-to-investigate-reactive-species

Universidad de Cartagena UDEC

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Organic Chemistry

Engineering

Unit 1

Radical Chemistry

SCIENTISTS IN ACTION

9.8K Aufrufe.  University of York. An experimental setup was created for the helium-operated kHz frequency plasma jet. The setup includes a cage for the plasma power supply and jet and an in-house built reactor to monitor plasma-induced reactive species without the interference of the ambient atmosphere. 

Serie: An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation

Encapsulation and Permeability Characteristics of Plasma Polymerized Hollow Particles

In this protocol, core-shell nanostructures are synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition. We produce an amorphous barrier by plasma polymerization of isopropanol on various solid substrates, including silica and potassium chloride. This versatile technique is used to treat nanoparticles and nanopowders with sizes ranging from 37 nm to 1 micron, by depositing films whose thickness can be anywhere from 1 nm to upwards of 100 nm. Dissolution of the core allows us to study the rate of permeation through the film. In these experiments, we determine the diffusion coefficient of KCl through the barrier film by coating KCL nanocrystals and subsequently monitoring the ionic conductivity of the coated particles suspended in water. The primary interest in this process is the encapsulation and delayed release of solutes. The thickness of the shell is one of the independent variables by which we control the rate of release. It has a strong effect on the rate of release, which increases from a six-hour release (shell thickness is 20 nm) to a long-term release over 30 days (shell thickness is 95 nm). The release profile shows a characteristic behavior: a fast release (35% of the final materials) during the first five minutes after the beginning of the dissolution, and a slower release till all of the core materials come out.

We have used plasma enhanced chemical vapor deposition to deposit thin films ranging from a few nm to several 100 nm on nano-sized particles of various materials. We subsequently etch the core material to produce hollow nanoshells whose permeability is controlled by the thickness of the shell. We characterize the permeability of these coatings to small solutes and demonstrate that these barriers can provide sustained release of the core material over several days.

Encapsulation und Permeabilitätseigenschaften von plasmapolymerisierten Hohlteilchen

In this protocol, core-shell nanostructures are synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition. We produce an amorphous barrier by plasma ...

Forschung

Ingenieurwesen

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary interiors, design materials with novel properties, understand the mechanical behavior of materials exposed to very high stresses as in explosions or impacts. Synthesis and structural analysis of materials at extreme conditions of pressure and temperature entails remarkable technical challenges. In the laser heated diamond anvil cell (LH-DAC), very high pressure is generated between the tips of two opposing diamond anvils forced against each other; focused infrared laser beams, shined through the diamonds, allow to reach very high temperatures on samples absorbing the laser radiation. When the LH-DAC is installed in a synchrotron beamline that provides extremely brilliant x-ray radiation, the structure of materials under extreme conditions can be probed in situ. LH-DAC samples, although very small, can show highly variable grain size, phase and chemical composition. In order to obtain the high resolution structural analysis and the most comprehensive characterization of a sample, we collect diffraction data in 2D grids and combine powder, single crystal and multigrain diffraction techniques. Representative results obtained in the synthesis of a new iron oxide, Fe4O5 1 will be shown.

The laser heated diamond anvil cell combined with synchrotron micro-diffraction techniques allows researchers to explore the nature and properties of new phases of matter at extreme pressure and temperature (PT) conditions. Heterogeneous samples can be characterized in situ under high pressure by 2D mapping and combined powder, single-crystal and multigrain diffraction approaches.

Synthese und Mikrodiffraktion bei extremen Drücken und Temperaturen

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters

This movie shows how an atmospheric pressure plasma torch can be ignited by microwave power with no additional igniters. After ignition of the plasma, a stable and continuous operation of the plasma is possible and the plasma torch can be used for many different applications. On one hand, the hot (3,600 K gas temperature) plasma can be used for chemical processes and on the other hand the cold afterglow (temperatures down to almost RT) can be applied for surface processes. For example chemical syntheses are interesting volume processes. Here the microwave plasma torch can be used for the decomposition of waste gases which are harmful and contribute to the global warming but are needed as etching gases in growing industry sectors like the semiconductor branch. Another application is the dissociation of CO2. Surplus electrical energy from renewable energy sources can be used to dissociate CO2 to CO and O2. The CO can be further processed to gaseous or liquid higher hydrocarbons thereby providing chemical storage of the energy, synthetic fuels or platform chemicals for the chemical industry. Applications of the afterglow of the plasma torch are the treatment of surfaces to increase the adhesion of lacquer, glue or paint, and the sterilization or decontamination of different kind of surfaces. The movie will explain how to ignite the plasma solely by microwave power without any additional igniters, e.g., electric sparks. The microwave plasma torch is based on a combination of two resonators &#8212; a coaxial one which provides the ignition of the plasma and a cylindrical one which guarantees a continuous and stable operation of the plasma after ignition. The plasma can be operated in a long microwave transparent tube for volume processes or shaped by orifices for surface treatment purposes.

This movie shows how an atmospheric plasma torch can be ignited by microwaves with no additional igniters and provides a stable and continuous plasma operation suitable for plenty of applications.

Wie man eine Atmosphärischer Druck Mikrowellenplasmabrenner zünden ohne zusätzliche Zünder

This movie shows how an atmospheric pressure plasma torch can be ignited by microwave power with no additional igniters. After ignition of the plasma, a ...

Basic Research in Plasma Medicine - A Throughput Approach from Liquids to Cells

In plasma medicine, ionized gases with temperatures close to that of vertebrate systems are applied to cells and tissues. Cold plasmas generate reactive species known to redox regulate biological processes in health and disease. Pre-clinical and clinical evidence points to beneficial effects of plasma treatment in the healing of chronic ulcer of the skin. Other emerging topics, such as plasma cancer treatment, are receiving increasing attention. Plasma medical research requires interdisciplinary expertise in physics, chemistry, and biomedicine. One goal of plasma research is to characterize plasma-treated cells in a variety of specific applications. This includes, for example, cell count and viability, cellular oxidation, mitochondrial activity, cytotoxicity and mode of cell death, cell cycle analysis, cell surface marker expression, and cytokine release. This study describes the essential equipment and workflows required for such research in plasma biomedicine. It describes the proper operation of an atmospheric pressure argon plasma jet, specifically monitoring its basic emission spectra and feed gas settings to modulate reactive species output. Using a high-precision xyz-table and computer software, the jet is hovered in millisecond-precision over the cavities of 96-well plates in micrometer-precision for maximal reproducibility. Downstream assays for liquid analysis of redox-active molecules are shown, and target cells are plasma-treated. Specifically, melanoma cells are analyzed in an efficient sequence of different consecutive assays but using the same cells: measurement of metabolic activity, total cell area, and surface marker expression of calreticulin, a molecule important for the immunogenic cell death of cancer cells. These assays retrieve content-rich biological information about plasma effects from a single plate. Altogether, this study describes the essential steps and protocols for plasma medical research.

A high-throughput cold physical plasma treatment protocol of liquids and cells is shown. It involves setting up different feed gas compositions for plasma ignition, measuring the plasma&#39;s emission spectra, and the subsequent analysis of liquids and cellular activity after plasma treatment.

Grundlagenforschung in der Plasmamedizin - ein Durchsatz von Flüssigkeiten zu Zellen Ansatz

In plasma medicine, ionized gases with temperatures close to that of vertebrate systems are applied to cells and tissues. Cold plasmas generate reactive ...

Umwelt

Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using three recently developed experiments in which dust particles are exposed to thermal plasma with beam electrons, beam electrons only, or ultraviolet (UV) radiation only. The UV light source has a narrow bandwidth in wavelength centered at 172 nm. The beam electrons with the energy of 120 eV are created with a negatively biased hot filament. When the vacuum chamber is filled with the argon gas, a thermal plasma is created in addition to the electron beam. Insulating dust particles of a few tens of microns in diameter are used in the experiments. Dust particles are recorded to be lofted to a height up to a few centimeters with a launch speed up to 1 m/s. These experiments demonstrate that photo and/or secondary electron emission from a dusty surface changes the charging mechanism of dust particles. According to the recently developed &#34;patched charge model&#34;, the emitted electrons can be re-absorbed inside microcavities between neighboring dust particles below the surface, causing the accumulation of enhanced negative charges on the surrounding dust particles. The repulsive forces between these negatively charged particles may be large enough to mobilize and lift them off the surface. These experiments present the advanced understanding of dust charging and transport on dusty surfaces, and laid a foundation for future investigations of its role in the surface evolution of airless planetary bodies.

Dust charging and mobilization is demonstrated in three experiments with exposure to thermal plasma with beam electrons, beam electrons only, or ultraviolet (UV) radiation only. These experiments present the advanced understanding of electrostatic dust transport and its role in shaping the surfaces of airless planetary bodies.

Experimentelle Methoden der Aufladung Staub und Mobilisierung auf Oberflächen mit der Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung oder Plasmen

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

Emissionsspektroskopische Grenzschichtuntersuchung während ablative Materialprüfung in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Non-equilibrium Microwave Plasma for Efficient High Temperature Chemistry

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose of efficiently driving non-equilibrium chemistry is discussed. The advantage of a flowing plasma reactor is that continuous chemical processes can be driven with the flexibility of startup times in the seconds timescale. The plasma approach is generically suitable for conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. Here the reduction of CO2 to CO is used as a model system: the complementary diagnostics illustrate how a baseline thermodynamic equilibrium conversion can be exceeded by the intrinsic non-equilibrium from high vibrational excitation. Laser (Rayleigh) scattering is used to measure the reactor temperature and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to characterize in situ internal (vibrational) excitation as well as the effluent composition to monitor conversion and selectivity.

This article describes a flowing microwave reactor that is used to drive efficient non-equilibrium chemistry for the application of conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. The goal of the procedure described here is to measure the in situ gas temperature and gas conversion.

Nicht-Gleichgewicht Microwave Plasma für effiziente Hochtemperatur-Chemie

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose ...

Chemie

Total Internal Reflection Absorption Spectroscopy (TIRAS) for the Detection of Solvated Electrons at a Plasma-liquid Interface

The total internal reflection absorption spectroscopy (TIRAS) method presented in this article uses an inexpensive diode laser to detect solvated electrons produced by a low-temperature plasma in contact with an aqueous solution. Solvated electrons are powerful reducing agents, and it has been postulated that they play an important role in the interfacial chemistry between a gaseous plasma or discharge and a conductive liquid. However, due to the high local concentrations of reactive species at the interface, they have a short average lifetime (~1 &#181;s), which makes them extremely difficult to detect. The TIRAS technique uses a unique total internal reflection geometry combined with amplitude-modulated lock-in amplification to distinguish solvated electrons&#39; absorbance signal from other spurious noise sources. This enables the in situ detection of short-lived intermediates in the interfacial region, as opposed to the bulk measurement of stable products in the solution. This approach is especially attractive for the field of plasma electrochemistry, where much of the important chemistry is driven by short-lived free radicals. This experimental method has been used to analyze the reduction of nitrite (NO2-(aq)), nitrate (NO3-(aq)), hydrogen peroxide (H2O2(aq)), and dissolved carbon dioxide (CO2(aq)) by plasma-solvated electrons and deduce effective rate constants. Limitations of the method may arise in the presence of unintended parallel reactions, such as air contamination in the plasma, and absorbance measurements may also be hindered by the precipitation of reduced electrochemical products. Overall, the TIRAS method can be a powerful tool for studying the plasma-liquid interface, but its effectiveness depends on the particular system and reaction chemistry under study.

Total Internal Reflection Absorption Spectroscopy TIRAS for the Detection of Solvated Electrons at a Plasma-liquid Interface

This article presents a total internal reflection absorption spectroscopy (TIRAS) method for measuring short-lived free radicals at a plasma-liquid interface. In particular, TIRAS is used to identify solvated electrons based on their optical absorbance of red light near 700 nm.

Totalreflexion Absorption Spectroscopy (TIRAS) zum Nachweis von solvatisierte Elektronen an einer Plasma-Liquid-Schnittstelle

The total internal reflection absorption spectroscopy (TIRAS) method presented in this article uses an inexpensive diode laser to detect solvated ...

Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet

In recent years, non-thermal atmospheric pressure plasmas have been used extensively for surface treatments, in particular, due to their potential in biological applications. However, the scientific results often suffer from reproducibility problems due to unreliable plasma conditions as well as complex treatment procedures. To address this issue and provide a stable and reproducible plasma source, the COST-Jet reference source was developed.
In this work, we propose a detailed protocol to perform reliable and reproducible surface treatments using the COST reference microplasma jet (COST-Jet). Common issues and pitfalls are discussed, as well as the peculiarities of the COST-Jet compared to other devices and its advantageous remote character. A detailed description of both solid and liquid surface treatment is provided. The described methods are versatile and can be adapted for other types of atmospheric pressure plasma devices.

This protocol is presented to characterize the setup, handling, and application of the COST-Jet for the treatment of diverse surfaces such as solids and liquids.

Behandlung von Oberflächen mit einem kalten Atmosphärendruckplasma mit dem COST-Jet

In recent years, non-thermal atmospheric pressure plasmas have been used extensively for surface treatments, in particular, due to their potential in ...

Building Langmuir Probes and Emissive Probes for Plasma Potential Measurements in Low Pressure, Low Temperature Plasmas

Langmuir probes have long been used in experimental plasma physics research as the primary diagnostic for particle fluxes (i.e., electron and ion fluxes) and their local spatial concentrations, for electron temperatures, and for electrostatic plasma potential measurements, since its invention by Langmuir in the early 1920s. Emissive probes are used for measuring plasma potentials. The protocols exhibited in this work serve to demonstrate how these probes may be built for use in a vacuum chamber in which a plasma discharge may be confined and sustained. This involves vacuum techniques for building what is essentially an electrical feedthrough, one that is rotatable and translatable. Certainly, complete Langmuir probe systems may be purchased, but they can also be built by the user at considerable cost savings, and at the same time be more directly adapted to their use in a particular experiment. We describe the use of Langmuir probes and emissive probes in mapping the electrostatic plasma potential from the body of the plasma up to the sheath region of a plasma boundary, which in these experiments&#160;is created by a negatively biased electrode immersed within the plasma, in order to compare the two diagnostic techniques and assess their relative advantages and weaknesses. Although Langmuir probes have the advantage of measuring the plasma density and electron temperature most accurately, emissive probes can measure electrostatic plasma potentials more accurately throughout the plasma, up to and including the sheath region.

The main goal of this work is to make it easier for research groups unfamiliar with Langmuir probes and emissive probes to use them as plasma diagnostics, especially near plasma boundaries. We do this by demonstrating how to build the probes from readily available materials and supplies.

Bau von Langmuir-Sonden und Emissionssonden für Plasmapotentialmessungen in Niederdruck- und Niedertemperaturplasmen

Langmuir probes have long been used in experimental plasma physics research as the primary diagnostic for particle fluxes (i.e., electron and ion fluxes) ...