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
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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. Proteger a Configuração Plasma <ol><li> Posicione todas as partes do ambiente elétrico dentro da gaiola: fonte de alimentação, tensão / medidor de corrente, cabo de alimentação, os eléctrodos de plasma, jato de plasma, etc. </li><li> Certifique-se de que o espaço no interior da gaiola é suficiente de modo a que o eléctrodo em directo, o eléctrodo de terra e respectivos cabos não estão em contacto uns com os outros ou a malha de metal. </li><li> Equipar a gaiola com um intertravamento ligado à fonte plasma para evitar o risco de choque eléctrico do eléctrodo de alta tensão durante a operação de plasma. </li><li> Colocar os controlos de voltagem e frequência na superfície externa da gaiola para permitir a alteração dos parâmetros, sem interromper o funcionamento do plasma. </li><li> Ligue todos os suportes de metal no interior da gaiola de malha e da própria gaiola por fiação-los a uma tomada de ligação terra. </li></ol> 2. Os parâmetros de descarga <ol><li> Posicione o eletrodo vivem abaixo do eletrodo terra on o tubo de vidro (isto é, mais próximo do bico do tubo). </li><li> Ligue a sonda de tensão para a fonte plasma para medir a tensão de funcionamento, e passar o eletrodo terra através da sonda de corrente circular para monitorar a corrente de retorno. </li><li> Conectar-se tanto a tensão e a sonda de corrente a um osciloscópio, monitorando a corrente, a tensão ea freqüência de operação plasma (determinada tanto pelo atual ou a sonda de tensão). </li><li> Definir o fluxo de gás através do tubo de vidro de 2 SLM utilizando os controladores de fluxo de massa (MFCs). </li><li> Inflamar o plasma num tubo de vidro com o hélio gás de alimentação que passa através dele ligando a fonte plasma. Usando as leituras das sondas, definir a tensão e frequência da descarga a 18 kV e 25 kHz, respectivamente. NOTA: variações de parâmetros são realizados para determinar a voltagem mínima e a frequência na qual a descarga está a ocorrer com maior teor molecular de todos os experimentos. ºe aumento do conteúdo molecular requer maior tensão para o plasma para se inflamar. Note-se que as tensões elevadas podem resultar em aumento significativo da temperatura do gás de plasma, levando assim a um aumento da evaporação do líquido da amostra. </li><li> Manter a tensão constante em todas as experiências. </li></ol> 3. Apresentando Adjuvantes para o gás de alimentação <ol><li> Ligue o segundo MFC à tubulação de gás de alimentação principal usando um T-conector. </li><li> Para adicionar o vapor de água ao gás de alimentação, dirigir um fluxo de MFC-regulada de hélio através de um balão de Drechsel cheia de água e posicionado no exterior (na parte superior ou no lado) da gaiola de malha. </li><li> Obter um nível desejado de saturação, dividindo o fluxo do gás de alimentação. Directo 10% do fluxo de gás (200 sccm) através do balão de Drechsel com água (16 H 2 O) para atingir uma saturação de 10% do gás de alimentação. </li><li> Usando o conector T, combinar este gás totalmente saturado de água-vapor com o 90% (1.800 sccm) dofluxo de gás seco. </li></ol> 4. O reactor <ol><li> Preparar um reactor de vidro que consiste em duas partes, superior e inferior. Equipar a parte inferior do tubo com um escape. </li><li> Posicionar o reactor de vidro no bico do jacto de plasma. </li><li> Inserir o bico de jacto de plasma para um anel de borracha no interior da abertura na parte superior do reactor. </li><li> Prepara-se o recipiente constituído por um reservatório bem como em cima de um suporte. Adicione tanto o suporte e o bem a partir de um material dieléctrico (por exemplo, vidro, vidro de quartzo). </li><li> Colocar o recipiente da amostra no interior do reactor de modo que o mesmo fique exposto ao efluente de plasma a partir do injector do jacto. </li><li> Coloque um líquido H 2 O 17 de amostra dentro do recipiente da amostra. Para a detecção dos radicais hidroxilo, usar uma solução do 5,5-dimetil-1-pyrroline- N-óxido (DMPO) armadilha de spin (ver 5.1). NOTA: A escolha da armadilha de spin, bem como a escolha da amostra líquida COMcomponentes depende das espécies específicas investigados. Por exemplo, a fonte do • radical OH é estudada usando H 2 16 O / H 2 O e 17 DMPO rotação armadilha. A fonte de • H radical requer o uso de um H2O / D 2 O (gás e líquido). N-terc-Butil-α-fenilnitrona (PBN) deve ser usada para a detecção do radical • h. No caso de He plasma com vapor de H2O, foi demonstrado que predominantemente armadilha de radicais hidrogénio, enquanto DMPO formado principalmente DMPO-OH aducto 15. </li><li> Ligue as duas partes do reator através do contato superfícies de vidro chão. </li></ol> 5. rotação captura de espécies de radicais <ol><li> Preparar as soluções de armadilha de spin escolhido com a concentração requerida. Para as soluções aquosas, usar água desionizada. Para armadilhas de spin nitrona, tais como (DMPO), usar uma concentração de 100 mM. </li><li> Pré-lavar o reactor com o gás de alimentação (2 SLM) durante 30 segundos. </li><li> ignite do plasma (ver 2.5) e expor a amostra de líquido para o efluente plasma por um determinado período de tempo (por exemplo, 60 seg). </li><li> Depois de um tempo de exposição necessário, desligue a fonte de alimentação de plasma e abrir o reactor. Retirar o recipiente da amostra a partir do reactor. </li><li> Coletar a amostra e analisá-lo usando a espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR) 15. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Aqui, demonstramos a utilização de uma instalação de plasma à pressão atmosférica construído internamente. A gaiola de malha de metal ajuda a alcançar condições reprodutíveis de plasma com interferência de campos externos minimizado, ao mesmo tempo que protegem o equipamento nas proximidades sensível da possível interferência e / ou danos por quaisquer campos induzida por plasma. A blindagem (gaiolas) da configuração depende do tipo de plasma utilizado e as suas características eléctricas. O objectivo é o de garantir a ausência de interferência externa sobre o funcionamento do plasma e evitar os campos de plasma interferir com o material adjacente. Neste caso, o tamanho da malha é 22 mm, no entanto, o tamanho de malha reduzido podem ser necessários para diferentes plasmas. Os parâmetros de funcionamento do plasma foram controlados utilizando uma voltagem e uma corrente de sonda ligada a um osciloscópio. A introdução da sonda de alta tensão altera significativamente o ambiente elétrico, e, portanto, a sonda deve tornar-se parte do sistema elétrico e ser postularioned da mesma maneira ao longo de todas as experiências. A utilização do reactor de vidro de encapsular a amostra e o jacto de plasma permite a exclusão da atmosfera ambiente da composição muitas vezes desconhecida do sistema de reacção. Nos resultados apresentados (vide supra), que foi usada para determinar a origem das espécies de oxigénio reactivo induzida por plasma na amostra aquosa expostos ao efluente de plasma. Tal investigação é possível, se as moléculas de água no estado líquido e a água no gás de alimentação (vapor) podem ser diferenciadas. Para determinar se os radicais hidroxilo foram formadas na fase gasosa ou de as moléculas de água líquida, água isotopicamente marcada foi introduzido: H 2 O 17 como o meio líquido, H 2 O 16 de vapor no gás de alimentação. Se um experimento hipotético foi conduzida numa atmosfera aberta, a distinção entre as duas fases que têm sido dificultados pela presença do vapor de água no ar circundante. Amétodo alternativo para minimizar a influência da atmosfera circundante foi demonstrado na literatura, em que a difusão da espécie a partir da atmosfera para o efluente do plasma foi impedido utilizando um gás de blindagem 17. O gás de proteção (N 2 ou O 2) cria uma cortina de gás com composição conhecida 18. O reactor apresentado neste trabalho é uma forma simples de remover a influência dos componentes de ar ambiente (tais como vapor de água), e pode ser usado com diferentes jactos de plasma sem a introdução do fluxo de gás adicional. Semelhante ao • radical OH, a fonte do • H radical pode ser determinada empregando um D 2 O / H 2 O sistema. A barata D 2 O pode também ser introduzido no gás de alimentação na forma de vapor, tal como descrito acima. A saturação do gás com H 2 O vapor foi determinada por pesagem da garrafa de Drechsel antes e depois borbulhando o fluxo de gás atragh-lo. A humidade relativa (isto é, saturação) do gás é calculada pela quantidade de água e evaporou-se o volume de gás passado através de. Note-se que em experiências prolongados, a temperatura do líquido no frasco Drechsel podem diminuir devido à evaporação. A umidade relativa é calculada para uma temperatura específica. Os valores calculados são ainda mais em comparação com aqueles na literatura 19 para determinar a humidade relativa do gás de alimentação. Temos empiricamente descoberto que um fluxo de até 2 SLM de He através de um Drechsel cheia de água totalmente balão satura o gás com vapor de água. No entanto, as taxas de fluxo elevadas podem não permitir que o tempo de permanência suficiente do gás no líquido durante a saturação completa. Outras técnicas de saturação pode ser necessária. Um outro desafio é garantir que nenhum ar circundante está presente no sistema. O reactor é previamente enxaguado com gás de alimentação para retirar o ar residual.O tempo necessário para a pré-lavagem dependerá do volume do reactor e o fluxo do gás de alimentação. A ausência de difusão do ar ambiente exterior e o arrastamento para o sistema, como um sistema de gás de alimentação de plasma hélio pode ser testado usando um • Nenhuma reacção retenção de radicais. O óxido nítrico gerado por plasma a partir de N 2 e O 2 moléculas de ar pode ser detectada por RPE como um aducto radical de (MGD) 2 Fe 2+ complexo 20 (MGD = N-metil-D-glucamina ditiocarbamato). No caso de a completa ausência de ar, não se observa o sinal EPR da aducto. A ausência de moléculas de água externas no reactor pode ser demonstrada pela seguinte experiência. Uma amostra de líquido de D 2 O está exposto a um plasma de gás de alimentação seco. A análise por RMN da amostra de pós-exposição revela a quantidade de H 2 O trazido para dentro do líquido durante a exposição. Isto permite estimar a quantidade de residual da H 2 O no Tubing utilizado para o gás de alimentação 15 no experimento. O projeto recipiente da amostra é crucial para o trabalho experimental. Inicialmente, tentamos usar tubos de plástico e de microcentrífuga de vidro. Juntamente com o fluxo de gás relativamente elevada de alimentação de plasma, o pequeno diâmetro da abertura não deixar penetrar o ar circundante no tubo de microcentrífuga. No entanto, esta tem muitas desvantagens. O plasma exibiram arqueamento e grande aumento de temperatura perto das bordas do tubo de microcentrífuga. A entrega das espécies a partir da fase gasosa para dentro do líquido também foi significativamente menos eficiente devido às diferentes dinâmicas fase gasosa e a área de superfície baixa (e de grande volume) da amostra líquida. Assim, a área da superfície da amostra líquida é crucial para a entrega das espécies reactivas a partir da fase gasosa para a amostra líquida. Isto é especialmente importante para os radicais de vida curta. O recipiente de amostra líquida, portanto, concebido para permitir que o expostolíquido de ter elevada área superficial para a difusão eficiente. A amostra também deve ter uma reduzida profundidade para minimizar as limitações relacionadas com a convecção da amostra líquida. Deve ser tido em conta que elevados fluxos de gás e, especialmente, com o plasma inflamado criar perturbações significativas na superfície da amostra de líquido 21. Por conseguinte, o recipiente de amostra tem uma forma bem como com o diâmetro e a profundidade requerida para a experiência específica. A altura da base sobre o qual o poço é posicionado pode ser ajustada às necessidades experimentais. A anilha de borracha através da qual o jacto de plasma é inserido para dentro do reactor torna possível mudar o ângulo de contacto do efluente com o líquido. O método apresentado permite a investigação da origem das espécies reactivas (• OH, • H, etc.) induzida no líquido por um jacto de plasma campo paralelo kHz. O método emprega um reactor de vidro em torno do jacto não se limita à descRiBED condições, e pode ser usado com outros plasmas à pressão atmosférica. O método permite a introdução de quaisquer misturas de gás de alimentação: de vapor, O 2, N 2, etc Entre as suas outras vantagens é a possibilidade da realização de medições ópticas no seu interior, embora, neste caso, a qualidade óptica de vidro de quartzo deve ser usado como um reactor material. O tubo de escape na parte inferior do reactor permite utilizar o jacto de plasma em praticamente qualquer laboratório: os gases de escape pode ser conectado através de uma tubagem de plástico a um exaustor remoto. O conceito do reactor é versátil e pode ser utilizado na pesquisa de diferentes plasmas em que é necessária atmosfera controlada. Por exemplo, a polimerização de estireno é inibida pelas espécies de oxigénio 22, mas pode ser observado no reactor quando estireno líquido é exposta ao plasma de gás de alimentação de hélio.

Baixa temperatura plasmas pressão atmosférica (LTPS) têm atraído maior atenção nos últimos anos devido ao seu vasto potencial para aplicações biomédicas 1-3. Ao entrar em contacto com a atmosfera ambiente, a LTP reage com teor molecular de ar (N2, O2, H2O vapor), a geração de uma variedade de espécies reactivas de oxigénio e de azoto (2,4 rons). Entre estes são espécies relativamente estáveis (tais como peróxido de hidrogênio, ozônio, nitrito e nitrato ânions) e radicais altamente reativos (• OH, • OOH / O 2 • -, • H, • NO, etc.). Estas espécies, inicialmente gerados na fase gasosa, são ainda fornecidos pelo plasma ao substrato biológico 5. RONS interagir com os substratos e, assim, definir o agente antimicrobiano, anti-cancro e efeitos antivirais da LTP 6-8. O desenvolvimento de terapias LTP requer modelagem complexa das reacções deRONS 9. A água é uma parte essencial do meio biológico, e as reacções na fase aquosa aumentar a complexidade do sistema dramaticamente. A investigação do plasma em fase gasosa é amplamente realizada utilizando várias técnicas analíticas, incluindo espectroscopia de emissão óptica, fluorescência induzida por laser, espectroscopia de infravermelho, espectrometria de massa (MS), etc 10-12. Ao mesmo tempo, as investigações detalhadas das espécies detectadas na fase líquida ainda são escassos. Os relatórios disponíveis descrevem a utilização de vários métodos analíticos, tais como espectroscopia de UV e espectroscopia de ressonância paramagnética (EPR), Cytometry, etc, para a detecção de RONS em soluções aquosas 13,14. EPR é um dos métodos mais directos para a detecção de radicais no líquido. No entanto, muitas espécies de radicais não pode ser detectado por RPE, devido ao seu tempo de vida curto. Nestes casos, rotação trapping é frequentemente utilizado. Spin prendendo uma técnica que envolve um composto (armadilha de spin) which rapidamente e selectivamente reage com o radical para produzir um aducto radical mais persistente (por exemplo, DMPO reage com o radical hidroxilo, formando DMPO-OH aduto). Os desafios comuns em estudos de interacção plasma-líquido são a incapacidade de controlar a atmosfera ambiente ao redor do efluente plasma e outros fatores interferentes (campos externos, peças de alimentação sensível ao ambiente, etc.). Aqui, demonstramos a utilização de uma configuração compreendendo um caso de malha de metal contendo o plasma e operado um reactor construído internamente em torno do bico de jacto de plasma. A malha de metal serve como a gaiola de Faraday, permitindo que melhorou significativamente a reprodutibilidade e operabilidade geral do jato de plasma. O reactor de vidro incorpora tanto o jacto de plasma e a amostra líquida, excluindo a atmosfera circundante do sistema. Este método pode ser utilizado para todo o jacto de plasma à pressão atmosférica, em contacto com soluções líquidas.Por exemplo, recentemente apresentado uma investigação da origem das espécies de oxigénio reactivas detectados numa amostra aquosa exposto ao plasma. Isotopicamente água marcada foi utilizada para distinguir entre as espécies formadas no líquido e em fase de gás de plasma de jacto de líquido sistema de solução a 15.

<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

pressão atmosférica ( &quot;frio&quot;) plasmas não térmicos têm recebido maior atenção nos últimos anos devido ao seu potencial biomédico significativo. As reacções de plasma a frio com a atmosfera circundante produzir uma variedade de espécies reactivas, que pode definir a sua eficácia. Embora o desenvolvimento eficiente da terapia de plasma frio exige modelos cinéticos, o modelo de avaliação do desempenho tem dados empíricos. Estudos experimentais de a fonte de espécies reactivas detectados em soluções aquosas expostas ao plasma ainda são escassos. Biomédica de plasma é frequentemente utilizado com ele ou gás de alimentação de Ar, e um interesse específico reside na investigação das espécies reactivas geradas por plasma com diferentes misturas de gases (O 2, N 2, ar, vapor de H2O, etc.) são Tais investigações muito complexo devido à dificuldade de controlar a atmosfera ambiente em contacto com o efluente de plasma. Neste trabalho, abordamos questões comuns de tensão &#39;alta&#39;kHz conduzido estudos experimentais jato de plasma. Um reactor foi desenvolvido permitindo a exclusão da atmosfera ambiente a partir do sistema de plasma-líquido. O sistema composto, assim, o gás de alimentação com adjuvantes e os componentes da amostra líquida. Esta atmosfera controlada permitiu a investigação da origem das espécies de oxigénio reactivas induzidas em soluções aquosas por plasma de vapor de He-água. O uso de água marcada isotopicamente permitiu distinguir entre as espécies originárias na fase gasosa e os que são formados no líquido. O equipamento de plasma foi contido dentro de uma gaiola de Faraday para eliminar possível influência de qualquer campo externo. A configuração é versátil e pode ajudar a compreender ainda mais o plasma-líquido frio interações química.

Utilizando o método e equipamento descrito acima, investigou-se a origem das espécies reactivas de oxigénio no sistema de LTP em contacto com a água. A frequência de funcionamento do plasma e a tensão foi de 25 kHz e 18 kV (pico-a-pico), respectivamente (Figura 1). Por exemplo, a fonte do radical hidroxilo foi determinada utilizando a água marcada isotopicamente. Isto permitiu distinguir entre as moléculas de água no gás de alimentação a partir das da amostra líquida. Para isso, H 2 O 16 foi introduzido no gás de alimentação (como vapor). Uma amostra de líquido de 17 de H 2 O com o DMPO armadilha de spin dissolvido foi posicionado num recipiente de amostra. O reactor foi pré-lavada durante 30 segundos com o gás de alimentação. É importante notar, neste caso, já pré-lavagem pode resultar em tempo substancial quantidade de H 2 O 16 H entregue ao líquido <sub&gt; 2 17 O amostra. Em seguida, o plasma foi acesa e a amostra foi exposta ao efluente durante 60 seg. A solução de pós-exposição foi analisada por RPE. Dois adutos radicais DMPO-OH (DMPO- 17 OH e DMPO- 16 OH) foram detectados (Figura 2). A proporção dos adutos formados foi determinada através de uma análise mais aprofundada dos dados EPR. A análise MS da composição da fase líquida mostrou que a proporção de H 2 O 16 (difundido para dentro do líquido a partir da fase gasosa) e H 2 O 17 (Tabela 1). A comparação dos dois sugeriu que os radicais hidroxilo detectados no líquido eram, na verdade, de origem na fase gasosa, e não no líquido. Estudos semelhantes pode ser realizada usando outros sistemas, tais como um sistema de D 2 O / H 2 O para detectar a fonte do • H (• D) um radical 15. Figura 1. Configuração utilizado para a investigação da origem das espécies reactivas de oxigénio. O plasma foi gerado num tubo de vidro de quartzo (diâmetro interno de 4 mm, 1 milímetro de espessura de parede) com o gás de alimentação de hélio. O fluxo de gás de alimentação era de 2 SLM. O gás de alimentação continha H 2 O vapor introduzido como indicado acima. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54765/54765fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/54765/54765fig2.jpg" /> Figura 2. Espectro de um EPR da mistura de DMPO-H, DMPO- 16 OH OH 17 e DMPO- aductos de radicais induzida na solução de DMPO em H 2 17 </sup&gt; O exposta ao plasma. A análise foi realizada utilizando o software de simulação de espectros usando os valores hiperfinos disponíveis na literatura 16. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54765/54765fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="tabela 1" src="/files/ftp_upload/54765/54765tbl1.jpg" /> Tabela 1. Concentração do DMPO- 16 OH OH 17 e DMPO- aductos radicais e a quantidade de H 2 O na 16 o líquido H2 17O amostra após a exposição ao plasma. As quantidades absolutas de aductos concentrações foram obtidas usando a calibração de EPR com o radical estável 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO). No caso de nenhum vapor de água adicionada (entrada 1), uma humidade residual estava presente no gás de alimentação. As quantidades relativas de H 2 O e 17 de H 2 O 16 na amostra líquida foram determinados utilizando uma reacção de hidrólise de cloreto de cinamoílo obtendo-se uma mistura de 16 e 17 O- ácidos O-cinâmico por reacção com a solução de pós-exposição de plasma. A mistura resultante foi analisada por espectrometria de massa de alta resolução como descrito em outro lugar 15.

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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.

Uma configuração Plasma Pressão atmosférica para investigar a formação de espécies reativas

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

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9.8K visualizações.  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. 

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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.

Encapsulamento e Permeabilidade características das partículas de plasma polimerizados ocas

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

Engenharia

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.

Síntese e microdiffraction a pressões e temperaturas extremas

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.

Como inflamar uma pressão atmosférica Microondas Plasma Torch sem qualquer Ignitores adicionais

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.

Pesquisa básica em Plasma medicina - uma abordagem de taxa de transferência de líquidos para células

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

Ambiente

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.

Métodos experimentais de poeira e mobilização sobre superfícies com exposição à radiação ultravioleta ou Plasmas de

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.

Emissão espectroscópica Boundary Investigation Camada durante ablativo Teste de material em 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.

Plasma de microondas sem equilíbrio para química de alta temperatura eficiente

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

Química

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.

Espectroscopia de absorção de reflexão interna total (TIRAS) para a detecção de Solvated elétrons em uma Interface Plasma-líquido

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.

Tratando superfícies com um plasma de pressão atmosférica fria usando o CUSTO-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.

Construção de Sondas Langmuir e Sondas Emissivas para Medições de Potencial de Plasma em Plasmas de Baixa Pressão e Baixa Temperatura

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