Войти
A микроплазма - это плазма малых размеров, от десятков до тысяч микрометров. Микроплазма может образовываться при различных температурах и давлениях, существуя как тепловая, так и нетермическая плазма. Нетепловые микроплазмы, которые могут сохранять свое состояние при стандартных температурах и давлениях, легко доступны и доступны для ученых, поскольку их можно легко поддерживать и манипулировать ими в стандартных условиях. Следовательно, их можно использовать в коммерческих, промышленных и медицинских целях, что положило начало развитию области микроплазмы.
Упрощенная кривая пробоя Пашена для большинства газов Существует 4 состояния вещества: твердое, жидкое, газовое и плазма. Плазма составляет более 99% видимой Вселенной. В общем, когда энергия применяется к газу, внутренние электроны молекул (атомов) газа возбуждаются и перемещаются на более высокие энергетические уровни. Если приложенная энергия достаточно высока, самые удаленные электроны могут даже отделиться от молекул (атомов), образуя ионы. Электроны, молекулы (атомы), возбужденные частицы и ионы образуют смесь видов, которая включает в себя множество взаимодействий между видами и демонстрирует коллективное поведение под влиянием внешних электрических и магнитных полей. Свет всегда сопровождает плазму: когда возбужденные виды расслабляются и переходят на более низкие энергетические уровни, энергия выделяется в виде света. Микроплазма - это подразделение плазмы, в котором размеры плазмы могут составлять десятки, сотни или даже тысячи микрометров. Большинство микроплазм, используемых в коммерческих целях, представляет собой холодную плазму. В холодной плазме электроны обладают гораздо большей энергией, чем сопутствующие ионы и нейтралы. Микроплазма обычно образуется при повышенном давлении до атмосферного или выше.
Успешное зажигание микроплазмы регулируется законом Пашена, который описывает напряжение пробоя (напряжение, при котором плазма начинает образовывать дугу) как функцию произведения расстояния между электродами и давления,
где pd - произведение давления и расстояния, а 
Хотя микроплазменные устройства изучаются экспериментально на протяжении более десяти лет, понимание возникло в последние несколько лет в результате моделирования и компьютерных исследований микроплазмы.
Когда давление газовой среды, в которой генерируется микроплазма, увеличивается, расстояние между электродами должно уменьшаться для поддержания того же напряжения пробоя. В таких разрядах с микрополым катодом произведение давления на расстояние находится в диапазоне от долей торр см до примерно 10 торр / см. При значениях ниже 5 Торр см разряды называются «предварительными разрядами» и представляют собой тлеющие разряды малой интенсивности. Выше 10 торр / см разряд может стать неконтролируемым и распространяться от анода в случайные места внутри полости. Дальнейшие исследования Дэвида Стэка предоставили график идеальных расстояний между электродами, напряжений и газов-носителей, проверенных на предмет образования микроплазмы.
Диэлектрики являются плохими электрическими проводниками, но поддерживают электростатические поля и электрическую поляризацию. Диэлектрический барьерный разряд Микроплазма обычно создается между металлическими пластинами, которые покрыты тонким слоем диэлектрика или материала с высоким сопротивлением. Диэлектрический слой играет важную роль в подавлении тока: катодный / анодный слой заряжается поступающими положительными ионами / электронами во время положительного цикла переменного тока, что уменьшает электрическое поле и препятствует переносу заряда к электроду. DBD также имеет большое отношение поверхности к объему, что способствует диффузионным потерям и поддерживает низкую температуру газа. Когда применяется отрицательный цикл переменного тока, электроны отталкиваются от анода и готовы столкнуться с другими частицами. Чтобы электроны двигались достаточно быстро, чтобы создать микроплазму, требуются частоты 1000 Гц или более, но чрезмерные частоты могут повредить электрод (~ 50 кГц). Хотя диэлектрический барьерный разряд бывает различных форм и размеров, каждый отдельный разряд имеет микрометровый масштаб.
Переменный ток и высокочастотная энергия часто используются для возбуждения диэлектриков вместо постоянного тока. Возьмем, к примеру, AC, в каждом периоде есть положительные и отрицательные циклы. Когда возникает положительный цикл, электроны накапливаются на поверхности диэлектрика. С другой стороны, отрицательный цикл отталкивает накопленные электроны, вызывая столкновения в газе и создавая плазму. Во время переключения с отрицательного на положительный циклы необходим вышеупомянутый частотный диапазон от 1000 Гц до 50 000 Гц для образования микроплазмы. Из-за небольшой массы электронов они могут поглощать внезапное переключение энергии и становиться возбужденными; однако более крупные частицы (атомы, молекулы и ионы) не могут следить за быстрым переключением, поэтому температура газа остается низкой.
На основе транзисторных усилителей маломощные ВЧ (радиочастоты) и микроволновые источники используются для генерации микроплазмы. Большинство решений работают на частоте 2,45 ГГц. Между тем, разработана технология, которая обеспечивает зажигание, с одной стороны, и высокоэффективную работу, с другой стороны, с той же электронной и парной цепью.
с использованием лазеров, твердые субстраты могут быть преобразованы непосредственно в микроплазмы. Твердые цели поражаются высокоэнергетическими лазерами, обычно газовыми, которые излучают импульсы с периодом времени от пикосекунд до фемтосекунд (синхронизация мод ). В успешных экспериментах использовались лазеры Ti: Sm, KrF и YAG, которые можно применять к различным подложкам, таким как литий, германий, пластмассы и стекло.
A - клемма, подключенная к внутренняя поверхность, B - вывод, соединенный с внешней поверхностью, C - газгольдер, D - осушительная трубка хлористого кальция, E - батарея, G - индукционная катушка В 1857 г. Вернер фон Сименс, немецкий ученый, возникла генерация озона с использованием устройства диэлектрического барьерного разряда для биологической дезактивации. Его наблюдения были объяснены без знания «микроплазмы», но позже были признаны первым применением микроплазмы на сегодняшний день. Первые инженеры-электрики, такие как Эдисон и Тесла, на самом деле пытались предотвратить возникновение таких «микроразрядов» и использовали диэлектрики для изоляции первых электрических инфраструктур. Последующие исследования показали, что кривая пробоя Пашена является основной причиной образования микроплазмы в статье, опубликованной в 1916 году.
В последующих статьях в течение 20-го века описывались различные условия и характеристики, которые привели к образованию микроплазмы. микроплазмы. После взаимодействия Сименса с микроплазмой Ульрих Когельшац был первым, кто идентифицировал эти «микроразряды» и определил их фундаментальные свойства. Когельшатц также понял, что микроплазма может быть использована для образования эксимеров. Его эксперименты стимулировали быстрое развитие области микроплазмы.
В феврале 2003 года Кунихиде Татибана, профессор Киотского университета, провел первый международный семинар по микроплазме (IWM) в Хиого, Япония. Семинар под названием «Новый мир микроплазмы» открыл новую эру исследований микроплазмы. Татибана признан одним из отцов-основателей, который ввел термин «микроплазма». Второй IWM был организован в октябре 2004 г. профессорами К.Х. Беккер, Дж. Иден, К. Шенбаха в Технологическом институте Стивенса в Хобокене, штат Нью-Джерси. Третий международный семинар координировался Институтом физики низкотемпературной плазмы совместно с Институтом физики Университета Эрнст-Мойц-Арндт в Грайфсвальде, Германия, май 2006 г. Обсуждаемые темы включали вдохновляющие научные и возникающие технологические возможности микроплазмы. Четвертый IWM был проведен на Тайване в октябре 2007 года, пятый - в Сан-Диего, Калифорния, в марте 2009 года, а шестой - в Париже, Франция, в апреле 2011 года. Следующий (седьмой) семинар был проведен в Китае примерно в мае 2013 года.
Быстрый рост приложений микроплазмы делает невозможным перечисление всех из них в коротком промежутке, но некоторые избранные приложения перечислены здесь.
Искусственно созданные микроплазмы обнаруживаются на плоском экране плазменного дисплея. В этой технологии используются маленькие элементы и содержатся электрически заряженные ионизированные газы. На этой плазменной панели расположены миллионы крошечных ячеек, называемых пикселями, которые образуют визуальное изображение. В плазменных панелях, X и Y сетка электродов, разделенных диэлектрическим слоем MgO и окруженных смесью инертных газов, таких как аргон, неон или ксенон, адресованы отдельным элементам изображения. Они работают по тому принципу, что при прохождении высокого напряжения через газ низкого давления образуется свет. По сути, PDP можно рассматривать как матрицу из крошечных люминесцентных ламп, которые управляются сложным образом. Каждый пиксель содержит небольшой конденсатор с тремя электродами, по одному для каждого основного цвета (некоторые новые дисплеи включают электрод для желтого цвета). Электрический разряд на электродах заставляет инертные газы, запечатанные в ячейке, преобразовываться в плазменную форму при ее ионизации. Поскольку он электрически нейтрален, он содержит равное количество электронов и ионов и по определению является хорошим проводником. При подаче энергии плазменные клетки испускают ультрафиолетовый (УФ) свет, который затем поражает и возбуждает красный, зеленый и синий люминофоры вдоль поверхности каждого пикселя, заставляя их светиться.
Схема устройства, разрабатываемого Иденом и Парком Команда Гэри Идена и Сунг-Джина Парка является пионером в использовании микроплазмы для общего освещения. В их аппарате используется множество генераторов микроплазмы в большом массиве, которые излучают свет через чистое прозрачное окно. В отличие от люминесцентных ламп, для которых требуется, чтобы электроды были далеко друг от друга в цилиндрической полости и в условиях вакуума, микроплазменные источники света могут иметь множество различных форм и конфигураций и генерировать тепло. Это отличается от более широко используемых люминесцентных ламп, которые требуют атмосферы благородного газа (обычно аргона), где образование эксимеров и результирующее радиационное разложение поражает люминофорное покрытие, создавая свет. Также производятся эксимерные источники света и исследовал. Устойчивое неравновесное состояние микроплазмы способствует трехчастичным столкновениям, которые могут привести к образованию эксимеров. эксимер, нестабильная молекула, образованная столкновениями возбужденных атомов, очень недолговечна из-за его быстрой диссоциации. При разложении эксимеры выделяют различные виды излучения, когда электроны опускаются на более низкие энергетические уровни. Одним из приложений, которым занимается Исследовательский центр передовых технологий дисплея Hyundai и Иллинойсский университет, является использование эксимерных источников света в плоских дисплеях.
Микроплазма используется для уничтожения летучих органических соединений. Например, разряд капиллярного плазменного электрода (CPE) использовался для эффективного разрушения летучих органических соединений, таких как бензол, толуол, этилбензол, ксилол, этилен, гептан, октан и аммиак в окружающем воздухе для использования в современных системах жизнеобеспечения, разработанных для закрытых помещений. Эффективность разрушения определялась как функция плотности энергии плазмы, начальной концентрации загрязняющих веществ, времени пребывания в объеме плазмы, объема реактора и количества загрязняющих веществ в потоке газа. Полное разрушение ЛОС может быть достигнуто в кольцевом реакторе при удельной энергии 3 Дж / см3 и выше. Кроме того, для достижения сопоставимой эффективности разрушения в реакторе с поперечным потоком требуются удельные энергии, приближающиеся к 10 Дж / см3. Это указывает на то, что оптимизация геометрии реактора является критическим аспектом достижения максимальной эффективности разрушения. Koutsospyros et al. (2004, 2005) и Yin et al. (2003) сообщили о результатах исследований разрушения ЛОС с использованием плазменных реакторов CPE. Все изученные соединения достигли максимальной эффективности уничтожения ЛОС от 95% до 100%. Эффективность уничтожения ЛОС первоначально увеличивалась с увеличением удельной энергии, но оставалась на уровне значений удельной энергии, которые зависят от соединения. Аналогичное наблюдение было сделано для зависимости эффективности уничтожения ЛОС от времени пребывания. Эффективность разрушения возрастает с увеличением начальной концентрации загрязняющих веществ. Было обнаружено, что для химически подобных соединений максимальная эффективность разрушения обратно пропорциональна энергии ионизации соединения и напрямую связана со степенью химического замещения. Это может указывать на то, что сайты химического замещения обладают самой высокой химической активностью, индуцированной плазмой.
Компактные размеры и небольшая мощность, необходимые для микроплазменных устройств, позволяют использовать различные приложения для измерения окружающей среды и обнаружения следовых концентраций опасных веществ. Микроплазма достаточно чувствительна, чтобы действовать как детекторы, которые могут различать чрезмерное количество сложных молекул. СМ. Херринг и его коллеги из Caviton Inc. смоделировали эту систему, соединив микроплазменное устройство с коммерческой колонкой для газовой хроматографии (ГХ). Микроплазменный прибор расположен на выходе из колонки ГХ, который регистрирует относительную интенсивность флуоресценции конкретных фрагментов атомной и молекулярной диссоциации. Этот прибор обладает способностью обнаруживать мельчайшие концентрации токсичных и экологически опасных молекул. Он также может обнаруживать широкий диапазон длин волн и временную сигнатуру хроматограмм, которая идентифицирует интересующие виды. Для обнаружения менее сложных видов временная сортировка, выполняемая колонкой GC, не требуется, поскольку достаточно прямого наблюдения флуоресценции, производимой в микроплазме.
Микроплазмы используются для образования озона из атмосферного кислорода. Озон (O 3) показал себя как хорошее дезинфицирующее средство и средство для очистки воды, которое может вызывать разложение органических и неорганических материалов. Озон непригоден для питья и превращается в двухатомный кислород с периодом полураспада около 3 дней при комнатной температуре воздуха (около 20 ° C). В воде, однако, период полураспада озона составляет всего 20 минут при той же температуре 20 ° C. Degremont Technologies (Швейцария) производит микроплазменные установки для коммерческого и промышленного производства озона для очистки воды. Пропуская молекулярный кислород через серию диэлектрических барьеров, используя то, что Дегремонт называет интеллектуальной системой зазора (IGS), увеличивается концентрация озона за счет изменения размера зазора и покрытия, используемого на электродах, расположенных дальше по системе. Затем озон барботируется непосредственно в воду, чтобы сделать ее пригодной для питья. В отличие от хлора, который до сих пор используется во многих системах очистки воды для обработки воды, озон не остается в воде в течение длительного времени. Поскольку озон разлагается в воде при комнатной температуре с периодом полураспада 20 минут, нет никаких длительных эффектов, которые могут причинить вред.
Микроплазма служит энергетическим источником ионов и радикалов, которые желательны для активации химических реакций. Микроплазмы используются в качестве проточных реакторов, которые позволяют молекулярным газам проходить через микроплазму, вызывая химические модификации путем молекулярного разложения. Электроны с высокой энергией микроплазмы способствуют химической модификации и преобразованию жидких углеводородных топлив для производства топлива для топливных элементов. Беккер и его сотрудники использовали одиночный проточный микроплазменный реактор с возбуждением постоянным током для производства водорода из смеси аммиака и аргона при атмосферном давлении для использования в небольших портативных топливных элементах. Линднер и Бессер экспериментировали с преобразованием модельных углеводородов, таких как метан, метанол и бутан, в водород для питания топливных элементов. Их новый микроплазменный реактор представлял собой разряд с микрополым катодом с микрофлюидным каналом. Баланс массы и энергии в этих экспериментах показал конверсию почти до 50%, но преобразование подводимой электроэнергии в энтальпию химической реакции составляло всего лишь порядка 1%. Хотя путем моделирования реакции риформинга было обнаружено, что количество потребляемой электроэнергии для химического преобразования может увеличиваться за счет улучшения устройства, а также параметров системы.
Использование микроплазм изучается для синтеза сложных макромолекул, а также добавления функциональных групп на поверхности других субстратов. В статье Klages et al. описывает добавление аминогрупп к поверхностям полимеров после обработки импульсным разрядным устройством постоянного тока с использованием азотсодержащих газов. Было обнаружено, что микроплазма газообразного аммиака добавляет в среднем 2,4 аминогруппы на квадратный нанометр нитроцеллюлозной мембраны и увеличивает прочность связывания слоев субстрата. Обработка также может обеспечить реактивную поверхность для биомедицины, поскольку аминогруппы чрезвычайно богаты электронами и обладают высокой энергией. Мохан Шанкаран провел работу по синтезу наночастиц с использованием импульсного разряда постоянного тока. Его исследовательская группа обнаружила, что при нанесении струи микроплазмы на раствор электролита, который имеет либо золотой, либо серебряный анод, он производит соответствующие катионы. Эти катионы могут затем захватывать электроны, поступающие из струи микроплазмы, что приводит к образованию наночастиц. Исследования показывают, что в растворе содержится больше наночастиц золота и серебра, чем в образующихся солей, образующихся из кислотопроводящего раствора.
Рассматривается возможность использования микроплазмы в исследованиях.. Устройство плазменной регенерации кожи (PSR) состоит из генератора сверхвысоких радиочастот, который возбуждает настроенный резонатор и передает энергию потоку инертного газообразного азота внутри наконечника. Образовавшаяся плазма имеет оптический спектр излучения с пиками в видимом диапазоне (в основном индиго и фиолетовый) и ближнем инфракрасном диапазоне. Азот используется в качестве газообразного источника, поскольку он способен удалять кислород с поверхности кожи, сводя к минимуму риск непредсказуемых горячих точек, обугливания и образования рубцов. Когда плазма попадает на кожу, энергия быстро передается на поверхность кожи, вызывая мгновенное нагревание контролируемым равномерным образом без взрывного воздействия на ткани или удаление эпидермиса. В образцах перед обработкой зона коллагена показывает плотное скопление эластина, но в образцах после обработки эта зона содержит менее плотный эластин со значительным переплетением нового коллагена. Повторная низкоэнергетическая процедура PSR - эффективный метод улучшения диспигментации, гладкости и дряблости кожи, связанных с фотостарением. Гистологический анализ образцов после обработки подтверждает производство нового коллагена и ремоделирование дермальной архитектуры. Изменения состоят из эритемы и поверхностного отслаивания эпидермиса без полного удаления, которое обычно завершается через 4–5 дней. Богл, Мелисса; и другие. (2007). «Оценка технологии плазменной регенерации кожи при низкоэнергетическом омоложении лица». Arch Dermatol. 143 (2): 168–174. doi : 10.1001 / archderm.143.2.168. PMID 17309997.
Ученые обнаружили, что микроплазма способна инактивировать бактерии, вызывающие кариес и заболевания пародонта. Направляя лучи низкотемпературной микроплазмы на структуру кальцинированной ткани под покрытием зубной эмали, называемым дентином, он значительно снижает количество зубных бактерий и, в свою очередь, уменьшает инфекцию. Этот аспект микроплазмы может позволить стоматологам использовать технологию микроплазмы для уничтожения бактерий в зубных полостях вместо использования механических средств. Разработчики утверждают, что микроплазменные устройства позволят стоматологам эффективно лечить заболевания ротовой полости, не причиняя боль своим пациентам. Недавние исследования показывают, что микроплазма может быть очень эффективным методом контроля биопленок полости рта. Биопленки (также известные как слизь) представляют собой высокоорганизованные трехмерные бактериальные сообщества. Зубной налет - типичный пример биопленок полости рта. Это основная причина кариеса и заболеваний пародонта, таких как гингивит и пародонтит. В Университете Южной Калифорнии Пэриш Седгизаде, директор Центра биопленок Университета Южной Калифорнии, и Чунци Цзян, доцент кафедры электротехники-электрофизики Мин Се, работают с исследователями из инженерной школы Витерби в поисках новых способов борьбы эти бактериальные инфекции. Седгизаде объяснил, что слизистая матрица биопленок действует как дополнительная защита от традиционных антибиотиков. Однако исследование центров подтверждает, что биопленки, выращенные в корневом канале удаленных человеческих зубов, могут быть легко разрушены при применении микроплазмы. Эмиссионная микроскопия плазмы, полученная во время каждого эксперимента, предполагает, что атомарный кислород, производимый микроплазмой, отвечает за инактивацию бактерий. Затем Седгизаде предположил, что свободные радикалы кислорода могут разрушить клеточную мембрану биопленок и вызвать их разрушение. Согласно текущим исследованиям в USC, Седгизаде и Цзян обнаружили, что микроплазма не вредна для окружающих здоровых тканей, и уверены, что технология микроплазмы скоро станет революционным инструментом в медицинской промышленности. Ли вместе с другими учеными в этой области обнаружили, что микроплазма также может использоваться для отбеливания зубов. Этот реактивный вид может эффективно отбеливать зубы вместе с физиологическим раствором или отбеливающими гелями, которые состоят из перекиси водорода. Ли и его коллеги экспериментировали с этим методом, исследуя, как микроплазма вместе с перекисью водорода влияет на окрашенные кровью человеческие зубы. Эти ученые взяли сорок извлеченных однокорневых, окрашенных кровью человеческих зубов и случайным образом разделили их на две группы по двадцать. Группа 1 получала 30% перекись водорода, активированную микроплазмой, в течение тридцати минут в пульповой камере, в то время как группа 2 получала 30% перекись водорода только в течение 30 минут в пульповой камере, и температура поддерживалась на уровне 37 градусов Цельсия для обеих групп. После проведения тестов они обнаружили, что микроплазменная обработка 30% перекисью водорода оказывает значительное влияние на белизну зубов в первой группе. Ли и его коллеги пришли к выводу, что применение микроплазмы вместе с перекисью водорода является эффективным методом отбеливания окрашенных зубов из-за ее способности удалять белки с поверхности зубов и повышенного производства гидроксида.
Микроплазма, температура которой близка к комнатной, может уничтожать бактерии, вирусы и грибки, осевшие на поверхности хирургических инструментов и медицинских устройств. Исследователи обнаружили, что бактерии не могут выжить в суровых условиях, создаваемых микроплазмой. Они состоят из химически активных веществ, таких как гидроксил (ОН) и атомарный кислород (О), которые могут убивать вредные бактерии путем окисления. Окисление липидов и белков, составляющих клеточную мембрану, может привести к разрушению мембраны и дезактивации бактерий. Микроплазма может контактировать с кожей, не причиняя ей вреда, что делает ее идеальной для дезинфекции ран. «Медицинская плазма относится к категории« Златовласки »- достаточно горячая, чтобы производить эффективное лечение, но достаточно холодная, чтобы не повредить ткани» (Larousi, Kong 1). Исследователи обнаружили, что микроплазмы можно наносить непосредственно на живые ткани, чтобы дезактивировать патогены. Ученые также обнаружили, что микроплазма останавливает кровотечение, не повреждая здоровые ткани, дезинфицирует раны, ускоряет заживление ран и выборочно убивает некоторые типы раковых клеток. В умеренных дозах микроплазма может уничтожить болезнетворные микроорганизмы. В низких дозах они могут ускорить репликацию клеток - важный шаг в процессе заживления ран. Способность микроплазмы убивать клетки бактерий и ускорять репликацию клеток здоровых тканей известна как процесс «плазменное уничтожение / плазменное исцеление». Это привело ученых к дальнейшим экспериментам с использованием микроплазмы для ухода за ранами. Предварительные испытания также продемонстрировали успешное лечение некоторых типов хронических ран.
Поскольку микроплазма дезактивирует бактерии, они могут иметь способность разрушать раковые клетки. Жан Мишель Пувель работал в Орлеанском университете во Франции в Группе исследований медиаторов воспаления (GREMI), экспериментируя с воздействием микроплазмы на раковые клетки. Пувесл вместе с другими учеными создал диэлектрический барьерный разряд и плазменную пушку для лечения рака, в которой микроплазма будет применяться как в экспериментах in vitro, так и in vivo. Это приложение раскроет роль ROS (активных форм кислорода), повреждения ДНК, модификации клеточного цикла и индукции апоптоза. Исследования показывают, что лечение микроплазмой способно вызывать запрограммированную смерть (апоптоз) раковых клеток, останавливая быстрое размножение раковых клеток с небольшим повреждением живых тканей человека. GREMI проводит множество экспериментов с микроплазмой в онкологии, их первый эксперимент применяет микроплазму к опухолям мышей, растущим под поверхностью кожи. В ходе этого эксперимента ученые не обнаружили никаких изменений или ожогов на поверхности кожи. После пятидневной обработки микроплазмой результаты показали значительное снижение роста рака глиомы U87 (опухоль мозга) по сравнению с контрольной группой, где микроплазма не применялась. GREMI провела дальнейшие исследования in vitro клеточных линий глиомного рака U87 (опухоли головного мозга) и HCT116 (опухоль толстой кишки), на которые была нанесена микроплазма. Доказано, что эта микроплазменная обработка является эффективным методом уничтожения раковых клеток после применения в течение нескольких десятков секунд. Дальнейшие исследования проводятся по влиянию лечения микроплазмой в онкологии; это применение микроплазмы значительно повлияет на сферу медицины.
