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Laser diagnostics of an Ar atmospheric pressure plasma jet for biomedical applications

  • In the last decade a new domain has developed in plasma physics: plasma medicine. Despite the successes that have already been achieved in this exciting new field, the interaction of plasmas with “biological materials” is not yet fully understood. Further investigations in particular with respect to the properties of the applied plasmas sources are therefore essential in order to decode this complex interaction process. Currently, a great variety of different discharge types are used in plasma medical investigation which are generally are operated in noble gases like helium and argon or with dry air. In the present work, the main focuses is on the diagnostics of reactive oxygen and nitrogen species (RONS) resulting from the plasma chemistry of an argon radio-frequency (RF) atmospheric pressure plasma jet (APPJ) and its interaction with the ambient atmosphere. To conduct this study, a commercially available plasma device, so-called kinpen is used due to its technical development maturity and its accessibility on the market. As a method of choice, diagnostic techniques are based on optical spectroscopy known to be a reliable tool to investigate plasmas. Consequently, three complementary optical laser diagnostics, namely quantum cascade laser absorption spectroscopy (QCLAS), laser induced fluorescence (LIF) and planar single shot LIF (PLIF), have been successfully applied to the plasma jet itself or its effluent. All of these diagnostics offer a high species selectivity and an excellent spatial and temporal resolution. They are used in this work for i) the characterization of the plasma chemical dynamics with respect to the generation of biological active RONS – in particular for the case of N2 and O2 admixtures. ii) the measurement of the NO density profile in the plasma effluent iii) the investigation of the flow characteristics of the neutral gas component (laminar vs. turbulent) and its influence on the plasma chemistry. Numerical analysis have been carried out in collaboration with PLASMANT (University of Antwerp) via kinetic simulations of the entire plasma chemistry. Expectingly, atomic oxygen (O) and nitric oxide (NO) turn out to be precursors of ozone (O3) and nitric dioxide (NO2). However, it was intriguing to unveil that atomic oxygen and nitrogen metastable (N2(A)) play together a key part --as intermediate species-- in the generation of more stable RONS, e.g. NO. The absolute density of NO space resolved was measured by LIF and absolutely calibrated molecular beam mass spectrometer. LIF was used to determine relative density of OH radical in the plasma plume. 2D-LIF was used to investigate the gas flow pattern with OH as a flow tracer. The results are discussed in details and show different operating mode of the jet, e.g. laminar or turbulent and that the plasma influences these regimes. The first detection and relative measurement by LIF of nitrogen metastable (N2(A)) produced by an argon APPJ is also shortly reported in this work. The outcome of this thesis will bring new insights in the field of argon APPJs chemistry and its interaction with the ambient atmosphere which can be valuable to support plasma modelling and to consider for the applications in plasma medicine.
  • Im Laufe des letzten Jahrzehnts hat sich der Plasmaphysik ein neues, aufregendes Forschungsfeld erschlossen: die Plasmamedizin. Trotz der Erfolge, die sich auf diesem Gebiet bereits gezeitigt haben, ist die Wechselwirkung von Plasmen mit „biologischen Materialien“ bei weitem nicht vollständig verstanden. Weitere Untersuchungen, insbesondere im Hinblick auf die Eigenschaften der verwendeten Plasmaquellen, sind daher erforderlich, um diesen Wechselwirkungsprozess genauer zu entschlüsseln. Zurzeit werden für plasmamedizinische Untersuchungen eine grosse Vielzahl verschiedenster Plasmaquellen verwendet, die in der Regel entweder mit Edelgasen wie Argon oder Helium oder mit Trockenluft betrieben werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS), die im vorliegenden Fall aus der Wechselwirkung eines mit Argon betriebenen atmosphärischen RF-Plasmajets (APPJ) mit der Umgebungsluft resultieren. Für die Untersuchungen wurde aufgrund ihrer technischen Ausgereiftheit und ihrer Marktverfügbarkeit eine kommerziell erhältliche Plasmaquelle (Kinpen) benutzt. Die Analyse des Plasmas und seiner Zusammensetzung stützt sich in dieser Arbeit im wesentlichen auf drei verschiedene laserdiagnostische Verfahren: Quantenkaskaden-Laser-Absorptionsspektroskopie (QCLAS), Laser induzierte Fluoreszenz (LIF) und Planar single shot LIF (PLIF). Jede dieser Methoden gewährleitet eine hohe Spezies-Selektivität sowie exzellente räumliche und zeitliche Auflösung. Die genannten Diagnostikverfahren dienen im wesentlichen der i) Charakterisierung der plasmachemischen Dynamik hinsichtlich der Produktion biologisch aktiver RONS – insbesondere im Fall von Beimischungen von N2 und O2, ii) Vermessung des absoluten NO Dichteprofils im Gasausflussbereich des Plasmajets, iii) Untersuchung des Strömungsverhaltens des Neutralgases (laminar vs. turbulent) und dessen Einfluss auf die Plasmachemie. Die experimentellen Untersuchungen werden vervollständigt durch eine theoretisch-numerische Simulation der plasmachemischen Prozesse, die in Zusammenarbeit mit der PLASMANT Gruppe der Universität Antwerpen durchgeführt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass atomarer Sauerstoff (O) und Stickstoffmonoxid (NO) die Präkursoren für die Bildung von Ozon (O3) und Stickstoffdioxid (NO2) sind. Darüber hinaus zeigt sich, dass atomarer Sauerstoff und metstabile Stickstoffmoleküle (N2A)) als intermediäre Spezies eine Schlüsselrolle spielen in der Erzeugung von RONS wie z.B. NO. Die absolute, räumlich aufgelöste NO Dichte wurde mittels LIF gemessen und absolut kalibriert mit Hilfe eines Molekularstrahl-Massenspektrometers. Die Methode der Laser induzierten Fluoreszenz wurde ebenfalls verwendet zur Bestimmung der relativen Dichte des OH Radikals. Das Strömungsverhalten des Neutralgases wurde mittels 2D-LIF vermessen wobei das OH Radikal als Tracer verwendet wurde. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigen, dass der Plasmajet in verschiedenen Operationsmodi betrieben werden kann (laminar und turbulent), die ihrerseits beeinflusst werden durch das Plasma selbst. Die Resultate dieser Arbeit geben neue Einsichten in die aus der Wechselwirkung eines mit Argon betriebenen atmosphärischen RF-Plasmajets (APPJ) mit der Umgebungsluft resultierenden Plasmachemie. Die gewonnen Ergebnisse sind sowohl von Interesse für die Validierung plasmachemischer Modellierungen als auch für Anwendungen in der Plasmamedizin.

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Metadaten
Author: Sylvain Roger René Iséni
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002307-6
Title Additional (English):Laser diagnostics of an Ar atmospheric pressure plasma jet for biomedical applications
Title Additional (German):Laser Diagnostik eines Ar Atmosphärendruckplasmajets für die biomedizinische Anwendung
Advisor:Prof. Dr. Klaus-Dieter Weltmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2015/09/01
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/08/31
Release Date:2015/09/01
Tag:Atmospheric pressure plasma, Laser spectroscopy, Laser-induced fluoresence (LIF), Mid-IR absorption spectroscopy, Plasma diagnostics
GND Keyword:Atmosphärendruckplasma, Infrarotspektroskopie, Laserinduzierte Fluoreszenz, Laserspektroskopie, Optisches Messgerät, Plasmadiagnostik, Plasmaphysik
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik