Kalte Atmospherendruck-Plasmen für die Untersuchung der grundlegenden Mechanismen für die Interaktion mit biologischen Substraten: die Rolle von Ionen und die plasmainduzierte Chemie in Flüssigkeiten

• Antragsteller: Professor Jan Benedikt, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 356768018

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt „Kalte Atmosphärendruck-Plasmen für die Untersuchung der grundlegenden Mechanismen für die Interaktion mit biologischen Substraten: die Rolle von Ionen und die plasmainduzierte Chemie in Flüssigkeiten“ zielte auf ein besseres Verständnis des Zusammenspiels kalter physikalischer Plasmen mit für biomedizinische Anwendungen relevanten Oberflächen ab. Bis heute ist diese Wechselwirkung nur unzureichend verstanden, insbesondere wenn Feuchtigkeit oder eine flüssige Oberfläche, die bei biologischen Materialien in der Regel immer vorhanden ist, an den Plasma-Oberflächen-Prozessen beteiligt sind. Darüber hinaus besteht ein Plasma aus verschiedenen Spezies wie Ionen, Elektronen und Photonen, so dass das Wissen über die von nur einer dieser Spezies induzierten Effekte, besonders die er Ionen, begrenzt und schwer zu erlangen ist. Um diese Probleme zu lösen, wurden zwei Ansätze gewählt. Zum einen wurde die Chemie in der Flüssigkeit, die mit dem reaktiven ausströmenden Gas eines kalten Atmosphärendruckplasmas, dem so genannten COST-Jet, behandelt wurde, durch Experimente und Simulationen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Reaktionen des im Plasma erzeugten atomaren Sauerstoffs an der Flüssigkeitsoberfläche mit organischen Verbindungen im Vergleich zu den Reaktionen in dem Flüssigkeitsvolumen dominierend sind. Daher spielen die Eigenschaften der behandelten Spezies (z.B. Tenside) und/oder die Durchmischung der Flüssigkeit eine wichtige Rolle für die effektive Plasmabehandlung von Flüssigkeiten. Darüber hinaus konnten durch die Kombination von Experimenten und Simulationen Näherungswerte für bisher unbekannte Werte wie die Löslichkeitskonstante nach dem Henry-Gesetz für atomaren Sauerstoff validiert werden. Zum anderen wurde die isolierte Wirkung von Ionen auf biologische Substrate und für das Dünnschichtwachstum untersucht. Eine große Herausforderung ist die Erzeugung von isolierten Ionen bei Atmosphärendruck. Es wurde eine neuartige Vakuum-UV-Photoionisationskammer entwickelt, die plasmagenerierte VUV-Strahlung für die Ionisierung von Neutralgas nutzt und in der die erzeugten Ionen zum zu behandelnden Substrat oder zur Diagnose genutzt werden. Die Gasflussraten und die Kammergeometrie wurden im Vorfeld mittels Strömungssimulationen optimiert. Ein moderates elektrisches Feld wurde verwendet und ebenfalls durch Simulationen optimiert, um die Ionen homogen zum Substrat zu ziehen. Räumlich aufgelöste Strom- und Massenspektrometriemessungen ergaben signifikante Ionenflüsse, die mit den in den Simulationen gefundenen Profilen des elektrischen Feldes übereinstimmen. Die Beimischung von Precursorgasen wie Acetylen führte zur ionenbasierten Abscheidung von amorphen Kohlenstoffschichten. Die neu entwickelte VUV-Photoionisationskammer erfüllt somit alle Voraussetzungen für die Untersuchung der isolierten Ionen-Oberflächen-Wechselwirkung unter Atmosphärendruckbedingungen und wird in naher Zukunft auch für biologische Substrate eingesetzt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Characterization of isolated and combined radical, photon, and ion effects of cold atmospheric plasmas on liquids, 71. GEC, Portland, Oregon, USA – talk
  J. Benedikt, K. Sgonina, J. Golda, G. Willems, M. Mokhtar Hefny & B. Biskup
  
• Cold atmospheric plasma interaction with liquids and biological substrates: characterization of isolated and combined radical, photon, and ion effects, SPPT Prague, Czech Republic – talk
  J. Benedikt, K. Sgonina, J. Golda, G. Willems, M. Mokhtar Hefny, B. Biskup, P. Vogel & C. Karczewski
  
• Diagnostics and application of reactivity of atmospheric plasmas in studies relevant for plasma medicine, 82th DPG spring meeting, Erlangen, Germany – talk
  J. Benedikt, M. Mokhtar Hefny, G. Willems, P. Vogel, C. Karczewski, J. Bandow & P. Lukes
  
• Investigation of the Isolated Ion Interaction with Biological Substrates and Liquids, International Conference on Plasma Medicine, Philadelphia, USA – poster; awarded with “The Best student paper award”
  K. Sgonina, P. Vogel, C. Karczewski, A. Giardina, J. Bandow & J. Benedikt
  
• Investigation of the Role of Atomic Oxygen in Water Using an Atmospheric Pressure Plasma Jet, Young Professionals Workshop on Plasma Medicine – Frontiers in Redox Biochemistry and Medicine, Rostock, Germany – talk
  K. Sgonina, M. Mokhtar Hefny, N. Dose & J. Benedikt
  
• Reactivity transfer from atmospheric plasmas to solid surfaces and liquids, GRC Plasma Processing Science conference, Smithfield, Rhode Island, USA – poster
  J. Benedikt, M. Mokhtar Hefny, K. Sgonina, D. Necas, L. Zajickova & J. Golda
  
• The fate of plasma-generated oxygen atoms in aqueous solutions: non-equilibrium atmospheric pressure plasmas as an efficient source of atomic O(aq). Physical Chemistry Chemical Physics, 20(17), 12037-12042.
  Benedikt, J.; Mokhtar, Hefny M.; Shaw, A.; Buckley, B. R.; Iza, F.; Schäkermann, S. & Bandow, J. E.
  
• Interaction of plasma-generated reactive species with aqueous solutions, International Symposium on Plasma Chemistry, Neaples, Italy – poster
  K. Sgonina, G. Bruno, N. Dose, K. Wende & J. Benedikt
  
• Interaction of plasma-generated reactive species with methylene blue, DPG spring meeting, Munich, Germany – poster
  K. Sgonina, N. Dose & J. Benedikt
  
• Loss processes of plasma-generated atomic oxygen in a phenol solution, Plasma - BioMed - Workshop, Neumünster, Germany – talk
  K. Sgonina, G. Bruno, K. Wende & J. Benedikt
  
• Mass spectrometry and plasma chemistry of atmospheric pressure plasma jets, ICPIC, Sapporo, Japan – general invited talk
  J. Benedikt, K. Sgonina, G. Willems, S. Große-Kreul, M. Mokhtar Hefny, S. Schneider & D. Ellerweg
  
• Vorteile und Herausforderungen der ADP in Anwendungen, AK-ADP Workshop, Kiel, Germany – talk
  J. Benedikt, J. Golda, K. Sgonina, N. Dose, O. Hansen, B. Biskup & M. Mokhtar Hefny
  
• Mass spectrometry of neutrals and positive ions in He/CO2 non-equilibrium atmospheric plasma jet. Plasma Physics and Controlled Fusion, 62(3), 034005.
  Willems, Gert; Hecimovic, Ante; Sgonina, Kerstin; Carbone, Emile & Benedikt, Jan
  
• Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet. Journal of Visualized Experiments(165).
  Golda, Judith; Sgonina, Kerstin; Held, Julian; Benedikt, Jan & Schulz-von, der Gathen Volker
  
• Vacuum ultraviolet spectroscopy of cold atmospheric pressure plasma jets. Plasma Processes and Polymers, 17(6).
  Golda, Judith; Biskup, Beatrix; Layes, Vincent; Winzer, Tristan & Benedikt, Jan
  
• Experimental and modeling study of surface reactions of plasma generated atomic oxygen with phenol solutions, Symposium on Application of Plasma Processes, virtual – talk
  K. Sgonina, G. Bruno, K. Wende & J. Benedikt
  
• Loss processes of plasma generated atomic oxygen in phenol solutions, DPG SMuK conference, virtual – talk
  K. Sgonina, G. Bruno, S. Wyprich, K. Wende & Jan Benedikt
  
• Reactions of plasma-generated atomic oxygen at the surface of aqueous phenol solution: Experimental and modeling study. Journal of Applied Physics, 130(4).
  Sgonina, K.; Bruno, G.; Wyprich, S.; Wende, K. & Benedikt, J.
  
• Reactions of Plasma-Generated Atomic Oxygen with Phenol Solutions, International Conference on Plasma Medicine, virtual – talk
  K. Sgonina, G. Bruno, S. Wyprich, K. Wende & Jan Benedikt
  
• VUV-Photoionisation Chamber for the Characterization of Ion-Substrate Interactions at Atmospheric Pressure, Gaseous Electronics Conference, virtual – talk
  K. Sgonina, A. Quack, C. Schulze, T. Winzer, L. Mohn & J. Benedikt
  
• Selective study of ion-substrate interactions using the VUV-photoionization chamber, Central European Symposium on Plasma Chemistry, Štrbské Pleso, Slovakia – talk; awarded with the ”Young scientist prize for the best oral presentation”
  K. Sgonina, A. Quack, C. Schulze & J. Benedikt
  
• VUV photoionization chamber: study of ion interaction with substrates at atmospheric pressure, Erfahrungsaustausch Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, Mühlleithen, Germany – talk
  K. Sgonina, A. Quack, C. Schulze & J. Benedikt
  
• VUV-photoionization chamber for the selective study of ion-substrate interactions, DPG spring meeting, virtual – talk
  K. Sgonina, A. Quack, C. Schulze & J. Benedikt