Πειραματική μελέτη ψυχρού μικρο-πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης παραγόμενου από υψηλές τάσεις διαφορετικών κυματομορφών

Abstract

The present PhD thesis is devoted to the study of atmospheric pressure cold micro-plasmas produced in different Dielectric Barrier Discharge (DBD) reactors which are driven by pulsed or sinusoidal high voltages. Noble gases such as helium and argon are used as carrier gases, whereas admixtures with nitrogen and oxygen are studied as well. The formation of Reactive Nitrogen and Oxygen Species (RNS, ROS) is thus achieved, and the possibility of improving the chemical (re)activity of the plasmas is demonstrated. This is of interest in the treatment of inert or living materials (e.g. surface functionalization, cell inactivation, living tissue regeneration, etc.). Plasmas are characterized by recording electrical and optical features as a function of principal operational parameters, including voltage amplitude and frequency, gas flow rate, electrode configuration, and voltage duty cycle in the case of pulsed waveform. The physico-chemical (re)activity of the plasmas is thus evaluated, while at the same time mechanisms on the plasma generation and paths for chemistry optimization are unveiled. Finally, the efficiency of the plasma in relation to biomedical applications is tested by treating different biological systems (bacteria, liposomes, cells) while preventing any thermal effect.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στη μελέτη ψυχρού μικρο-πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης παραγόμενου από αντιδραστήρες εκκένωσης διηλεκτρικού φράγματος που οδηγούνται από παλμική ή ημιτονοειδή υψηλή τάση. Για τη δημιουργία του πλάσματος, χρησιμοποιούνται διάφορα ευγενή αέρια όπως το ήλιο και το αργό (κύρια αέρια) καθώς και προσμίξεις αυτών με άζωτο κι οξυγόνο. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η παραγωγή δραστικών σωματιδίων αζώτου κι οξυγόνου (RNS και ROS, αντίστοιχα), ενώ ταυτόχρονα μελετάται η δυνατότητα βελτίωσης της χημικής δραστικότητας τους πλάσματος. Η τελευταία είναι σημαντική για διάφορες εφαρμογές (π.χ. χημική ενεργοποίηση επιφανειών, αδρανοποίηση κυττάρων, αναγέννηση ιστών, κ.α.). Το πλάσμα μελετάται εξετάζοντας τα διάφορα ηλεκτρικά κι οπτικά χαρακτηριστικά του συναρτήσει των πρωταρχικών παραμέτρων κάθε συστήματος, δηλαδή το πλάτος της τάσης, τη συχνότητα λειτουργίας, τη ροή του αερίου, τη διαμόρφωση των ηλεκτροδίων και το λόγο κατάτμησης της τάσης στην περίπτωση παλμικής κυματομορφής. Έτσι, εκτιμάται η φυσικο-χημική δραστικότητα του πλάσματος, ενώ την ίδια στιγμή καταδεικνύονται οι φυσικοί μηχανισμοί παραγωγής του καθώς και τρόποι βελτιστοποίησης της χημείας του. Τέλος, δοκιμάζεται η αποδοτικότητα του παραγόμενου πλάσματος σε σχέση με βιο-ιατρικές εφαρμογές μέσω επεξεργασίας διαφορετικών βιολογικών συστημάτων (βακτήρια, λιποσώματα, κύτταρα) αποτρέποντας ταυτόχρονα θερμικές βλάβες.