Plazmové čištění - Plasma cleaning
Plazmové čištění je odstranění nečistot a znečišťujících látek z povrchů pomocí energetického zdroje plazma nebo dielektrický bariérový výboj (DBD) plazma vytvořená z plynných druhů. Plyny jako argon a kyslík, stejně jako směsi jako vzduch a vodík / dusík. Plazma je vytvářena pomocí vysokofrekvenčních napětí (typicky kHz až> MHz) k ionizaci nízkotlakého plynu (typicky kolem 1/1 000 atmosférického tlaku), ačkoli plazmy za atmosférického tlaku jsou nyní také běžné.[1]
Metody
V plazmě jsou atomy plynu excitovány do vyšších energetických stavů a také ionizovány. Když se atomy a molekuly „uvolňují“ do svých normálních stavů s nižší energií, které uvolňují foton světla, vede to k charakteristické „záři“ nebo světlu spojenému s plazmou. Různé plyny dávají různé barvy. Například kyslíková plazma vydává světle modrou barvu.
Mezi druhy aktivované plazmou patří atomy, molekuly, ionty, elektrony, volné radikály, metastables, a fotony v krátkovlnném ultrafialovém (vakuový UV, nebo VUV pro krátký) dosah. Tato směs pak interaguje s jakýmkoli povrchem umístěným v plazmě.
Pokud je použitým plynem kyslík, je plazma účinnou, ekonomickou a ekologicky bezpečnou metodou pro kritické čištění. Energie VUV je velmi účinná při rozbíjení většiny organických vazeb (tj. C – H, C – C, C = C, C – O a C – N) povrchových kontaminantů. To pomáhá rozbít kontaminanty s vysokou molekulovou hmotností. Druhé čištění se provádí druhem kyslíku vytvořeným v plazmě (O2+, O2−, O3, O, O+, O−, ionizovaný ozon, metastabilní excitovaný kyslík a volné elektrony).[2] Tyto druhy reagují s organickými kontaminanty za vzniku H2O, CO, CO2a uhlovodíky s nižší molekulovou hmotností. Tyto sloučeniny mají relativně vysokou hodnotu tlaky par a jsou během zpracování evakuováni z komory. Výsledný povrch je ultra čistý. Na obr. 2 je znázorněn relativní obsah uhlíku v hloubce materiálu před a po čištění excitovaným kyslíkem [1].

Pokud součást sestává ze snadno oxidovaných materiálů, jako je stříbro nebo měď, použije se místo toho inertní plyn, jako je argon nebo helium. Atomy a ionty aktivované plazmou se chovají jako molekulární pískování a mohou rozkládat organické kontaminanty. Tyto nečistoty se během zpracování odpařují a jsou evakuovány z komory.
Většinu těchto vedlejších produktů tvoří malá množství plynů, jako je oxid uhličitý a vodní pára se stopovým množstvím oxidu uhelnatého a jiných uhlovodíků.
To, zda je organické odstraňování úplné, lze posoudit pomocí kontaktní úhel Měření. Pokud je přítomen organický kontaminant, kontaktní úhel vody v zařízení je vysoká. Odstranění kontaminujících látek snižuje kontaktní úhel na charakteristiku kontaktu s čistým substrátem. Kromě toho se XPS a AFM často používají k ověření aplikací čištění a sterilizace povrchů.[3]
Pokud je povrch, který má být ošetřen, potažen vzorovanou vodivou vrstvou (kov, ITO ), léčba přímým kontaktem s plazmou (schopnou kontrakce na mikroarky) může být destruktivní. V tomto případě lze použít čištění neutrálními atomy excitovanými v plazmě do metastabilního stavu.[4] Výsledky stejných aplikací na povrchy skleněných vzorků potažených Cr a ITO vrstvy jsou znázorněny na obr.

Po ošetření kontaktní úhel kapky vody se sníží a bude menší než její hodnota na neošetřeném povrchu. Na obr. 4 je ukázána relaxační křivka pro stopu kapiček pro vzorek skla. Fotografie stejné kapičky na neošetřeném povrchu je uvedena na vložce obr. 4. Doba relaxace povrchu odpovídající údajům zobrazeným na obr. 4 je přibližně 4 hodiny.
Plazmové spalování je proces, který využívá plazmové čištění pouze k odstranění uhlíku. Plazmové spalování se vždy provádí s O2 plyn.[5]

Aplikace

K odstranění nečistot z povrchů před tím, než mohou být použity ve výrobním procesu, je často nutné plazmové čištění. Plazmové čištění lze aplikovat na řadu materiálů spolu s povrchy se složitými geometriemi. Čištění plazmou má schopnost účinně odstraňovat veškerou organickou kontaminaci z povrchů procesem chemické reakce (vzduchová plazma) nebo fyzikální ablace (Ar plazma / argonová plazma). Fotografie plazmového paprsku na neošetřeném kovovém povrchu je zobrazena na obrázku 5.[6]
Čištění a sterilizace
Čištění plazmou odstraňuje organické znečištění chemickou reakcí nebo fyzickou ablací uhlovodíků na ošetřené povrchy.[3] Chemicky reaktivní procesní plyny (vzduch, kyslík) reagují s uhlovodíkovými monovrstvy za vzniku plynných produktů, které jsou smeteny kontinuálním tokem plynu v komoře čističe plazmy.[7] Plazmové čištění lze použít namísto mokrých chemických procesů, jako je leptání piraně, které obsahuje nebezpečné chemikálie, zvyšuje nebezpečí kontaminace činidly a riziko leptání ošetřených povrchů.[7]
- Odstranění Samostatně sestavené monovrstvy alkanethiolátů ze zlatých povrchů[7]
- Zbytkové proteiny na biomedicínských zařízeních[3]
- Čištění nanoelektrod[8]
Humanitní vědy
Životaschopnost, funkce, proliferace a diferenciace buněk jsou určeny adhezí k jejich mikroprostředí.[9] Plazma se často používá jako prostředek bez chemikálií pro přidání biologicky relevantních funkčních skupin (karbonyl, karboxyl, hydroxyl, amin atd.) Na povrchy materiálů.[10] Výsledkem je, že plazmové čištění zlepšuje materiál biokompatibilita nebo bioaktivita a odstraňuje kontaminující proteiny a mikroby. Plazmové čističe jsou obecným nástrojem v biologických vědách a používají se k aktivaci povrchů pro buněčná kultura,[11] tkáňové inženýrství,[12] implantáty a další.
- Substráty pro tkáňové inženýrství[12]
- Buněčná adheze polyethylentereftalátu (PET)[11]
- Vylepšená biokompatibilita implantátů: vaskulární štěpy,[13] Šrouby z nerezové oceli[14]
- Dlouhodobé studie zadržování buněk[15]
- Plazmová litografie pro vzorování substrátů buněčných kultur[16]
- Třídění buněk podle síly adheze[17]
- Odstranění antibiotika plazmatem aktivovanými ocelovými hoblinami[18]
- Sekvenování jedné buňky[19]
Věda o materiálech
Smáčení a modifikace povrchu je základním nástrojem ve vědě o materiálech pro zlepšení materiálových vlastností bez ovlivnění objemových vlastností. Plazmové čištění se používá ke změně chemického složení povrchu materiálu zavedením polárních funkčních skupin. Zvýšená povrchová hydrofilnost (smáčení) po plazmové úpravě zlepšuje přilnavost k vodným nátěrům, lepidlům, inkoustům a epoxidům:
- Vylepšená tepelná síla grafenových filmů[20]
- Vylepšení pracovních funkcí v polymerních polovodičových heterostrukturách[21]
- Vylepšená adheze vláken Ultra-high modulus polyethylen (Spectra) a aramidových vláken[22]
- Plazmová litografie pro povrchové struktury v nanoměřítku a kvantové tečky[23]
- Micropatterning tenkých vrstev[24]
Mikrofluidika
Unikátní vlastnosti toku tekutin v mikroskopickém nebo nanoměřítkovém měřítku využívají mikrofluidní zařízení pro širokou škálu výzkumných aplikací. Nejčastěji používaným materiálem pro prototypování mikrofluidních zařízení je polydimethylsiloxan (PDMS) pro jeho rychlý vývoj a nastavitelné vlastnosti materiálu. Plazmové čištění se používá k trvalému spojování PDMS mikrofluidních třísek se skleněnými sklíčky nebo deskami PDMS k vytvoření vodotěsných mikrokanálků.[25]
- Separace krevní plazmy[26]
- Sekvenování jednobuněčné RNA[19]
- Elektroosmotické průtokové ventily[27]
- Vzorec smáčivosti v mikrofluidních zařízeních[28]
- Dlouhodobé zachování hydrofilnosti mikrofluidního zařízení[29]
Solární články & Fotovoltaika
Plazma byla použita ke zvýšení výkonu solárních článků a přeměny energie ve fotovoltaických zařízeních:
- Redukce oxidu molybdenu (MoO3) zvyšuje hustotu zkratového proudu[30]
- Upravte nanosety TiO2, abyste zlepšili generování vodíku[31]
- Vylepšená vodivost PEDOT: PSS pro lepší účinnost v perovskitových solárních článcích bez ITO[32]
Reference
- ^ Evgeny V. Shun’ko & Veniamin V. Belkin (2007). "Čisticí vlastnosti atomového kyslíku vzrušené do metastabilního stavu 2 s22 s4(1S0)". J. Appl. Phys. 102 (8): 083304–1–14. Bibcode:2007JAP ... 102h3304S. doi:10.1063/1.2794857.
- ^ A. Pizzi; K. L. Mittal (2003). Příručka technologie lepidel, revidovaná a rozšířená (2, ilustrované, revidované vydání.). CRC Press. str. 1036. ISBN 978-0824709860.
- ^ A b C Banerjee, K. K .; Kumar, S .; Bremmell, K.E .; Griesser, H. J. (01.11.2010). „Odstranění proteinové kontaminace na molekulární úrovni z povrchů modelu a materiálů biomedicínského zařízení úpravou vzduchovou plazmou“. Journal of Hospital Infection. 76 (3): 234–242. doi:10.1016 / j.jhin.2010.07.001. ISSN 0195-6701. PMID 20850199.
- ^ Evgeny V. Shun’ko & Veniamin V. Belkin (2012). "Povrchy ošetření atomovým kyslíkem vzrušeným v plazmě výboje dielektrické bariéry O2 Smíchaný s N2". Zálohy AIP. 2 (2): 022157–24. Bibcode:2012AIPA .... 2b2157S. doi:10.1063/1.4732120.
- ^ Základy léčby plazmou - http://www.plasmaetch.com/plasma-treatment-basics.php
- ^ Na co se používá čištění plazmou? - https://tantec.com/what-is-plasma-cleaning-used-for.html
- ^ A b C Raiber, Kevin; Terfort, Andreas; Benndorf, Carsten; Krings, Norman; Strehblow, Hans-Henning (05.12.2005). "Odstranění samostatně sestavených monovrstev alkanethiolátů na zlatě pomocí plazmového čištění". Věda o povrchu. 595 (1): 56–63. doi:10.1016 / j.susc.2005.07.038. ISSN 0039-6028.
- ^ Sun, Tong; Blanchard, Pierre-Yves; Mirkin, Michael V. (2015-04-21). "Čištění nanoelektrod pomocí vzduchové plazmy". Analytická chemie. 87 (8): 4092–4095. doi:10.1021 / acs.analchem.5b00488. ISSN 0003-2700. PMID 25839963.
- ^ Khalili, Amelia Ahmad; Ahmad, Mohd Ridzuan (08.08.2015). „Přehled studií buněčné adheze pro biomedicínské a biologické aplikace“. International Journal of Molecular Sciences. 16 (8): 18149–18184. doi:10,3390 / ijms160818149. ISSN 1422-0067. PMC 4581240. PMID 26251901.
- ^ Lerman, Max J .; Lembong, Josephine; Muramoto, Shin; Gillen, Greg; Fisher, John P. (říjen 2018). „Vývoj polystyrenu jako materiálu buněčné kultury“. Tkáňové inženýrství. Část B, Recenze. 24 (5): 359–372. doi:10.1089 / ten.TEB.2018.0056. ISSN 1937-3376. PMC 6199621. PMID 29631491.
- ^ A b Pratt, Kerri J .; Williams, Stuart K .; Jarrell, Bruce E. (1989). "Zvýšená adherence lidských dospělých endoteliálních buněk k plazmatickému výboji modifikovaného polyethylentereftalátu". Journal of Biomedical Materials Research. 23 (10): 1131–1147. doi:10,1002 / jbm.820231004. ISSN 1097-4636. PMID 2530233.
- ^ A b Beardslee, Luke A .; Stolwijk, Judith; Khaladj, Dimitrius A .; Trebak, Mohamed; Halman, Justin; Torrejon, Karen Y .; Niamsiri, Nuttawee; Bergkvist, Magnus (srpen 2016). „Obětavý proces pro výrobu biologicky odbouratelných polymerních membrán o submikronové tloušťce: SVĚTOVÝ PROCES FABRIKACE BIODEGRADOVATELNÝCH POLYMEROVÝCH MEMBRÁN“. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 104 (6): 1192–1201. doi:10,1002 / jbm.b.33464. PMID 26079689.
- ^ Valence, Sarra de; Tille, Jean-Christophe; Chaabane, Chiraz; Gurny, Robert; Bochaton-Piallat, Marie-Luce; Walpoth, Beat H .; Möller, Michael (01.09.2013). "Plazmové ošetření pro zlepšení buněčné biokompatibility biologicky odbouratelného polymerního lešení pro aplikace vaskulárních štěpů". European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 85 (1): 78–86. doi:10.1016 / j.ejpb.2013.06.012. ISSN 0939-6411. PMID 23958319.
- ^ Kumar, Sunil; Simpson, Darren; Chytrý, Roger St. C. (2007-12-15). "Zpracování plazmy pro indukci bioaktivity v ortopedických šroubech z nerezové oceli". Technologie povrchů a povlaků. ICMCTF 2007. 202 (4): 1242–1246. doi:10.1016 / j.surfcoat.2007.07.075. ISSN 0257-8972.
- ^ Junkin, Michael; Wong, Pak Kin (01.03.2011). „Sondování migrace buněk v omezeném prostředí plazmovou litografií“. Biomateriály. 32 (7): 1848–1855. doi:10.1016 / j.biomaterials.2010.11.009. ISSN 0142-9612. PMC 3023939. PMID 21134692.
- ^ Nam, Ki-Hwan; Jamilpour, Nima; Mfoumou, Etienne; Wang, Fei-Yue; Zhang, Donna D .; Wong, Pak Kin (07.11.2014). "Sondování mechanoregulace neuronové diferenciace plazmovou litografií se vzorkem elastomerních substrátů". Vědecké zprávy. 4 (1): 6965. doi:10.1038 / srep06965. ISSN 2045-2322. PMC 4223667. PMID 25376886.
- ^ Blackstone, B. N .; Willard, J. J .; Lee, C. H .; Nelson, M. T .; Hart, R. T .; Lannutti, J. J .; Powell, H. M. (2012-08-21). „Plazmová povrchová úprava elektrostaticky zvlákňovaných vláken pro třídění rakovinných buněk na základě adheze“. Integrativní biologie. 4 (9): 1112–1121. doi:10.1039 / c2ib20025b. PMID 22832548.
- ^ Tran, Van Son; Ngo, Huu Hao; Guo, Wenshan; Ton-To, Cuong; Li, Jianxin; Li, Jixiang; Liu, Yi (2017-12-01). „Odstranění antibiotik (sulfamethazin, tetracyklin a chloramfenikol) z vodného roztoku surovými a dusíkem modifikovanými ocelovými hoblinami“. Věda o celkovém prostředí. 601-602: 845–856. doi:10.1016 / j.scitotenv.2017.05.164. hdl:10453/114587. ISSN 0048-9697. PMID 28578242.
- ^ A b Gierahn, Todd M .; Wadsworth, Marc H .; Hughes, Travis K .; Bryson, Bryan D .; Butler, Andrew; Satija, Rahul; Fortune, Sarah; Láska, J. Christopher; Shalek, Alex K. (duben 2017). „Seq-Well: přenosné a levné sekvenování RNA jednotlivých buněk při vysoké propustnosti“. Přírodní metody. 14 (4): 395–398. doi:10.1038 / nmeth.4179. hdl:1721.1/113430. ISSN 1548-7105. PMC 5376227. PMID 28192419.
- ^ Xiao, Ni; Dong, Xiaochen; Song, Li; Liu, Dayong; Tay, YeeYan; Wu, Shixin; Li, Lain-Jong; Zhao, Yang; Yu, Ting; Zhang, Hua; Huang, Wei (2011-04-26). "Vylepšená tepelná síla grafenových filmů s ošetřením kyslíkovou plazmou". ACS Nano. 5 (4): 2749–2755. doi:10.1021 / nn2001849. ISSN 1936-0851. PMID 21417404.
- ^ Brown, Thomas M .; Lazzerini, G. Mattia; Parrott, Lisa J .; Bodrozic, V .; Bürgi, Lukas; Cacialli, Franco (01.04.2011). „Časová závislost a zamrznutí zvýšení pracovní funkce indukované kyslíkovou plazmou u polymerních polovodičových heterostruktur“. Organická elektronika. 12 (4): 623–633. doi:10.1016 / j.orgel.2011.01.015. ISSN 1566-1199.
- ^ Biro, David A .; Pleizier, Gerald; Deslandes, Yves (1993). „Aplikace techniky mikrobondů. IV. Vylepšená adheze vláken k matrici působením RF plazmy na organická vlákna“. Journal of Applied Polymer Science. 47 (5): 883–894. doi:10.1002 / app.1993.070470516. ISSN 1097-4628.
- ^ Junkin, Michael; Watson, Jennifer; Geest, Jonathan P. Vande; Wong, Pak Kin (2009). „Samosestavování koloidních kvantových teček pomocí plazmové litografie pomocí šablony“. Pokročilé materiály. 21 (12): 1247–1251. doi:10.1002 / adma.200802122. ISSN 1521-4095.
- ^ Kim, Hyejin; Yoon, Bokyung; Sung, Jinwoo; Choi, Dae-Geun; Park, Cheolmin (2008-07-15). "Micropatterning tenkých P3HT filmů pomocí plazmového tisku s polymerovým přenosem". Journal of Materials Chemistry. 18 (29): 3489–3495. doi:10.1039 / B807285J. ISSN 1364-5501.
- ^ Chen, Cheng-fu (06.06.2018). "Charakterizace lomové energie a houževnatosti vazby PDMS – PDMS ve vzduchu pomocí testování T-peel". Časopis vědy a technologie adheze. 32 (11): 1239–1252. doi:10.1080/01694243.2017.1406877. ISSN 0169-4243. S2CID 139954334.
- ^ Rafeie, Mehdi; Zhang, červen; Asadnia, Mohsen; Li, Weihua; Warkiani, Majid Ebrahimi (19. 7. 2016). "Multiplexování šikmých spirálových mikrokanálů pro ultrarychlou separaci krevní plazmy". Laboratoř na čipu. 16 (15): 2791–2802. doi:10.1039 / C6LC00713A. ISSN 1473-0189. PMID 27377196.
- ^ Martin, Ina T .; Dressen, Brian; Boggs, Mark; Liu, Yan; Henry, Charles S .; Fisher, Ellen R. (2007). "Plazmová modifikace PDMS mikrofluidních zařízení pro řízení elektroosmotického toku". Plazmové procesy a polymery. 4 (4): 414–424. doi:10.1002 / ppap.200600197. ISSN 1612-8869.
- ^ Kim, Samuel C .; Sukovich, David J .; Abate, Adam R. (2015-07-14). „Vzorkování mikrofluidního zařízení smáčitelnost s prostorově řízenou oxidací plazmy“. Laboratoř na čipu. 15 (15): 3163–3169. doi:10.1039 / C5LC00626K. ISSN 1473-0189. PMC 5531047. PMID 26105774.
- ^ Zhao, Li Hong; Lee, Jennifer; Sen, Pabitra N. (01.07.2012). „Dlouhodobá retence hydrofilního chování povrchů polydimethylsiloxanu (PDMS) ošetřených plazmou skladovaných pod vodou a Luria-Bertani bujónem.“ Senzory a akční členy A: Fyzikální. 181: 33–42. doi:10.1016 / j.sna.2012.04.038. ISSN 0924-4247.
- ^ Sun, Jen-Yu; Tseng, Wei-Hsuan; Lan, Shiang; Lin, Shang-Hong; Yang, Po-ťing; Wu, Chih-I; Lin, Ching-Fuh (2013-02-01). „Zvýšení výkonu ve fotovoltaice s invertovaným polymerem pomocí MoOX zpracovaného roztokem a úpravy vzduchem a plazmou pro modifikaci anody“. Materiály pro solární energii a solární články. 109: 178–184. doi:10.1016 / j.solmat.2012.10.026. ISSN 0927-0248.
- ^ Kong, Xiangchen; Xu, Yiming; Cui, Zhenduo; Li, Zhaoyang; Liang, Yanqin; Gao, Zhonghui; Zhu, Shengli; Yang, Xianjin (2018-08-15). „Defekt zvyšuje fotokatalytickou aktivitu ultratenkých nanočástic TiO2 (B) pro výrobu vodíku metodou gravírování plazmou“. Aplikovaná katalýza B: Životní prostředí. 230: 11–17. doi:10.1016 / j.apcatb.2018.02.019. ISSN 0926-3373.
- ^ Vaagensmith, Bjorn; Reza, Khan Mamun; Hasan, MD Nazmul; Elbohy, Hytham; Adhikari, Nirmal; Dubey, Ashish; Kantack, Nick; Gaml, Eman; Qiao, Qiquan (2017-10-18). „Ekologicky šetrný PEDOT ošetřený plazmou: PSS jako elektrody pro perovskitové solární články bez ITO“. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (41): 35861–35870. doi:10.1021 / acsami.7b10987. ISSN 1944-8244. PMID 28901734.