CC BY
7А . ФИЗИКА БИОТОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
-ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-
Энергоэффективный малогабаритный источник плазмы в биологических исследованиях: современное состояние и перспективы
Гудкова В.В.1'2, Разволяева Д.А.1'2, Павлик Т.И.1, Борзосеков В.Д.1'2, Артемьев К.В.1, Конькова А.С.1, Малахов Д.В.1, Кончеков Е.М.1
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва 2- Российский университет дружбы народов, Москва
E-mail: [email protected]. ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-152-154
Развитие плазменных технологий в последние годы затрагивает все больше областей применения: аграрно-промышленный комплекс, медицина, аддитивные технологии, экология, пищевая индустрия и т.д. [1]. Стоит отметить растущий интерес к новым, коммерчески выгодным инженерным решениям генерации газовых разрядов для различных прикладных целей. В работе рассматривается оригинальный источник низкотемпературной плазмы CAPKO (рис. 1 (а)), созданный на основе пьезотрансформатора [2]. Данный источник плазмы экономически выгоден и безопасен в эксплуатации, может быть сконструирован для реализации прямого пьезоразряда в воздухе (искровой разряд), диэлектрического барьерного разряда (ДБР), плазменной струи (рис. 1 (б)). Целью исследования является обобщение полученных прикладных результатов в медико-биологической, сельскохозяйственной области и пищевой промышленности, а также обозначение актуальных направлений дальнейшего развития.
Источник низкотемпературной плазмы атмосферного давления CAPKO на основе пьезотрансформатора был создан в ИОФ РАН. Резонансное электромеханическое преобразование энергии происходит на частоте fрез = 21,1 кГц. Амплитуда потребляемого тока — до 0,3 А, амплитуда входного напряжения 60 В, амплитуда выходного напряжения >3 кВ. Среди основных преимуществ данного источника можно выделить невысокую себестоимость, малые габариты, высокую мобильность и безопасность системы питания, а главное преимущество для медицинских задач — чистота плазменного воздействия: малая мощность (до 10 Вт), короткая длительность стримеров (<3 нс) и высокая неравновесность плазмы (Tv~3000 К,
ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ
МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
, -ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ-
24-26 октября 2023 г.
Тг~1500 К, Те~3 эВ) не приводят к
пьезокерамического материала электрода.
«Л !
разрушению прочного
Рис. 1. источник низкотемпературной плазмы САРКО (а), аргоновая струя САРКО (б).
Существует два способа применения низкотемпературной плазмы газового разряда: при прямом воздействии на объект и через плазменно-активированную среду. Во втором случае в жидкости образуется уникальный набор полезных для прикладных применений активных форм кислорода и азота (АФК и АФА). Для прямого воздействия на биологические объекты, которые неустойчивы к высоким температурам, САРКО может использоваться в режиме генерации плазменной струи с дополнительным потоком газа или ДБР; для обработки жидкостей — в режиме генерации прямого пьезоразряда в воздухе.
На данном этапе зондовыми, спектрофотометрическими методами и с помощью УФ-абсорбционной спектроскопии измерены химические свойства обработанных САРКО жидкостей: концентрации долгоживущих АФК (пероксид водорода — до нескольких мМ) и АФА (нитрит-ионы — сотни мкМ, нитрат-ионы — до нескольких мМ) при использовании прямого пьезоразряда в деионизированной воде, медицинских растворах (физраствор, растворы Рингера и Хенкса), концентрации АФК и АФА в растворе Хенкса при использовании аргоновой и гелиевой струи в зависимости от времени воздействия, а также рН и RedOx обработанных газовым разрядом сред. Создана уникальная сетка физических параметров, создающая условия для тонкого управления плазмохимическими свойствами жидкостей.
Для медицинских целей проведены исследования по выживаемости раковых клеток при добавлении к клеточной культуре обработанных САРКО изотонических растворов — доказана селективность данного метода [3]. С помощью иммунно-ферментного
_ _ ÄSSKSEK ФИЗИКА БИОТОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
-ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-
анализа были получены положительные результаты по цитокинам TNF-a и TGF-ß, отвечающим за рост и гибель опухолевых клеток, подобрано оптимальное время воздействия [4].
Показано, что использование CAPKO в режиме генерации ДБР и плазменно-активированой жидкости при привое ускоряет рост Pyrus communis L. на 35-44 %, а также способствует формированию более развитой сосудистой системы на границе подвоя и привоя [5], получен положительный результат по формированию привоя яблок [6].
Проведены первичные эксперименты по рассмотрению использования плазменных технологий в пищевой промышленности для увеличения сроков хранения растительных продуктов. Для этого производилась обработка плазменно-активированной водой клубники и яблок.
В экспериментах по использованию пьезоразряда для модификации поверхностей: был получен результат по очистке от загрязнений и уменьшению дефектов поверхности материала (молибден, нержавеющая сталь) после воздействия плазмой CAPKO.
В дальнейшем планируется исследовать прямое воздействие ДБР и плазменной струи на биологические объекты в медицинских целях, влияние плазменно-активированных растворов на скорость роста и всхожесть растений, а также использовать CAPKO для разработки метода бактериальной деконтаминации пищевых продуктов.
Авторы выражают благодарность создателю источника низкотемпературной плазмы н.с. отдела физики плазмы Колику Л.В., заведующему теоретическим отделом д.ф.- м.н., профессору Гусейн- заде Н.Г., руководителю Центра биофотоники д.б.н., профессору РАН Гудкову С.В. за предоставленное финансирование и оборудование. Часть исследования, посвященная разработке метода бактериальной деконтаминации пищевых продуктов, поддержана Российским научным фондом № 23-29-00856.
1. Adamovich I. et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 2022. 55. 373001.
2. Artemev K.V. et al. Russ. Phys. J. 2022. 62. 2073-2080.
3. Pavlik T.I., Gudkova V.V., et al. Int. J. Mol. Sci. 2023. 24. 5100.
4. Pavlik T.I., Kostukova N.M., et al. Plasma Medicine. 2023. 13. 13-17.
5. Konchekov E.M., Kolik L.V., et al. Plants. 2022. 11. 1373.
6. Astashev M.E., Konchekov E.M., et al. Sensors. 2022. 22. 8310.
