KR20220041081A - 컨버터블 플라즈마 소스 및 방법 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 소스는 일정한 폭의 유전체 장벽 및 갭에 의해 분리된 제1 중공 전극 및 제2 중공 전극을 포함하고; 플라즈마 소스는 제1 구성 및 제2 구성 중 어느 하나에서 플라즈마를 선택적으로 생성하도록 구성되고; i) 제1 구성에서, 플라즈마 형성 가스는 갭 내에서 유동하고 한편 비-플라즈마 형성 가스는 제1 중공 전극 내에서 유동하고; 및 ii) 제2 구성에서, 플라즈마 형성 가스는 제1 중공 전극 내에서 유동하고 비-플라즈마 형성 가스는 갭 내에서 유동한다. 방법은 상이한 항복 전압의 적어도 2개의 가스를 선택하는 단계, 일정한 폭의 가스 갭에 의해 분리된 제2 중공 전극으로부터 분리된 제1 중공 전극에 제1 가스를 주입하는 단계, 인가된 전력하에서 가스 갭에 제2 가스를 주입하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 플라즈마 소스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 컨버터블 플라즈마 소스 및 방법에 관한 것이다.
비열(non-thermal) 대기압 플라즈마는 지난 수십 년 동안 관심이 증가하면서 연구되었다. 특히, 최근 연구 노력은 농업, 식품 가공, 및 의학과 같은 생물학의 상이한 하위영역에 대한 적용에 집중되어 왔다.
대부분의 플라즈마 소스는 가스 유량, 가스 조성 및 인가된 전력과 같은 제어 파라미터를 사용하여 최적화될 수 있는 플라즈마를 유지하지만, 생성된 플라즈마의 특성을 중요하게 변화시키는 능력을 갖는 플라즈마 소스는 거의 없다. 실제로, 가스 유량, 가스 조성 및 인가된 전력을 변화시키는 것은 전자 밀도 및 에너지와 같은 플라즈마 특성을 변화시킬 수 있지만, 통상적으로 플라즈마의 비열적 성질에 의해 정의되는 바와 같이, 제한된 범위, 즉, 이러한 파라미터가 특정 임계치를 초과할 때 실온을 훨씬 초과하는 온도의 급속한 상승에서만 그러하다.
여기 파형을 변형시키는 것은 플라즈마 파라미터의 더 나은 제어를 얻기 위해 사용될 수 있다; 예를 들어, 단일 플라즈마 소스를 사용하여 방전을 실온 근처에 유지하면서, kHz에서 MHz로 주파수를 증가시킴으로써 시간 및 공간 평균 전자 밀도를 3배 증가시킬 수 있다. 나노초 펄스 방전 및 삼각형파 및 톱니 파와 같은 다른 비-사인파 또한 플라즈마의 특성을 맞추는데 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 보통 나노초 펄서 또는 에어 코어 커스텀 변압기와 같은 특수 장비를 필요로 하며, 다수의 전력 시스템이 원하는 대로 특성을 테일러링하기 위해 필요하다.
플라즈마 소스 및 방법에 대한 기술이 여전히 필요하다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따라, 플라즈마 소스가 제공되고, 상기 플라즈마 소스는 일정한 폭의 유전체 장벽 및 갭에 의해 분리된 제1 중공 전극 및 제2 중공 전극을 포함하고; 제1 항복 전압을 갖는 플라즈마 형성 가스 및 제1 항복 전압보다 큰 제2 항복 전압을 갖는 비-플라즈마 형성 가스를 제공하고, 플라즈마 소스는 제1 구성 및 제2 구성 중 어느 한 구성에서 플라즈마를 선택적으로 생성하도록 구성되고; i) 제1 구성에서, 플라즈마 형성 가스는 갭 내에서 유동하고 한편 비 플라즈마 형성 가스는 제1 중공 전극 내에서 유동하고; ii) 제2 구성에서, 플라즈마 형성 가스는 제1 중공 전극 내에서 유동하고 비-플라즈마 형성 가스는 갭 내에서 유동한다.
일정한 폭의 가스 갭에 의해 제2 중공 전극으로부터 분리된 제1 전극에 제1 가스를 주입하는 단계; 및 인가된 전력 하에서 상기 가스 갭에 제2 가스를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 제1 가스 및 제2 가스는 상이한 항복 전압을 갖는, 세포독성 반응성 종을 생성하는 방법이 추가로 제공된다.
일정한 폭의 가스 갭에 의해 제2 중공 전극으로부터 분리된 제1 전극에 제1 가스를 주입하는 단계, 및 인가된 전력 하에서 가스 갭에 제2 가스를 주입하는 단계를 포함하며, 제1 가스 및 제2 가스는 상이한 항복 전압을 갖는, 반응성 종을 생성하는 방법이 추가로 제공된다.
상이한 항복 전압을 갖는 적어도 2개의 가스를 선택하는 단계, 일정한 폭의 가스 갭에 의해 제2 중공 전극으로부터 분리된 제1 전극에 제1 가스를 주입하는 단계, 인가된 전력 하에서 가스 갭에 제2 가스를 주입하는 단계를 포함하는 플라즈마 발생 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적, 이점 및 특징은 단지 첨부 도면을 참조하여 예로서 주어진, 이의 특정 실시예의 다음과 같은 비제한적인 설명을 읽으면 더욱 명백해질 것이다.
첨부된 도면에 있어서:
도 1은 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 플라즈마 소스의 회로의 개략도이다;
도 2a는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 제1 구성에서 작동하는 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 단면도이다;
도 2b는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 단면도이다;
도 2c는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 제2 구성에서 작동하는 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 단면도이다;
도 2d는 도 2a의 제1 구성에서 작동하는 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 종단면도이다;
도 2e는 도 2b의 플라즈마 소스의 종단면도이다;
도 2f는 도 2c의 제2 구성에서 작동하는 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 종단면도이다;
도 3a는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 가스 공급 유닛의 개략도이다;
도 3b는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 가스 공급 유닛의 개략도이다;
도 3c는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 가스 공급 유닛의 개략도이다;
도 4a는 제너레이터에서 4.3 slm의 헬륨 및 10 W의 전력을 갖는, Ω 모드 제1 구성에서의 광 방출 스펙트럼을 도시한다;
도 4b는 제너레이터에서 4.3 slm의 헬륨 및 35 W를 갖는, γ 모드의 제1 구성에서의 광 방출 스펙트럼을 도시한다;
도 4c는 제너레이터에서 0.6 slm의 헬륨 및 35 W를 갖는, 제2 구성에서의 광 방출 스펙트럼을 도시한다;
도 5a는 중앙 전극에 주입되는 0.05 slm O2 또는 중앙 전극과 접지 전극 사이의 갭에 주입되는 0.002 slm O2와 중앙 전극과 접지 전극 사이의 갭에서 4.3 slm 헬륨 가스 유량 및 제너레이터에서 25 W를 갖는 γ 모드의 플라즈마의 방출 스펙트럼을 도시한다;
도 5b는 4.3 slm의 중앙 전극과 접지 전극 사이의 갭에서의 헬륨 가스 유동 및 제너레이터에서 25 W를 갖는 γ 모드의 제1 구성에서 방전의 광 방출에 대한 O2의 주입 위치의 영향을 도시한다;
도 6a는 플라즈마 점화를 제어하기 위한 펄스 가스 유동의 실시예를 도시한다. 헬륨 유량은 4.3 slm으로 설정된다;
도 6b는 가스 펄스에 의해 제어되는 플라즈마 점화 동안 가스 유동의 축에 따른 가시광 방출을 도시한다. 프로토타입은 제1 구성으로 설정되고, 헬륨 유량은 2s 동안 4.3 slm으로 설정되며, 제너레이터에서의 전력은 35 W로 설정된다;
도 7a는 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 중의 현탁액의 MDA-MB-231 세포주를 제1 구성의 플라즈마에 노출 6일 후의 정규화된 세포수를 도시한다. 헬륨 유량은 4.3 slm이고, 제너레이터에서의 전력은 10 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다;
도 7b는 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 중의 현탁액의 MDA-MB-231 세포주를 제1 구성에서 플라즈마에 노출 6일 후의 정규화된 세포수를 도시한다. 헬륨 유량은 4.3 slm이고, 제너레이터에서의 전력은 20 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다;
도 7c는 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 내의 현탁액의 MDA-MB-231 세포주를 제2 구성에서 플라즈마에 노출 6일 후의 정규화된 세포수를 도시한다. 헬륨 유량은 0.6 slm이고, 제너레이터에서의 전력은 35 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다;
도 8은 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 내의 현탁액의 상이한 세포주를 제2 구성에서 플라즈마에 노출 6일 후의 성장 속도 억제(GR) 값을 도시한다. 헬륨 유량은 0.6 slm이고, 제너레이터에서의 전력은 35 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다;
도 9a는 노즐의 끝에서부터 5 mm 떨어진 페트리 디시의 바닥에 있는 MDA-MB-231 세포주를 이용하여 Ω 모드의 제1 구성으로 처리한 직후 프로피디움 요오드화물 염색을 갖는 세포의 형광 현미경 이미지를 도시하며, 제너레이터에서의 전력은 10 W이고, 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨이 플라즈마 형성 가스(플라즈마) 대 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨만(가스) 으로 주입된다;
도 9b는 노즐의 끝에서부터 5 mm 떨어진 페트리 디시의 바닥에 MDA-MB-231 세포주를 이용하여 γ 모드의 제1 구성으로 처리한 직후 프로피디움 요오드화물 염색을 갖는 세포의 형광 현미경 이미지를 도시하며, 제너레이터에서의 전력은 35 W이고, 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨이 플라즈마 형성 가스(플라즈마) 대 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨만(가스) 으로 주입된다;
도 9c는 노즐의 끝에서부터 5 mm 떨어진 페트리 디시의 바닥에 있는 MDA-MB-231 세포주를 이용하여 제2 구성으로 처리한 직후 프로피디움 요오드화물 염색을 갖는 세포의 형광 현미경 이미지를 도시하며, 제너레이터에서의 전력은 35 W이고, 0.6 slm의 명목상 순수 헬륨이 플라즈마 형성 가스(플라즈마) 대 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨만(가스) 으로 주입된다.
도 1은 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 플라즈마 소스의 회로의 개략도이다;
도 2a는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 제1 구성에서 작동하는 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 단면도이다;
도 2b는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 단면도이다;
도 2c는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 제2 구성에서 작동하는 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 단면도이다;
도 2d는 도 2a의 제1 구성에서 작동하는 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 종단면도이다;
도 2e는 도 2b의 플라즈마 소스의 종단면도이다;
도 2f는 도 2c의 제2 구성에서 작동하는 도 1의 플라즈마 소스의 개략적인 종단면도이다;
도 3a는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 가스 공급 유닛의 개략도이다;
도 3b는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 가스 공급 유닛의 개략도이다;
도 3c는 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 가스 공급 유닛의 개략도이다;
도 4a는 제너레이터에서 4.3 slm의 헬륨 및 10 W의 전력을 갖는, Ω 모드 제1 구성에서의 광 방출 스펙트럼을 도시한다;
도 4b는 제너레이터에서 4.3 slm의 헬륨 및 35 W를 갖는, γ 모드의 제1 구성에서의 광 방출 스펙트럼을 도시한다;
도 4c는 제너레이터에서 0.6 slm의 헬륨 및 35 W를 갖는, 제2 구성에서의 광 방출 스펙트럼을 도시한다;
도 5a는 중앙 전극에 주입되는 0.05 slm O2 또는 중앙 전극과 접지 전극 사이의 갭에 주입되는 0.002 slm O2와 중앙 전극과 접지 전극 사이의 갭에서 4.3 slm 헬륨 가스 유량 및 제너레이터에서 25 W를 갖는 γ 모드의 플라즈마의 방출 스펙트럼을 도시한다;
도 5b는 4.3 slm의 중앙 전극과 접지 전극 사이의 갭에서의 헬륨 가스 유동 및 제너레이터에서 25 W를 갖는 γ 모드의 제1 구성에서 방전의 광 방출에 대한 O2의 주입 위치의 영향을 도시한다;
도 6a는 플라즈마 점화를 제어하기 위한 펄스 가스 유동의 실시예를 도시한다. 헬륨 유량은 4.3 slm으로 설정된다;
도 6b는 가스 펄스에 의해 제어되는 플라즈마 점화 동안 가스 유동의 축에 따른 가시광 방출을 도시한다. 프로토타입은 제1 구성으로 설정되고, 헬륨 유량은 2s 동안 4.3 slm으로 설정되며, 제너레이터에서의 전력은 35 W로 설정된다;
도 7a는 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 중의 현탁액의 MDA-MB-231 세포주를 제1 구성의 플라즈마에 노출 6일 후의 정규화된 세포수를 도시한다. 헬륨 유량은 4.3 slm이고, 제너레이터에서의 전력은 10 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다;
도 7b는 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 중의 현탁액의 MDA-MB-231 세포주를 제1 구성에서 플라즈마에 노출 6일 후의 정규화된 세포수를 도시한다. 헬륨 유량은 4.3 slm이고, 제너레이터에서의 전력은 20 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다;
도 7c는 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 내의 현탁액의 MDA-MB-231 세포주를 제2 구성에서 플라즈마에 노출 6일 후의 정규화된 세포수를 도시한다. 헬륨 유량은 0.6 slm이고, 제너레이터에서의 전력은 35 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다;
도 8은 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 내의 현탁액의 상이한 세포주를 제2 구성에서 플라즈마에 노출 6일 후의 성장 속도 억제(GR) 값을 도시한다. 헬륨 유량은 0.6 slm이고, 제너레이터에서의 전력은 35 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다;
도 9a는 노즐의 끝에서부터 5 mm 떨어진 페트리 디시의 바닥에 있는 MDA-MB-231 세포주를 이용하여 Ω 모드의 제1 구성으로 처리한 직후 프로피디움 요오드화물 염색을 갖는 세포의 형광 현미경 이미지를 도시하며, 제너레이터에서의 전력은 10 W이고, 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨이 플라즈마 형성 가스(플라즈마) 대 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨만(가스) 으로 주입된다;
도 9b는 노즐의 끝에서부터 5 mm 떨어진 페트리 디시의 바닥에 MDA-MB-231 세포주를 이용하여 γ 모드의 제1 구성으로 처리한 직후 프로피디움 요오드화물 염색을 갖는 세포의 형광 현미경 이미지를 도시하며, 제너레이터에서의 전력은 35 W이고, 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨이 플라즈마 형성 가스(플라즈마) 대 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨만(가스) 으로 주입된다;
도 9c는 노즐의 끝에서부터 5 mm 떨어진 페트리 디시의 바닥에 있는 MDA-MB-231 세포주를 이용하여 제2 구성으로 처리한 직후 프로피디움 요오드화물 염색을 갖는 세포의 형광 현미경 이미지를 도시하며, 제너레이터에서의 전력은 35 W이고, 0.6 slm의 명목상 순수 헬륨이 플라즈마 형성 가스(플라즈마) 대 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨만(가스) 으로 주입된다.
본 발명은 다음과 같은 비제한적인 실시예에 의해 더욱 상세하게 예시된다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 플라즈마 소스는 가스 갭(gas gap)(GG) 및 유전체 장벽(dielectric barrier)(DB)에 의해 분리된 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 2개의 전극 각각은 가스 유동을 포함하도록 구성되고, 따라서 본 명세서에서 중공(hollow)으로 지칭된다.
본 명세서에 예시된 실시예에서, 제1 전극은 전력공급된 전극(powered electrode)(PE)이고, 제2 전극은 접지된 전극(grounded electrode)(GE)이다. 대안적으로, 양 전극은 전력이 공급될 수 있고; 이중 여기 및 따라서 상이한 여기 파형이 공급되는 2개의 전극이 사용될 수 있다.
또한, 본 명세서에 예시된 실시예에서, 플라즈마 소스는 동축 기하학적 구조로 도시되어 있으며: 전력공급된 전극(PE)은 접지된 전극(GE)으로서 외부 중공 접지 전극 내에 중심이 위치된 중공 전극이다. 정사각형(도 10a), 평면-대-평면(도 10b), 가스 갭(GG)은 가스 가이드(Gg)를 사용하여 형성되거나, 또는 만곡된 평면-대-평면(도 10c) 기하학적 형태와 같은 대안적인 기하학적 형태가 고려될 수 있으며, 예를 들어, 중앙 전극(PE)과 유전체 장벽(DB) 사이의 가스 갭(GG)은 일정한 두께를 갖는다.
도 1은 본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 플라즈마 소스의 횡단면도이다.
중앙 중공 전극(PE)은 방전을 점화하도록 전력이 공급된다. 본 명세서의 실시예에서, 사인파의 전압은 약 5 MHz 내지 약 20 MHz 범위의 주파수, 예를 들어 13.56 MHz의 주파수에서 사용된다. 예를 들어, 정사각형, 삼각형 및 톱니 형상과 같은 다른 여기 파형이 사용될 수 있고, 주파수는 약 100 Hz 내지 약 100 MH의 범위에서 선택될 수 있으며, 상이한 방전 역학 및 상이한 생성된 플라즈마 특성을 가지면서, 여전히 이하 설명되는 플라즈마 소스 구성에서 지속적인 방전을 허용한다. 약 100 Hz 내지 약 100 MHz의 범위를 초과하는 주파수 또한 고려될 수 있으며; 플라즈마 소스는 0.1 W/cm3 내지 500 W/cm3의 범위의 플라즈마 전력 밀도에서 작동한다.
본 개시의 일 양태의 실시예에 따르면, 제1 구성에서, 플라즈마 형성 가스(G)가 중앙 전극(PE)과 유전체 장벽(DB) 사이에 형성된 가스 갭(GG) 내로 주입되며, 비-플라즈마 형성 가스(NG)가 중앙 전극(PE)의 중앙 갭(CG) 내로 주입된다.
유동 잔광(FA) 또는 유출물 구역(RZ)에서 반응성 종을 선택적으로 생성하기 위해, N2, O2, 공기, 가스 화학 화합물, 증기 및 에어로졸과 같은 반응성 종(R)의 소스는 플라즈마 형성 가스(G)와 함께 중앙 전극(PE)과 유전체 장벽(DB) 사이에 형성된 가스 갭(GG) 내로 및/또는 비-플라즈마 형성 가스(NG)와 함께 중앙 전극(PE) 내로 주입될 수 있다(도 2a, 2d 참조).
비-플라즈마 형성 가스(NG)는 반응성 종(R)의 소스일 수 있고; 이러한 경우, 플라즈마 형성 가스(G)를 펄싱함으로써 비-플라즈마 형성 가스(NG)의 농도가 증가될 수 있다. 예를 들어, 후술되는 도 6에 도시된 바와 같이, 플라즈마는 가스 갭(GG) 내에 플라즈마 형성 가스가 존재하는지 여부에 따라 턴 온 및 오프된다. 이 경우, 주변 공기인 비-플라즈마 형성 가스(NG)는 플라즈마 형성 가스(G)의 유동이 차단되자마자 플라즈마 소스 전체에 비-플라즈마 형성 가스(NG)가 채워져 플라즈마가 소멸된다.
본 제1 구성에서, 13.56 MHz 사인파 여기 파형으로 전력을 공급받는 도 2b, 2e의 플라즈마 소스를 사용하여, 플라즈마 형성 구역은 중앙 전극 (PE)과 유전체 장벽 (DB) 사이에 형성된 가스 갭 (GG)에 형성되고, 플라즈마에 의해 생성된 반응성 종(plasma produced reactive species)(P)은 가스 혼입(gas entrainment)에 의해 플라즈마 소스의 출구 및 외측에서 하류로 방전된다 (도 2d의 화살표 참조). 방전을 개시하는 공급 전력에서, 플라즈마 형성 가스의 성질, 비-플라즈마 형성 가스 (NG)의 플럭스(flux) 및 농도에 따라, 제1 모드 (이하에서 후술되는 γ 모드)에서, 플라즈마 (P)가 전기장으로부터 에너지 공급을 갖지 않는 반응성 유동 잔광 (FA)이 플라즈마 소스의 출구에서 관찰된다. 반응성 유동 잔광(FA)은 비형광 유출 반응성 구역(RZ)에서 끝난다. 이러한 제1 모드에서, 플라즈마 소스 내의 유전체 장벽(DB)과 중앙 전극(PE) 사이에 형성된 가스 갭(GG)에서 생성된 큰 플라즈마 용적은 따라서, 반응성 형광 반응성 유동 잔광(FA) 및 비형광 유출물 반응성 구역(RZ)을 포함하는 반응성 구역에 플라즈마 소스의 외부로 운반되는 반응성 종을 생성하며, 이는 실시예를 들어, 이하에서 후술되는 바와 같이, 치료에 사용될 수 있다. 제2 모드 (이하에서 후술되는 Ω 모드)에서, 유동 잔광(FA)은 관찰이 가능하지 않지만, 반응성 종은 비형광 유출 반응성 구역(RZ)에서, 플라즈마 소스의 출력에서 생성된다.
제2 구성에서, 플라즈마 형성 가스(G)는 중앙 전극(PE) 내부의 중앙 갭(CG) 내에 주입되고, 비-플라즈마 형성 가스(NG)는 중앙 전극(PE)과 유전체 장벽(DB) 사이의 가스 갭(GG) 내에 주입된다.
유동 잔광(FA) 또는 유출물 구역(RZ)에서 반응성 종을 선택적으로 생성하기 위해, N2, O2, 공기, 가스 화학 화합물, 증기 및 에어로졸과 같은 반응성 종(R)의 소스는 비-플라즈마 형성 가스(NG)와 함께 중앙 전극(PE)과 유전체 장벽(DB) 사이에 형성된 가스 갭(GG) 내로 및/또는 플라즈마 형성 가스(G)와 함께 중앙 갭(CG) 내로 주입될 수 있다(도 2c 및 2f 참조).
따라서 제2 구성(도 2c, 2f)에서 설정은, 도 2b, 2e의 플라즈마 소스는 제1 구성(도 2a, 2d)으로 설정될 때와 대조적으로 13.56 MHz 사인파 여기 파형으로 전력이 공급되고, 플라즈마는 중앙 전극(PE)과 유전체 장벽(DB) 사이의 가스 갭(GG)에 생성되고, 상기 중앙 전극(PE)의 출구에서 제트 모드로 플라즈마(P)를 생성하고, 도 2f에 도시된 바와 같이 플라즈마 소스의 종축을 따라 집중된다.
본 개시의 일 양태의 실시예에 따르면, 가스 공급 유닛은 제1 전극 내 또는 제1 전극과 유전체 장벽(DB) 사이의 가스 갭(GG) 내에 플라즈마 형성 가스(G)의 주입을 제어하고, 한편 제1 전극 내 또는 제1 전극과 유전체 장벽(DB) 사이의 가스 갭(GG) 내로의 비-플라즈마 형성 가스(NG)의 주입을 제어함으로써, 제1 구성 또는 제2 구성을 선택적으로 가능하게 하는데 사용된다. 도 3a는 본 개시의 일 실시예에 따른 플라즈마 형성 가스(G)로서 헬륨을 사용하고, 비-플라즈마 형성 가스(NG)로서 주변 공기를 사용하여 플라즈마를 생성하기 위한 가스 공급 유닛을 도시한다. 헬륨 실린더(He)는, 3-방향 밸브를 통해 플라즈마 소스에 연결되고, 예를 들어, 3-방향 밸브의 제1 위치가 플라즈마 소스의 가스 갭(GG) 내에 헬륨을 지향시키고, 한편 주변 공기가 제1 전극(PE)을 채우게 하여, 플라즈마 소스를 제1 구성으로 설정한다. 3-방향 밸브의 제2 위치가 제1 전극 (PE)에 헬륨을 지향시키고, 한편, 주변 공기가 플라즈마 소스의 가스 갭 (GG)을 채우도록 하여 플라즈마 소스를 제2 구성으로 설정한다.
플라즈마 형성 가스(G)로서 헬륨을 사용하고 비-플라즈마 형성 가스(NG)로서 O2를 사용하는 가스 공급 유닛이 도 3b에 예시되어 있으며, 예를 들어 헬륨 공급 라인 및 O2 공급 라인인 볼 밸브를 포함하며, MFC는 질량 유량 제어기를 나타내며 볼 밸브의 가스 입력에 연결된다. 볼 밸브는 제1 전극(PE)의 갭(CG) 또는 제1 전극(PE)과 유전체 장벽(DB) 사이의 가스 갭(GG) 중 어느 하나로 가스를 지향시키도록 작동될 수 있다.
도 3c는 예를 들어, 플라즈마 형성 가스(G)로서 헬륨을 선택적으로 주입하고 비-플라즈마 형성 가스(NG)로서 N2 또는 O2를 선택적으로 주입하기 위한 가스 공급 유닛의 개략도이다. 제1 3-방향 밸브는 예를 들어, 헬륨으로부터 분리되거나 헬륨과 혼합된 O2 또는 N2를 선택적으로 주입하거나 O2/N2를 주입하지 않을 수 있게 하며; 4-방향 크로스오버 밸브는 예를 들어, 플라즈마 형성(G)을 제1 전극(PE)으로, 비-플라즈마 형성 가스(NG)를 제1 전극(PE)과 제2 전극(PE) 사이의 가스 갭(GG)으로 또는 그 반대로 지향시키는데 사용되고; 제2 3-방향 밸브는 예를 들어, 반응성 가스:O2, N2 또는 없음;을 선택하는데 사용되고; 제3 3-방향 밸브는 예를 들어, 플라즈마 소스의 구성을 전환할 때 헬륨을 전체 가스 공급 유닛을 통해 통과시켜 O2 및 N2의 라인을 퍼치(purge)할 수 있게 한다.
본 개시의 일 양태의 실시예에 따른 방법은, 비-플라즈마 형성 가스(NG) 및 비-플라즈마 형성 가스(NG)보다 저 항복 전압을 갖는 플라즈마 형성 가스(G)를 선택하는 단계; 플라즈마 형성 가스(G) 및 비-플라즈마 형성 가스(NG)가 일정한 두께의 가스 갭(GG) 및 유전체 장벽(DB)에 의해 제2 전극으로부터 분리된 제1 전극 내에서 유동하도록 하는 단계, 주어진 시간에 플라즈마 형성 가스(G) 또는 비-플라즈마 형성 가스(NG) 중 어느 것을 제1 전극 내에서 유동시킬지를 선택하는 단계; 및 방전을 개시하는 단계를 포함한다.
주변 공기에서 작동할 때, 정체된 주변 공기는 플라즈마 형성 가스 또는 비-플라즈마 형성 가스로서 사용될 수 있다.
유동 잔광(FA) 또는 유출물 구역(RZ)에서 반응성 종을 선택적으로 발생시키기 위해, 반응성 종(R) 가스의 캐리어가 추가로 선택되고, i) 플라즈마 형성 가스(G) 및 ii) 비-플라즈마 형성 가스(NG) 중 적어도 하나가 주입될 수 있다.
어느 하나의 가스는, 예를 들어, 미리 혼합된 가스, 화학적 전구체, 스팀 및 물을 포함하는 가스 조합일 수 있다.
저 항복 전압 가스로서 헬륨 및 플라즈마 형성 가스(G), 및 비-플라즈마 형성 가스(NG)로서 공기, 분자 산소(O2) 또는 분자 질소(N2) 및 고 항복 전압 가스뿐만 아니라 반응성 종 가스(R)의 캐리어를 사용하여 실험을 수행하였다. 시험된 가스 조합은 He-공기, He-O2 및 He-N2였다. 예를 들어, He-Ar, He-Ne, Ne-Ar, Ne-공기, Ne-O2, Ne-N2, Ar-공기, Ar-O2, 및 Ar-N2와 같은 가스들의 다른 조합뿐만 아니라, 예를 들어, 미리 혼합된 가스, 화학적 전구체, 스팀 및 물을 포함하는 조합들이 사용될 수 있다.
실험에서, 내부 및 외부 직경이 4 mm 및 6 mm인 316 스테인레스 스틸 튜브를 외부 전극(PE)으로서 사용하였고, 유전체 장벽(DB)은 내부 및 외부 직경이 3 mm 및 4 mm인 용융 실리카 튜브였고, 중앙 전극(PE)은 내부 및 외부 직경이 0.686 mm 및 1.067 mm인 스테인레스 스틸 바늘이었다(도 2b 참조). 내부 및 외부 직경이 각각 0.4064 mm 또는 1.1938 mm 및 0.71 12 또는 1.615 mm인 바늘 또한 이의 기하학적 형태와 함께 사용될 수 있다.
도 2b의 플라즈마 소스에 있어서, 플라즈마는 5 mm의 길이 L1 및 1 mm의 f2 직경을 가질 수 있다(도 2e 참조). 전력공급된 전극 (14)와 접지된 전극 (18)의 상대 직경은, 그 사이의 가스 갭이 전극들 사이의 준균일 전기장을 유지하여 내부 구성에서 Ω 모드를 유지하도록 선택되어야 한다는 것이 발견되었다. 본 실시예(도 2)에 따라서, 전력공급된 전극 (14)의 외경은 플라즈마의 개시를 허용하기 위해 가스 갭이 적어도 약 100 마이크로미터가 되도록 최대 약 2.8 mm로 선택된다.
예를 들어, 도 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 중앙 전극(PE)은 외부 전극(PE)보다 약 1.5 mm만큼 약간 더 짧도록 선택되어서, 국소 전기장은 제2 구성에서 플라즈마 소스의 출력에서 플라즈마 용적(P)을 생성하기에 충분히 강하였다. 더 짧은 중앙 전극(PE)의 경우, 반응성 구역(RZ), 유동 잔광(FA) 또는 플라즈마(P)의 유출물은 예를 들어, 표적 처리 구역까지 외부 전극의 출구에 도달하지 않을 수 있다. 플라즈마는 더 긴 중심 전극(PE)으로 개시될 수 있고; 이러한 경우, 예를 들어, 전자 밀도 및 에너지와 같은 상이한 처리 특징에 적용하기 위해, 제2 구성의 전기장의 형상은 코로나 방전의 전기장의 형상을 향해 시프트될 수 있다. 만약, 방전이 γ 모드가 아니라면, 두 전극 사이에 인가되는 전기장의 형태는 중앙 전극(PE)과 외부 전극(PE) 사이에서 본질적으로 균일하며, 중앙 전극(PE)의 단부에서 약간의 강화가 있다.
상기 방법은 표적 플라즈마 용적, 분포 및 특성에 따라 인가된 전력, 가스 및 선택된 가스의 유동을 선택하는 단계를 포함한다.
제1 구성이 선택될 수 있으며, 여기서, 플라즈마 형성 가스(G)는 중앙 전극(PE)과 외부 전극(PE) 사이에 있는 가스 갭(GG)에 주입되며, 비-플라즈마 형성 가스(NG)는 예를 들어, 도 3a의 가스 공급 유닛을 사용해 중앙 갭(CG)에 주입된다.
본 실시예에서, 플라즈마 형성 가스가 헬륨이고 중앙 전극(PE)에 인가된 전압이 방전을 유지하기 위해 최소 전압에 가까울 때, 플라즈마는 Ω 모드에서 생성되고, 중앙 전극(PE)과 외부 전극(PE) 사이의 가스 갭(GG)에서 방사상으로 균일한 전기장 및 가시적 착색을 특징으로 한다. Ω 모드는 냉각 시스템 또는 방법을 필요로 하지 않고 유지될 수 있다. 반응성 구역(RZ)에서 생성된 반응성 종은, 예를 들어, 생물학적 액체, 표면 또는 액체, 표면, 세포, 조직을 포함하는 기질 및 및 기질들에 지향될 수 있다.
인가된 전력이 최소 항복 전압에 도달하는데 요구되는 임계 전력보다 상당히 큰 경우, 예를 들어 헬륨의 2배 큰 경우, 방전은 γ 모드에서 유지될 수 있고, 중앙 전극(PE)과 외부 전극(PE) 사이의 가스 갭(GG)에서 방사상으로 불균일한 전기장 및 시각적 양상을 특징으로 하며, 전형적으로 전기장 강도는 중앙 전극(CR)을 향해 증가하고, 보다 많은 전자가 방사 상태에서 헬륨 원자를 여기시키기에 충분한 에너지를 가질 때, 도 4b 대 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이 (자주색에서 분홍색으로) 색 시프트가 이루어진다. γ 모드는 Ω 모드보다 더 활발하고, 플라즈마 소스의 출구에서 유동 잔광(FA)을 발생시키며, 이는 예를 들어 생물학적 액체, 표면 또는 액체, 표면, 세포, 조직을 포함하는 기질을 직접 처리하는데 사용될 수 있다.
가스 온도는 조절 가능한 듀티 사이클을 갖는 온/오프 타입의 고속 사이클에 따라 인가된 전력을 변조함으로써 주위 온도에 가깝게 제어될 수 있다. 듀티 사이클은 변조 주파수에 따라 1 내지 99%로 다양할 수 있다. 약 1 Hz 내지 약 30 kHz의 범위의 변조 주파수의 값이 효율적으로 시험되었고; 더 넓은 범위가 사용될 수 있다. 약 1 kHz 이상에서, 플라즈마 재점화는 이전의 변조 사이클 메모리 효과에 의해 영향을 받을 수 있다.
방전이 Ω 모드인지 γ 모드인지에 관계없이, 유동 잔광(FA) 또는 유출물 구역(RZ)에서 반응성 종을 선택적으로 생성하기 위해, 반응성 종(R)의 소스가 플라즈마 형성 가스(G) 내에, 비-플라즈마 형성 가스(NG) 내에, 또는 플라즈마 형성 가스(G)와 비-플라즈마 형성 가스(NG) 둘 모두에 주입될 수 있다.
제1 구성은 넓은 영역에 걸쳐 치료를 허용한다. 예를 들어, 도 2b의 플라즈마 소스를 갖는 처리 영역인 유동 잔광(FA) 또는 유출 구역(RZ)은 3 mm의 직경을 갖는다. 제1 구성에서, 유동 잔광(FA)은 약 3mm의 길이(Ll)를 가질 수 있다(도 2d 참조).
제2 구성에서, 플라즈마 형성 가스(G)는 중앙 갭(CG) 내로 주입되고, 비-플라즈마 형성 가스(NG)가 주입되거나, 주위 공기가 가스 갭(GG) 내에 있는 중앙 전극(PE)과 유전체 장벽(DB) 사이의 공간을 자연적으로 채운다 (도 2f 참조).
인가된 전력이 플라즈마 형성 가스(G)의 분해를 허용하기에 충분히 높은 전압을 유지하기에 충분히 높지만, 비-플라즈마 형성 가스(NG)를 분해하지 않을 정도로 충분히 낮으면, 유전체 장벽(DB)과 중앙 전극(PE) 사이 또는 가스 갭(GG)에 플라즈마 용적이 생성되지 않는다. 대조적으로, 플라즈마 형성 가스(G)의 동시 존재 구역 및 중앙 전극(PE)의 외측 단부에서의 전기장은 플라즈마 용적(P)을 포함한다. 이러한 플라즈마 용적이 작기 때문에, 소산된 전력 밀도는 제2 구성에서 높을 수 있고, 가스 온도는 주위 온도에 가깝게 유지된다. 그 결과, 전술된 바와 같이 100% 미만의 듀티 사이클을 갖는 변조 주파수와 같은 냉각 시스템 또는 방법이 필요하지 않다.
실제로, 일정한 전력에서, 플라즈마 소스에 진입하는 가스는 대략 주위 온도에 있기 때문에, 가스의 가열은 플라즈마 소스 내에서 소비되는 시간의 함수이다. 본 명세서에서 사용된 파라미터를 고려하면, 가스의 샘플은 제2 구성보다 제1 구성에서 플라즈마(P)에서 대략 3배 더 많은 시간을 통과하며, 따라서 가스의 가열은 제2 구성에 비해 제1 구성에서 증가된다. 냉각 측면에서, 주변 공기와 같은 저온 소스와 직접 또는 플라즈마 소스의 벽을 통해 접촉하는 플라즈마의 표면이 클수록, 따라서 플라즈마 용적 대 이러한 접촉 표면이 더 클수록, 냉각이 더 효과적이다. 본 명세서에 예시된 파라미터들을 고려하면, 표면/용적비는 제1 구성보다 제2 구성에서 약 2배 더 크다.
제2 구성에서, 유전체 장벽(DB)과 중앙 전극(PE) 사이의 가스 갭(GG)에 주입되는 비-플라즈마 형성 가스(NG)는 표적 반응성 종을 최적화하거나 또는 생성된 플라즈마 용적을 주변 공기로부터 격리시키도록 선택될 수 있다.
제2 구성에서, 반응성 종(R)의 소스는 혼합재료로서 플라즈마 형성 가스(G) 내에 또는 비-플라즈마 형성 가스(NG) 내에 또는 둘 모두에 주입될 수 있다.
도 2b의 실시예, 제2 구성에서 플라즈마는 5 mm의 길이 L2 및 1 mm의 직경 Φ2를 가질 수 있다(도 2f 참조).
중앙 전극(PE) 및 외부 전극(PE)의 상대 직경은 가스 갭(GG)이 전극 사이의 준균일 전기장을 유지하고, 따라서 제1 구성에서 Ω 모드를 유지하도록 선택되어야 하는 것으로 밝혀졌다. 본 실시예에(도 2) 따라서, 중앙 전극(PE)의 외경은 플라즈마의 개시를 허용하기 위해 가스 갭(GG)이 적어도 약 100 μm이 되도록 최대 약 2.8 mm로 선택된다.
따라서, 본 방법은 상이한 항복 전압의 스팀 또는 주위 공기 또는 다른 가스일 수 있는 적어도 2개의 가스를 선택하고, 일정한 폭의 가스 갭에 의해 제2 전극으로부터 분리된 제1 전극에 적어도 제1 가스를 주입하고, 가스 갭에 제2 가스를 주입하는 것을 포함한다.
육안, 카메라 또는 분광기로 관찰되는, 생성된 방출의 기하학적 구조, 강도 및 주 파장은 플라즈마 소스가 제1 구성에서 작동하는지 또는 제2 구성에서 작동하는지에 따라 달라진다. 광 방출 분광법 결과는 원자 및 분자 전이 뿐만 아니라 이의 강도가 200 내지 880 nm의 범위에서 상이함을 보여주며(도 4 참조), 제1 및 제2 구성에서, 상이한 성질로 인해, 생성된 플라즈마 및 유출물의 기본 구성요소의 밀도 및 에너지가 존재한다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이 본 개시의 일 양태에 따른 디바이스는 작동 구성에 따라 서로 다른 광 방출 스펙트럼을 생성한다. 제1 구성에서, Ω 모드에서의 주된 방출은 OH 분자 방출(306 nm 근처의 밴드 헤드 (band head)) 및 헬륨 및 산소 원자 라인 방출(각각 706 nm 및 777 nm 근처의 중심)이다(도 4a). γ 모드에서, He 라인(706 nm 근처의 중심)은 주된 방출이 되고, 모든 다른 헬륨 방출은 우선적으로 증가한다(도 4b). 제2 구성에서, Ω 및 γ 모드와 반대로, N2 분자 방출은 스펙트럼에서 우세하다(도 4c). 제1 구성부터 제2 구성까지, He 라인 비율(706 nm에서의 중심 파장에 비해 587 nm에서의 중심 파장 및 728 nm에서의 중심 파장에 비해 668 nm에서의 중심 파장)는 증가한다. 대기압 저온 헬륨 방전에서, 이의 라인 비율은 전자 에너지의 양호한 지표이며, 전자 에너지는 하기 표 1에 예시된 바와 같이 Ω 모드(제1 구성)로부터 γ 모드(제1 구성)로 제2 구성으로 증가할 것으로 예상된다.
도 5는 중앙 전극 (PE) 및 외부 전극 (PE) 사이의 가스 갭 (GG)에서 25W의 인가된 전력 및 4.3 slm의 헬륨 가스 유량으로 γ 모드 (제1 구성)에서의 방전의 광 방출에 대한 O2의 유동의 영향을 도시한다. 원자 산소(777 nm에서의 중심 파장)의 광 방출 또한 도시된다. 도 5a에서 알 수 있는 바와 같이, 중앙 전극(PE) 및 외부전극(PE) 사이의 갭(GG) 내에 플라즈마 형성 가스(G)를 O2와 주입하는 것은 중앙 갭(CG) 내에 O2를 주입하는 것에 비해 산소 라인 방출 강도를 최대화한다. 대조적으로, 기타 방출물, 예를 들어 He는 플라즈마 형성 가스(G)와 함께 O2의 주입의 경우에 덜 강하다. 중앙 갭(CG)에 O2를 주입하는 경우, 도 5b는 He 및 O 라인의 유일한 변화가 0 내지 0.002 slm 사이에서 발생하며, 여기서 두 방출이 모두 감소된다는 것을 도시한다. 중앙 전극(PE) 및 외부 전극(PE) 사이의 가스 갭(GG)에 주입하는 경우, 0 내지 0.002 slm에서, He 라인이 감소하는 동안 O 라인이 증가하고, 그 후 0.002 slm 이상에서, 두 라인 모두 감소한다. 이는 플라즈마 형성 가스(G)에 의한 O2 주입의 적은 양을 위해 원자 산소의 생성이 최대화됨을 시사한다.
전술한 바와 같이, 각 전극의 각 길이는, 유전체 장벽(DB) 및 중앙 전극(PE) 사이의 가스 갭(GG)에 플라즈마 형성 가스(G)가 주입되고, 비-플라즈마 형성 가스(NG)가 주입되거나, 또는 자연적으로 존재하는 주변 공기가 중앙 갭(CG) 내에서 유동하는 구성에서 플라즈마 잔광 및 유출물을 생성하기 충분히 크도록 선택된다(제1 구성 도 2d 참조). 예를 들어, 상기 외부 전극(PE)은 1cm 내지 1m의 길이로 선택될 수 있다.
비-플라즈마 형성 가스(NG)가 유전체 장벽(DB)과 중앙 전극(PE) 사이의 가스 갭(GG)에 주입되는 구성(제2 구성, 도 2f)에서 전기장이 플라즈마 용적을 생성하고 유지하기에 충분하도록, 중앙 전극(PE)의 길이는 외부 전극(PE)의 길이보다 약간 짧도록 선택된다.
본 방법은 플라즈마 소스의 모든 구성에서 플라즈마 용적을 생성하는 것을 허용한다. 가스의 정적 용적이 어떠한 가스 유동 없이 플라즈마 소스를 채우는 경우, 제1 구성의 플라즈마는 충분한 인가된 전력을 사용하여 점화될 수 있다. 제1 구성에서 플라즈마를 유지하기 위해 비-플라즈마 형성 가스가 요구되지 않는다. 제2 구성을 선택하기 위해, 가스 갭(GG) 내의 비-플라즈마-형성 가스가 정적 용적인 경우, 최소 플라즈마-형성 가스 유동, 예를 들어 적어도 0.1 slm이 중앙 전극(PE)에 공급된다.
헬륨은 주위 공기 또는 이원자 산소 또는 이원자 질소 주입과 함께, 플라즈마 형성 가스(G)로서 사용되었다. 모든 구성에서, 약 10 W 내지 약 50 W의 인가된 전력이 사용되었으며, 이는 제1 구성(도 2a)에서 플라즈마(P)에 주입되는 최대 약 10 W에 대응한다.
도 6은 플라즈마 형성 가스(G)의 펄스가 방전의 점화를 제어하기 위해 사용될 수 있음을 도시한다. 도 6a는 헬륨이 2s 동안 최대 4.3 slm으로 설정될 때 가스 유동의 프로파일을 도시한다. 35 W의 인가된 전력을 갖는 제1 구성에서, 과도 γ 모드가 유지된다. 도 6b는 이러한 가스 펄스 동안 가시광 방출의 진화를 도시한다. 방전이 소광되기 전에 발광이 최대인 것으로 나타났다. 플라즈마 형성 가스의 펄스를 사용하는 것은, 방전의 소광 및 점화 동안 주변 공기가 고농도로 혼합될 때, 주변 공기, 반응성 종의 소스 및 플라즈마 형성 가스 사이의 상호작용을 최대화할 수 있게 한다.
본 방법에서, 전력공급된 전극 및 접지된 전극의 기하학적 구조 및 위치를 선택적으로 제어하고, 플라즈마 형성 가스 및 비-플라즈마 형성 가스의 주입을 선택적으로 제어하며, 선택된 전극의 기하학적 구조 및 전극 위치, 및 가스 유량, 가스 조성, 인가된 전력, 여기 파형, 여기 주파수 또는 반복 주파수, 듀티 사이클을 포함하는 선택된 다른 파라미터가 상이한 구성의 플라즈마 생성을 허용한다. 각각의 구성은 특정 용적, 분포 및 특성에 의해 특징지어지는 플라즈마를 생성한다. 반응성 종의 소스는 또한 추가적인 제어성을 위해 플라즈마 형성 가스 내 또는 비-플라즈마 형성 가스 내에 주입될 수 있다.
본 개시의 플라즈마 소스를 다양한 암 세포주: 유방암 세포주, 예컨대 MN-MB-231, MN-MB-436, BT747, MCF7 및 HCCI 143 및 연조직 육종 세포주, 예컨대 STS117 및 STS109의 치료에 사용되었다. 도 7 내지 도 9는 시험관 내 처리의 실시예를 도시한다.
도 7a는 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 중의 현탁액의 MDA-MB-231 세포주를 제1 구성 내의 플라즈마에 노출 6일 후의 정규화된 세포수를 도시한다. 헬륨 유량은 4.3 slm이고, 발전기에서의 전력은 10 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다.
도 7b는 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 μl DMEM 중의 현탁액의 MDA-MB-231 세포주를 제1 구성의 플라즈마에 노출 6일 후의 정규화된 세포수를 도시한다. 헬륨 유량은 4.3 slm이고, 발전기에서의 전력은 20 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다.
도 7c는 1.5 ml 마이크로튜브 내의 400 pl DMEM 중의 현탁액의 MDA-MB-231 세포주를 제2 구성의 플라즈마에 노출 6일 후의 정규화된 세포수를 도시한다. 헬륨 유량은 0.6 slm이고, 발전기에서의 전력은 35 W이며, 노즐의 팁으로부터 액체 표면까지의 거리는 5 mm이다.
도 7의 현탁액으로 처리된 세포의 용량 반응 곡선으로부터, 3개의 모든 방전 모드가 90%까지의 항증식 능력을 제공하고; 제트 모드(제2 구성)에서보다 γ 모드 및 Ω 모드(제1 , 제2 구성)에서 동일한 항증식 능력에 도달하는데 더 많은 시간이 필요하다는 것을 관찰할 수 있다. 이는 제트 모드가 더 많은 세포독성 반응성 종을 생성하거나 현탁액의 세포에 대한 작용을 위해 더 높은 농도로 이를 생성한다는 것을 시사한다.
도 8은 퍼터바겐(perturbagen) GR 억제 값의 존재 및 부재하에서의 성장률의 비율을 기초로 하는 성장률 억제(GR) 값을 이용하여 얻어진 용량 반응 곡선을 다음과 같이 계산할 수 있다:
x(c)는 농도 c에서 처리된 샘플의 세포수이며, xo는 t = 0 s 시점에서 즉시 처리된 시점의 세포수이고, xctl는 x(c)와 동시에 대조군 샘플의 세포수이다.
도 8에서, 도즈는 Os에서 120s로 좌측에서 우측으로 증가한다. 도 8로부터, 동일한 용량의 비열 플라즈마가 다양한 세포주에 대해 상이한 세포독성 효과를 야기한다는 것이 명백하다. 예를 들어, MDAMB-231 및 MDA-MB-361은 비열 플라즈마의 도즈의 비교적 낮은 영향을 갖는다. 그러나, 상기 치료는 두 세포주 모두에 매우 상이한 항증식 효과를 가지며, MDA-MB-231은 약하게 반응하는 반면 MDA-MB-361은 강하게 반응한다. 반대로, T47D 및 HCC1569와 같은 세포주는 30s에서 약한 반응 및 120s에서 강한 반응을 갖는 도즈에 강하게 의존한다. 세포주가 동일한 처리에 대해 매우 다양한 반응을 보인다는 사실은 상이한 특성이 상이한 표적에 대해 조정 가능하게 하는 고도로 조정 가능한 플라즈마 소스의 장점을 나타낸다.
도 9a는 노즐의 끝에서부터 5 mm 떨어진 페트리 디시의 바닥에 있는 MDA-MB-231 세포주를 이용하여 Ω 모드의 제1 구성으로 처리한 직후 프로피디움 요오드화물 염색을 갖는 세포의 형광 현미경 이미지를 도시하며, 제너레이터에서의 전력은 10 W이고, 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨이 전력없이 플라즈마 형성 가스(G) 대 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨만(G)으로 주입된다.
도 9b는 노즐의 끝에서부터 5 mm 떨어진 페트리 디시의 바닥에 있는 MDA-MB-231 세포주를 이용하여 γ 모드의 제1 구성으로 처리한 직후 프로피디움 요오드화물 염색을 갖는 세포의 형광 현미경 이미지를 도시하며, 제너레이터에서의 전력은 35 W이고, 4.3 slm의 명목상 순수 헬륨이 전력없이 플라즈마 형성 가스(G) 대 4.3 slm의 명목상 순수만 헬륨만(G)으로 주입된다.
도 9c는 노즐의 끝에서부터 5 mm 떨어진 페트리 디시의 바닥에 있는 MDA-MB-231 세포주를 이용하여 제2 구성으로 처리한 직후 프로피디움 요오드화물 염색을 갖는 세포의 형광 현미경 이미지를 도시하며, 제너레이터에서의 전력은 35 W이고, 0.6 slm의 명목상 순수 헬륨이 전력없이 플라즈마 형성 가스(G) 대 0.6 slm의 명목상 순수 헬륨만(G)으로 주입된다.
배양 배지의 부재시 세포는 가스 유동의 건조 효과에 의한 손상과 같은 물리적 요인에 더 민감하기 때문에, 도 9는 제1 구성(Ω 및 γ 두 모드, 특히 γ 모드)이 세포의 직접적인 처리에 더 적합할 수 있음을 나타낸다. 실제로, γ 모드를 이용하면, 가스 유동에 의해 손상되는 세포는 거의 없지만, 거의 모든 세포가 비열 플라즈마에 의해 손상된다.
상이한 처리 방법이 연구되었다. 제1 구성(도 2a)은 페트리 디시의 바닥에 침착된 세포의 직접적인 처리에 유리한 것으로 밝혀졌다. 제2 구성(도 2c)은 예를 들어, 마이크로튜브에 함유된 배지에 현탁된 세포의 처리에 유리한 것으로 입증되었다.
본 컨버터블 플라즈마 소스는 예를 들어 유방암 종양 제거 후 유방보존술 또는 유방절제술과 함께 사용될 수 있다. 그런 다음, 컨버터블 플라즈마 소스는 건강한 세포에 대한 손상을 감소시키면서 잔류 암 세포를 사멸시키기 위해 종양 제거 후 종양 적출 부위(tumor bed) 및 기타 조직을 치료하는 데 사용된다. 시험관내 치료 결과에 따르면, 제1 구성은 이러한 적용에 가장 적합할 수 있다. 제2 구성은, 예를 들어, 물질에 따라, 제1 구성의 마이크로미터 범위에서 밀리미터 범위로 확장되는 인간 조직과 같은 d에 더 큰 깊이 침투에 도달하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성에 대한 실험 데이터는 종양에서 약 300 μm의 침투 깊이를 도시하고, 제트 모드에서는 세포의 현탁액에서 몇 밀리미터의 침투 깊이가 측정된다. 수술 중, 제2 구성은 암 세포 또는 종양이 잔류하는 고 도즈 소형 영역을 치료하기 위해 사용될 수 있으며, 예를 들어, 도달하기 어렵거나 절제할 수 없는 곳에 위치한 영역에 도달하기 위한 방법을 제공하여, 종양 적출 부위(tumor bed) 또는 기타 조직에 암 세포가 잔류할 위험을 더 감소시킨다. 두 구성은 상처를 닫기 전에 종양 적출 부위를 청소하는 데 사용될 수 있는 플라즈마 처리된 액체를 생성할 수 있다. 마지막으로, 두 구성은 수술 후 상처를 소독, 치유 촉진 및 흉터의 크기를 축소시키기 위해 사용될 수 있다.
본 플라즈마 소스는 예를 들어 AU565, MDA-MB-231, MDA-MB361, MDA-MB-468, MDA-MB-157, MDA-MB-175-VII, BT-549, MCF-7, HS578T, HCC1428, HCC1569, HCC1954, T47D 및 ZR-75-l 유방암 세포주 및 STS117 및 STS109 연조직 육종 세포주의 암 치료에 사용될 수 있다.
따라서, 본 컨버터블 플라즈마 소스는 상이한 구성으로 사용될 수 있고, 각각의 구성은 예를 들어 의료 분야에서 상이한 적용법에 관련된 상이한 특성을 갖는 상이한 플라즈마 용적을 생성하는 것을 허용한다. 이러한 다용성은 암 치료를 위해 얻어진 결과에 반영된다.
일반적으로, 종양학 또는 예를 들어 만성 상처 치유, 치의학, 미용, 피부학 등과 같은 다른 의료 분야, 및 표면 기능화 및 박막 코팅과 같은 비의료 분야의 적용은 본 컨버터블 플라즈마 소스로부터 이익을 얻을 수 있다.
본 명세서에 예시된 바와 같은 동축 플라즈마 소스의 경우, 중앙 전극(PE)의 직경은 전극 사이에 거의 균일한 전기장을 생성하며, 따라서 제1 구성(도 2a) Ω 모드에서 플라즈마 용적을 유지하고 제2 구성(도 2c)에서 플라즈마 동작을 유지하도록 선택될 수 있다. 본 컨버터블 플라즈마 소스는 제1 구성에서 제2 구성으로 전환될 수 있어, 단일 플라즈마 소스를 갖는 2개의 구성을 허용한다. 한 구성으로부터 다른 구성으로의 전환이 용이하게 수행될 수 있고 장치의 어떠한 기계적 변경도 요구하지 않기 때문에, 예를 들어 사용자인 외과의사는 작업 중에 원하는 대로 구성을 전환할 수 있고, 전환에는 약 1s가 요구된다. 이는 마치 최종 사용자가 단일 디바이스에서 3개의 플라즈마 디바이스를 갖는 것과 같으며 Ω 모드에서 제1 구성, γ 모드에서 제1 구성 및 제트 모드에서 제2 구성을 제공한다.
플라즈마 소스의 특정 구성을 선택하는 능력은 각 적용의 특이성을 선택적으로 표적화하고 특정 적용법을 최적화하는 것을 허용한다. 본 명세서에 기재된 바와 같은 다중 구성 컨버터블 플라즈마 소스는 기질에 대한 플라즈마의 상이한 효과에 대한 실험실 시험에도 유용하며, 예를 들어, 제1 구성을 갖는 페트리 디시의 바닥에서 재성장된 세포 또는 제2 구성을 갖는 부유 세포의 처리는 앞서 기재된 바와 같다.
Ω 모드(제1 구성), γ 모드(제1 구성), 및 제트 모드(제2 구성)로서 정의되는, 비열 플라즈마를 생성하기 위한 본 구성가능한 다중 모드 플라즈마 소스 및 방법, 및 관련 플라즈마 유출물은 선택적으로 생성되는 플라즈마 반응성 종의 성질에 대한 제어 및 다용성과 함께, 플라즈마 화학 유연성 및 순도가 요구되는 적용 분야에 대한 반응성 종의 범위의 선택적 생성에 적용될 수 있다.
플라즈마 소스는 일정한 폭의 유전체 장벽 및 갭에 의해 분리된 제1 중공 전극 및 제2 중공 전극을 포함하며; 상기 플라즈마 소스는 제1 구성 및 제2 구성 중 어느 하나에서 플라즈마를 선택적으로 생성하도록 구성되며; i) 상기 제1 구성에서, 플라즈마 형성 가스는 상기 갭 내에서 유동하는 한편, 비-플라즈마 형성 가스는 상기 제1 중공 전극 내에서 유동하며; ii) 상기 제2 구성에서, 플라즈마 형성 가스는 상기 제1 중공 전극 내에서 유동하고, 비-플라즈마 형성 가스는 상기 갭 내에서 유동한다. 상기 방법은 서로 다른 항복 전압을 갖는 적어도 두 개의 가스를 선택하는 단계, 일정한 폭의 가스 갭만큼 제2 중공 전극으로부터 분리된 제1 전극에 제1 가스를 주입하는 단계, 및 인가된 전력 하에서 가스 갭에 제2 가스를 주입하는 단계를 포함한다.
청구항의 범위는 실시예에 제시된 실시예에 의해 제한되지 않고, 전체 설명과 일치하는 가장 광범위한 해석이 제시되어야 한다.
Claims (26)
- 플라즈마 소스에 있어서,
일정한 폭의 유전체 장벽 및 갭에 의해 분리된 제1 중공 전극 및 제2 중공 전극;을 포함하고,
제1 항복 전압을 갖는 플라즈마 형성 가스 및 상기 제1 항복 전압보다 큰 제2 항복 전압을 갖는 비-플라즈마 형성 가스를 제공하고, 상기 플라즈마 소스는 제1 구성 및 제2 구성 중 어느 하나에서 플라즈마를 선택적으로 생성하도록 구성되고;
i) 상기 제1 구성에서,
상기 플라즈마 형성 가스는 상기 갭 내에서 유동하고 한편 상기 비-플라즈마 형성 가스는 상기 제1 중공 전극 내에서 유동하고; 및
ii) 상기 제2 구성에서,
상기 플라즈마 형성 가스는 상기 제1 중공 전극 내에서 유동하고 상기 비-플라즈마 형성 가스는 상기 갭 내에서 유동하는, 플라즈마 소스. - 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 형성 가스는 헬륨, 아르곤, 네온, N2, O2, 공기 및 H2 중 하나인, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 상기 비-플라즈마 형성 가스는 아르곤, 네온, N2, O2, 공기 및 H2 중 하나인, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 반응성 종의 소스가 i) 상기 플라즈마 형성 가스 및 ii) 상기 비-플라즈마 형성 가스 중 적어도 하나에 주입되는, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 반응성 종의 소스가 i) 상기 플라즈마 형성 가스, 및 ii) 상기 비-플라즈마 형성 가스 중 적어도 하나에 주입되며, 상기 반응성 종의 소스는 N2, O2, 공기, 가스 화학 화합물, 증기 및 에어로졸 중 적어도 하나인, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 전력 공급된 전극인, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 중공 전극은 동축 기하학적 구조에서 상기 제2 중공 전극 내 중심에 위치된, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 중공 전극은 동축 기하학적 구조에서 상기 제2 중공 전극 내 중심에 위치되며, 상기 제2 중공 전극은 5 mm 내지 1 m 범위의 길이를 갖고, 상기 제1 중공 전극은 상기 제2 중공 전극 내에서 리세스드(recede)되고, 플라즈마는 100 Hz 내지 100 MHz 범위의 사인파 여기 주파수를 갖는 전압 파형에 의해 유도되는, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 중공 전극은 동축 기하학적 구조에서 상기 제2 중공 전극 내 중심에 위치되며, 상기 제2 중공 전극은 5 mm 내지 1 m 범위의 길이를 갖고, 상기 제1 중공 전극은 상기 제2 중공 전극 내에서 적어도 1 mm 만큼 리세스드되고, 플라즈마는 100 Hz 내지 100 MHz 범위의 사인파 여기 주파수를 갖는 전압 파형에 의해 유도되는, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 중공 전극은 동축 기하학적 구조에서 상기 제2 중공 전극 내 중심에 위치되며, 상기 제2 중공 전극은 5 mm 내지 1 m 범위의 길이를 갖고, 상기 제1 중공 전극은 상기 제2 중공 전극 내에서 적어도 1 mm 만큼 리세스드되고, 플라즈마는 100 Hz 내지 100 MHz 범위의 사인파 여기 주파수를 갖는 전압 파형에 의해 유도되며, 상기 플라즈마 소스는 0.1 W/cm3 내지 500 W/cm3 범위의 플라즈마 전력 밀도에서 작동하는, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 중공 전극은 동축 기하학적 구조에서 상기 제2 중공 전극 내에 중심에 위치되며, 상기 제2 중공 전극은 5 mm 내지 1 m 범위의 길이를 갖고, 상기 제1 중공 전극은 상기 제2 중공 전극 내에서 적어도 1 mm 만큼 리세스드되고; 플라즈마는 100 Hz 내지 100 MHz 범위의 사인파 여기 주파수를 갖는 전압 파형에 의해 유도되며; 상기 제2 구성에서, 상기 갭 내의 비-플라즈마 형성 가스가 정적 용적인 경우, 상기 플라즈마 형성 가스는 적어도 0.1 slm의 유량으로 상기 제1 중공 전극을 채우도록 만들어진, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 타이머를 포함하고, 상기 타이머는 상기 플라즈마 형성 가스의 유동을 제어하는, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 가스 공급 유닛을 포함하고, 상기 가스 공급 유닛은 상기 제1 구성 및 상기 제2 구성에서 상기 플라즈마 소스를 선택적으로 작동시키는, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 가스 공급 유닛을 포함하고, 상기 가스 공급 유닛은 i) 상기 제1 중공 전극 및 ii) 상기 갭 중 어느 하나로의 상기 플라즈마 형성 가스의 주입을 제어하고; i) 상기 제1 중공 전극 및 ii) 상기 갭 중 어느 하나로의 상기 비-플라즈마 형성 가스의 주입을 제어하는, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 가스 공급 유닛을 포함하고, 상기 가스 공급 유닛은, i) 상기 비 플라즈마 형성 가스 및 상기 제1 중공 전극 내 상기 플라즈마 형성 가스를 상기 갭으로 지향시키는 단계, 및 ii) 상기 플라즈마 형성 가스 및 상기 제1 중공 전극 내 상기 비-플라즈마 형성 가스를 상기 갭으로 지향시키는 단계 중 하나를 선택적으로 포함하는, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 가스 공급 유닛을 포함하고, 상기 가스 공급 유닛은, i) 상기 플라즈마 형성 가스를 상기 제1 중공 전극으로 지향시키고 상기 비-플라즈마 형성 가스를 상기 갭으로 지향시키는 단계, 및 ii) 상기 비-플라즈마 형성 가스를 상기 제1 중공 전극으로 지향시키고 상기 플라즈마 형성 가스를 상기 갭으로 지향시키는 단계 중 하나를 선택적으로 포함하며, 상기 가스 공급 유닛은 상기 플라즈마 형성 가스와 혼합된 반응성 종의 소스의 선택적 주입을 추가로 제어하는, 플라즈마 소스.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 형성 가스는 상기 플라즈마 소스를 퍼지하기 위해 상기 제1 및 제2 구성 사이에서 전환할 때 유동되는, 플라즈마 소스.
- 암세포를 표적화하는 제1항의 플라즈마 소스의 용도.
- AU565, MDA-MB-231, MDA-MB361, MDA-MB-468, MDA-MB-157, MDA-MB-175-VII, BT-549, MCF-7, HS578T, HCC1428, HCC1569, HCC1954, T47D 및 ZR-75-l 유방암 세포주; STS117 및 STS109 연조직 육종 세포주 중 적어도 하나를 표적화하는 제1항의 플라즈마 소스의 용도.
- 종양 절제 후 종양 적출 부위(tumor bed)에서 암 세포를 표적화하는 제1항의 플라즈마 소스의 용도.
- 상처 소독, 치유 촉진 및 수술 후 흉터의 크기 축소 중 하나에 대한 제1항의 플라즈마 소스의 용도.
- 플라즈마 활성화 액체를 생성하기 위한 제1항의 플라즈마 소스의 용도.
- i) 저 침투 깊이를 갖는 저전력 밀도 플라즈마를 생성하기 위한 상기 제1 구성 및 ii) 고 침투 깊이를 갖는 고전력 밀도 플라즈마를 생성하기 위한 상기 제2 구성 중 하나의 제1항의 플라즈마 소스의 용도.
- 세포독성 반응성 종을 생성하는 방법에 있어서,
일정한 폭의 가스 갭에 의해 제2 중공 전극으로부터 분리된 제1 전극에 제1 가스를 주입하는 단계; 및 인가된 전력 하에서 상기 가스 갭에 제2 가스를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 제1 가스 및 제2 가스는 상이한 항복 전압을 갖는, 세포독성 반응성 종을 생성하는 방법. - 반응성 종을 생성하는 방법에 있어서,
일정한 폭의 가스 갭에 의해 제2 중공 전극으로부터 분리된 제1 전극에 제1 가스를 주입하는 단계; 및 인가된 전력 하에서 상기 가스 갭에 제2 가스를 주입하는 단계를 포함하며, 상기 제1 가스 및 제2 가스는 상이한 항복 전압을 갖는, 반응성 종을 생성하는 방법. - 플라즈마 발생 방법에 있어서,
상이한 항복 전압을 갖는 적어도 2 개의 가스를 선택하는 단계; 제2 중공 전극과 일정 폭의 가스 갭만큼 분리된 제1 전극에 제1 가스를 주입하는 단계; 및 인가된 전력 하에서 상기 가스 갭에 제2 가스를 주입하는 단계를 포함하는, 플라즈마 발생 방법.
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