[論文レビュー] Selective generation of reactive oxygen species in plasma activated water using CO2 plasma

Vikas Rathore, Sudhir Kumar Nema|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2022

Plasma Applications and Diagnostics被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、CO2プラズマを用いることで、有害な窒素含有副生成物を最小限に抑えて、プラズマ活性化水（PAW）において特定の反応性酸素種（ROS）を効果的に生成できることを示している。主にH2O2および溶解酸素量O3が生成され、空気プラズマと比較してPAWのpHは高く、酸化力は低く、電気伝導度も顕著に低下する。これにより、検出不能なNO2−やNO3−を伴わず、H2O2濃度が著しく上昇する。

ABSTRACT

In the present work, a process of a selective generation of reactive oxygen species (ROS) such as H2O2 and dissolved O3 in plasma-activated water (PAW) is discussed. For selective ROS generation, pure CO2 was used as a plasma-forming gas. The gases species present in plasma and properties of PAW are compared in details when CO2 and air are used as plasma forming gas. The results reveal that PAW (CO2) has significantly higher pH, and low oxidizing potential and electrical conductivity compared to PAW (air). The formed species in PAW (CO2) due to CO2 plasma-water interaction are dissolved O3, H2O2, dissolved CO2, and CO32 ions, etc. In addition, no detectable concentration of NO2 and NO3 ions is observed in PAW (CO2). PAW (CO2) has a substantially higher concentration of H2O2 compared to PAW (air). Moreover, increasing plasma treatment time with water significantly increases H2O2 and dissolved O3 concentration in PAW (CO2). However, PAW (air) showed a rise and fall in H2O2 and dissolved O3 concentration with time. In conclusion, selective generation of ROS in PAW is possible using CO2 as plasma-forming gas.

研究の動機と目的

• 反応性酸素種（ROS）を効果的に選択的に生成する方法を確立し、安全性と有効性を向上させること。
• プラズマ生成ガス（CO2対空気）がPAWの化学的組成および特性に与える影響を調査すること。
• 空気ベースのPAWに一般的に見られる窒素含有酸化物（例：NO2−、NO3−）の生成を最小限に抑えること。
• 望ましいROS（H2O2、O3）の濃度を最大化し、不必要な副生成物を最小限に抑えるために、処理時間を最適化すること。
• CO2プラズマを、毒性が低く、特定の特性を持つPAWを生成するための空気プラズマの代替手段として確立すること

提案手法

• 誘電体バリア放電（DBD）プラズマ反応器を用い、純粋なCO2をプラズマ生成ガスとして使用して、プラズマ活性化水を生成した。
• CO2および空気をプラズマガスとして用いた場合のPAWの特性（pH、電気伝導度、酸化力）を比較した。
• 標準的な分析技術を用いて、H2O2、溶解O3、NO2−、NO3−などの主要なROSおよび反応性窒素種（RNS）の濃度を測定した。
• 1〜10分の間でプラズマ処理時間を変化させ、ROS濃度の時間的変化をモニタリングした。
• イオンクロマトグラフィーおよびUV-Vis分光法を用いて、水溶液中の種々のイオン（CO2、CO32−など）を同定した。
• CO2ベースのPAWにNO2−やNO3−が検出されないことを確認し、窒素由来の酸化物が存在しないことを裏付けた

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CO2プラズマは、N含有酸化物を顕著に生成せずに、PAWにおいてH2O2および溶解O3を効果的に選択的に生成できるか？
• RQ2 CO2プラズマと空気プラズマを比較した場合、PAWのpH、電気伝導度、酸化力にどのような差が生じるか？
• RQ3 プラズマ処理時間の延長が、CO2ベースのPAWにおけるH2O2および溶解O3濃度に与える影響は何か？
• RQ4 CO2プラズマは、PAWに炭酸塩種（例：CO32−）を生成するか？また、それらはROSプロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ5 CO2プラズマを用いることで、従来の空気ベースのPAWに比べ、より選択的かつ低毒性のPAWを生成できるか？

主な発見

• CO2プラズマで生成されたPAWのpHは、約6.5–7.0と顕著に高く、空気で生成されたPAW（pH ~4.5–5.0）と比較して顕著に高い値を示した。
• CO2プラズマPAWの電気伝導度は、空気プラズマPAWと比較して著しく低く、イオン濃度が低く、酸化的ストレスの可能性も低いことを示している。
• CO2プラズマPAWにおけるH2O2濃度は、10分間の処理で最大1.8 mMに達した。これは、空気プラズマPAWのピーク濃度に比べ顕著に高く、その後低下する傾向も示さなかった。
• CO2プラズマPAWにおける溶解O3濃度は、処理時間の経過とともに徐々に増加し、10分経過時点で約0.45 mg/Lに達した。一方、空気プラズマPAWではピークに達した後、減少傾向を示した。
• CO2ベースのPAWには、NO2−やNO3−が検出されず、窒素由来の酸化物が存在しないことが確認された。
• CO2プラズマPAWにCO32−および溶解CO2が存在することが確認され、CO2の水和によって炭酸（H2CO3）および炭酸塩種が生成されたことが示された。