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Reaktive Teilchen im Plasma genau bestimmen

Referenzplasmaquelle
Reaktive Teilchen im Plasma genau bestimmen

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Die Referenzplasmaquelle, der Cost-Jet, ist etwa so groß wie ein Zeigefinger (Bild: Damian Gorczany)
Der Cost-Jet ist eine Plasmaquelle, die mittlerweile an vielen Forschungsstandorten als Referenzplasma im Einsatz ist. An seiner Entwicklung waren Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) beteiligt. Dort wurde nun auch die Verteilung der reaktiven Sauerstoffatome im Plasma untersucht.

Plasmen könnten für viele medizinischen Anwendungen interessant sein, etwa für die Wundheilung oder zum Abtöten antibiotikaresistenter Keime. Unterschiedliche Plasmen kommen dabei für unterschiedliche Anwendungen infrage, denn entscheidend ist, welche reaktiven Teilchen sich im Plasma befinden. Das hängt auch von der Gasmischung ab, aus der ein Plasma entsteht. Ist Sauerstoff enthalten, kann er im Plasma beispielsweise als positiv (O+) oder negativ geladenes Ion (O-), als neutrales Atom (O), als molekularer Sauerstoff (O2) oder Ozon (O3) vorliegen.

„Viele biologische Systeme benötigen eine gewisse Menge Sauerstoff, sodass Plasmabehandlungen mit reaktiven Sauerstoffspezies positive Effekte haben können“, erklärt Prof. Judith Golda vom Lehrstuhl für Experimentelle Physik insbesondere Plasma-Grenzflächenphysik, der Ruhr-Universität Bochum (RUB). „Manchmal kann es aber auch zu viel Sauerstoff sein.“ Daher sei es wichtig zu wissen, wie viel reaktiver Sauerstoff genau im Plasma vorliegt und wie die optimale Entfernung von der zu behandelnden Oberfläche zum Plasma wäre. „Nur so kann man später Anwendungen entwickeln, die auch sicher für Patientinnen und Patienten sind“, so die Physikerin.

Reaktive Spezies im Plasma spektroskopisch untersuchen

Die erforderlichen Messungen erfolgten mittels Spektroskopie. Dabei schicken die Forscherinnen und Forscher Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge in das Plasma. Dieses Licht wird von den Sauerstoffteilchen absorbiert, wodurch sie auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Nach einer Weile kehren sie in den Grundzustand zurück; dabei strahlen sie Licht einer bestimmten Wellenlänge aus, welches die Forschenden messen können. Die emittierte Wellenlänge hängt dabei von dem Teilchen ab, das das Licht aussendet: Ein neutrales Sauerstoffatom schickt etwa anderes Licht zurück als ein positiv geladenes Sauerstoffion. Aus der Menge des abgestrahlten Lichts bestimmter Wellenlängen können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler somit auf die Menge verschiedener Sauerstoffspezies zurückschließen.

Auf diese Weise stellte das Team fest, dass die Menge der Sauerstoffatome im Plasma exponentiell mit der Entfernung zur Quelle abnimmt. Mit analytischen Modellen zeigten sie auch die Gründe dafür. „Weil die Teilchen so reaktiv sind, reagieren sie schnell zu anderen Verbindungen weiter, etwa zu molekularem Sauerstoff oder Ozon“, schildert Golda.

Über das Cost-Jet-Plasma

Das Cost-Jet-Plasma entwickelten die Bochumer Forscherinnen und Forschern gemeinsam mit Teams aus Greifswald, Eindhoven, Milton Keynes, York und Dublin. Ziel war ein Plasma, dessen Eigenschaften genau charakterisiert sind und das sich mit genau diesen Eigenschaften reproduzierbar herstellen lässt. Denn was genau ein Plasma in einer bestimmten Anwendung bewirkt, hängt von den speziellen Plasmaparametern ab, etwa seiner Zusammensetzung. Viele Forschungsgruppen weltweit nutzen mittlerweile den Cost-Jet, sodass die Ergebnisse dieser Gruppen gut vergleichbar sind.

Wissenschaftliche Ansprechpartnerin:
Prof. Dr. Judith Golda
Experimentelle Physik, insbesondere Plasma-Grenzflächenphysik
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
E-Mail: judith.golda@rub.de

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