Microplasma generation of high fluxes of singlet delta oxygen at atmospheric pressure for biomedical applications

par João Barbosa dos Santos Freitas e Sousa

Thèse de doctorat en Physique. Physique des gaz et des plasmas

Sous la direction de Vincent Puech et de Luís Lemos Alves.

Soutenue en 2010

à Paris 11 en cotutelle avec l'Universidade Técnica de Lisboa , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des Sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    Production par micro-plasmas de flux intenses d'oxygène singulet delta à la pression atmosphérique pour des applications biomédicales


  • Résumé

    Dans ce travail, nous avons étudié expérimentalement la production à pression atmosphérique d'oxygène singulet delta, O2(a1Δg), par micro-plasmas. Nous avons développé un type particulier de microdécharges, appelées MCSD (micro-cathode sustained discharges) aptes à produire, en régime continu, des décharges luminescentes exemptes de transition en régime d'arc. Au moyen de diagnostics électrique et optique, le champ électrique réduit (E/N), la température du gaz (Tgaz), les profils de densité de l'oxygène atomique, la distribution spatiale de l'ozone, ainsi que la densité de O2(a1Δg) ont été obtenus pour de nombreuses conditions expérimentales. Nos résultats montrent que les MCSD se comportent essentiellement comme des colonnes positives à haute pression, caractérisées par des faibles valeurs de E/N (5-20 Td) et de Tgaz (300-700 K). Les MCSD ont ainsi toutes les caractéristiques requises pour générer efficacement l'état O2(a1Δg). L'optimisation du fonctionnement en parallèle de plusieurs MCSD nous a permis d'obtenir à pression atmosphérique, et de transporter sur plusieurs dizaines de cm, des densités d'O2(a1Δg) supérieures à 10 puissance17 cm-3. Soulignons que, grâce à leur remarquable stabilité, les MCSD sont, à ce jour, les seules décharges permettant de produire des flux importants d' O2(a1Δg) à pression atmosphérique. La source d'O2(a1Δg) étudiée dans ce travail, bien caractérisée et d'une grande fiabilité, est maintenant susceptible d'applications novatrices, en particulier dans le domaine biomédical. Nous avons pu démontrer son efficacité pour l'étude de l'oxydation de l'ADN, et en collaboration avec des biologistes, nous avons déterminé la nature des lésions produites par O2(a1Δg).


  • Résumé

    Atmospheric pressure generation of singlet delta oxygen (SDO) by microplasmas has been experimentally studied. Ln this work, we have used a specific type of microdischarges, called MCSD (microcathode sustained discharges), which have allowed the operation of DC glow discharges, free from the glow-to-arc transition. From electrical and optical diagnostics, the reduced electric field (E/N), the gas temperature (Tgas), the atomic oxygen density profiles, the ozone spatial distribution, as weIl as the SDO density have been obtained for several operating conditions. Our results show that MCSD are similar to high-pressure positive columns, with low values of E/N (5-10 Td) and of Tgas (300-700 K). Thus, MCSD fulfill aIl the required characteristics for an efficient production of SDO. It must be pointed out that, due to its remarkable stability, the MCSD is, to this date, the only discharge technique that has been proven capable of generating high fluxes of SDO at atmospheric pressure. By optimizing the operation of arrays of several MCSD, we have efficiently produced and transported at atmospheric pressure, over distances longer than 50 cm, SDO densities higher than 10 to the power of 17 cm-3. Additionally, O3 densities up to 10 to the power of 16 cm-3 have also been obtained. As the ratio density of SDO to O3 can be finely and easily tuned in the range [10 to the power of -2 - 10 to the power of +5], our plasma source is unique in the context of the new research field of Plasma Medicine. Indeed, we have shown that arrays of MCSD are very useful tools for examining in detail the reactivity of these reactive oxygen species towards DNA. Ln collaboration with biologists, we have determined the damages induced in DNA by SDO and O3.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XXVIII-246 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 235-246

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