Reaktive Teilchen im Plasma genau bestimmen

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. Die Verteilung der reaktiven Sauer­stoff­atome in einem weit verbrei­teten Plasma, dem sogenannten COST-Jet, haben Forscher­innen und Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) im Sonder­forschungs­bereich 1316 unter­sucht. Sie waren auch an der Entwicklung dieser Plasma­quelle beteiligt, die mittler­weile an vielen Forschungs­stand­orten als Referenz­plasma im Einsatz ist.

Welche reaktiven Teilchen in einem Plasma enthalten sind, hängt unter anderem 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 Judith Golda vom Lehr­stuhl für Experimentelle Physik, insbesondere Plasma-Grenz­flächen­physik. „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.

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 Judith Golda.

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.

RUB / LK