2020 Fiscal Year Research-status Report
質量分析法による大気圧プラズマ診断技術の開発と応用
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19K03816
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| Research Institution | Kochi National College of Technology |
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Principal Investigator |
長門 研吉 高知工業高等専門学校, ソーシャルデザイン工学科, 教授 (80237536)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
栗田 弘史 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70512177)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 大気圧プラズマ / 反応活性種 / 質量分析 / イオン-分子反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1）大気圧プラズマジェット内外のイオン組成の分析
ヘリウムとアルゴンを用いたプラズマジェットによって生成するイオン組成の分析を行い、反応活性種に関連した正イオン、負イオンの同定を進めた。特に活性酸素種および活性窒素種と関連性がある負イオンを中心に解析を進め、H2O2およびHO2が付加した負イオンおよびNOx由来の負イオンのプラズマジェット内外の空間分布を明らかにした。
2）プラズマ添加ガスの影響評価
ヘリウムを用いた大気圧プラズマに窒素および酸素を添加した場合のイオン組成の変化を観測し、添加ガスが反応活性種の生成に与える影響について評価を行った。添加ガスをヘリウムに直接加えるとプラズマが生成しにくくなり、添加ガスの影響を評価することが難しいことがわかった。そこで添加ガスをプラズマジェットの周囲から添加する方法を用いて、添加ガスがプラズマの生成に影響を与えないように実験を行った結果、負イオンには添加ガスの影響は見られなかったが正イオンでは添加ガスに由来するイオンが多く検出されることが確認できた。
3）気相中の反応活性種とプラズマを照射した溶液中の反応活性種の比較
大気圧プラズマを照射した溶液中の反応性窒素種と過酸化水素の濃度を測定し、大気圧プラズマで生成する反応性窒素種由来のイオンおよび過酸化水素が付加したイオンの割合と比較を行った。プラズマガスの流量と、プラズマと溶液との間の距離を変化させて比較を行った結果、溶液中と気相のプラズマ中において反応活性種の割合に一定の相関関係があることを確認することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
実験で使用するプラズマ発生装置については、形状や配線方法、電極間の絶縁方法に改良を加え、安定的に大気圧プラズマを生成できるものを製作した。
アルゴンやヘリウムを用いた標準的な大気圧プラズマで生成するイオンの質量スペクトル測定による、イオンピークの詳細な同定と関連するイオンと活性種の生成反応の調査・確認作業はおおむね行うことができた。イオン組成の同定には裏付けとなる生成反応の確認が必要であるが、今回同定したイオンの生成反応についてはこれまでに報告されていない反応があるため、組成が確定できていないイオンも一部残っている。
プラズマ発生条件の活性種生成過程に対する影響の解明については、プラズマに添加ガス（窒素、酸素）を加えた場合の影響について実験、評価を行うことができた。ただし、添加ガスの導入量が多くなるにつれてプラズマの発生が弱くなることが観測されたため、プラズマの生成に影響を与えないようにプラズマジェットの周囲から添加ガスの導入するタイプのプラズマ発生装置で実験を行い、窒素および酸素をヘリウムプラズマジェットの添加した場合の影響評価を行うことができた。ただし、添加ガスの影響以外に、放電電圧や放電波形による影響評価も行う予定であったが、コロナ禍の影響で実験の補助を行う学生の活動に制約が生じたため、それらの項目についての実験は未実施となっている。
気相プラズマ中の活性種由来イオンの測定との比較を行うための、プラズマ照射溶液中の活性種測定法については、これまでに用いてきた化学プローブ法に代わってUV分光法を用いることとし、測定の試行、評価を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目までに行った、大気圧プラズマで生成する活性種由来のイオンの生成反応については未解明のものがあり、引き続き調査・解析を行う。特に、気相中で測定するイオン量、イオン組成比からもとになる中性の反応活性種の濃度を推定する手法の開発を目指して研究を進める。
２年目の主要な課題であった、プラズマ発生条件の活性種生成過程に対する影響の解明については、添加ガスの影響については評価実験が行えたが、放電電圧および放電波形の影響についての実験が未実施のため、今年度に実験を行う。初年度の実験結果より、イオンとそのもとになる反応活性種はプラズマジェットの内部や周辺において、ジェットの進行方向やそれと垂直な方向に対して割合が変化することが確認された。プラズマの発生条件を変化させる実験においても、イオンおよび反応活性種の空間濃度分布を把握できるようにする。
プラズマを照射した溶液中の活性種測定においては、空間分解能を高めた測定手法の開発を行い、気相プラズマ中の活性種空間分布に対応して溶液中の活性種が生成するのかどうかの確認を行う。液中活性種の計測においては当初使用していた化学プローブ法よりもUV分光法の方が精度よくかつ安定に計測できることが確認できたので、UV分光法を用いた測定に変更して実験を進める。
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| Causes of Carryover |
申請では初年度にプラズマを発生させる放電用の高性能の高電圧アンプを購入する費用を計上していたが、実際の配分額では購入ができなくなったため、初年度は既存の高電圧電源を使用して実験を行った。2年目は高電圧アンプの代わりの電源として高電圧パルス電源の購入を予定していたが、実験の計画に遅れが出たため、高電圧パルス電源を3年目に購入するように変更した。
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