Plasma wird häufig als der vierte Aggregatzustand der Materie bezeichnet. Neben fest, flüssig und gasförmig entsteht Plasma, wenn einem Gas ausreichend Energie zugeführt wird. Dabei werden Atome und Moleküle angeregt oder ionisiert. Es entsteht ein reaktives Gemisch, das unter anderem aus Elektronen, Ionen, angeregten Molekülen und reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies bestehen kann. Plasma kommt auch in der Natur vor – beispielsweise in Blitzen, Polarlichtern und der Sonne. Dort entstehen teilweise extrem hohe Temperaturen. Für medizinische und technologische Anwendungen lässt sich Plasma jedoch so erzeugen, dass die thermische Belastung gering bleibt. Man spricht dann von kaltem physikalischem Plasma beziehungsweise Cold Atmospheric Plasma (CAP).
Ausgangspunkt ist ein Gas – je nach Technologie beispielsweise ein
Prozessgas wie Argon oder Helium oder ganz einfach die Umgebungsluft.
Durch ein elektrisches Feld erhalten freie Elektronen Energie und
wechselwirken mit den Molekülen des Gases.
Dabei können verschiedene Prozesse stattfinden: Anregung
Elektronen übertragen Energie auf Atome und Moleküle und versetzen sie in einen
angeregten Zustand. Ionisation
Elektronen können aus Atomen oder Molekülen herausgelöst werden. Dadurch
entstehen weitere freie Elektronen sowie positiv geladene Teilchen. Elektronenanlagerung
Freie Elektronen können sich an Moleküle wie Sauerstoff anlagern. Dabei
entstehen negativ geladene Ionen. Dissoziation
Durch energiereiche Kollisionen können Molekülbindungen aufgebrochen werden.
Dadurch können hochreaktive Teilchen und Radikale entstehen.
Auf diese Weise entsteht aus einem ursprünglich weitgehend
neutralen Gas ein komplexes physikalisch-chemisches System.
Kaltplasma ist nicht eine einzelne Substanz. Charakteristisch ist vielmehr das Zusammenspiel unterschiedlicher physikalischer und chemischer Komponenten.
Dazu gehören unter anderem:
• freie Elektronen
• positive und negative Ionen
• angeregte Atome und Moleküle
• reaktive Sauerstoffspezies (ROS)
• reaktive Stickstoffspezies (RNS)
• elektrische Felder
• je nach Erzeugungstechnologie Licht und elektromagnetische Strahlung
Zu den in Plasma-Luft-Systemen möglichen reaktiven Spezies gehören beispielsweise Superoxid (O₂⁻), Hydroxylradikale (•OH), Singulett-Sauerstoff (¹O₂), Stickstoffmonoxid (NO), Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Nitrit (NO₂⁻) und Nitrat (NO₃⁻).
Welche Spezies in welcher Konzentration entstehen, hängt stark von der jeweiligen Plasmatechnologie, der Umgebung, dem Abstand zur Oberfläche sowie weiteren Betriebsparametern ab.
Besonders relevant ist die Wechselwirkung der reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies mit biologischen Oberflächen.
Reaktive Spezies können Bestandteile von Mikroorganismen oxidativ verändern. Dabei können unter anderem Zellmembranen, Proteine und weitere zelluläre Strukturen beeinflusst werden. Das erklärt, warum kaltes physikalisches Plasma in der Forschung und Medizin insbesondere hinsichtlich seiner Wirkung auf Bakterien, Pilze und andere Mikroorganismen untersucht wird.
Reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies sind dem menschlichen Organismus nicht grundsätzlich fremd. Sie entstehen auch im normalen Zellstoffwechsel und übernehmen dort unter anderem Funktionen bei der zellulären Signalübertragung. Entscheidend ist die Dosis: Kontrollierte Mengen reaktiver Spezies können biologische Signalwege beeinflussen, während eine zu hohe oxidative Belastung Zellen schädigen kann. Genau deshalb werden medizinische Plasmasysteme so entwickelt, dass die erzeugte Plasmadosis kontrolliert und reproduzierbar eingesetzt werden kann.
Ein besonderer Aspekt der Kaltplasmatechnologie ist, dass die
reaktiven Komponenten direkt während der Anwendung erzeugt werden.
Je nach Plasmasystem werden dafür Umgebungsluft oder zusätzliche
Prozessgase eingesetzt. Die verschiedenen technischen Verfahren unterscheiden
sich deshalb deutlich hinsichtlich Plasmaerzeugung, Behandlungsfläche, Abstand
zur Haut, Emissionen und praktischem Einsatz.
Für die Erzeugung von kaltem Plasma existieren unterschiedliche technische Ansätze – beispielsweise Plasmajets, dielektrische Barriereentladungen oder Coronaentladungen. Das grundlegende physikalische Prinzip ist vergleichbar, die konkrete technische Umsetzung kann jedoch sehr unterschiedlich sein.
Dr.plajin nutzt eine besondere Form der Coronaentladung mit Carbonborsten und Umgebungsluft.
So funktioniert Dr.plajinPolarlichter, Blitze und sogar die Sonne sind eindrucksvolle Beispiele für Plasma. Dank moderner Technik lässt sich heute auch kaltes Plasma erzeugen und technisch nutzen.
Plasma begegnet uns in der Natur also vor allem unter extremen Bedingungen. Mithilfe technischer Verfahren lässt sich jedoch auch kaltes atmosphärisches Plasma erzeugen, das sich deutlich von diesen heißen Plasmaformen unterscheidet.
Der einzige gemeinsame Punkt zwischen Blutplasma und physikalischem Plasma ist übrigens der Name „Plasma“. Blutplasma bezeichnet den flüssigen Bestandteil des Blutes, während physikalisches Plasma einen ionisierten gasförmigen Zustand der Materie beschreibt.
Neben fest, flüssig und gasförmig wird Plasma häufig als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Es entsteht, wenn einem Gas ausreichend Energie zugeführt wird und dadurch geladene Teilchen wie Elektronen und Ionen entstehen.
Kaltes atmosphärisches Plasma
Bei kaltem atmosphärischem Plasma bleibt die Gastemperatur vergleichsweise niedrig. Dadurch unterscheidet es sich deutlich von den heißen Plasmaformen, wie sie beispielsweise in Blitzen oder in der Sonne vorkommen.
Was enthält Kaltplasma?
Kaltes atmosphärisches Plasma ist ein komplexes Gemisch aus verschiedenen geladenen und ungeladenen Teilchen. Je nach Art der Plasmaerzeugung können dabei unter anderem Elektronen, Ionen sowie reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS und RNS) entstehen.
