A micro-air corona discharge, which is one of the plasmas successfully used for gene transfection in terms of high transfection and cell viability rates, is characterized by optical emission spectroscopy. This non-equilibrium low temperature plasma is generated from the tip of a pulsed high voltage micro-tube (0.2 mm inner diameter and 0.7 mm for outer diameter) placed 2 mm in front of a petri dish containing deionized water and set on a grounded copper plate. The electron temperature, equal to about 6.75 eV near the electrode tip and decreased down to 3.4 eV near the plate, has been estimated, with an error bar of about 30%, from an interesting approach based on the experimental ratio of the closest nitrogen emission spectra of (FNS) at 391.4 nm and N2(SPS) at 394.3 nm. This is based on one hand on a balance equation between creations and losses of the excited upper levels of these two UV spectra and on the other hand on the electron impact rates of the creation of these upper levels calculated from solution of the multi-term Boltzmann equation. Then using the measured Hα spectrum, electron density ne has been estimated from Stark broadening versus the inter-electrode position with an average error bar of about 50%. ne ≈ 1 × 1015 cm−3 is near the tip coherent with the usual magnitude of electron density in the streamer head developed near the tip of the corona discharges. Rotational temperatures, estimated from comparison of synthetic and experimental spectra of OH(A − X), (FNS) at 391.4 nm, and N2(SPS) at 337 nm are respectively equal to 2350 K, 2000 K and 700 K in the gap space. This clearly underlines a thermal non-equilibrium of the corresponding excited species generated inside the thin streamer filaments. But, due to the high dilution of these species in the background gas, these high rotational temperatures do not affect the mean gas temperature that remains close to 300 K. Then, (FNS) for (0,0) and (1,1) head bands spectra at 391.4 nm and 388.4 nm allowed estimation of the vibrational temperature Tvib from around 3000 K near the tip electrode up to about 6500 K near the plate. Last, the spatial variation along the z axis of the nitrogen ion density has been determined, with an error bar of about 50%, from the relative intensities of the same close wavelength spectra (N2(SPS) at 394.3 nm and (FNS) at 391.4 nm) when assuming a prior calibration of 1015 cm−3 at z = 0 mm taken from literature streamer dynamics simulations. The present experimental plasma characteristics are used to better understand the mechanisms and the processes involved during plasma gene transfections in a Monte Carlo poration model previously developed to simulate the membrane permeabilization and pore formation when the cells are impacted by the present micro-air plasma fluxes.
マイクロ空気放電コロナは、高い導入効率と細胞生存率の点で遺伝子導入に成功裏に使用されているプラズマの一つであるが、その特性は発光分光法によって特徴付けられる。この非平衡低温プラズマは、脱イオン水を含むペトリ皿の2 mm前方に配置され、接地された銅板上に設置された、パルス高電圧マイクロチューブ(内径0.2 mm、外径0.7 mm)の先端から生成される。電子温度は、電極先端近傍で約6.75 eV、プレート近傍で3.4 eVまで低下し、391.4 nmにおける(FNS)と394.3 nmにおけるN2(SPS)の近接した窒素発光スペクトルの実験比に基づく興味深いアプローチから、約30%の誤差範囲で推定された。これは、一方ではこれら2つのUVスペクトルの励起上位準位の生成と損失の間の釣り合い方程式に基づき、他方では多項ボルツマン方程式の解から計算されたこれらの上位準位の生成の電子衝突速度に基づく。次に、測定されたHαスペクトルを用いて、電子密度neは、約50%の平均誤差範囲で、電極間位置に対するシュタルク広がりから推定された。ne ≈ 1 × 1015 cm−3 は、コロナ放電の先端近くに発生するストリーマヘッドにおける電子密度の通常の大きさと一致して、先端近傍で観測される。回転温度は、OH(A − X)、391.4 nmにおける(FNS)、および337 nmにおけるN2(SPS)の合成スペクトルと実験スペクトルの比較から推定され、ギャップ空間においてそれぞれ2350 K、2000 K、および700 Kに等しい。これは、薄いストリーマフィラメント内部で生成された対応する励起種の熱的非平衡を明確に示している。しかし、背景ガス中でのこれらの種の高希釈のため、これらの高い回転温度は、300 Kに近いままである平均ガス温度には影響を与えない。次に、391.4 nmおよび388.4 nmにおける(0,0)および(1,1)ヘッドバンドの(FNS)スペクトルにより、振動温度Tvibが、先端電極近傍の約3000 Kからプレート近傍の約6500 Kまで推定可能となった。最後に、窒素イオン密度のz軸に沿った空間変化は、文献のストリーマ動力学シミュレーションから得られたz = 0 mmにおける1015 cm−3の事前較正を仮定した場合、同じ近接波長スペクトル(394.3 nmにおけるN2(SPS)および391.4 nmにおける(FNS))の相対強度から、約50%の誤差範囲で決定された。本実験のプラズマ特性は、細胞が本マイクロ空気プラズマフラックスによって衝撃を受けた際の膜透過化と細孔形成をシミュレートするために以前に開発されたモンテカルロポレーションモデルにおいて、プラズマ遺伝子導入中に関与するメカニズムとプロセスをよりよく理解するために使用される。