Soutenance mémoire
Processus physico-chimiques élémentaires du plasma
Lors de la phase de décharge, plusieurs phénomènes se produisent (ionisation, excitation, dissociation …) entrainant ainsi la création et la propagation du plasma. Dans ce paragraphe les principaux processus physico-chimiques qui se produisent durant la phase décharge sont décrits.
Processus d’ionisation
L’ionisation est un processus élémentaire lors de la création d’un plasma, appartenant à la catégorie des collisions inélastiques, pour lesquelles l’énergie cinétique des espèces entrant en collision est convertie en énergie interne .
Ils existent plusieurs mécanismes d’ionisation , dont les principaux sont :
▪ Ionisation directe par impact électronique : un électron avec suffisamment d’énergie va ioniser une espèce lors d’une collision. Cet électron libre va interagir avec un électron de valence de l’espèce impactée. Si l’énergie est supérieure au potentiel d’ionisation, l’ionisation peut avoir lieu. Ce mécanisme est le principal processus dans les plasmas froids puisque les électrons ont une énergie élevée.
▪ Ionisation par collision entre particules lourdes : cette ionisation concerne les collisions ion-molécule, ion-atome et collisions d’espèces excitées lorsque l’énergie des deux espèces impliquées dans la collision est supérieure au potentiel d’ionisation. Contrairement à l’électron, même si l’énergie cinétique des atomes ou ions est légèrement plus élevée que le potentiel d’ionisation, l’ionisation n’a pas lieu. Ceci est dû au fait que la vélocité des atomes ou ions est plus faible que celle des électrons et donc ils ne peuvent pas transférer leur énergie à un électron dans un atome. Cependant, l’ionisation Penning7,8 intervient lorsque l’énergie électronique d’un atome métastable ?∗ est supérieur au potentiel d’interaction d’un autre atome ?. Ionisation Penning : ?∗ + ? → ? + ?+ + ?− .
▪ Photo-ionisation : dans ce cas, il s’agit d’une collision entre des espèces neutres et des photons, donnant une paire électron-ion. Soit ? une particule neutre ayant un potentiel d’interaction ? et un photon d’énergie ? = ℎ? =ℎ?/λ ( ℎ : constante de Planck = 6,63 10-34 J.s ; ? fréquence en s-1 ; ? : vitesse de la lumière ; λ : longueur d’onde en m.) Photo-ionisation à une longueur d’onde λ : ℎ? + ? → ?+ + ?− .
Mécanismes de recombinaison électron-ion
Les électrons formés par les divers mécanismes d’ionisation peuvent réagir de nouveau avec des ions (recombinaison) ou des molécules et atomes (attachement électronique). Il existe plusieurs méthodes de recombinaison, dont les principales sont les suivantes :
▪ Recombinaison dissociative et associative Il s’agit du mécanisme le plus rapide de neutralisation des électrons en présence d’ions moléculaires :
? + ??+ → (??)∗ → ? + ?∗
L’énergie excédentaire sert à dissocier la molécule intermédiaire (??)∗ et exciter les produits de dissociation. Ce processus est aussi important dans les gaz atomiques pour former des ions moléculaires :
?+ + ? + ? → ?₂+ + ?
▪ Recombinaison à trois corps Processus majoritaire dans les plasmas de quasi-équilibre thermodynamique à haute densité, la faible concentration des ions moléculaires est due à la dissociation thermique existante. Dans un gaz atomique (sans ions moléculaires), les électrons sont neutralisés par les réactions à trois corps:
? + ? + ?+ → ?∗ + e
Ce processus n’est pas possible avec les particules lourdes puisque ces dernières ne sont pas assez rapides pour accumuler l’énergie cinétique et intervenir en tant que troisième corps.
▪ Recombinaison radiative électron-ion L’énergie peut aussi être convertie en radiation selon l’équation :
? + ?+ → ?∗ + ℎν
Si le plasma est de faible densité et sans ions moléculaires, cette recombinaison peut entrer en compétition avec celle à trois corps.
Applications du plasma
Un plasma contient donc des espèces capables d’interagir avec une surface. En choisissant la composition du gaz, la puissance, la pression, etc. il est possible de régler et spécifier les effets d’un traitement par plasma. Son habilité à traiter des objets 3D complexes, des matériaux thermosensitifs, conducteurs, semi-conducteurs et isolants lui confère un grand intérêt pour de nombreuses applications industrielles (Figure 1-2), telles que le traitement de surface, la fabrication de composants micro-électroniques ou le traitement de déchets et pollution. Cette partie survolera les applications industrielles du plasma et donnera un aperçu de son application dans le biomédical.
|
Table des matières
Introduction
Partie I : Contexte de l’étude
Chapitre 1 – Le plasma et ses applications
1.1 Physique des plasmas
1.1.1 Généralité sur les plasmas
1.1.2 Création et entretien de la décharge
1.2 Processus physico-chimiques élémentaires du plasma
1.2.1 Processus d’ionisation
1.2.2 Mécanismes de recombinaison électron-ion
1.2.3 Attachement et détachement électronique
1.3 Applications du plasma
1.4 Les dispositifs de plasma froid
1.5 Conclusion
Chapitre 2 – Le plasma en oncologie
2.1 Le cancer
2.1.1 Fonctionnement de la cellule
2.1.2 Caractéristiques d’une cellule tumorale
2.2 Les deux types de traitement au plasma : indirect vs direct
2.3 Objectifs de la thèse
Partie II : Matériels & Méthodes
Chapitre 3 – Caractérisation du jet plasma d’hélium
3.1 Configuration du jet d’hélium
3.2 Outils de diagnostic
3.2.1 Diagnostics électriques
3.2.2 Diagnostics optiques
Chapitre 4 – Caractérisation des milieux activés par plasma
4.1 Résonnance Paramagnétique Électronique (RPE)
4.1.1 Principe de la résonnance paramagnétique électronique
4.1.2 Utilisation de piégeurs
4.2 Fluorescence
4.2.1 Principe de fluorescence
4.2.2 Dosage du peroxyde d’hydrogène
4.3 Colorimétrie
4.3.1 Principe de la colorimétrie
4.3.2 Dosage des nitrites/nitrates
4.4 Chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LC/MS)
4.4.1 Principe de la LC/MS
4.4.2 Analyse de la dégradation des acides aminés par LC/MS
Chapitre 5 – Supports biologiques in vitro et in vivo
5.1 Lignées cellulaires
5.1.1 Cellules issues d’un cancer colorectal humain : lignée HCT-116
5.1.2 Cellules issues d’un cancer tête et cou humain : lignée FaDu
5.2 Culture cellulaire
5.3 Culture cellulaire en 3D : sphéroïdes tumoraux
5.4 Activation du milieu par jet plasma et traitement cellulaire
5.5 Analyses biologiques in vitro
5.5.1 Suivi de volume (courbe de croissance)
5.5.2 Viabilité cellulaire
5.5.3 Caractérisation de l’intégrité de la membrane plasmique
5.5.4 Détection de la mort cellulaire par apoptose : observation de l’activation des caspases
5.5.5 Analyses statistiques in vitro
5.6 Expérimentations biologiques in vivo
5.6.1 Éthique
5.6.2 Modèle murin : la souris nude
5.6.3 Implantation et traitement des tumeurs humaines dans un modèle murin
5.6.4 Suivi de la croissance tumorale
5.6.5 Analyse statistique in vivo
5.7 Conclusion
Partie III : Résultats expérimentaux – Caractérisation du jet plasma & Interactions avec une cible liquide
Chapitre 6 – Caractérisation du jet plasma d’hélium
6.1 Caractérisation électrique
6.2 Etude de la dynamique du jet du plasma
6.2.1 Jet libre
6.2.2 Cible de DMEM à 2 cm
6.2.3 Vitesse de propagation
6.3 Analyse par spectroscopie d’émission
6.4 Conclusion
Chapitre 7 – Interaction plasma/milieux : caractérisation physico-chimique
7.1 Analyse du pH et de l’osmolarité après exposition au plasma
7.2 Analyse du radical hydroxyle ●OH
7.3 Formation de l’anion superoxyde O2●-
7.4 Quantification de la concentration du peroxyde d’hydrogène H2O2
7.5 Production d’oxygène singulet
7.6 Production du radical hydrogène ●H
7.7 Formation d’oxyde nitrique ●NO
7.8 Anions nitrite NO2- et nitrate NO3-
7.9 Traitement plasma des acides aminés en milieu aqueux
7.10 Conclusion
Conclusion
