Master's Thesis

Characterization of microwave torch for therapeutic applications

Final Thesis 3.86 MB

Author of thesis: Bc. Lukáš Kletzander

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D.

Reviewer: Ing. Stanislav Chudják, Ph.D.

Abstract:

Plasma – an ionized gas, regarded as a fourth state of matter, finds widespread applications in many fields. One of the fastest growing fields of application of low-temperature plasma is medicine. The unique reaction chemistry creates reactive species, which are the focal point of its applications.

The subject of this thesis are two versions of a microwave plasma jet generating low-temperature plasma at atmospheric pressure. The goal was to perform diagnostics on the plasma discharge regarding its potential use in medicine. The main diagnostic methods were optical emission spectroscopy in the vacuum ultraviolet range (VUV), mass spectrometry and molecular absorption spectrometry for the detection and quantification of particles on surfaces.

VUV spectroscopy was used to observe the emission of the plasma jet in the 55–155 nm range. Using Si3N4 membrane as an entrance window (instead of the usually used magnesium fluoride window, cutoff wavelength 112–114 nm) allowed the studied range to be expanded down to 55 nm. With argon as a working gas, emission lines of O I, N I and H I, as well as argon excimer continua, were identified. The intensity of all emission lines decreased with growing distance from the substrate, mainly because of absorption by molecular oxygen. The gas flow rate had a larger impact on the emission than the power supplied by the generator. It was found that argon plasma does not emit radiation below 100 nm. The admixture of helium decreased overall emission, apart from Ar I resonant lines. Pure helium plasma exhibited emission below 100 nm. With the power needed to ignite and sustain the discharge and the localized nature of the pure helium discharge, it is less suitable for use in medicine with the current applicator.

Mass spectrometry was used to observe the ion composition of the argon plasma. The most abundant ions were O3+, N2+, NO+ and O2+. Intensity of the ions decreased with increasing distance from the applicator outlet and the flow had a greater impact than the power. With a thin agar plate as a counter-surface a transition from a wet to a dry phase was observed. Wet agar caused the discharge to spread over a larger area. Dry agar plate improved the coupling of the discharge with the sampling orifice in comparison to the measurement without an agar plate, resulting in higher ion intensities.

The distribution of species on surfaces was determined and quantified. Absorbance of the agar plates increased with longer treatment times. Scanning treatment led to a more evenly distributed dose compared to static treatment. The centre of the scan-treated plate corresponded to approximately 106 s of static treatment, whereas the edges corresponded to only approximately 78 s. Scanning treatment is thus not completely homogeneous, which might have been caused by the plastic edges of the Petri dish, which repelled the discharge. This observation corresponds with the fact that microbial growth after scanning treatment of inoculated Petri dish is predominantly observed starting from the edges.

Keywords:

Plasma jet, vacuum ultraviolet spectroscopy, mass spectrometry, reactive species, biomedical use of plasma, low-temperature plasma

Date of defence

26.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Student seznámil členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Student akceptoval všechny připomínky oponenta a na všechny otázky odpověděl v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Kolik stupňů může mít plazma, aby člověk necítil bolest z tepla? Jakou roli tam hraje vzdálenost plazmatu od daného subjektu? doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. Zmínil jste různé typy plazmatu, na základě, jakých parametrů byly zvoleny? Zkoušeli jste také dusíkové plazma? prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. V zadání práce je uvedeno: prostudujte distribuci aktivních částic na površích a porovnejte ji s účinky trysky na mikroorganismy, můžete prosím objasnit to porovnání? Jak bylo toto porovnání provedeno? Zmínil jste různé parametry a čas ošetření plazmatem, jaký je Váš čas expozice? Je tento čas dostačující? Jaké jsou limity podle Vašeho názoru? doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D. Jaký je přesně cíl použití plazmatu? Jde o ošetření povrchu nebo spíše k antimikrobiálním procedurám? Student odpověděl na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi student prokázal výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomant prokázal nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Chemistry of Bioactive Substances (CHBL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D. (člen)

Diplomová práce se zabývá charakteristikou nízkoteplotního plazmatu mikrovlnné trysky vyvíjené pro terapeutické aplikace, a to jak z pohledu reaktivních složek plynného plazmatu, tak z hlediska distribuce reaktivních částic na modelovém povrchu. Pro diagnostiku plazmatu byla využita optické emisní spektroskopie ve (V)UV oblasti a iontová hmotnostní spektrometrie. Vlastní měření probíhalo v rámci zahraniční stáže na univerzitě v Kielu. Pro detekci reaktivních částic na agarovém povrchu byla vyvinuta originální metodika využívající specifických kolorimetrických činidel v kombinaci se spektrofotometrií, běžně využívaná pro detekci reaktivních složek v roztoku.
Při řešení své práce čelil student hned několika kritickým výzvám, ať už to byla stabilizace a reprodukovatelný provoz plazmového zařízení, vývoj nové metodiky pro detekci složek plazmatu na površích nebo náhlá nucená změna vedoucího. Díky své samostatnosti, pracovitosti, pečlivosti, trpělivosti a zápalu pro výzkum však dokázal student nejen splnit zadání své práce, ale výrazně posunout hranici poznání aktuálně řešené problematiky využití plazmatu v terapeutických aplikacích.
Vlastní práce je pečlivě zpracovaná a logicky strukturovaná. Výsledky jsou vyhodnoceny přehledně a ve vzájemných souvislostech. Závěry jsou pak formulovány jasně a srozumitelně.
Diplomová práce splnila požadavky zadání a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Stanislav Chudják, Ph.D.

Diplomová práca sa zaoberá charakterizáciou mikrovlnnej plazmovej trysky pre terapeutické aplikácie pomocou viacerých diagnostických metód. Práca je spracovaná na veľmi dobrej odbornej úrovni a spĺňa požiadavky kladené na diplomové práce technického zamerania.
Teoretická časť poskytuje prehľad problematiky nízkoteplotného plazmatu, jeho diagnostiky a biomedicínskych aplikácií. Autor pracuje s relevantnou odbornou literatúrou a jednotlivé kapitoly na seba logicky nadväzujú.
Experimentálna časť je dostatočne rozsiahla, metodicky dobre spracovaná a obsahuje viacero typov meraní vrátane VUV emisnej spektroskopie, hmotnostnej spektrometrie a stanovenia distribúcie reaktívnych častíc na povrchoch.
Výsledky práce sú prezentované prehľadne formou vhodne zvolených grafov a spektrálnych závislostí. Oceňujem najmä systematický prístup k sledovaniu vplyvu jednotlivých parametrov plazmového výboja a snahu o fyzikálnu interpretáciu pozorovaných javov. Diskusia výsledkov je na veľmi dobrej odbornej úrovni. V niektorých častiach by však bolo možné ešte podrobnejšie rozšíriť porovnanie s publikovanými výsledkami obdobných plazmových systémov.
Miestami, najmä v častiach venujúcich sa interpretácii VUV spektier a absorpčných javov, je text veľmi hutný a obsahuje väčšie množstvo informácií v rámci rozsiahlych súvetí, čo môže mierne znižovať čitateľnosť. Pri prípadnom ďalšom spracovaní výsledkov formou vedeckých publikácií by bolo vhodné zvážiť členenie niektorých analytických pasáží do stručnejších a prehľadnejších celkov. Táto pripomienka však nijako významne neznižuje celkovú vysokú úroveň práce.
Po formálnej a jazykovej stránke je práca spracovaná kvalitne, obsahuje len minimálne množstvo drobných formálnych nedostatkov a pôsobí veľmi dobrým dojmom.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. 1/ V práci autor diskutuje významnú absorpciu VUV žiarenia molekulárnym kyslíkom. Akým spôsobom by bolo možné experimentálne minimalizovať vplyv okolitej atmosféry na absorpciu VUV žiarenia a aký dopad by to podľa autora mohlo mať na pozorované spektrá?
  2. 2/ Autor v práci porovnáva vlastnosti argónového a heliového plazmatu. Ktoré parametre považuje za rozhodujúce pri voľbe pracovného plynu pre biomedicínske aplikácie? Pri skenovacom ošetrení agarových platní bola pozorovaná nehomogénna distribúcia aktívnych častíc. Aké technické alebo konštrukčné úpravy experimentálneho usporiadania by podľa autora mohli viesť k homogénnejšiemu ošetreniu povrchu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová