The influence of protein and molecular, ground state oxygen (O2) on the plasma generation, and transport of reactive oxygen and nitrogen species (RONS) in tissue are investigated. A tissue target, comprising a 1 mm thick gelatin film (a surrogate for real tissue), is placed on top of a 96-well plate; each well is filled with phosphate buffered saline (PBS, pH 7.4) containing one fluorescent or colorimetric reporter that is specific for one of three RONS (i.e., H2O2, NO2, or OH) or a broad spectrum reactive oxygen species reporter (2,7-dichlorodihydrofluorescein). A helium cold atmospheric plasma (CAP) jet contacts the top of the gelatin surface, and the concentrations of RONS generated in PBS are measured on a microplate reader. The data show that H2O2, NO2, or OH are generated in PBS underneath the target. Independently, measurements are made of the O2 concentration in the PBS with and without the gelatin target. Adding bovine serum albumin protein to the PBS or gelatin shows that protein either raises or inhibits RONS depending upon the O2 concentration. Our results are discussed in the context of plasma-soft tissue interactions that are important in the development of CAP technology for medicine, biology, and food manufacturing.

1.
G.
Isbary
,
J.
Heinlin
,
T.
Shimizu
,
J. L.
Zimmermann
,
G.
Morfill
,
H. U.
Schmidt
,
R.
Monetti
,
B.
Steffes
,
W.
Bunk
,
Y.
Li
,
T.
Klaempfl
,
S.
Karrer
,
M.
Landthaler
, and
W.
Stolz
,
Br. J. Dermatol.
167
,
404
(
2012
).
2.
G.
Isbary
,
G.
Morfill
,
H. U.
Schmidt
,
M.
Georgi
,
K.
Ramrath
,
J.
Heinlin
,
S.
Karrer
,
M.
Landthaler
,
T.
Shimizu
,
B.
Steffes
,
W.
Bunk
,
R.
Monetti
,
J. L.
Zimmermann
,
R.
Pompl
, and
W.
Stolz
,
Br. J. Dermatol.
163
,
78
(
2010
).
3.
G.
Isbary
,
W.
Stolz
,
T.
Shimizu
,
R.
Monetti
,
W.
Bunk
,
H. U.
Schmidt
,
G. E.
Morfill
,
T. G.
Klämpfl
,
B.
Steffes
,
H. M.
Thomas
,
J.
Heinlin
,
S.
Karrer
,
M.
Landthaler
, and
J. L.
Zimmermann
,
Clin. Plasma Med.
1
,
25
(
2013
).
4.
S.
Emmert
,
F.
Brehmer
,
H.
Hänßle
,
A.
Helmke
,
N.
Mertens
,
R.
Ahmed
,
D.
Simon
,
D.
Wandke
,
W.
Maus-Friedrichs
,
G.
Däschlein
,
M. P.
Schön
, and
W.
Viöl
,
Clin. Plasma Med.
1
,
24
(
2013
).
5.
J.
Heinlin
,
G.
Isbary
,
W.
Stolz
,
G.
Morfill
,
M.
Landthaler
,
T.
Shimizu
,
B.
Steffes
,
T.
Nosenko
,
J. L.
Zimmermann
, and
S.
Karrer
,
J. Eur. Acad. Dermatol. Venereol.
25
,
1
(
2011
).
6.
S. A.
Norberg
,
W.
Tian
,
A. M.
Lietz
, and
M. J.
Kushner
, “
Strategies for customizing reactive fluxes in plasma treatment of liquid covered tissue
,” in
Proceedings of the Second International Workshop on Plasma for Cancer Treatment
,
Nagoya
,
Japan
(
2015
).
7.
J. M.
Pouvesle
,
G.
Collet
,
E.
Robert
,
L.
Ridou
, and
S.
Dozias
, “
Potential of plasma based soft and/or combined cancer treatments
,” in
Proceedings of the Second International Workshop on Plasma for Cancer Treatment
,
Nagoya
,
Japan
(
2015
).
8.
Y.
Sakai
,
V.
Khajoee
,
Y.
Ogawa
,
K.
Kusuhara
,
Y.
Katayama
, and
T.
Hara
,
J. Biotechnol.
121
,
299
(
2006
).
9.
Y.
Ogawa
,
N.
Morikawa
,
A.
Ohkubo-Suzuki
,
S.
Miyoshi
,
H.
Arakawa
,
Y.
Kita
, and
S.
Nishimura
,
Biotechnol. Bioeng.
92
,
865
(
2005
).
10.
M.
Leduc
,
D.
Guay
,
R. L.
Leask
, and
S.
Coulombe
,
New J. Phys.
11
,
115021
(
2009
).
11.
Z.
Xiong
,
S.
Zhao
,
X.
Mao
,
X.
Lu
,
G.
He
,
G.
Yang
,
M.
Chen
,
M.
Ishaq
, and
K.
Ostrikov
,
Stem Cell Res.
12
,
387
(
2014
).
12.
J. E.
Kim
,
D.-U.
Lee
, and
S. C.
Min
,
Food Microbiol.
38
,
128
(
2014
).
13.
N. N.
Misra
,
S.
Patil
,
T.
Moiseev
,
P.
Bourke
,
J. P.
Mosnier
,
K. M.
Keener
, and
P. J.
Cullen
,
J. Food Eng.
125
,
131
(
2014
).
14.
B. A.
Niemira
,
G.
Boyd
, and
J.
Sites
,
J. Food Sci.
79
,
M917
(
2014
).
15.
B. A.
Niemira
,
Annu. Rev. Food Sci. Technol.
3
,
125
(
2012
).
16.
B.
Ahlfeld
,
Y.
Li
,
A.
Boulaaba
,
A.
Binder
,
U.
Schotte
,
J. L.
Zimmermann
,
G.
Morfill
, and
G.
Klein
,
mBio
6
,
e02300-14
(
2015
).
17.
P.
Attri
,
N.
Kumar
,
J. H.
Park
,
D. K.
Yadav
,
S.
Choi
,
H. S.
Uhm
,
I. T.
Kim
,
E. H.
Choi
, and
W.
Lee
,
Sci. Rep.
5
,
8221
(
2015
).
18.
A.
Antoniu
,
T.
Nakajima
,
H.
Kurita
, and
A.
Mizuno
,
J. Electrost.
72
,
210
(
2014
).
19.
Y.
Tanaka
,
H.
Yasuda
,
H.
Kurita
,
K.
Takashima
, and
A.
Mizuno
,
IEEE Trans. Ind. Gen. Appl.
50
,
1397
(
2014
).
20.
H.
Yasuda
,
M.
Hashimoto
,
M. M.
Rahman
,
K.
Takashima
, and
A.
Mizuno
,
Plasma Processes Polym.
5
,
615
(
2008
).
21.
H.
Yasuda
,
T.
Miura
,
H.
Kurita
,
K.
Takashima
, and
A.
Mizuno
,
Plasma Processes Polym.
7
,
301
(
2010
).
22.
E.
Takai
,
T.
Kitamura
,
J.
Kuwabara
,
S.
Ikawa
,
S.
Yoshizawa
,
K.
Shiraki
,
H.
Kawasaki
,
R.
Arakawa
, and
K.
Kitano
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
47
,
285403
(
2014
).
23.
S.
Hasse
,
O.
Hahn
,
S.
Kindler
,
T. V.
Woedtke
,
H.-R.
Metelmann
, and
K.
Masur
,
Plasma Med.
4
,
117
(
2014
).
24.
A.
Schmidt
,
K.
Wende
,
S.
Bekeschus
,
L.
Bundscherer
,
A.
Barton
,
K.
Ottmüller
,
K.-D.
Weltmann
, and
K.
Masur
,
Free Radical Res.
47
,
577
(
2013
).
25.
J.
Liebmann
,
J.
Scherer
,
N.
Bibinov
,
P.
Rajasekaran
,
R.
Kovacs
,
R.
Gesche
,
P.
Awakowicz
, and
V.
Kolb-Bachofen
,
Nitric Oxide
24
,
8
(
2011
).
26.
S.
Kalghatgi
,
G.
Friedman
,
A.
Fridman
, and
A.
Clyne
,
Ann. Biomed. Eng.
38
,
748
(
2010
).
27.
R. N.
Ma
,
H. Q.
Feng
,
Y. D.
Liang
,
Q.
Zhang
,
Y.
Tian
,
B.
Su
,
J.
Zhang
, and
J.
Fang
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
46
,
285401
(
2013
).
28.
N.
Kaushik
,
N.
Kumar
,
C. H.
Kim
,
N. K.
Kaushik
, and
E. H.
Choi
,
Plasma Processes Polym.
11
,
1175
(
2014
).
29.
E. A.
Ratovitski
,
X.
Cheng
,
D.
Yan
,
J. H.
Sherman
,
J.
Canady
,
B.
Trink
, and
M.
Keidar
,
Plasma Processes Polym.
11
,
1128
(
2014
).
30.
K. P.
Arjunan
,
G.
Friedman
,
A.
Fridman
, and
A. M.
Clyne
,
J. R. Soc., Interface
9
,
147
(
2012
).
31.
V.
Miller
,
A.
Lin
,
G.
Fridman
,
D.
Dobrynin
, and
A.
Fridman
,
Plasma Processes Polym.
11
,
1193
(
2014
).
32.
M. J.
Steinbeck
,
N.
Chernets
,
J.
Zhang
,
D. S.
Kurpad
,
G.
Fridman
,
A.
Fridman
, and
T. A.
Freeman
,
PLoS One
8
,
e82143
(
2013
).
33.
B.
Gweon
,
M.
Kim
,
D. B.
Kim
,
D.
Kim
,
H.
Kim
,
H.
Jung
,
H. J.
Shin
, and
W.
Choe
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
063701
(
2011
).
34.
B.
Gweon
,
D.
Kim
,
D. B.
Kim
,
H.
Jung
,
W.
Choe
, and
J. H.
Shin
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
101501
(
2010
).
35.
B.
Gweon
,
H.
Kim
,
K.
Kim
,
M.
Kim
,
E.
Shim
,
S.
Kim
,
W.
Choe
, and
J. H.
Shin
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
133701
(
2014
).
36.
Z.
Xiong
,
T.
Du
,
X.
Lu
,
Y.
Cao
, and
Y.
Pan
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
221503
(
2011
).
37.
M.
Keidar
,
R.
Walk
,
A.
Shashurin
,
P.
Srinivasan
,
A.
Sandler
,
S.
Dasgupta
,
R.
Ravi
,
R.
Guerrero-Preston
, and
B.
Trink
,
Br. J. Cancer
105
,
1295
(
2011
).
38.
M.
Keidar
,
A.
Shashurin
,
O.
Volotskova
,
M. A.
Stepp
,
P.
Srinivasan
,
A.
Sandler
, and
B.
Trink
,
Phys. Plasmas
20
,
057101
(
2013
).
39.
E. J.
Szili
,
S. A.
Al-Bataineh
,
P. M.
Bryant
,
R. D.
Short
,
J. W.
Bradley
, and
D. A.
Steele
,
Plasma Processes Polym.
8
,
38
(
2011
).
40.
G.
Desmet
,
A.
Michelmore
,
E. J.
Szili
,
S.-J.
Park
,
J. G.
Eden
,
R. D.
Short
, and
S. A.
Al-Bataineh
,
RSC Adv.
3
,
13437
(
2013
).
41.
R. M.
France
and
R. D.
Short
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans.
93
,
3173
(
1997
).
42.
D. B.
Graves
,
Clin. Plasma Med.
2
,
38
(
2014
).
43.
N.
Barekzi
and
M.
Laroussi
,
Plasma Processes Polym.
10
,
1039
(
2013
).
44.
M.
Laroussi
,
Plasma Processes Polym.
11
,
1138
(
2014
).
45.
D. B.
Graves
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
45
,
263001
(
2012
).
46.
D. B.
Graves
,
Plasma Processes Polym.
11
,
1120
(
2014
).
47.
C.
Chen
,
D. X.
Liu
,
Z. C.
Liu
,
A. J.
Yang
,
H. L.
Chen
,
G.
Shama
, and
M. G.
Kong
,
Plasma Chem. Plasma Process.
34
,
403
(
2014
).
48.
D.-X.
Liu
,
M.-Z.
Rong
,
X.-H.
Wang
,
F.
Iza
,
M. G.
Kong
, and
P.
Bruggeman
,
Plasma Processes Polym.
7
,
846
(
2010
).
49.
W.
Tian
and
M. J.
Kushner
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
47
,
165201
(
2014
).
50.
G.
Collet
,
E.
Robert
,
A.
Lenoir
,
M.
Vandamme
,
T.
Darny
,
S.
Dozias
,
C.
Kieda
, and
J. M.
Pouvesle
,
Plasma Sources Sci. Technol.
23
,
012005
(
2014
).
51.
J. W.
Fluhr
,
S.
Sassning
,
O.
Lademann
,
M. E.
Darvin
,
S.
Schanzer
,
A.
Kramer
,
H.
Richter
,
W.
Sterry
, and
J.
Lademann
,
Exp. Dermatol.
21
,
130
(
2012
).
52.
O.
Lademann
,
H.
Richter
,
A.
Kramer
,
A.
Patzelt
,
M. C.
Meinke
,
C.
Graf
,
Q.
Gao
,
E.
Korotianskiy
,
E.
Rühl
,
K. D.
Weltmann
,
J.
Lademann
, and
S.
Koch
,
Laser Phys. Lett.
8
,
758
(
2011
).
53.
J.
Lademann
,
A.
Patzelt
,
H.
Richter
,
O.
Lademann
,
G.
Baier
,
L.
Breucker
, and
K.
Landfester
,
Laser Phys. Lett.
10
,
083001
(
2013
).
54.
O.
Lademann
,
H.
Richter
,
M. C.
Meinke
,
A.
Patzelt
,
A.
Kramer
,
P.
Hinz
,
K.-D.
Weltmann
,
B.
Hartmann
, and
S.
Koch
,
Exp. Dermatol.
20
,
488
(
2011
).
55.
E. J.
Szili
,
J. W.
Bradley
, and
R. D.
Short
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
47
,
152002
(
2014
).
56.
S. E.
Marshall
,
A. T. A.
Jenkins
,
S. A.
Al-Bataineh
,
R. D.
Short
,
S.-H.
Hong
,
N. T.
Thet
,
J.-S.
Oh
,
J. W.
Bradley
, and
E. J.
Szili
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
46
,
185401
(
2013
).
57.
M. J.
Traylor
,
M. J.
Pavlovich
,
S.
Karim
,
P.
Hait
,
Y.
Sakiyama
,
D. S.
Clark
, and
D. B.
Graves
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
44
,
472001
(
2011
).
58.
B.
Halliwell
and
J. M. C.
Gutteridge
,
Free Radicals in Biology and Medicine
, 4th ed. (
Oxford University Press
,
2007
).
59.
N.
Milan-Segovia
,
Y.
Wang
,
F. S.
Cannon
,
R. C.
Voigt
, and
J. C.
Furness
,
Ozone: Sci. Eng.
29
,
461
(
2007
).
60.
S.
Kanazawa
,
T.
Furuki
,
T.
Nakaji
,
S.
Akamine
, and
R.
Ichiki
,
J. Phys.: Conf. Ser.
418
,
012102
(
2013
).
61.
Y.
Kim
,
Y.
Hong
,
K.
Baik
,
G.
Kwon
,
J.
Choi
,
G.
Cho
,
H.
Uhm
,
D.
Kim
, and
E.
Choi
,
Plasma Chem. Plasma Process.
34
,
457
(
2014
).
62.
Z.-S.
Wu
,
S.-B.
Zhang
,
M.-M.
,
Guo
,
C.-R.
Chen
,
G.-L.
Shen
, and
R.-Q.
Yu
,
Anal. Chim. Acta
584
,
122
(
2007
).
63.
S.
Reuter
,
H.
Tresp
,
K.
Wende
,
M. U.
Hammer
,
J.
Winter
,
K.
Masur
,
A.
Schmidt-Bleker
, and
K.
Weltmann
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
40
,
2986
(
2012
).
64.
S.-H.
Hong
,
E. J.
Szili
,
A. T. A.
Jenkins
, and
R. D.
Short
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
47
,
362001
(
2014
).
65.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4930874 for experimental methods and supporting data.
66.
A.
Ní. Annaidh
,
K.
Bruyère
,
M.
Destrade
,
M. D.
Gilchrist
, and
M.
Otténio
,
J. Mech. Behav. Biomed. Mater.
5
,
139
(
2012
).
67.
M.
Vandamme
,
E.
Robert
,
S.
Pesnel
,
E.
Barbosa
,
S.
Dozias
,
J.
Sobilo
,
S.
Lerondel
,
A.
Le Pape
, and
J.-M.
Pouvesle
,
Plasma Processes Polym.
7
,
264
(
2010
).
68.
E. J.
Szili
,
J.-S.
Oh
,
S.-H.
Hong
,
A.
Hatta
, and
R. D.
Short
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
48
,
202001
(
2015
).
69.
P.
Attri
,
Y. H.
Kim
,
D. H.
Park
,
J. H.
Park
,
Y. J.
Hong
,
H. S.
Uhm
,
K.-N.
Kim
,
A.
Fridman
, and
E. H.
Choi
,
Sci. Rep.
5
,
9332
(
2015
).
70.
J.-S.
Oh
,
E. J.
Szili
,
N.
Gaur
,
S.-H.
Hong
,
H.
Furuta
,
R. D.
Short
, and
A.
Hatta
,
J. Photopolym. Sci. Technol.
28
,
439
(
2015
).
71.
S.-H.
Hong
,
E. J.
Szili
,
A. T. A.
Jenkins
, and
R. D.
Short
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
48
,
029501
(
2015
).
72.
E.
Damiani
,
B.
Kalinska
,
A.
Canapa
,
S.
Canestrari
,
M.
Wozniak
,
E.
Olmo
, and
L.
Greci
,
Free Radical Biol. Med.
28
,
1257
(
2000
).
73.
K.-I.
Setsukinai
,
Y.
Urano
,
K.
Kakinuma
,
H. J.
Majima
, and
T.
Nagano
,
J. Biol. Chem.
278
,
3170
(
2003
).
74.
S.
Gebicki
and
J. M.
Gebicki
,
Biochem. J.
289
,
743
(
1993
).
75.
D.
Yan
,
J. H.
Sherman
,
X.
Cheng
,
E.
Ratovitski
,
J.
Canady
, and
M.
Keidar
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
224101
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.