プラズマ ・液体界面の溶媒和電子を検出するための全内部反射吸収分光法 (TIRAS)
2018年1月24日
プラズマ ・液体界面における短命のフリーラジカルを測定するため全反射吸収分光法 (TIRAS) 手法を提案します。700 近く赤色光の光の吸光度に基づく電子を solvated を識別するために TIRAS を使用する特に、nm。
この実験の全体的な目標は、プラズマと液体の界面で溶媒和電子を直接検出することです。この方法は、水溶液と接触したプラズマによって生成されるフリーラジカルの化学的性質に関する重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、光を吸収しながら、短寿命のフリーラジカルである溶媒和電子を直接測定できることです。
この技術の意味は、現在、低温プラズマががん治療の一形態としてテストされているため、医学にも及んでいます。この方法は、低温プラズマが多くの無秩序なプロセスで使用されているため、化学合成技術に関する洞察も提供できます。この方法では、直径 2 インチ、2 つの光学窓、垂直面から約 20 度の角度でカスタムのプラズマ電気化学セルを使用します。
電極とガスライン用の4つのポートを備えた、ぴったりとフィットするPTFEセルリッドを使用します。ステンレス鋼の棒に取り付けられた白金箔の部分で作られた陽極と、鋭利なステンレス鋼の毛細管で作られた陰極を使用します。吸収分光法の光源として、調整可能な虹彩と50ミリメートルのレンズを並べた670ナノメートルのダイオードレーザーを使用し、すべてゴニオメーターに取り付けられた30ミリメートルの光学ケージシステムに取り付けられ、入射角の調整を可能にします。
光検出器として、検出器の前に670ナノメートルのバンドパスフィルタを備えた逆バイアスリーク回路に配線された大面積フォトダイオードを使用します。フォトディテクターを2台目のゴニオメーターに取り付けます。ゴニオメーターは、レーザーが電気化学セルの光学窓の1つに向けられ、光が他の光学窓を通じて光検出器に反射するように配置されていることを確認してください。
ソリッドステートリレー回路を使用して、20キロヘルツのキャリア周波数でプラズマ電流を変調し、ロックインアンプを使用して、溶媒和電子の非常に小さな光吸収信号を検出するのに十分な高い信号対雑音比を取得します。最後に、計測器を制御し、ロックインアンプからの信号を記録するための自動データ収集プログラムを設計します。セットアップを開始するには、過塩素酸ナトリウムと脱イオン水の0.163モル溶液を電気化学セル60ミリリットルに入れます。
白金箔アノードを電気化学セルの蓋に挿入し、蓋をセルに置きます。白金箔アノードを電気化学セルの蓋に挿入します。アノードを溶液表面の約1cm下に沈めます。
白金箔のみが溶液に接触していることを確認してください。次に、ステンレス鋼プラズマ電極キャピラリーの鈍い端を質量流量計を介してアルゴンガスラインに接続します。プラズマキャピラリーの鋭利な端を蓋に挿入し、その点が溶液の表面から約1〜2ミリメートル上にくるようにします。
溶液とキャピラリーチップとの距離をカメラで確認します。次に、細いホースを別の質量流量計を介してアルゴンガスラインに接続します。ホースを電気化学セルの蓋のポートの1つに挿入して、パージラインとして機能します。
4 番目のポートを通気口として遮るもののない状態に保ちます。実験中に蓋が動かないようにしてください。次に、キャピラリーを電圧源に接続し、アノードをアースに接続して、電気化学回路を完成させます。
セルを毎分250立方センチメートルでアルゴンで少なくとも5分間パージしてから、先行します。次に、プラズマキャピラリーを通るアルゴンガスの流れを毎分約10立方センチメートルに設定します。ダイオードレーザーをオンにし、アルゴンの流れによってディンプルから散乱される光によって示されるように、レーザーがプラズマ液体界面に当たるようにレーザーの位置を合わせます。
キャピラリーを通るアルゴンの流れを止め、レーザースポットが通常のサイズに戻るのを待ちます。アルゴンを毎分250立方センチメートルでメインパージラインを流れたままにします。レーザーの反射が検出器の中心に当たるように、光検出器の位置を合わせます。
光検出器の出力を電圧計に接続します。そして、レーザーによる吸収信号によって生成される電圧を測定します。ロックインアンプからの吸光度データを正規化するために、後で使用する電圧を記録します。
ロックインアンプは、基本的にフォトディテクタからのAC電圧を測定します。この電圧は、検出器のDCオフセットとして測定されるレーザーの絶対強度によって正規化する必要があります。次に、光検出器の出力をロックインに接続します amplifier入力。
ファンクションジェネレータのトランジスタトランジスタロジック出力をロックインの周波数入力に接続します amplifier。ファンクションジェネレーターをオンにし、ロックインします amplifier、および高電圧電源。計測器がデータ収集プログラムと通信していること、およびロックインアンプが20キロヘルツのキャリア周波数の信号でロックされていることを確認してください。
実験を開始し、レーザーが自動的にオンになり、プラズマが点火される間、システムを監視します。定常状態のデータはレーザーの有無にかかわらず記録されるため、記録された信号を観察します。溶媒和電子からの光吸収性は、レーザーとプラズマの両方がオンのときにのみ見られると予想しています。
したがって、レーザーのみでプラズマがない場合、またはその逆の信号は、比較すると比較的小さいはずです。自動データ収集が終了したら、データを平均化し、ノイズを差し引き、溶液中の溶媒和電子の濃度を経時的に計算します。スイッチング回路に対する振幅と位相に関する情報は、吸収信号の余弦成分と正弦成分、つまりxとyから得られました。
その後、信号の振幅を使用して、さまざまな化学種の溶媒和電子の濃度と反応速度定数を推定できます。吸光度の振幅は約10ppmであり、実験を成功させるには十分に大きなS/N比が必要であることが強調されていました。未知のノイズが信号に大きな影響を与える場合は、データを破棄して実験を繰り返すのが最善です。
この手順を習得すれば、測定には30分以内で完了します。アルゴンなどの不活性雰囲気を提供し、レーザーを適切に位置合わせすることが重要です。微量の酸素は、プラズマ中の自由電子をすばやく急冷し、それらが溶液に入るのを防ぐことができます。
また、この方法では溶媒和電子の濃度を直接測定するものではないことにも注意してください。むしろ、20キロヘルツのプラズマ電流のAC振幅に比例する光吸光度のAC振幅を測定します。開発後、この技術は、プラズマ液体界面における溶媒和電子の高速反応速度論に関する重要な洞察をもたらしました。
最終的には、液体と接触したプラズマによって生成される他のフリーラジカルにもこれを拡張したいと考えています。最後に、高電圧での作業は危険な場合があることを忘れないでください。この手順を実行する前に、光学テーブルやその他の機器の接地などの予防措置を講じる必要があります。
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概要
この記事では、全内反射吸収分光法（TIRAS）を使用して、プラズマ-液体界面で溶媒和電子を直接検出する方法を紹介します。この技術により、短寿命の遊離ラジカルの測定が可能となり、がん治療や化学合成などの分野で応用が期待されます。
主要な研究要素
科学分野
- 神経科学
- 生化学
- プラズマ化学
背景
- 溶媒和電子は短寿命の遊離ラジカルです。
- プラズマ-液体相互作用は様々な化学プロセスで重要です。
- 低温プラズマは医療応用のために探索されています。
- 遊離ラジカル化学の理解は治療法の進歩に不可欠です。
研究目的
- プラズマ-液体界面で溶媒和電子を検出すること。
- 水溶液中でプラズマが生成する遊離ラジカル化学を探索すること。
- この技術の医療と化学合成における応用可能性を評価すること。
使用した方法
- 全内反射吸収分光法（TIRAS）の採用。
- 光学ウィンドウ付きのカスタムプラズマ電気化学セルの使用。
- 700 nm近傍の赤色光の光吸収測定。
- 検出を最適化するための特定の角度での実験実施。
主要な結果
- 光吸収を通じた溶媒和電子の成功的な同定。
- 短寿命ラジカルの測定のためのTIRASの実現可能性の実証。
- 医療におけるプラズマ化学の意味に関する洞察の提供。
- 化学合成技術の進歩の可能性の強調。
結論
- TIRASは溶媒和電子を検出するための効果的な方法です。
- この技術はプラズマ-液体相互作用の理解を深めることができます。
- がん治療と化学プロセスの研究への道を開きます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Detecting short-lived solvated electrons at plasma-liquid interfaces enables mechanistic de-risking in early-stage therapeutic development involving plasma-based modalities. This method supports target validation by providing quantitative, real-time readouts of reactive species critical to oxidative stress pathways in disease models. It enhances predictive confidence in preclinical screening by linking plasma-generated radical flux to downstream biochemical outcomes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of solvated electron-mediated reduction pathways relevant to nitrite, nitrate, hydrogen peroxide, and carbon dioxide metabolism in disease contexts.
- Operational Value: Provides lock-in amplification-based absorbance measurements with parts-per-million sensitivity to distinguish target-specific signals from interfacial noise.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative amplitude and phase data from cosine and sine components of absorbance signals, enabling dose-response modeling of plasma-driven reactions.
- Operational Value: Supports assay standardization through 20 kHz plasma current modulation and automated data collection, improving reproducibility across experimental runs.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates mechanistic de-risking by correlating solvated electron flux with reduction kinetics of bioactive molecules, informing structure-activity relationships in radical-mediated prodrug activation.
- Operational Value: Enables plasma-liquid interface studies under inert argon conditions, minimizing confounding variables from oxygen quenching in translational workflows.
Pipeline & Workflow Integration
The TIRAS method fits within early discovery to preclinical workflows where plasma-liquid interactions modulate target engagement or biomarker release, particularly in plasma-activated liquid (PAL) therapeutic platforms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of solvated electron roles in oxidative pathways by enabling direct detection of transient reducing agents at physiological interfaces.
- Screening: Delivers assay-ready quantitative outputs via lock-in amplification, allowing comparison of plasma conditions across compound libraries.
- Analytics: Provides amplitude and phase-resolved absorbance measurements that help teams quantify reaction rate constants and compare kinetic profiles.
- Translational Research: Connects plasma-generated radical chemistry to preclinical continuity by enabling detection of interfacial intermediates that drive downstream redox signaling.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable optical detection platform for interfacial radical species, adaptable to various plasma-electrolyte systems beyond solvated electrons.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through direct measurement of short-lived free radical intermediates at critical biointerfaces.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via amplitude-modulated lock-in amplification and automated signal averaging.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions in plasma-based therapeutic development by reducing mechanistic ambiguity in radical-mediated mechanisms of action.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of plasma-liquid systems based on quantifiable solvated electron reactivity and reaction kinetics.
Implementation Considerations
- Expertise in plasma electrochemistry, optical alignment, and lock-in amplifier signal processing.
- Instrumentation including diode laser, goniometers, photodiode with bandpass filter, and plasma electrochemical cell with optical windows.
- Cross-team standardization of plasma modulation frequency (20 kHz) and inert atmosphere (argon) control to ensure reproducible interfacial conditions.
- Adaptation considerations for varying electrolyte compositions and plasma sources to maintain total internal reflection conditions and avoid signal quenching.
- Practical limitations include susceptibility to unintended parallel reactions (e.g., air contamination) and interference from precipitation of reduced products, which may hinder absorbance measurements.
