Totale interne reflectie Absorptie spectroscopie (TIRAS) voor het opsporen van Solvated elektronen op een Plasma-vloeistof-Interface
24 januari 2018
Dit artikel presenteert een totale interne reflectie Absorptie spectroscopie (TIRAS) methode voor het meten van kortstondige vrije radicalen op het raakvlak van een plasma-vloeistof. In het bijzonder, TIRAS wordt gebruikt ter identificatie van de solvated elektronen op basis van hun optische absorptie van rood licht in de buurt van 700 nm.
Het algemene doel van dit experiment is om gesolvateerde elektronen direct te detecteren in de plasma-vloeistof interface. Deze methode kan helpen om belangrijke vragen te beantwoorden over de vrije radicalenchemie die wordt gecreëerd door een plasma in contact met een waterige oplossing. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het directe meting van een kortlevende vrije radicaal, het gesolvateerde elektron, mogelijk maakt door zijn lichtabsorptie.
De implicaties van deze techniek reiken tot de geneeskunde, aangezien laagtemperatuurplasma nu wordt getest als een vorm van kankerbehandeling. Deze methode kan ook inzicht geven in chemische synthesetechnieken, aangezien laagtemperatuurplasma's in veel onbestuurbare processen worden gebruikt. Gebruik voor deze methode een aangepaste plasma-elektrochemische cel, twee inch in diameter, met twee optische vensters, in hoeken van ongeveer 20 graden onder het normale vlak.
Gebruik een goed passende PTFE-celdeksel, met vier poorten voor de elektroden en gasleidingen. Gebruik een anode gemaakt van een stuk platinafolie bevestigd aan een roestvrij stalen staaf en een kathode gemaakt van een afgeslepen roestvrij stalen capillair. Gebruik als lichtbron voor de absorptiespectroscopie een 670 nanometer diodelaser in lijn met een verstelbare iris en een 50 millimeter lens, allemaal gemonteerd in een 30 millimeter optisch kooisysteem gemonteerd op een goniometer om aanpassing van de invalshoek mogelijk te maken.
Gebruik als fotodetector een groot gebied fotodiode bedrading in omgekeerde biaslekcircuit met een 670 nanometer bandpassfilter voor de detector. Monteer de fotodetector op een tweede goniometer. Zorg ervoor dat de goniometers zodanig zijn gepositioneerd dat de laser in een van de optische vensters van de elektrochemische cel zal worden gericht en het licht zal worden gereflecteerd door het andere optische venster naar de fotodetector.
Gebruik een solid-state relaiscircuit om de plasmastroom te moduleren op een draagfrequentie van 20 kilohertz, inclusief een lock-in versterker om een voldoende hoog signaal-ruisverhouding te verkrijgen om de extreem kleine optische absorberende signalen van gesolvateerde elektronen te detecteren. Ontwerp ten slotte een geautomatiseerd dataverzamelprogramma om het instrument te besturen en signalen van de lock-in versterker te registreren. Om de set-up te beginnen, plaats in de elektrochemische cel 60 milliliter van een 0,163 molaire oplossing van natriumperchloraat en gedeïoniseerd water.
Breng de platinafolie anode in het elektrochemische celdeksel en plaats het deksel op de cel. Breng de platinafolie anode in het elektrochemische celdeksel. Dompel de anode ongeveer een centimeter onder het oplossingsoppervlak.
Zorg ervoor dat alleen de platinafolie de oplossing raakt. Verbind vervolgens het stompe uiteinde van de roestvrij stalen plasma-elektrode capillair via een massaflowmeter met een argongasleiding. Steek het scherpe uiteinde van de plasma capillair door het deksel zodat het punt ongeveer een tot twee millimeter boven het oplossingsoppervlak is.
Bevestig de afstand tussen de oplossing en de capillairpunt met een camera. Verbind vervolgens een smalle slang met een argongasleiding via een andere massaflowmeter. Steek de slang door een van de poorten in het elektrochemische celdeksel om als purgeleiding te dienen.
Laat de vierde poort onbelemmerd als ontluchtingspoort. Zorg ervoor dat het deksel tijdens het experiment niet beweegt. Voltooi vervolgens de elektrochemische kring door de capillair met de spanningsbron en de anode met de grond te verbinden.
Spuit de cel met argon bij 250 kubieke centimeter per minuut gedurende minimaal vijf minuten voordat u verdergaat. Stel vervolgens de argongasstroom door de plasma capillair in op ongeveer tien kubieke centimeter per minuut. Zet de diodelaser aan en lijn de laser uit zodat deze het plasma-vloeistofinterface zal raken zoals aangegeven door licht dat wordt verstrooid door de argonstroom.
Stop de argonstroom door de capillair en wacht tot de laservlek terugkeert naar zijn normale grootte. Laat argon door de hoofduitspuiling stromen met 250 kubieke centimeter per minuut. Lijn de fotodetector uit zodat de laserreflectie het midden van de detector raakt.
Verbind de uitgang van de fotodetector met een voltmeter. En meet de spanning geproduceerd door het absorberende signaal door de laser. Noteer de spanning om later te worden gebruikt om de absorptiegegevens van de lock-in versterker te normaliseren.
De lock-in versterker meet in wezen een AC-spanning van de fotodetector. Deze spanning moet worden genormaliseerd door de absolute intensiteit van de laser, gemeten als de DC-offset van de detector. Verbind vervolgens de uitgang van de fotodetector met de ingang van de lock-in versterker.
Verbind de transistortransistor logica uitgang van de functiegenerator met de frequentie-ingang van de lock-in versterker. Zet de functiegenerator, lock-in versterker en hoogspanningsvoeding aan. Zorg ervoor dat de instrumenten communiceren met het dataverzamelprogramma en dat de lock-in versterker is vergrendeld met een signaal op de 20 kilohertz draagfrequentie.
Start het experiment en bewaak het systeem terwijl de laser automatisch wordt ingeschakeld en het plasma wordt ontstoken. Observeer de opgenomen signalen, aangezien zowel de steady state gegevens met als zonder de laser worden opgenomen. We verwachten alleen de optische absorptie van solvaten elektronen te zien wanneer zowel de laser als het plasma zijn ingeschakeld.
Daarom zou het signaal met alleen de laser en geen plasma, of vice versa, relatief klein moeten zijn in vergelijking. Zodra de geautomatiseerde dataverzameling is voltooid, gemiddelde de gegevens, trek het geluid af en bereken de concentratie van gesolvateerde elektronen in de oplossing in de tijd. Informatie over amplitude en fase ten opzichte van de schakelciruit werd verkregen uit de cosinus en sinus componenten van het absorberende signaal, of x en y.
De signaalamplitude kan vervolgens worden gebruikt om de concentratie van gesolvateerde elektronen en reactiesnelheidsconstanten van verschillende chemische soorten te schatten. De amplitude van de absorptie was ongeveer 10 delen per miljoen, wat de noodzaak benadrukt van een voldoende hoog signaal-ruisverhouding voor een succesvol experiment. Als onbekend geluid het signaal aanzienlijk beïnvloedt, is het het beste om de gegevens weg te gooien en het experiment te herhalen.
Eenmaal beheerst, zou een meting met deze procedure niet langer dan 30 minuten moeten du
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een methode voor het direct detecteren van solvated elektronen aan het plasma-vloeistof grensvlak met behulp van totale interne reflectie absorptie spectroscopie (TIRAS). Deze techniek maakt het mogelijk om kortlevende vrije radicalen te meten, wat implicaties heeft op gebieden zoals kankerbehandeling en chemische synthese.
Belangrijkste Studie Componenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Biochemie
- Plasma Chemie
Achtergrond
- Solvated elektronen zijn kortlevende vrije radicalen.
- Plasma-vloeistof interacties zijn significant in verschillende chemische processen.
- Laagtemperatuur plasma wordt onderzocht voor medische toepassingen.
- Begrip van vrije radicalen chemie is cruciaal voor vooruitgang in behandelmethoden.
Doel van de Studie
- Om solvated elektronen te detecteren in een plasma-vloeistof grensvlak.
- Om de vrije radicalen chemie te onderzoeken die gegenereerd wordt door plasma in waterige oplossingen.
- Om de potentiële toepassingen van deze techniek in de geneeskunde en chemische synthese te beoordelen.
Gebruikte Methoden
- Gebruik van totale interne reflectie absorptie spectroscopie (TIRAS).
- Gebruik van een aangepaste plasma elektrochemische cel met optische ramen.
- Meten van optische absorptie van rood licht nabij 700 nm.
- Uitvoeren van experimenten onder specifieke hoeken om detectie te optimaliseren.
Belangrijkste Resultaten
- Succesvolle identificatie van solvated elektronen door hun lichtabsorptie.
- De haalbaarheid van TIRAS voor het meten van kortlevende radicalen aangetoond.
- Inzichten gegeven in de implicaties van plasma chemie in de geneeskunde.
- Het potentieel gehighlight voor het bevorderen van chemische synthese technieken.
Conclusies
- TIRAS is een effectieve methode voor het detecteren van solvated elektronen.
- Deze techniek kan het begrip van plasma-vloeistof interacties verbeteren.
- Het opent wegen voor onderzoek in kankerbehandeling en chemische processen.
Veelgestelde Vragen
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.
