Spektroskopia absorpcyjna całkowitego wewnętrznego odbicia (TIRAS) do wykrywania solwatowanych elektronów na granicy faz plazma-ciecz
January 24th, 2018
Ten artykuł przedstawia metodę całkowitej spektroskopii absorpcyjnej wewnętrznego odbicia (TIRAS) do pomiaru krótkożyciowych wolnych rodników na granicy plazmy-cieczy. W szczególności TIRAS służy do identyfikacji solwatowanych elektronów na podstawie ich optycznej absorbancji światła czerwonego w pobliżu 700 nm.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest bezpośrednie wykrycie solwatowanych elektronów na granicy faz plazma-ciecz. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na ważne pytania dotyczące składu chemicznego wolnych rodników wytwarzanych przez plazmę w kontakcie z roztworem wodnym. Główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia ona bezpośredni pomiar krótkotrwałego wolnego rodnika, solwatowanego elektronu, poprzez jego absorpcję światła.
Implikacje tej techniki rozciągają się na medycynę, ponieważ plazma niskotemperaturowa jest obecnie testowana jako forma leczenia raka. Metoda ta może również dostarczyć informacji na temat technik syntezy chemicznej, ponieważ plazma niskotemperaturowa jest wykorzystywana w wielu procesach indoktrynalnych. Do tej metody należy użyć niestandardowego plazmowego ogniwa elektrochemicznego o średnicy dwóch cali z dwoma oknami optycznymi, pod kątem około 20 stopni w dół od normalnej płaszczyzny.
Użyj dobrze dopasowanej pokrywy ogniwa PTFE z czterema portami na elektrody i przewody gazowe. Użyj anody wykonanej z kawałka folii platynowej przymocowanej do pręta ze stali nierdzewnej i katody wykonanej z zaostrzonej kapilary ze stali nierdzewnej. Jako źródło światła spektroskopii absorpcyjnej należy użyć lasera diodowego o długości fali 670 nm w linii z regulowaną przysłoną i soczewką o średnicy 50 milimetrów, wszystkie zamontowane w 30-milimetrowym systemie klatki optycznej zamontowanym na goniometrze, aby umożliwić regulację kąta padania.
Jako fotodetektor należy użyć fotodiody o dużej powierzchni podłączonej do obwodu upływowego odwrotnej polaryzacji z filtrem pasmowo-przepustowym 670 nanometrów przed detektorem. Zamontuj fotodetektor na drugim goniometrze. Upewnij się, że goniometry są ustawione w taki sposób, aby laser był skierowany do jednego z okien optycznych ogniwa elektrochemicznego, a światło odbijało się przez drugie okno optyczne do fotodetektora.
Użyj obwodu przekaźnika półprzewodnikowego do modulacji prądu plazmy o częstotliwości nośnej 20 kiloherców, w tym wzmacniacza blokującego, aby uzyskać wystarczająco wysoki stosunek sygnału do szumu, aby wykryć niezwykle małe optyczne sygnały absorpcyjne solwatowanych elektronów. Na koniec zaprojektuj zautomatyzowany program do zbierania danych do sterowania instrumentem i rejestrowania sygnałów ze wzmacniacza zamka. Aby rozpocząć konfigurację, umieść w ogniwie elektrochemicznym 60 mililitrów 0,163 molowego roztworu nadchloranu sodu i wody dejonizowanej.
Włóż anodę z folii platynowej do pokrywy ogniwa elektrochemicznego i umieść pokrywę na ogniwie. Włóż anodę z folii platynowej do pokrywy ogniwa elektrochemicznego. Zanurz anodę około jednego centymetra poniżej powierzchni roztworu.
Upewnij się, że tylko folia platynowa styka się z roztworem. Następnie podłącz koniec kapilary elektrody plazmowej ze stali nierdzewnej do przewodu gazowego argonu za pomocą przepływomierza masowego. Przełóż ostry koniec kapilary plazmy przez pokrywkę tak, aby punkt znajdował się około jednego do dwóch milimetrów nad powierzchnią roztworu.
Potwierdź odległość między roztworem a końcówką kapilarną za pomocą aparatu. Następnie podłącz wąski wąż do przewodu gazowego argonu za pomocą innego przepływomierza masowego. Przełóż wąż przez jeden z portów w pokrywie ogniwa elektrochemicznego, aby służył jako przewód przedmuchiwania.
Pozostaw czwarty port bez przeszkód jako odpowietrznik. Upewnij się, że pokrywka nie poruszy się podczas eksperymentu. Następnie zakończ obwód elektrochemiczny, podłączając kapilarę do źródła napięcia i anodę do masy.
Oczyść komórkę argonem w tempie 250 centymetrów sześciennych na minutę przez co najmniej pięć minut przed poprzednim. Następnie ustaw przepływ argonu przez kapilarnę plazmy na około dziesięć centymetrów sześciennych na minutę. Włącz laser diodowy i ustaw laser tak, aby uderzał w granicę faz plazma-ciecz, jak wskazuje światło rozpraszane z wgłębienia przez przepływ argonu.
Zatrzymaj przepływ argonu przez kapilarnę i poczekaj, aż plamka lasera powróci do swojego normalnego rozmiaru. Pozostaw argon przepływający przez główną linię oczyszczania z prędkością 250 centymetrów sześciennych na minutę. Ustaw fotodetektor tak, aby odbicie lasera uderzało w środek detektora.
Podłącz wyjście fotodetektora do woltomierza. I zmierz napięcie wytwarzane przez sygnał absorpcyjny przez laser. Zapisz napięcie, które ma być później użyte do normalizacji danych absorbancji z zamka w amplifier.
Wzmacniacz blokujący zasadniczo mierzy napięcie prądu przemiennego z fotodetektora. Napięcie to musi być znormalizowane przez bezwzględne natężenie lasera, mierzone jako przesunięcie DC detektora. Następnie podłącz wyjście fotodetektora do zamka w ampwejście wzmacniacza.
Podłącz wyjście logiczne tranzystora tranzystorowego generatora funkcyjnego do wejścia częstotliwości wzmacniacza blokującego. Włącz generator funkcyjny, zablokuj wzmacniacz i zasilacz wysokiego napięcia. Upewnij się, że przyrządy komunikują się z programem do zbierania danych i że blokada amplifier jest zablokowany sygnałem o częstotliwości nośnej 20 kiloherców.
Rozpocznij eksperyment i monitoruj system, gdy laser jest automatycznie włączany, a plazma jest zapalana. Obserwuj zarejestrowane sygnały, ponieważ dane w stanie ustalonym są rejestrowane zarówno z laserem, jak i bez niego. Spodziewamy się zobaczyć absorpcję optyczną od solwatowanych elektronów tylko wtedy, gdy laser i plazma są włączone.
W związku z tym sygnał z samym laserem i bez plazmy, lub odwrotnie, powinien być stosunkowo mały w porównaniu. Po zakończeniu automatycznego zbierania danych uśrednij dane, odejmij szum i oblicz stężenie solwatowanych elektronów w roztworze w czasie. Informacje o amplitudzie i fazie względem obwodu przełączającego uzyskano ze składowych cosinus i sinus sygnału absorpcyjnego, czyli x i y.
Amplituda sygnału może być następnie wykorzystana do oszacowania stężenia solwatowanych elektronów i stałych szybkości reakcji różnych związków chemicznych. Amplituda absorbancji wynosiła około 10 części na milion, co podkreśla potrzebę wystarczająco dużego stosunku sygnału do szumu dla udanego eksperymentu. Jeśli nieznany szum znacząco wpływa na sygnał, najlepiej odrzucić dane i powtórzyć eksperyment.
Po opanowaniu pomiar za pomocą tej procedury nie powinien zająć więcej niż 30 minut. Bardzo ważne jest zapewnienie obojętnej atmosfery, takiej jak argon, i prawidłowe ustawienie lasera. Śladowe ilości tlenu mogą szybko wygasić wszelkie wolne elektrony w plazmie i zapobiec ich przedostawaniu się do roztworu.
Należy również zauważyć, że metoda ta nie mierzy bezpośrednio stężenia solwatowanych elektronów. Zamiast tego mierzy amplitudę prądu przemiennego absorbancji optycznej, która jest proporcjonalna do amplitudy prądu przemiennego prądu plazmowego o mocy 20 kiloherców. Po opracowaniu technika ta dostarczyła ważnych informacji na temat kinetyki szybkich reakcji elektronów solwatowych na granicy faz plazmy i cieczy.
Docelowo chcielibyśmy rozszerzyć to na inne wolne rodniki wytwarzane przez plazmę w kontakcie z cieczami. Na koniec nie zapominaj, że praca z wysokimi napięciami może być niebezpieczna. Przed wykonaniem tej procedury należy podjąć środki ostrożności, takie jak uziemienie stołu optycznego i innego sprzętu.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
W tym artykule przedstawiona jest metoda bezpośredniego wykrywania elektronów solwatacyjnych na granicy plazma-ciecz z wykorzystaniem spektroskopii absorpcji całkowitego odbicia wewnętrznego (TIRAS). Ta technika umożliwia pomiar krótkotrwałych rodników wolnych, co ma implikacje w dziedzinach takich jak leczenie raka i synteza chemiczna.
Kluczowe Elementy Badań
Obszar Nauki
- Neuroscience
- Biochemistry
- Plasma Chemistry
Tło
- Elektrony solwatacyjne to krótkotrwałe rodniki wolne.
- Interakcje plazma-ciecz są istotne w różnych procesach chemicznych.
- Niska temperatura plazmy jest badana pod kątem zastosowań medycznych.
- Zrozumienie chemii rodników wolnych jest kluczowe dla postępu w metodach leczenia.
Cel Badań
- Wykrycie elektronów solwatacyjnych na granicy plazma-ciecz.
- Zbadanie chemii rodników wolnych generowanej przez plazmę w roztworach wodnych.
- Ocena potencjalnych zastosowań tej techniki w medycynie i syntezie chemicznej.
Wykorzystane Metody
- Zastosowanie spektroskopii absorpcji całkowitego odbicia wewnętrznego (TIRAS).
- Użycie niestandardowej elektrochemicznej komórki plazmowej z oknami optycznymi.
- Pomiar absorpcji optycznej czerwonego światła w pobliżu 700 nm.
- Przeprowadzanie eksperymentów pod określonymi kątami w celu optymalizacji detekcji.
Główne Wyniki
- Pomyślne zidentyfikowanie elektronów solwatacyjnych poprzez ich absorpcję światła.
- Wykazano wykonalność TIRAS do pomiaru krótkotrwałych rodników.
- Dostarczono wgląd w implikacje chemii plazmy w medycynie.
- Podkreślono potencjał rozwoju technik syntezy chemicznej.
Wnioski
- TIRAS jest skuteczną metodą wykrywania elektronów solwatacyjnych.
- Ta technika może poprawić zrozumienie interakcji plazma-ciecz.
- Otwiera możliwości badań w leczeniu raka i procesach chemicznych.
Często Zadawane Pytania
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.
