Toplam iç yansıma soğurma spektroskopisi (TIRAS) Solvated elektron vasıl bir plazma-sıvı arayüzey tespiti için
24 Ocak 2018
Bu makalede kısa ömürlü serbest radikallerin vasıl bir plazma-sıvı arayüzey ölçmek için toplam iç yansıma soğurma spektroskopisi (TIRAS) yöntem sunuyor. Özellikle, TRAS kırmızı ışık 700 yakınındaki optik onların Absorbans dayalı solvated elektron tanımlamak için kullanılan nm.
Bu deneyin genel amacı, plazma-sıvı arayüzündeki çözünmüş elektronları doğrudan tespit etmektir. Bu yöntem, sulu bir çözelti ile temas halinde olan bir plazma tarafından oluşturulan serbest radikal kimyası ile ilgili önemli soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin temel avantajı, ışığı emmesine rağmen kısa ömürlü bir serbest radikal olan çözülmüş elektronun doğrudan ölçümünü sağlamasıdır.
Bu tekniğin etkileri tıbba doğru uzanmaktadır, çünkü düşük sıcaklıkta plazma şu anda bir kanser tedavisi şekli olarak test edilmektedir. Bu yöntem aynı zamanda kimyasal sentez teknikleri hakkında da bilgi sağlayabilir, çünkü düşük sıcaklıktaki plazmalar birçok uysal işlemde kullanılır. Bu yöntem için, normal düzlemden yaklaşık 20 derecelik açılarda, iki optik pencereli, iki inç çapında özel bir plazma elektrokimyasal hücresi kullanın.
Elektrotlar ve gaz hatları için dört portlu, iyi oturan bir PTFE hücre kapağı kullanın. Paslanmaz çelik bir çubuğa tutturulmuş bir platin folyo parçasından yapılmış bir anot ve keskinleştirilmiş paslanmaz çelik bir kılcaldan yapılmış bir katot kullanın. Absorpsiyon spektroskopisi ışık kaynağı olarak, ayarlanabilir bir iris ve 50 milimetre lens ile aynı hizada 670 nanometre diyot lazer kullanın, tümü açı açısının ayarlanmasına izin vermek için gonyometre üzerine monte edilmiş 30 milimetrelik bir optik kafes sistemine monte edilmiştir.
Fotodetektör olarak, dedektörün önünde 670 nanometre bant geçiren filtre ile ters öngerilim kaçak devresine bağlanmış geniş alanlı bir fotodiyot kullanın. Fotoğraf dedektörünü ikinci bir gonyometreye monte edin. Gonyometrelerin, lazerin elektrokimyasal hücrenin optik pencerelerinden birine yönlendirileceği ve ışığın diğer optik pencereden fotoğraf dedektörüne yansıtılacağı şekilde yerleştirildiğinden emin olun.
Plazma akımını 20 kilohertz taşıyıcı frekansında modüle etmek için bir katı hal röle devresi kullanın, çözünmüş elektronların son derece küçük optik emici sinyallerini algılamak için yeterince yüksek bir sinyal-gürültü oranı elde etmek için bir amplifikatör kilidi dahil. Son olarak, cihazı kontrol etmek için otomatik bir veri toplama programı tasarlayın ve amplifikatördeki kilitten gelen sinyalleri kaydedin. Kuruluma başlamak için, elektrokimyasal hücreye 60 mililitre 0.163 molar sodyum perklorat ve deiyonize su çözeltisi yerleştirin.
Platin folyo anodu elektrokimyasal hücre kapağına yerleştirin ve kapağı hücrenin üzerine yerleştirin. Platin folyo anodu elektrokimyasal hücre kapağına yerleştirin. Anodu çözelti yüzeyinin yaklaşık bir santimetre altına daldırın.
Solüsyona yalnızca platin folyonun temas ettiğinden emin olun. Ardından, paslanmaz çelik plazma elektrot kılcal damarının kör ucunu bir kütle akış ölçer aracılığıyla bir argon gazı hattına bağlayın. Plazma kılcal damarının keskin ucunu, nokta çözeltinin yüzeyinden yaklaşık bir ila iki milimetre yukarıda olacak şekilde kapaktan geçirin.
Çözelti ile kılcal uç arasındaki mesafeyi bir kamera ile onaylayın. Ardından dar bir hortumu başka bir kütle akış ölçer aracılığıyla bir argon gazı hattına bağlayın. Temizleme hattı görevi görmesi için hortumu elektrokimyasal hücre kapağındaki bağlantı noktalarından birinden geçirin.
Dördüncü bağlantı noktasını havalandırma deliği olarak engelsiz bırakın. Deney sırasında kapağın hareket etmeyeceğinden emin olun. Ardından kılcal damarı voltaj kaynağına ve anodu toprağa bağlayarak elektrokimyasal devreyi tamamlayın.
Hücreyi, öncekinden önce en az beş dakika boyunca dakikada 250 santimetreküp argon ile temizleyin. Daha sonra plazma kılcal damarından geçen argon gazı akışını dakikada yaklaşık on santimetreküp olarak ayarlayın. Diyot lazeri açın ve lazeri, argon akışı tarafından çukurdan saçılan ışıkla gösterildiği gibi plazma sıvı arayüzüne çarpacak şekilde hizalayın.
Kılcal damardan argon akışını durdurun ve lazer noktasının normal boyutuna dönmesini bekleyin. Argonun ana temizleme hattından dakikada 250 santimetreküp hızla akmasına izin verin. Fotoğraf dedektörünü, lazer yansıması dedektörün merkezine çarpacak şekilde hizalayın.
Fotoğraf dedektörü çıkışını bir voltmetreye bağlayın. Ve lazer tarafından emici sinyal tarafından üretilen voltajı ölçün. Amplifikatördeki kilitten gelen absorbans verilerini normalleştirmek için daha sonra kullanılacak voltajı kaydedin.
Amplifikatördeki kilit, esasen fotoğraf dedektöründen gelen bir AC voltajını ölçer. Bu voltaj, dedektörün DC ofseti olarak ölçülen lazerin mutlak yoğunluğu ile normalleştirilmelidir. Ardından, fotoğraf dedektörü çıkışını kilit girişine bağlayın
.Fonksiyon üretecinin transistör transistör mantık çıkışını, amplifikatördeki kilidin frekans girişine bağlayın. Fonksiyon jeneratörünü açın, kilitleyin amplifier ve yüksek voltajlı güç kaynağı. Cihazların veri toplama programı ile iletişim kurduğundan ve kilit amplifikatörünün 20 kilohertz taşıyıcı frekansında bir sinyalle kilitlendiğinden emin olun.
Deneyi başlatın ve lazer otomatik olarak açılırken ve plazma ateşlenirken sistemi izleyin. Kararlı durum verileri hem lazerle hem de lazersiz olarak kaydedildiği için kaydedilen sinyalleri gözlemleyin. Çözünmüş elektronlardan gelen optik emiciliği yalnızca lazer ve plazma her ikisi de açıkken görmeyi bekliyoruz.
Bu nedenle, sadece lazerle yapılan ve plazma içermeyen sinyal veya tam tersi, kıyaslandığında nispeten küçük olmalıdır. Otomatik veri toplama bittiğinde, verilerin ortalamasını alın, gürültüyü çıkarın ve zaman içinde çözeltideki çözünmüş elektronların konsantrasyonunu hesaplayın. Anahtarlama devresine göre genlik ve faz hakkında bilgi, emici sinyalin kosinüs ve sinüs bileşenlerinden veya x ve y'den elde edildi.
Sinyal genliği daha sonra çözünmüş elektronların konsantrasyonunu ve çeşitli kimyasal türlerin reaksiyon hızı sabitlerini tahmin etmek için kullanılabilir. Absorbansın genliği milyonda yaklaşık 10 parçaydı ve başarılı bir deney için yeterince büyük bir sinyal-gürültü oranına duyulan ihtiyacı vurguladı. Bilinmeyen gürültü sinyali önemli ölçüde etkiliyorsa, verileri atmak ve deneyi tekrarlamak en iyisidir.
Bir kez ustalaştıktan sonra, bu prosedürle yapılan bir ölçüm 30 dakikadan fazla sürmemelidir. Argon gibi inert bir atmosfer sağlamak ve lazeri uygun şekilde hizalamak çok önemlidir. Eser miktarda oksijen, plazmadaki serbest elektronları hızlı bir şekilde söndürebilir ve çözeltiye girmelerini önleyebilir.
Bu yöntemin çözünmüş elektronların konsantrasyonunu doğrudan ölçmediğine de dikkat edilmelidir. Bunun yerine, 20 kilohertz plazma akımının AC genliği ile orantılı olan optik absorbansın AC genliğini ölçer. Geliştirilmesinden sonra, bu teknik, bir plazma sıvı arayüzünde çözünmüş elektronların hızlı reaksiyon kinetiği hakkında önemli bilgiler vermiştir.
Sonunda bunu, sıvılarla temas eden plazmalar tarafından üretilen diğer serbest radikalleri de kapsayacak şekilde genişletmek istiyoruz. Son olarak, yüksek voltajlarla çalışmanın tehlikeli olabileceğini unutmayın. Bu prosedürü gerçekleştirmeden önce optik tablanın ve diğer ekipmanların topraklanması gibi önlemler alınmalıdır.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu makale, plazma-sıvı arayüzündeki çözünmüş elektronları doğrudan tespit etmek için toplam iç yansıma absorpsiyon spektroskopisi (TIRAS) kullanan bir yöntem sunmaktadır. Bu teknik, kısa ömürlü serbest radikallerin ölçülmesine olanak tanır ve kanser tedavisi ile kimyasal sentez gibi alanlarda etkisi vardır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Biyokimya
- Plazma Kimyası
Arka Plan
- Çözünmüş elektronlar kısa ömürlü serbest radikallerdir.
- Plazma-sıvı etkileşimleri çeşitli kimyasal işlemlerde önemlidir.
- Düşük sıcaklık plazması tıbbi uygulamalar için araştırılmaktadır.
- Serbest radikal kimyası anlayışı, tedavi yöntemlerindeki ilerlemeler için kritik öneme sahiptir.
Çalışmanın Amacı
- Plazma-sıvı arayüzünde çözünmüş elektronları tespit etmek.
- Plazma tarafından sulu çözeltilerde üretilen serbest radikal kimyasını araştırmak.
- Bu tekniğin tıp ve kimyasal sentezdeki potansiyel uygulamalarını değerlendirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Toplam iç yansıma absorpsiyon spektroskopisi (TIRAS) kullanımı.
- Optik pencereli özel plazma elektrokimyasal hücresinin kullanılması.
- 700 nm yakınındaki kırmızı ışığın optik absorbansının ölçülmesi.
- Tespiti optimize etmek için belirli açılarda deneyler yapılması.
Ana Sonuçlar
- Çözünmüş elektronların ışık absorpsiyonları yoluyla başarılı bir şekilde tanımlanması.
- Kısa ömürlü radikallerin ölçülmesi için TIRAS'ın uygulanabilirliğinin gösterilmesi.
- Tıptaki plazma kimyası etkilerinin önemine ilişkin içgörüler sağlanması.
- Kimyasal sentez tekniklerinin ilerletilmesi potansiyelinin vurgulanması.
Sonuçlar
- TIRAS, çözünmüş elektronları tespit etmek için etkili bir yöntemdir.
- Bu teknik, plazma-sıvı etkileşimlerinin anlaşılmasına katkıda bulunabilir.
- Kanser tedavisi ve kimyasal işlemlerde araştırma olanakları açar.
Sıkça Sorulan Sorular
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.
