Influenza di una scarica di plasma a scintilla transitoria sulla produzione di elevate masse molecolari di prodotti chimici da l

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2059 (2023) Citare questo articolo

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I plasmi a pressione atmosferica fredda sono considerati un metodo imminente in molte aree di ricerca. La modificazione al plasma delle biomolecole ha ricevuto molta attenzione oltre ai biomateriali trattati con plasma. Quindi, in questo lavoro, abbiamo operato una scarica di plasma a scintilla transitoria (TSP) per studiarne l'effetto sulla struttura chimica della l-cisteina. il TSP era configurato in una disposizione di elettrodi pin-to-ring e scorreva tramite gas Ar. Abbiamo anche studiato l'effetto di due sostanze chimiche; dimetilsolfossido (DMSO) e perossido di idrogeno (H2O2) mediante il metodo del gorgogliamento per mostrare come possono cambiare la creazione di nuovi bioprodotti chimici. La spettroscopia di assorbimento ultravioletto-visibile, la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier e la cromatografia liquida-spettroscopia di massa sono state utilizzate per studiare eventuali cambiamenti nei legami chimici della struttura della cisteina e per rappresentare la generazione di nuove biomolecole. Sulla base dei risultati visualizzati, le specie reattive generate dal plasma hanno avuto un ruolo importante nella struttura chimica della cisteina. L'immissione di DMSO e H2O2 nel plasma ha causato la creazione di nuovi prodotti e la biomolecola più pesante è stata prodotta dall'aggiunta simultanea di DMSO e H2O2. I risultati prevedevano anche che alcuni prodotti chimici e amminoacidi con una massa molecolare di valore più elevato fossero prodotti dal processo di polimerizzazione della soluzione di cisteina. Il forte processo di ossidazione è responsabile della formazione di composti chimici pesanti.

Molti ricercatori hanno preso in considerazione la capacità unica del plasma a pressione atmosferica fredda di produrre un’ampia varietà di specie reattive in molti campi, in particolare nella medicina del plasma. L'inattivazione di batteri e virus1,2, la guarigione delle ferite3,4, le malattie della pelle5,6 e diversi tipi di malattie tumorali7,8,9,10 sono tra gli argomenti di interesse trattati con il plasma a pressione atmosferica fredda. Finora, una varietà di configurazioni sperimentali del plasma11,12 del getto di plasma a pressione atmosferica (APPJ)13,14,15,16 e della scarica a barriera dielettrica (DBD)17,18,19 sono state progettate e migliorate per raggiungere un obiettivo specifico. La modifica di vari parametri quali tensione, corrente, frequenza, intervallo di scarica e tipo di gas di alimentazione può svolgere un ruolo importante nella formazione della quantità e del tipo di specie reattive. Nello studio delle applicazioni della medicina del plasma, i ricercatori si concentrano sui sistemi biologici. Hanno mirato a comprendere le interazioni tra campioni biologici e plasma utilizzando sia metodi di simulazione che sperimentali20,21,22. I sistemi organici come le proteine, noti come sistemi biologici complessi, sono presi in considerazione da diverse scariche di plasma. Poiché la quantità e il tipo di specie reattive prodotte dal plasma sono molto efficaci nel trattamento, gli scienziati hanno studiato l'effetto delle diverse configurazioni del plasma sugli aminoacidi, che sono i componenti principali delle proteine. Già nel 2014, Takai et al.23 hanno studiato l'effetto di un getto di plasma su 20 aminoacidi e hanno riportato i cambiamenti su 14 catene laterali di aminoacidi. Nel 2016, Zhou et al.24 hanno aggiornato il sistema a getto di plasma con un numero maggiore di getti di microplasma per mostrare come il plasma influisce sulle strutture delle proteine. Alcuni anni dopo, Wende et al. e Sremacki et al. hanno utilizzato rispettivamente un getto di plasma kINPen25 e un getto di plasma RF accoppiato con un sistema di aerosol26 per studiare i processi di interazione plasma-liquido e il loro effetto sull'amminoacido cisteina. Inoltre, Lackmann et al. hanno utilizzato due fonti di plasma per mostrare che i risultati delle proprietà chimiche sono diversi per ciascuna fonte di plasma27. Nel 2014, Li et al.28 hanno progettato un dispositivo al plasma con scarica a barriera dielettrica (DBD) per studiare diversi meccanismi dei prodotti decomposti dell'amminoacido valina. Inoltre, altri ricercatori hanno dimostrato che fattori come il tempo di trattamento e la concentrazione della soluzione possono influenzare la qualità della modifica29. È interessante notare che gli aminoacidi contenenti zolfo sono considerati un buon bersaglio. Sembra che subiscano più di altri modificazioni chimiche attraverso il trattamento al plasma. Come accennato in precedenza, la caratteristica più importante dei plasmi a pressione atmosferica fredda è la capacità di creare specie di ossigeno e azoto (RONS) altamente reattive che rimangono vicine alla temperatura ambiente. Pertanto, sono adatti per le modifiche del sistema biologico. È evidente che l'interazione tra plasma e mezzo acquoso è essenziale per molte applicazioni, in particolare per i sistemi biologici. Gli organismi viventi contengono acqua ed è per questo che lo studio dell'interazione plasma-liquido è fondamentale30,31,32. In questo modo, gli scienziati si sono concentrati sull’acqua attivata dal plasma (PAW)33,34. Il trattamento sopra o sotto la superficie dell'acqua mediante esposizione al plasma35,36 converte l'acqua in un mezzo attivo comprendente molte specie reattive. L'interazione dei radicali e delle particelle derivati ​​dal plasma con le molecole d'acqua dà luogo a varie reazioni chimiche. Infatti, intrappolando nel liquido acquoso specie energetiche e particelle provenienti dalla fase plasma, si formano molte nuove reazioni chimiche dell'interfaccia gas-liquido, che poi portano alla creazione di molte altre particelle reattive che si sciolgono nell'acqua37,38. Queste specie reattive possono includere specie reattive dell'ossigeno o dell'azoto come specie in fase liquida (H2O2, NO2–, NO3–, ·OH, ONOOH, ONOO–) e (NO, NO2, O3, O atomico, NO, NO2, N2O, HNO2 , HNO3, O2–, 1O2)39,40,41,42,43. Tra i diversi tipi di plasmi a pressione atmosferica fredda, la scarica di plasma a scintilla transitoria (TSP) è molto utile grazie alla sua elevata densità elettronica. Le scariche TSP sono note come autoimpulsive guidate da corrente continua con frequenza di ripetizione compresa tra 1 e 10 kHz e tipicamente impulsi di corrente di breve durata (10–100 ns)44. Questo tipo di scarica di plasma è costituita da un gran numero di nastri con un campo elettrico di quasi 200 kV/cm nelle loro teste che possono essere trasferiti in brevi impulsi di corrente di scintilla. Questa caratteristica delle scariche TSP consente di eseguire facilmente la ionizzazione e processi chimici efficaci45,46.