Influence d'une décharge plasma d'étincelles transitoire sur la production de masses moléculaires élevées de produits chimiques à partir de l

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2059 (2023) Citer cet article

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Les plasmas froids à pression atmosphérique sont considérés comme une méthode à venir dans de nombreux domaines de recherche. La modification plasmatique des biomolécules a reçu beaucoup d'attention en plus des biomatériaux traités au plasma. Par conséquent, dans ce travail, nous avons opéré une décharge de plasma à étincelles transitoires (TSP) pour étudier son effet sur la structure chimique de la l-cystéine. le TSP était configuré dans un agencement d'électrodes broche à anneau et était alimenté par du gaz Ar. Nous avons également étudié l'effet de deux produits chimiques ; le diméthylsulfoxyde (DMSO) et le peroxyde d'hydrogène (H2O2) par la méthode de barbotage pour montrer comment ils peuvent modifier la création de nouveaux bioproduits chimiques. La spectroscopie d'absorption ultraviolette-visible, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la chromatographie liquide-spectroscopie de masse ont été utilisées pour étudier tout changement dans les liaisons chimiques de la structure de la cystéine et pour décrire la génération de nouvelles biomolécules. Sur la base des résultats affichés, les espèces réactives générées par le plasma jouent un rôle important dans la structure chimique de la cystéine. L'entrée de DMSO et de H2O2 dans le plasma a provoqué la création de nouveaux produits et la biomolécule la plus lourde a été produite par l'ajout simultané de DMSO et de H2O2. Les résultats prédisent également que certains produits chimiques et acides aminés ayant une masse moléculaire de valeur plus élevée seraient produits à partir du processus de polymérisation de la solution de cystéine. Le fort processus d’oxydation est responsable des composés chimiques lourds.

La capacité unique du plasma froid à pression atmosphérique à produire une grande variété d’espèces réactives dans de nombreux domaines, notamment en médecine plasmatique, a été étudiée par de nombreux chercheurs. L'inactivation des bactéries et des virus1,2, la cicatrisation des plaies3,4, les maladies de la peau5,6 et différents types de maladies cancéreuses7,8,9,10 font partie des sujets d'intérêt traités avec du plasma froid à pression atmosphérique. Jusqu'à présent, diverses configurations expérimentales de plasma11,12 du jet de plasma à pression atmosphérique (APPJ)13,14,15,16 et de la décharge à barrière diélectrique (DBD)17,18,19 ont été conçues et améliorées pour atteindre un objectif spécifique. La modification de divers paramètres tels que la tension, le courant, la fréquence, l'intervalle de décharge et le type de gaz d'alimentation peut jouer un rôle important dans la formation de la quantité et du type d'espèces réactives. En étudiant les applications de la médecine plasmatique, les chercheurs se concentrent sur les systèmes biologiques. Ils visaient à comprendre les interactions entre les échantillons biologiques et le plasma en utilisant à la fois des méthodes de simulation et expérimentales20,21,22. Les systèmes organiques tels que les protéines -appelés systèmes biologiques complexes- sont pris en compte par différentes décharges plasmatiques. Étant donné que la quantité et le type d’espèces réactives produites par le plasma sont très efficaces dans le traitement, les scientifiques ont étudié l’effet de différentes configurations plasmatiques sur les acides aminés, qui sont les principaux composants des protéines. En 2014, Takai et al.23 ont étudié l’effet d’un jet de plasma sur 20 acides aminés et ont signalé des changements sur 14 chaînes latérales d’acides aminés. En 2016, Zhou et al.24 ont amélioré le système de jets de plasma avec un nombre plus élevé de jets de micro-plasma pour montrer comment le plasma affecte les structures de la protéine. Quelques années plus tard, Wende et al. et Sremacki et coll. utilisé respectivement un jet de plasma kINPen25 et un jet de plasma RF couplé à un système d'aérosol26 pour étudier les processus d'interaction plasma-liquide et leur effet sur l'acide aminé cystéine. De plus, Lackmann et al. a utilisé deux sources de plasma pour montrer que les résultats des propriétés chimiques sont différents pour chaque source de plasma27. En 2014, un dispositif à plasma de décharge à barrière diélectrique (DBD) a été conçu pour étudier plusieurs mécanismes des produits décomposés à partir de l'acide aminé valine par Li et al.28. En outre, d'autres chercheurs ont montré que des facteurs tels que la durée du traitement et la concentration de la solution peuvent affecter la qualité de la modification29. Il est intéressant de noter que les acides aminés soufrés sont considérés comme une bonne cible. Il semble qu’ils subissent plus que d’autres des modifications chimiques par traitement plasma. Comme mentionné précédemment, la caractéristique la plus importante des plasmas froids à pression atmosphérique est leur capacité à créer des espèces hautement réactives de l’oxygène et de l’azote (RONS) qui restent proches de la température ambiante. Ils conviennent donc aux modifications du système biologique. Il est à noter que l’interaction entre le plasma et le milieu aqueux est essentielle pour de nombreuses applications, notamment les systèmes biologiques. Les organismes vivants contiennent de l'eau et c'est pourquoi l'étude de l'interaction plasma-liquide est cruciale30,31,32. Les scientifiques se sont ainsi concentrés sur l’eau activée par plasma (PAW)33,34. Le traitement au-dessus ou au-dessous de la surface de l’eau par exposition au plasma35,36 convertit l’eau en un milieu actif comprenant de nombreuses espèces réactives. L'interaction des radicaux et des particules dérivés du plasma avec les molécules d'eau entraîne diverses réactions chimiques. En fait, en piégeant les espèces énergétiques et les particules provenant de la phase plasma dans le liquide aqueux, de nombreuses nouvelles réactions chimiques à l'interface gaz-liquide se forment, ce qui entraîne la création de nombreuses autres particules réactives qui se dissolvent dans l'eau. Ces espèces réactives peuvent inclure des espèces réactives de l'oxygène ou de l'azote telles que des espèces en phase liquide (H2O2, NO2–, NO3–, ·OH, ONOOH, ONOO–) et (NO, NO2, O3, O atomique, NO, NO2, N2O, HNO2 , HNO3, O2–, 1O2)39,40,41,42,43. Parmi les différents types de plasmas froids à pression atmosphérique, la décharge plasma par étincelle transitoire (TSP) est très utile en raison de sa densité électronique élevée. Les décharges TSP sont connues sous le nom d'auto-impulsions alimentées en courant continu avec une fréquence de répétition comprise entre 1 et 10 kHz et des impulsions de courant généralement de courte durée (10 à 100 ns)44. Ce type de décharge plasma se compose d'un grand nombre de streamers avec un champ électrique de près de 200 kV/cm dans leurs têtes qui peuvent être transférés en courtes impulsions de courant d'étincelle. Cette caractéristique des décharges TSP permet d’effectuer facilement des processus d’ionisation et chimiques efficaces45,46.