Ανάπτυξη και εφαρμογή ταυτόχρονης ατομικής φασματοσκοπίας εκπομπής πλάσματος λέιζερ και μοριακής φασματομετρίας μάζας υπερηχητικού ιοντισμού (LIBS-SSI-MS) στη μελέτη βιομορίων και συμπλόκων
Authors: Μαρματάκης Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Στο πλαίσιο της παρούσας ερευνητικής εργασίας πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μιας νέας υβριδικής αναλυτικής μεθόδου (LIBS/SSI-MS), η οποία συνδυάζει τη μοριακή φασματομετρία μάζας υπερηχητικού ιοντισμού (SSI-MS) με τη φασματοσκοπία εκπομπής πλάσματος επαγόμενου από λέιζερ (LIBS). Η μέθοδος προσφέρει τη δυνατότητα χαρακτηρισμού διαλυμάτων παρέχοντας πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο σχετικά με τη στοιχειακή σύσταση, καθώς και τη μοριακή μάζα των ενώσεων που περιέχουν. Ο συνδυασμός των δύο τεχνικών βασίζεται στη χρήση πνευματικού εκνεφωτή, ο οποίος μετατρέπει το προς ανάλυση διάλυμα σε αερόλυμα. Τα σταγονίδια στο αερόλυμα παράγονται επιφανειακώς φορτισμένα, εξαιτίας φαινομένων υπερηχητικού ιοντισμού, με αποτέλεσμα τη δημιουργία μοριακών ιόντων του αναλύτη στην αέρια φάση, τα οποία ανιχνεύονται από το φασματόμετρο μάζας. Παράλληλα, με την εστίαση παλμών λέιζερ στο εκνέφωμα, τμήμα του αερολύματος μετατρέπεται σε πλάσμα και μέσω του φάσματος εκπομπής αυτού καθίσταται εφικτός ο προσδιορισμός της στοιχειακής σύστασης του δείγματος. Για την αξιολόγηση της ακρίβειας και της δυναμικής της τεχνικής LIBS/SSI-MS χαρακτηρίστηκαν πρότυπα διαλύματα υδατικά και μη, των συμπλόκων ασβεστίου και βαρίου με το EDTA, δύο μεταλλοπρωτεϊνών, πιο συγκεκριμένα της σουπεροξειδικής δισμουτάσης και της α-λακταλβουμίνης, καθώς και μίας ένωσης συναρμογής ([Cu6(II)Er(III)(aib)6(OH)3(OAc)3(NO3)3], ΜΒ = 1574 amu), η οποία περιέχει μεταλλικά ιόντα χαλκού και ερβίου. Στην περίπτωση των μεταλλοπρωτεϊνών η εφαρμογή της τεχνικής LIBS-SSI-MS επιτρέπει τον προσδιορισμό του λόγου των συγκεντρώσεων των μεταλλικών ιόντων προς τη συγκέντρωση της πρωτεΐνης ([Μ]:[Πρωτεΐνη]), τιμή η οποία αντανακλά τη στοιχειομετρία του μεταλλοϊόντος στην πρωτεΐνη και συνδέεται άμεσα με την ενεργότητα αυτής και κατ’ επέκταση με τη βιολογική της δραστικότητα. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε χρονοαναλυόμενη απεικονιστική μελέτη του πλάσματος που σχηματίζεται στο αερόλυμα, με στόχο την κατανόηση των διεργασιών δημιουργίας του πλάσματος και την εξέλιξη αυτού στο χρόνο. Ειδικότερα πραγματοποιήθηκε καταγραφή εικόνων του πλάσματος σε διάφορες χρονικές στιγμές μετά το σχηματισμό του, καθώς και την καταγραφή εικόνων του αερολύματος που δημιουργείται από τον πνευματικό εκνεφωτή. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ο ψεκασμός από τον εκνεφωτή είναι ασυνεχής με αποτέλεσμα να υπάρχει μεταβαλλόμενος αριθμός σταγονιδίων στην περιοχή εστίασης της ακτινοβολίας λέιζερ. Σε τυπικές συνθήκες ακτινοβόλησης (Ε > 160 mJ) o σχηματισμός του πλάσματος λαμβάνει χώρα πρωτογενώς στον αέρα, ενώ παρατηρείται ότι τα σταγονίδια σταδιακά ατομοποιούνται και διαχέονται εντός του όγκου που καταλαμβάνει το πλάσμα (V ≈ 20 mm3 ) για χρονική περίοδο της τάξης των 10 μs από την έναρξη της δημιουργίας του πλάσματος. Επίσης διερευνήθηκε η προοπτική χρήσης υπερβραχέων παλμών λέιζερ (τ = 450 fs) στο υπεριώδες (λ = 248 nm) για το σχηματισμό του πλάσματος στο αερόλυμα. Η ευαισθησία της προσέγγισης είναι χαμηλότερη κατά μία τάξη μεγέθους σε σχέση με την τυπική μεθοδολογία ns-LIBS, γεγονός το οποίο αποδίδεται στη σημαντικά χαμηλότερη ενέργεια (Ε ≈ 15 mJ) που προσφέρεται για το σχηματισμό πλάσματος και την απουσία αλληλεπίδρασης των υπερβραχέων παλμών με το πλάσμα.