Detección de NO3− introducido en plasma - El lago de los cisnes Co., Ltd de Shijiazhuang

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12525 (2022) Citar este artículo

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El plasma de descarga irradia semillas con especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RONS). Sin embargo, las RONS introducidas en semillas por irradiación de plasma no se han detectado con éxito hasta el momento. Este estudio proporciona evidencia experimental de que el ion nitrato NO3− se introduce en las semillas de lechuga como RONS tras la irradiación con plasma de descarga de barrera dieléctrica de aire a presión atmosférica. La irradiación de plasma durante 5 min promueve la germinación de semillas. Los componentes de las semillas irradiadas con plasma se examinaron mediante espectrometría de masa cuántica de ionización por electropulverización (ESI QMS), que reveló que la irradiación con plasma introdujo un ion con una masa de 62 m/z en cantidades detectables. Este ion se identificó como NO3− por cromatografía líquida (LC), detector de longitud de onda múltiple (MWD) y LC-ESI QMS. Una simulación unidimensional a temperatura de electrones Te = 1 eV, densidad de electrones Ne = 1013/m3 y temperatura de gas Tg = 300 K indicó la introducción de NO3−, que involucra óxido nítrico NO. NO3− es uno de los iones más importantes que desencadenan la transducción de señales para la germinación cuando se introducen en las semillas. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) revelaron que no hubo cambios en la superficie de las semillas después de la irradiación con plasma. La irradiación de plasma es un método efectivo para introducir NO3− en semillas en un proceso seco sin causar daños.

El efecto de mejora del crecimiento de la irradiación de plasma en las plantas ha atraído una atención mundial considerable1,2,3. Hasta el momento se han realizado estudios pioneros sobre la mejora de la germinación y el crecimiento4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, control del equilibrio hormonal entre ácido giberélico (GA) y ácido abscísico (ABA) en semillas20,21, y mejora de las características de la cosecha22 mediante irradiación de plasma. Recientemente, se realizaron estudios de biología molecular para dilucidar los mecanismos subyacentes a los efectos biológicos de la irradiación de plasma23. El plasma puede irradiar semillas con especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RONS), fotones, iones y someterlas a campos eléctricos24. Las RON están involucradas en una variedad de procesos de semillas, que incluyen la maduración, el envejecimiento y la germinación, seguidos del crecimiento de las plántulas25,26. Las especies reactivas de oxígeno (ROS) exógenas mejoran la germinación de semillas de Zea mays y Helianthus annuus al inducir la biosíntesis de GA y el catabolismo de ABA27. La determinación colorimétrica y las simulaciones son útiles para estimar la cantidad de RONS introducida en las semillas. Sin embargo, las RONS introducidas en semillas por irradiación de plasma no se han detectado con éxito hasta el momento. Teniendo en cuenta que muchos estudios se ocupan de la inducción de respuestas biológicas en las semillas tras la irradiación con plasma, los debates sobre sus mecanismos subyacentes deben basarse en las partículas reales introducidas en las semillas. Este estudio proporciona evidencia experimental de que los iones de nitrato NO3− se introducen en las semillas como RONS tras la irradiación con plasma.

Intentamos detectar los RON típicos, NO3-, introducidos en las semillas tras la irradiación con plasma no térmico de aire a presión atmosférica. La respuesta de la semilla a la administración de NO3− exógeno es un tema de investigación importante en la fisiología molecular de las plantas. El NO3- en las semillas de las plantas es responsable de inducir respuestas como la interrupción de la latencia, la regulación de la expresión génica, la transducción de señales y el metabolismo de ABA que resulta de la unión de NLP8 al promotor CYP707A228,29,30,31,32. Aunque hay muchos estudios sobre los cambios en el genotipo y el fenotipo debido a la administración de NO3−, el mecanismo molecular detrás de la respuesta de la planta al NO3− sigue sin estar claro30. En consecuencia, este estudio tuvo como objetivo probar experimentalmente que el NO3− se introduce en las semillas mediante la irradiación de plasma; también se sugiere un mecanismo probable para esta introducción. También propuso un nuevo método para administrar NO3− a las semillas en un proceso seco usando plasma.

Teniendo en cuenta que la introducción de NO3− en las semillas por irradiación de plasma podría elevar el nivel de producción de alimentos, la lechuga (Lactuca sativa L.), que es la planta industrial más comúnmente cultivada33, se utilizó como material biológico en previsión de la rápida implementación social de la tecnología de plasma. La Figura 1 muestra las características de germinación de semillas irradiadas con plasma durante 1, 3 y 5 min y semillas no irradiadas. Este resultado se obtuvo utilizando tres réplicas biológicas. Las marcas y las barras de error indican valores promedio y desviaciones estándar, respectivamente. Después de 24 h, las semillas comenzaron a germinar con una desviación relativamente grande; el % de germinación siempre fue mayor en las semillas con (w/) irradiación de plasma que en aquellas sin (w/o) irradiación de plasma, lo que sugiere que la irradiación de plasma promueve la germinación de semillas. Esta variabilidad probablemente se debió a la estrategia de supervivencia de la planta y la cantidad de RONS introducida por el plasma. Como la semilla con 5 min de irradiación de plasma tuvo un aumento del 69% en su valor p en comparación con el (0,027) de la semilla sin irradiación de plasma después de 48 h en la prueba de dos colas, se decidió un período de irradiación de plasma de 5 min para más experimentos.

Características de germinación de semillas de lechuga sin y con (1, 3 y 5) minutos de irradiación de plasma.

Se utilizó espectrometría de masa cuántica de ionización por electropulverización (ESI QMS) para detectar NO3- en las semillas. La figura 2 muestra los espectros de MS de (a) agua ultrapura (en blanco), (b) la muestra sin plasma y (c) la muestra con irradiación de plasma de 5 min. Los picos S1, S2, S3, S4, S5 y S6 se muestran en la Fig. 2a–c. Estos picos se observan incluso en agua ultrapura (Fig. 2a) y, por lo tanto, se supone que se originaron en el sistema LC-QMS. Las intensidades de los picos S1 a S6 en las Fig. 1b yc son mayores que las de la Fig. 2a. Esto podría deberse al efecto matriz de los contaminantes de las semillas. Por el contrario, los picos M1 y M2 se encuentran solo para el extracto de semilla en la Fig. 1b y c, lo que indica que estos dos picos se originan en el material de semilla. Las intensidades de los picos M1 y M2 en la Fig. 2b son casi las mismas que las de la Fig. 2c, lo que indica que las concentraciones de la muestra sin y con plasma son las mismas y que la irradiación con plasma no cambia la composición sustancial en el rango de masas de 50–80 m/z. Sin embargo, en la Fig. 2c se observa claramente un pico X a 62 m/z (indicado con una flecha).

Espectros de MS típicos de (a) blanco y extracto de 20 semillas (b) sin irradiación de plasma y (c) con irradiación de plasma de 5 min, obtenidos por QMS.

Se realizaron más experimentos para evaluar la reproducibilidad con cinco réplicas biológicas. Los espectros de MS en la región de masa de 60–64 m/z de 20 semillas sin irradiación de plasma se muestran en la Fig. 3a, y aquellos con irradiación de plasma se muestran en la Fig. 3b. Realizamos tres mediciones por réplica y obtuvimos los valores integrados. Las marcas y las barras de error indican valores promedio y desviaciones estándar, respectivamente. La intensidad relativa a 62 m/z sin irradiación de plasma fue de 131,96 ± 0,31, que fue casi la misma que la línea base (131), pero fue de 141,53 ± 1,83 para semillas con irradiación de plasma. El área del pico fue significativamente mayor en el extracto con plasma (p = 0,00012 según lo determinado por una prueba t de dos colas) que en el extracto sin irradiación con plasma. Estos resultados indican claramente que se introdujeron en las semillas moléculas de 62 m/z generadas por irradiación de plasma. Teniendo en cuenta que los espectros de emisión óptica del plasma de descarga de barrera dieléctrica escalable (SDBD) muestran NO (200–250 nm)34, un candidato importante para el pico X es el ion nitrato (NO3−) entre las especies de larga duración en plasmas de aire. El NO3− puede generarse a partir de las reacciones de ionización por impacto de electrones de N2, O2 y H2O en fase gaseosa, como se muestra en las reacciones (R1)–(R7)35

Espectro MS de 60–64 m/z de extracto de 20 semillas (a) sin irradiación de plasma y (b) con irradiación de plasma de 5 min, obtenido por el modo QMS. Se integraron tres tomas. Las marcas y las barras de error muestran los valores medios y las desviaciones estándar por triplicado, respectivamente.

Se usaron un detector de longitud de onda múltiple (MWD) de cromatografía líquida (LC) y LC-ESI QMS para identificar el pico de 62 m/z. La cromatografía es eficaz para medir la cantidad de NO3− en el extracto de semilla de impurezas como enzimas, proteínas y metales orgánicos que contiene. El ion nitrato absorbe una longitud de onda de ~ 224 nm, y su punto isosbéstico es de 215 nm36. Se utilizó una longitud de onda de 210 nm para MWD para evitar la interferencia de los enlaces peptídicos de la proteína, que se absorben a 228 nm en el extracto de semilla37. Se ha informado que el NO3− es un ion importante que se encuentra en el agua irradiada con plasma1,38; por lo tanto, también se irradió agua ultrapura con plasma y se usó para el análisis. La Figura 4 muestra el cromatograma MWD a 210 nm para (a) blanco (agua ultrapura), (b) solución estándar de NO3− a 1 µM, (c) agua ultrapura sin irradiación de plasma, (d) agua ultrapura agua con irradiación de plasma, (e) extracto de semilla sin irradiación de plasma, y (f) extracto de semilla con irradiación de plasma. La perturbación observada dentro de los 2 min se debe al choque de inyección y, por lo tanto, se desprecia. La Figura 4a no muestra picos después de 2 min en el blanco (agua ultrapura utilizada para preparar la extracción de semillas). Se utilizó agua ultrapura para diluir el reactivo estándar NO3-. Aparece un pico correspondiente a NO3− a los 5,84 min en el MWD, como se muestra en la Fig. 4b. Aunque no hay un pico de NO3- en la Fig. 4c, podemos encontrar un pico con alta intensidad en la Fig. 4d yf, que muestra que el NO3- se introduce en el agua ultrapura y las semillas mediante la irradiación de plasma. También se observó un pequeño pico de NO3− en semillas sin irradiación con plasma. El extracto de semillas tuvo varios picos a los 3–5 min, como se muestra en las Fig. 4e y f, y las áreas de estos picos son casi las mismas, mientras que las áreas de los picos de NO3− son significativamente diferentes entre sí, es decir, 81.05 y 1486.04 para w/o y w/plasma, respectivamente. De acuerdo con la ley de Lambert-Beer, la cantidad de NO3− parece ser considerablemente alta en los extractos de semillas sometidos a irradiación con plasma. Sin embargo, no se puede negar que la irradiación de plasma puede haber producido un ion en la semilla, que puede haber absorbido UV a aproximadamente 210 nm con el mismo tiempo de retención que el NO3−. Por lo tanto, realizamos un experimento LC-ESI QMS, correspondiente a los resultados de las Figs. 2, 3 y 4.

Cromatogramas MWD de 210 nm de (a) blanco, (b) solución estándar de NO3− a 1 µM de concentración, agua ultrapura (c) sin irradiación de plasma y (d) con irradiación de plasma durante 300 s, y extracto de semilla (e) sin irradiación de plasma y (f) con irradiación de plasma durante 5 min.

La distribución de isótopos de una molécula a analizar es única en su estructura y muy efectiva para identificar aquellos que indican la masa detectada. Como los isótopos estables están presentes en cada uno de los átomos de nitrógeno y oxígeno, la proporción de NO3− se calculó utilizando la calculadora de distribución de isótopos (Agilent MassHunter Workstation Data Analysis Core; Versión 10.0); usando esto, podemos estimar la masa que se detecta predominantemente para NO3−. Los valores calculados fueron 61,99 m/z, 62,99 m/z, 63,99 m/z y 64,99 m/z de masa correspondientes al 98,91 %, 0,47 %, 0,61 % y 0,00 % de abundancia, respectivamente, lo que indica que aproximadamente el 99 % de NO3− existente en la naturaleza da una masa de 62 m/z. En consecuencia, para identificar 62 m/z de NO3−, se obtuvo un cromatograma de 62 m/z para el reactivo estándar de NO3− y extracto de semillas irradiadas con plasma. La resolución de masa del QMS estaba dentro de 1 m/z. La coincidencia de estos tiempos de retención indicó fuertemente que eran las mismas sustancias. Aunque la intensidad de la señal se satura a altas concentraciones para el cromatograma de iones extraídos (EIC), puede detectar sustancias en cantidades más pequeñas en comparación con MWD. La Figura 5 muestra el ESI de 62 m/z para (a) blanco, (b) solución estándar de NO3− a 1 µM, (c) agua ultrapura sin irradiación de plasma, (d) agua ultrapura con irradiación de plasma, (e) semilla extracto sin irradiación de plasma, y (f) extracto de semilla con irradiación de plasma. La figura 5 se obtuvo de la misma muestra que se muestra en la figura 4 para eliminar la contaminación y la variación de concentración dentro de los procesos de dilución. No hay pico en el blanco, como se muestra en las Figs. 5a y 4a. El reactivo estándar mostró un pico a los 5,8–6,3 min de tiempo de retención, como se muestra en la Fig. 5b. Las figuras 5c y d muestran agua ultrapura con y sin plasma, respectivamente. Durante la irradiación de plasma, se colocó agua ultrapura en una placa Petri de cuarzo. No aparece un pico en el agua ultrapura que simplemente se coloca en la placa de Petri de cuarzo (sin irradiación), como se muestra en la Fig. 5c, mientras que aparece un pico grande en un tiempo de retención de 5,8 a 7,0 min cuando la misma muestra se irradia con plasma. , como se muestra en la Fig. 5d. Este tiempo de retención estuvo en el mismo rango que el del reactivo estándar. Por lo tanto, el ion de 62 m/z obtenido de la irradiación de plasma se identificó como NO3-. Para el extracto de semilla, se encontraron picos en la misma región de tiempo de retención que la que se muestra en las Fig. 5e yf, lo que sugiere que el NO3- ya estaba presente en la semilla antes de la irradiación con plasma; su cantidad aumentó con la irradiación de plasma. Las desviaciones estándar (±) en las áreas máximas medias para el extracto de semillas fueron 4,6 × 103 ± 660,5 y 3,9 × 104 ± 4154,9 con y sin irradiación de plasma, respectivamente. La prueba t estadística mostró que p = 0,0006. Aunque está claro que el NO3- se introdujo en las semillas mediante la irradiación con plasma, también es interesante que el NO3- ya estaba presente en las semillas a niveles detectables antes de la irradiación con plasma. Este método puede ser útil para medir la cantidad de NO3− originalmente presente en semillas no tratadas.

EIC de 62 m/z de (a) blanco, (b) solución estándar de NO3− a 1 µM de concentración, agua ultrapura (c) sin irradiación de plasma y (d) con irradiación de plasma durante 5 min, y extracto de semilla (e) sin irradiación de plasma y (f) con irradiación de plasma durante 5 min.

La viabilidad de la introducción de NO3− en las semillas mediante la irradiación de plasma SDBD del aire a presión atmosférica se evaluó mediante simulación 1D utilizando COMSOL con 624 ecuaciones de reacción de generación y descomposición, resumidas por Sakiyama et al.39, en las que la temperatura de los electrones Te = 1 eV, la densidad de los electrones Ne = 1013/m3, temperatura del gas Tg = 300 K y ancho de plasma Lp = 0,1 mm durante un tiempo de 1000 s. Los resultados de la simulación presentan la densidad de NO3− y la de las especies reactivas involucradas en su generación en un punto a 5 mm de la región del plasma correspondiente a la posición de la semilla. La Tabla 1 muestra los resultados de la simulación de la densidad en un punto determinado, por ejemplo, semillas colocadas bajo el electrodo SDBD después de 1000 s, para NO3− y las especies reactivas que participan en su generación a través de las siguientes reacciones39,40,41,42:

La unidad de la constante de velocidad correspondiente a las reacciones mencionadas es (m3/s). La Tabla 1 muestra que el NO3− es transportado directamente a las semillas junto con el transporte simultáneo de las especies reactivas que participan en su generación, como NO, NO2, NO2−, NO3, HNO3, HNO2 y N2O5. El plasma DBD va acompañado de una descarga de serpentina. El campo eléctrico reducido E/N en el plasma DBD inicial es de aproximadamente 100 Td y en el canal de cable sísmico típico es < 30 Td43. En este estado, la temperatura de los electrones Te < 2,7 eV, y dichos electrones se consumen principalmente para la excitación vibratoria de N2 y O2 en el aire a presión atmosférica. Los estados vibracionales de N2 y O2 contribuyen a la formación de NO a través de las siguientes reacciones, comúnmente conocidas como mecanismo de Zeldovich44. La energía de activación Ea y la entalpía de reacción ΔH son casi 3 eV/mol para R20 y 0,3 eV/mol y -1 eV/mol para R21, respectivamente.

Por lo tanto, el NO muestra la densidad más alta (6,6 × 1018/m3) en la Tabla 1. El NO de alta densidad puede reaccionar con el H2O en las semillas. Según Lukes et al., el NO da lugar a NO3− a través de la siguiente reacción45.

Las semillas de lechuga utilizadas en este estudio tenían un peso promedio ± desviación estándar de aproximadamente 0,8 ± 0,04 mg/semilla (n = 8). Se midió el contenido de agua en más de 1250 semillas y se encontró que era 4,705 ± 0,503% en peso (n = 4). Usando estos valores medios, el número de moléculas de agua en la semilla, \({n}_{\mathrm{H}2\mathrm{O}}\), se obtuvo mediante la ecuación. (1):

donde \(w\) es el peso de H2O en la semilla (37,64 µg/semilla), \({N}_{\mathrm{A}}\) es la constante de Avogadro (6,022 × 1023/mol), y \ (M\) es la masa molar de H2O (18 g/mol). El área de semillas fue de 0,393 ± 0,00374 × 10–6 m2 (n = 290), y se derivó que el volumen de semillas fue de 0,393 × 10–9 m3/semilla, suponiendo un espesor de 1 mm. El volumen de NO \(({n}_{\mathrm{NO}})\) y H2O (\({n}_{\mathrm{H}2\mathrm{O}})\) en la semilla fueron 2,594 × 109 y 1,259 × 1018, respectivamente. Cuando el NO reaccionó con el H2O en la semilla, se consumieron dos moléculas de NO y una molécula de H2O para producir NO2− y NO3−, como se muestra en R22. Por lo tanto, incluso si el NO reaccionara completamente con H2O, quedaría suficiente H2O en las semillas. Teniendo en cuenta la alta densidad de NO en un entorno rico en (O2 y H2O) estable, se concluye que la vía de introducción de NO3- en las semillas por irradiación de plasma involucró principalmente la reacción (R22). Por otro lado, según Sakiyama et al.39, el NO2− reacciona con el NO y produce NO− y NO2 mediante la siguiente reacción46.

El NO− reacciona con M, O2 y NO y produce NO, O2− y e mediante las siguientes reacciones47.

NO está involucrado en R22. O2− reacciona con N2 y O2 y produce e por las siguientes reacciones41.

El electrón e reacciona con NO y O2 y produce NO− y O2− mediante las siguientes reacciones39,41.

El NO- y el O2- están involucrados en las reacciones de R24-26 y R27, 28, respectivamente.

Las figuras 2 y 4 sugieren que la irradiación de plasma no afectó la composición cualitativa de las semillas. Por lo tanto, los efectos físicos de la irradiación de plasma en las condiciones de la superficie de la cubierta de la semilla se investigaron utilizando imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM). La Figura 6 muestra una imagen SEM típica obtenida (a) antes y (b) después de la irradiación de plasma. La superficie observada fue el lado sobre el que se irradió el plasma. Las semillas se irradiaron con plasma durante 10 min, que fue el doble del período de acondicionamiento de las semillas para la espectroscopia de masas. Las semillas de lechuga están compuestas por una capa externa, llamada pericarpio como cubierta de la semilla y tegumento, endospermo y embrión como orgánulo interno48. Se observó un pericarpio típico en las semillas utilizadas en este estudio, como se muestra en la Fig. 6a. El pericarpio permaneció intacto después de la irradiación con plasma como se muestra en la Fig. 6b. Está compuesto por una matriz extracelular compleja y dinámica que consta de una red de polímeros de carbohidratos (celulosa, hemicelulosa y pectina) y proteínas estructurales48. Las especies químicas producidas por el plasma, como el O3, pueden escindir o dimerizar el doble enlace carbono-carbono (C=C) del alqueno49, incluidos los ácidos grasos insaturados de las semillas de lechuga, seguido de una pérdida de C=C. Se usó espectroscopia Raman para evaluar tal daño químico en la semilla por irradiación de plasma. En la Fig. S1 se muestra un espectro Raman típico a 980–1970 cm−1 de semillas de lechuga sin plasma. Podemos encontrar un pico en 1609 cm−1, correspondiente al pico C=C que se asigna a la lignina y al flavonoide (Fig. S1).

Imagen SEM de la misma semilla (a) antes de la irradiación con plasma y (b) después de la irradiación con plasma durante 10 min.

La espectroscopia Raman reveló que el pico del doble enlace carbono-carbono (C = C) asignado a la lignina y el flavonoide no cambió después de la irradiación con plasma durante 5 y 10 minutos (Fig. S2). Las especies químicas producidas por el plasma, como el O3, pueden escindir o dimerizar C=C del alqueno49, incluidos los ácidos grasos insaturados de las semillas de lechuga, seguido de una pérdida de C=C, pero dicho efecto es indetectable. Estos resultados sugieren que la irradiación de plasma puede introducir NO3− sin daño químico o físico a las semillas.

En este estudio, desarrollamos un método para detectar NO3− introducido en semillas de lechuga seca mediante irradiación de plasma utilizando LC-ESI QMS. A la fecha solo se ha evaluado la cantidad de RONS en fase gaseosa y solución; esta es la primera vez que se detectan RONS introducidas por plasma en las semillas tratadas. Como el mecanismo molecular de la respuesta de las células de la semilla al NO3− introducido de forma exógena aún está bajo investigación, el NO3− sigue siendo una de las moléculas más importantes en términos de fisiología de la semilla30. Hasta el momento, el único método de administración exógena de NO3− en semillas ha sido sumergirlas en una solución de KNO3. Sin embargo, el plasma nos permite introducir NO3− sin necesidad de agua ni contraiones. La evaluación cuantitativa de la cantidad de NO3− introducida en las semillas por irradiación con plasma es decisiva en la contribución de la ciencia del plasma a la biología molecular de las plantas y la discusión cuantitativa del mecanismo de inducción de la germinación por irradiación con plasma.

Se adquirió semilla de lechuga (Lactuca sativa L.) de Asahi Farm, Japón. El uso experimental de materiales vegetales se realizó con el permiso de Asahi Farm. Las semillas fueron irradiadas con plasma utilizando un electrodo de descarga dieléctrica escalable (SDBD)21. Las características del plasma utilizado en este estudio se han discutido en un artículo anterior9. La irradiación de plasma se realizó a 24 °C utilizando 55 % de Rh. Para la detección de NO3-, se irradiaron 80 semillas de lechuga simultáneamente bajo una sola exposición de plasma. Se determinó que el tiempo de irradiación era de 5 min en función de las características de germinación de las semillas tras 0, 1, 3 y 5 min de irradiación con plasma. La prueba de germinación se realizó con 30 semillas sembradas en papel filtro en placa petri, con 3 mL de agua corriente en cámara climática a 22 °C bajo un ciclo de luz y oscuridad de 12 h cada día. El número de semillas germinadas se contó cada 12 h después de su imbibición durante 48 h. El % de germinación se calculó dividiendo el número de semillas germinadas por el número total de semillas en la placa de Petri. Todos los métodos se realizaron de acuerdo con las directrices y normativas pertinentes.

Se usaron veinte semillas para obtener una muestra de extracto de semilla con el siguiente procedimiento: Las semillas se pulverizaron con perlas en un tubo de 2,0 mL (Eppendorf) usando un triturador automático a 2800 rpm durante 3 min. La extracción de semillas se realizó agitando la muestra pulverizada con 50 µL de agua ultrapura por mg de muestra a temperatura ambiente durante 120 min en condiciones de oscuridad. El extracto de semilla se filtró utilizando un filtro de membrana para eliminar las partículas.

Utilizamos ESI QMS (G6470A, Agilent) para detectar NO3− en las semillas, con una fase móvil de acetato de amonio 3,75 mM en 70 % H2O/30 % acetonitrilo. El perfil de la fase móvil fue de 0,2 ml/min para ESI QMS y de 0,4 ml/min para LC-ESI QMS. El volumen de inyección fue de 5 µL. La ionización se realizó en el modo negativo de ESI con un voltaje capilar de 4000 V, temperatura de turbogas de 300 °C; y 50 V de voltaje del fragmentador. Se utilizaron Agilent Infinity II, incluido LC (G7116A, Agilent) – MWD (G7165A, Agilent) para la identificación y el análisis cuantitativo. Acclaim Trinity (P1, Thermo Fisher) se utilizó como columna para LC. Se utilizó agua ultrapura de grado LC para la dilución de la muestra. El reactivo estándar NO3− se adquirió de FUJIFILM Wako.

El modelo numérico 1D se desarrolló utilizando COMSOL Multiphysics 5.4, un software de simulación multipropósito. Los electrones existen en la región del plasma a una densidad numérica constante de 1015 m−3, como se describe en nuestro trabajo anterior35. Consideramos la distribución de partículas solo en la dirección x (5 mm), normal a la superficie de las semillas. Asumimos Te = 1 eV y Tg = 300 K. Para la simulación, H2O, O2 y N2 estaban en fracciones de 0.01, 0.21 y 0.78, respectivamente. Como se mencionó en un artículo anterior, para esta especie se utilizó un valor de coeficiente de 10−5 m2/s39. La simulación se realizó durante 1000 s para determinar la difusión de las especies reactivas. Todas las rutas de reacción y las constantes de velocidad se tomaron del trabajo de Sakiyama et al.39.

Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) se obtuvieron utilizando Hitachi S-3400 N, que tiene una corriente de emisión de 93 μA y un voltaje de aceleración de 15 kV.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores agradecen al Prof. Takeshi Onodera de la Facultad de Ciencias de la Información e Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Kyushu por proporcionar SEM. También agradecemos al Prof. Nozomi Takeuchi por su apoyo y asistencia técnica. Este trabajo fue apoyado por el Programa QR (Programa de Investigación Qdai-jump) 01255 y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS)-KAKENHI Número de subvención JP20H01893, JP19K14700 y JP22K03586. Además, fue apoyado en parte por el Programa de transferencia de tecnología adaptable y transparente a través de I + D impulsada por objetivos (A-STEP) de la Agencia de ciencia y tecnología de Japón (JST) Número de subvención JPMJTR20RU, JSPS Core-to-Core Program JPJSCCA2019002, JSPS KAKENHI Números de subvención JP16H03895 , JP19H05462, JP21H04451, JP20K14454, Plasma Bio Consortium y Center for Low-Temperature Plasma Sciences, Nagoya University.

Facultad de Ciencias de la Información e Ingeniería Eléctrica, Universidad de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japón

Takamasa Okumura, Kunihiro Kamataki, Naoto Yamashita, Naho Itagaki, Masaharu Shiratani y Kazunori Koga

Centro de ingeniería de nanointerfaz de plasma, Universidad de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japón

Pankaj Attri y Yuichi Tsukada

Facultad de Agricultura, Universidad de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japón

Yushi Ishibashi

Facultad de Ciencias y Tecnología, Departamento de Ciencias Biológicas Aplicadas, Universidad de Ciencias de Tokio, Chiba, 278-8510, Japón

Kazuyuki Kuchitsu

Centro de Iniciativas Científicas Novelas, Institutos Nacionales de Ciencias Naturales, Tokio, 105-0001, Japón

kazunori koga

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TO y K.Koga diseñaron el estudio, prepararon y caracterizaron las muestras y escribieron el manuscrito. TO realizó los experimentos. TO, K.Koga, AP y K.Kamataki discutieron las simulaciones de reacciones químicas. TO, K.Koga, YT, YI y K.Kuchitsu analizaron la importancia biológica de la introducción de iones de nitrato. TO, K.Koga, NI, NY y MS analizaron las reacciones químicas en fase gaseosa. TO, K.Koga, AP y MS discutieron la organización del manuscrito.

Correspondencia a Takamasa Okumura.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Okumura, T., Attri, P., Kamataki, K. et al. Detección de NO3− introducido en semillas de lechuga secas irradiadas con plasma mediante cromatografía líquida-espectrometría de masas cuántica de ionización por electropulverización (LC-ESI QMS). Informe científico 12, 12525 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16641-1

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Recibido: 26 de marzo de 2022

Aceptado: 13 julio 2022

Publicado: 22 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16641-1

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