Détection du NO3− introduit dans le plasma - Le lac des cygnes de Shijiazhuang Co., Ltd

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12525 (2022) Citer cet article

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Le plasma de décharge irradie les graines avec des espèces réactives d'oxygène et d'azote (RONS). Cependant, les RONS introduits dans les graines par irradiation au plasma n'ont pas été détectés avec succès jusqu'à présent. Cette étude fournit des preuves expérimentales que l'ion nitrate NO3− est introduit dans les graines de laitue sous forme de RONS lors de l'irradiation avec un plasma de décharge à barrière diélectrique à air à pression atmosphérique. L'irradiation au plasma pendant 5 min favorise la germination des graines. Les composants des graines irradiées au plasma ont été examinés à l'aide de la spectrométrie de masse quantique à ionisation par électropulvérisation (ESI QMS), qui a révélé que l'irradiation au plasma a introduit un ion d'une masse de 62 m/z en quantités détectables. Cet ion a été identifié comme NO3− par chromatographie liquide (LC), détecteur à longueurs d'onde multiples (MWD) et LC-ESI QMS. Une simulation unidimensionnelle à une température électronique Te = 1 eV, une densité électronique Ne = 1013/m3 et une température gazeuse Tg = 300 K a indiqué l'introduction de NO3−, impliquant de l'oxyde nitrique NO. NO3− est l'un des ions les plus importants qui déclenchent la transduction du signal pour la germination lorsqu'il est introduit dans les graines. Les images de microscopie électronique à balayage (SEM) ont révélé qu'il n'y avait aucun changement à la surface des graines après irradiation au plasma. L'irradiation au plasma est une méthode efficace pour introduire le NO3− dans les semences par voie sèche sans causer de dommages.

L'effet d'amélioration de la croissance de l'irradiation au plasma sur les plantes a attiré une attention mondiale considérable1,2,3. Jusqu'à présent, il y a eu des études pionnières sur l'amélioration de la germination et de la croissance4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, le contrôle de l'équilibre hormonal entre l'acide gibbérellique (GA) et l'acide abscisique (ABA) dans les graines20,21, et l'amélioration des caractéristiques de récolte22 en utilisant l'irradiation au plasma. Récemment, des études de biologie moléculaire ont été menées pour élucider les mécanismes sous-jacents aux effets biologiques de l'irradiation plasmatique23. Le plasma peut irradier les graines avec des espèces réactives de l'oxygène et de l'azote (RONS), des photons, des ions et les soumettre à des champs électriques24. Les RONS sont impliqués dans une variété de processus de semences, y compris la maturation, le vieillissement et la germination, suivis de la croissance des semis25,26. Les espèces réactives de l'oxygène exogènes (ROS) améliorent la germination des graines de Zea mays et Helianthus annuus en induisant la biosynthèse de GA et le catabolisme de l'ABA27. La détermination colorimétrique et les simulations sont utiles pour estimer la quantité de RONS introduite dans les graines. Cependant, les RONS introduits dans les graines par irradiation au plasma n'ont pas été détectés avec succès jusqu'à présent. Considérant que de nombreuses études traitent de l'induction de réponses biologiques dans les graines lors de l'irradiation au plasma, les discussions sur leurs mécanismes sous-jacents devraient être basées sur les particules réelles introduites dans les graines. Cette étude fournit des preuves expérimentales que les ions nitrates NO3− sont introduits dans les graines sous forme de RONS lors de l'irradiation au plasma.

Nous avons tenté de détecter le RONS typique, NO3−, introduit dans les graines lors de l'irradiation avec un plasma non thermique d'air à pression atmosphérique. La réponse des graines à l'administration exogène de NO3− est un sujet de recherche important en physiologie moléculaire végétale. Le NO3- dans les graines de plantes est responsable de l'induction de réponses telles que la rupture de dormance, la régulation de l'expression génique, la transduction du signal et le métabolisme de l'ABA résultant de la liaison de NLP8 au promoteur CYP707A228,29,30,31,32. Bien qu'il existe de nombreuses études sur les changements de génotype et de phénotype dus à l'administration de NO3−, le mécanisme moléculaire derrière la réponse de la plante au NO3− reste incertain30. Par conséquent, cette étude visait à prouver expérimentalement que le NO3− est introduit dans les graines par irradiation au plasma ; un mécanisme probable pour cette introduction est également suggéré. Il a également proposé une nouvelle méthode d'administration de NO3- aux graines par voie sèche à l'aide de plasma.

Considérant que l'introduction de NO3− dans les graines par irradiation au plasma pouvait augmenter le niveau de production alimentaire, la laitue (Lactuca sativa L.), qui est la plante-usine la plus couramment cultivée33, a été utilisée comme matériel biologique en prévision de l'implantation sociale rapide de la technologie du plasma. La figure 1 montre les caractéristiques de germination des graines irradiées avec du plasma pendant 1, 3 et 5 min et des graines non irradiées. Ce résultat a été obtenu en utilisant trois répétitions biologiques. Les marques et les barres d'erreur indiquent respectivement les valeurs moyennes et les écarts types. Après 24 h, les graines ont commencé à germer avec un écart relativement important ; le pourcentage de germination était toujours plus élevé dans les graines avec (w/) irradiation au plasma que dans celles sans (w/o) irradiation au plasma, ce qui suggère que l'irradiation au plasma favorise la germination des graines. Cette variabilité était probablement due à la stratégie de survie de la plante et à la quantité de RONS introduite par le plasma. Comme la graine avec 5 min d'irradiation au plasma avait une augmentation de 69 % de sa valeur p par rapport à celle (0,027) de la graine sans irradiation au plasma après 48 h lors d'un test bilatéral, une période d'irradiation au plasma de 5 min a été décidée pour d'autres expériences.

Caractéristiques de germination des graines de laitue sans et avec (1, 3 et 5)-min d'irradiation au plasma.

La spectrométrie de masse quantique à ionisation par électrospray (ESI QMS) a été utilisée pour détecter le NO3− dans les graines. La figure 2 montre les spectres MS de (a) de l'eau ultra-pure (blanc), (b) l'échantillon sans plasma et (c) l'échantillon avec irradiation au plasma de 5 min. Les pics S1, S2, S3, S4, S5 et S6 sont illustrés sur les figures 2a à c. Ces pics sont observés même dans l'eau ultra-pure (Fig. 2a) et sont donc supposés provenir du système LC-QMS. Les intensités des pics S1 à S6 sur les figures 1b et c sont plus grandes que celles de la figure 2a. Cela pourrait être dû à l'effet de matrice des contaminants des graines. Inversement, les pics M1 et M2 ne se trouvent que pour l'extrait de graine sur les figures 1b et c, indiquant que ces deux pics proviennent du matériel de graine. Les intensités des pics M1 et M2 de la Fig. 2b sont presque les mêmes que celles de la Fig. 2c, ce qui indique que les concentrations de l'échantillon w/o et w/plasma sont les mêmes et que l'irradiation du plasma ne modifie pas la composition substantielle dans la plage de masse de 50 à 80 m/z. Néanmoins, un pic X à 62 m/z (indiqué par une flèche) est clairement observé sur la figure 2c.

Spectres MS typiques de (a) blanc et extrait de 20 graines (b) sans irradiation au plasma et (c) avec irradiation au plasma de 5 min, obtenus par QMS.

D'autres expériences ont été menées pour évaluer la reproductibilité avec cinq répétitions biologiques. Les spectres MS dans la région de masse de 60 à 64 m / z de 20 graines sans irradiation au plasma sont illustrés à la Fig. 3a, et ceux avec irradiation au plasma sont illustrés à la Fig. 3b. Nous avons effectué trois mesures par répétition et obtenu les valeurs intégrées. Les marques et les barres d'erreur indiquent respectivement les valeurs moyennes et les écarts types. L'intensité relative à 62 m/z sans irradiation au plasma était de 131,96 ± 0,31, ce qui était presque la même que la ligne de base (131) mais était de 141,53 ± 1,83 pour les graines avec irradiation au plasma. La surface du pic était significativement plus élevée dans l'extrait avec plasma (p = 0,00012 tel que déterminé par un test t bilatéral) que dans l'extrait sans irradiation au plasma. Ces résultats indiquent fortement que 62 molécules m/z générées par irradiation au plasma ont été introduites dans les graines. Considérant que les spectres d'émission optique du plasma de décharge à barrière diélectrique évolutive (SDBD) montrent NO (200–250 nm)34, un candidat majeur pour le pic X est l'ion nitrate (NO3-) parmi les espèces à longue durée de vie dans les plasmas d'air. Le NO3− peut être généré à partir des réactions d'ionisation par impact électronique de N2, O2 et H2O en phase gazeuse, comme indiqué dans les réactions (R1)–(R7)35

Spectre MS de 60–64 m/z d'extrait de 20 graines (a) sans irradiation plasma et (b) avec irradiation plasma 5 min, obtenu en mode QMS. Trois plans ont été intégrés. Les marques et les barres d'erreur indiquent les valeurs moyennes et les écarts-types en triple, respectivement.

Un détecteur de chromatographie liquide (LC) à longueurs d'onde multiples (MWD) et LC-ESI QMS ont été utilisés pour identifier le pic de 62 m/z. La chromatographie est efficace pour mesurer la quantité de NO3- dans l'extrait de graines à partir d'impuretés telles que des enzymes, des protéines et des métaux organiques. L'ion nitrate absorbe une longueur d'onde d'environ 224 nm et son point isobestique est de 215 nm36. Une longueur d'onde de 210 nm a été utilisée pour le MWD afin d'éviter les interférences par les liaisons peptidiques des protéines, qui absorbent à 228 nm, dans l'extrait de graines37. Il a été rapporté que le NO3− est un ion majeur présent dans l'eau irradiée au plasma1,38 ; par conséquent, de l'eau ultra-pure a également été irradiée avec du plasma et utilisée pour l'analyse. La figure 4 montre le chromatogramme MWD à 210 nm pour (a) blanc (eau ultra-pure), (b) solution standard de NO3− à 1 µM, (c) eau ultra-pure sans irradiation au plasma, (d) eau ultra-pure avec irradiation au plasma, (e) extrait de graines sans irradiation au plasma et (f) extrait de graines avec irradiation au plasma. La perturbation observée dans les 2 min est due au choc d'injection et est donc négligée. La figure 4a ne montre aucun pic après 2 min dans le blanc (eau ultra-pure utilisée pour préparer l'extraction des graines). De l'eau ultra-pure a été utilisée pour diluer le réactif standard NO3−. Un pic correspondant à NO3− apparaît à 5,84 min dans le MWD, comme le montre la Fig. 4b. Bien qu'il n'y ait pas de pic de NO3− sur la Fig. 4c, on peut trouver un pic de forte intensité sur les Fig. 4d et f, montrant que le NO3− est introduit dans l'eau ultra-pure et les graines par irradiation au plasma. Un petit pic de NO3− a également été observé dans les graines sans irradiation au plasma. L'extrait de graine avait plusieurs pics à 3–5 min, comme le montrent les figures 4e et f, et les aires de ces pics sont presque les mêmes, alors que les aires des pics de NO3− sont significativement différentes les unes des autres, c'est-à-dire 81, 05 et 1486, 04 pour w / o et w / plasma, respectivement. Selon la loi de Lambert-Beer, la quantité de NO3− semble être considérablement élevée dans les extraits de graines soumis à une irradiation au plasma. Cependant, on ne peut nier que l'irradiation au plasma peut avoir produit un ion dans le germe, qui peut avoir absorbé les UV à environ 210 nm avec le même temps de rétention que celui du NO3-. Par conséquent, nous avons réalisé une expérience LC-ESI QMS, correspondant aux résultats des Fig. 2, 3 et 4.

Chromatogrammes MWD de 210 nm de (a) blanc, (b) solution standard de NO3− à 1 µM de concentration, eau ultra-pure (c) sans irradiation au plasma et (d) avec irradiation au plasma pendant 300 s, et extrait de graine (e) sans irradiation au plasma et (f) avec irradiation au plasma pendant 5 min.

La distribution isotopique d'une molécule à analyser est propre à sa structure et très efficace pour identifier ceux qui indiquent la masse détectée. Comme des isotopes stables sont présents dans chacun des atomes d'azote et d'oxygène, la proportion de NO3− a été calculée à l'aide du calculateur de distribution isotopique (Agilent MassHunter Workstation Data Analysis Core ; version 10.0) ; en utilisant cela, nous pouvons estimer la masse principalement détectée pour NO3−. Les valeurs calculées étaient de 61,99 m/z, 62,99 m/z, 63,99 m/z et 64,99 m/z de masse correspondant respectivement à 98,91 %, 0,47 %, 0,61 % et 0,00 % d'abondance, indiquant qu'environ 99 % du NO3− existant dans la nature donne une masse de 62 m/z. Par conséquent, pour identifier 62 m/z de NO3-, un chromatogramme de 62 m/z a été obtenu pour le réactif standard de NO3- et l'extrait de graines irradiées au plasma. La résolution de masse du QMS était inférieure à 1 m/z. La coïncidence de ces temps de rétention indiquait fortement qu'il s'agissait des mêmes substances. Bien que l'intensité du signal sature à des concentrations élevées pour le chromatogramme d'ions extraits (EIC), il peut détecter des substances en plus petites quantités par rapport à celle par MWD. La figure 5 montre l'ESI de 62 m/z pour (a) blanc, (b) solution standard de NO3− à 1 µM, (c) eau ultrapure sans irradiation au plasma, (d) eau ultrapure avec irradiation au plasma, (e) extrait de graines sans irradiation au plasma et (f) extrait de graines avec irradiation au plasma. La figure 5 a été obtenue à partir du même échantillon illustré à la figure 4 pour éliminer la contamination et la variation de concentration dans les processus de dilution. Il n'y a pas de pic dans le blanc, comme le montrent les Fig. 5a et 4a. Le réactif standard a montré un pic à 5, 8–6, 3 min de temps de rétention, comme le montre la Fig. 5b. Les figures 5c et d montrent de l'eau ultra-pure avec et sans plasma, respectivement. Pendant l'irradiation au plasma, de l'eau ultra pure a été placée dans une boîte de Petri en quartz. Un pic n'apparaît pas dans l'eau ultra-pure simplement placée dans la boîte de Pétri en quartz (sans irradiation), comme le montre la Fig. 5c, alors qu'un grand pic apparaît à un temps de rétention de 5,8 à 7,0 min lorsque le même échantillon est irradié avec du plasma, comme le montre la Fig. 5d. Ce temps de rétention était dans la même gamme que celui du réactif standard. Ainsi, l'ion 62 m/z obtenu à partir de l'irradiation au plasma a été identifié comme NO3-. Pour l'extrait de graine, des pics ont été trouvés dans la même région de temps de rétention que celle illustrée sur les figures 5e et f, suggérant que le NO3− était déjà présent dans la graine avant l'irradiation au plasma ; sa quantité a augmenté lors de l'irradiation au plasma. Les écarts-types (±) dans les aires moyennes des pics pour l'extrait de graines étaient de 4,6 × 103 ± 660,5 et 3,9 × 104 ± 4154,9 avec et sans irradiation au plasma, respectivement. Le test t statistique a montré que p = 0,0006. Bien qu'il soit clair que le NO3− a été introduit dans les graines par irradiation au plasma, il est également intéressant de noter que le NO3− était déjà présent dans les graines à des niveaux détectables avant l'irradiation au plasma. Cette méthode peut être utile pour mesurer la quantité de NO3− présente à l'origine dans les semences non traitées.

EIC de 62 m/z de (a) blanc, (b) solution standard de NO3− à 1 µM de concentration, eau ultra-pure (c) sans irradiation au plasma et (d) avec irradiation au plasma pendant 5 min, et extrait de graine (e) sans irradiation au plasma et (f) avec irradiation au plasma pendant 5 min.

La faisabilité de l'introduction de NO3− dans les graines par irradiation au plasma SDBD à pression atmosphérique a été évaluée par simulation 1D à l'aide de COMSOL avec 624 équations de génération et de réaction de décomposition, résumées par Sakiyama et al.39, où la température électronique Te = 1 eV, la densité électronique Ne = 1013/m3, la température du gaz Tg = 300 K et la largeur du plasma Lp = 0,1 mm pendant une durée de 1000 s. Les résultats de la simulation présentent la densité de NO3- et celle des espèces réactives impliquées dans sa génération en un point distant de 5 mm de la région plasma correspondant à la position du germe. Le tableau 1 montre les résultats de simulation de la densité à un certain point, par exemple, les graines placées sous l'électrode SDBD après 1000 s, pour NO3− et les espèces réactives qui participent à sa génération à travers les réactions suivantes39,40,41,42 :

L'unité de la constante de vitesse correspondant aux réactions susmentionnées est (m3/s). Le tableau 1 montre que NO3- est directement transporté vers les graines avec le transport simultané des espèces réactives participant à sa génération, telles que NO, NO2, NO2-, NO3, HNO3, HNO2 et N2O5. Le plasma DBD est accompagné d'une décharge de streamer. Le champ électrique réduit E/N dans le plasma DBD initial est d'environ 100 Td et celui dans le canal de streamer typique est < 30 Td43. Dans cet état, la température des électrons Te < 2,7 eV, et ces électrons sont principalement consommés pour l'excitation vibratoire de N2 et O2 dans l'air à pression atmosphérique. Les états vibrationnels de N2 et O2 contribuent à la formation de NO par les réactions suivantes, communément appelées mécanisme de Zeldovich44. L'énergie d'activation Ea et l'enthalpie de réaction ΔH sont toutes deux de près de 3 eV/mol pour R20, et de 0,3 eV/mol et - 1 eV/mol pour R21, respectivement.

Par conséquent, le NO présente la densité la plus élevée (6,6 × 1018/m3) dans le tableau 1. Le NO à haute densité peut réagir avec le H2O dans les graines. Selon Lukes et al., NO conduit à NO3− par la réaction suivante45.

Les graines de laitue utilisées dans cette étude avaient un poids moyen ± écart type d'environ 0,8 ± 0,04 mg/graine (n = 8). La teneur en eau de plus de 1250 graines a été mesurée et s'est avérée être de 4,705 ± 0,503 % en poids (n = 4). En utilisant ces valeurs moyennes, le nombre de molécules d'eau dans la graine, \({n}_{\mathrm{H}2\mathrm{O}}\), a été dérivé par l'équation. (1):

où \(w\) est le poids de H2O dans la graine (37,64 µg/graine), \({N}_{\mathrm{A}}\) est la constante d'Avogadro (6,022 × 1023/mol) et \(M\) est la masse molaire de H2O (18 g/mol). La surface des graines était de 0,393 ± 0,00374 × 10–6 m2 (n = 290) et le volume des graines était de 0,393 × 10–9 m3/graine, en supposant une épaisseur de 1 mm. Le volume de NO \(({n}_{\mathrm{NO}})\) et H2O (\({n}_{\mathrm{H}2\mathrm{O}})\) dans la graine était de 2,594 × 109 et 1,259 × 1018, respectivement. Lorsque NO a réagi avec H2O dans la graine, deux molécules de NO et une molécule de H2O ont été consommées pour porter NO2− et NO3−, comme le montre R22. Par conséquent, même si NO réagissait complètement avec H2O, il resterait suffisamment de H2O dans les graines. Compte tenu de la forte densité de NO dans un environnement stable riche en (O2 et H2O), il est conclu que la voie d'introduction de NO3− dans les graines par irradiation au plasma impliquait principalement une réaction (R22). D'autre part, selon Sakiyama et al.39, NO2− réagit avec NO et produit NO− et NO2 par la réaction suivante46.

NO− réagit avec M, O2 et NO et produit NO, O2− et e par les réactions suivantes47.

NO est impliqué dans R22. O2− réagit avec N2 et O2 et produit e par les réactions suivantes41.

L'électron e réagit avec NO et O2 et produit NO− et O2− par les réactions suivantes39,41.

NO− et O2− sont impliqués par des réactions de R24-26 et R27, 28, respectivement.

Les figures 2 et 4 suggèrent que l'irradiation au plasma n'a pas affecté la composition qualitative des graines. Par conséquent, les effets physiques de l'irradiation au plasma sur les conditions de surface du tégument ont été étudiés à l'aide des images de microscopie électronique à balayage (MEB). La figure 6 montre une image SEM typique obtenue (a) avant et (b) après l'irradiation au plasma. La surface observée était le côté sur lequel le plasma était irradié. Les graines ont été irradiées avec du plasma pendant 10 min, ce qui était deux fois plus long que la période de conditionnement des graines pour la spectroscopie de masse. Les graines de laitue sont composées d'une couche externe, appelée péricarpe en tant que tégument et tégument, d'endosperme et d'embryon en tant qu'organite interne48. Un péricarpe typique a été observé dans les graines utilisées dans cette étude, comme le montre la figure 6a. Le péricarpe est resté intact après l'irradiation au plasma, comme le montre la figure 6b. Il est composé d'une matrice extracellulaire complexe et dynamique constituée d'un réseau de polymères glucidiques (cellulose, hémicellulose et pectine) et de protéines structurales48. Les espèces chimiques produites par le plasma, telles que O3, peuvent cliver ou dimériser la double liaison carbone-carbone (C=C) de l'alcène49, y compris les acides gras insaturés dans les graines de laitue, suivie d'une perte de C=C. La spectroscopie Raman a été utilisée pour évaluer un tel dommage chimique sur la graine par irradiation au plasma. Un spectre Raman typique à 980–1970 cm−1 de graines de laitue sans plasma est illustré à la Fig. S1. On peut trouver un pic à 1609 cm−1, correspondant au pic C=C qui est attribué à la lignine et au flavonoïde (Fig. S1).

Image SEM de la même graine (a) avant irradiation au plasma et (b) après irradiation au plasma pendant 10 min.

La spectroscopie Raman a révélé que le pic de la double liaison carbone-carbone (C = C) attribué à la lignine et au flavonoïde ne changeait pas après une irradiation au plasma pendant 5 et 10 min (Fig. S2). Les espèces chimiques produites par le plasma, telles que O3, peuvent cliver ou dimériser le C=C de l'alcène49, y compris les acides gras insaturés dans les graines de laitue, suivi d'une perte de C=C, mais un tel effet est indétectable. Ces résultats suggèrent que l'irradiation au plasma peut introduire du NO3− sans dommage chimique ou physique aux graines.

Dans cette étude, nous avons développé une méthode de détection du NO3− introduit dans les graines de laitue sèches par irradiation au plasma à l'aide de LC-ESI QMS. A ce jour, seule la quantité de RONS dans la phase gazeuse et la solution a été évaluée ; c'est la première fois que des RONS introduits par plasma dans les semences traitées sont détectés. Comme le mécanisme moléculaire de la réponse cellulaire de la graine au NO3− qui y est introduit de manière exogène est toujours à l'étude, le NO3− reste l'une des molécules les plus importantes en termes de physiologie de la graine30. Jusqu'à présent, la seule méthode d'administration exogène de NO3- dans les graines a été de les immerger dans une solution de KNO3. Cependant, le plasma nous permet d'introduire NO3− sans avoir besoin d'eau ou de contre-ions. L'évaluation quantitative de la quantité de NO3− introduite dans les graines par irradiation plasma est déterminante dans l'apport de la science du plasma à la biologie moléculaire végétale et la discussion quantitative du mécanisme d'induction de la germination par irradiation plasma.

Des graines de laitue (Lactuca sativa L.) ont été achetées à Asahi Farm, au Japon. L'utilisation expérimentale de matériel végétal a été réalisée avec l'autorisation d'Asahi Farm. Les graines ont été irradiées avec du plasma à l'aide d'une électrode à décharge diélectrique évolutive (SDBD)21. Les caractéristiques du plasma utilisé dans cette étude ont été discutées dans un précédent article9. L'irradiation au plasma a été réalisée à 24 ° C en utilisant 55% Rh. Pour la détection de NO3−, 80 graines de laitue ont été irradiées simultanément sous une seule exposition au plasma. Le temps d'irradiation a été déterminé à 5 min sur la base des caractéristiques de germination des graines à 0, 1, 3 et 5 min d'irradiation au plasma. Le test de germination a été réalisé avec 30 graines semées sur un filtre en papier dans une boîte de Pétri, avec 3 ml d'eau du robinet dans une chambre climatique à 22 ° C sous un cycle de lumière et d'obscurité de 12 h chaque jour. Le nombre de graines germées a été compté toutes les 12 h après leur imbibition pendant 48 h. Le % de germination a été calculé en divisant le nombre de graines germées par le nombre total de graines dans la boîte de Petri. Toutes les méthodes ont été réalisées conformément aux directives et réglementations en vigueur.

Vingt graines ont été utilisées pour obtenir un échantillon d'extrait de graines dans la procédure suivante : Les graines ont été pulvérisées avec des billes dans un tube de 2,0 ml (Eppendorf) à l'aide d'un broyeur automatique à 2800 tr/min pendant 3 min. L'extraction des graines a été réalisée en secouant l'échantillon pulvérisé avec 50 µL d'eau ultrapure par mg d'échantillon à température ambiante pendant 120 min dans des conditions sombres. L'extrait de graine a été filtré à l'aide d'un filtre à membrane pour éliminer les particules.

Nous avons utilisé ESI QMS (G6470A, Agilent) pour détecter NO3− dans les graines, avec une phase mobile d'acétate d'ammonium 3,75 mM dans 70 % H2O/30 % acétonitrile. Le profil de la phase mobile était de 0,2 mL/min pour ESI QMS et de 0,4 mL/min pour LC-ESI QMS. Le volume d'injection était de 5 µL. L'ionisation a été réalisée en mode négatif de l'ESI avec une tension capillaire de 4000 V, une température de gaz turbo de 300 ° C; et tension de fragmenteur de 50 V. Agilent Infinity II, y compris LC (G7116A, Agilent) - MWD (G7165A, Agilent) ont été utilisés pour l'identification et l'analyse quantitative. Acclaim Trinity (P1, Thermo Fisher) a été utilisée comme colonne pour LC. De l'eau ultra pure de qualité LC a été utilisée pour la dilution de l'échantillon. Le réactif standard NO3− a été acheté chez FUJIFILM Wako.

Le modèle numérique 1D a été développé à l'aide de COMSOL Multiphysics 5.4, un logiciel de simulation polyvalent. Les électrons existent dans la région du plasma à une densité numérique constante de 1015 m−3, comme décrit dans nos travaux antérieurs35. Nous avons considéré la distribution des particules uniquement dans la direction x (5 mm), normale à la surface des graines. Nous avons supposé Te = 1 eV et Tg = 300 K. Pour la simulation, H2O, O2 et N2 étaient en fractions de 0,01, 0,21 et 0,78, respectivement. Comme mentionné dans un article précédent, une valeur de coefficient de 10−5 m2/s a été utilisée pour cette espèce39. La simulation a été réalisée pendant 1000 s pour déterminer la diffusion des espèces réactives. Toutes les voies de réaction et les constantes de vitesse ont été tirées des travaux de Sakiyama et al.39.

Des images de microscopie électronique à balayage (SEM) ont été obtenues à l'aide du Hitachi S-3400 N, qui a un courant d'émission de 93 μA et une tension d'accélération de 15 kV.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs remercient le professeur Takeshi Onodera de la Faculté des sciences de l'information et de génie électrique de l'Université de Kyushu pour avoir fourni le SEM. Nous remercions également le professeur Nozomi Takeuchi pour son assistance technique et ses encouragements. Ce travail a été soutenu par le programme QR (Qdai-jump Research Program) 01255 et la Japan Society of the Promotion of Science (JSPS)-KAKENHI Grant Number JP20H01893, JP19K14700 et JP22K03586. En outre, il a été en partie soutenu par le programme de transfert de technologie adaptable et transparent via la R&D axée sur les objectifs (A-STEP) de l'Agence japonaise pour la science et la technologie (JST) Grant Number JPMJTR20RU, JSPS Core-to-Core Program JPJSCCA2019002, JSPS KAKENHI Grant Numbers JP16H03895, JP19H05462, JP21H04451, JP20K144 54, Plasma Bio Consortium et Centre des sciences du plasma à basse température, Université de Nagoya.

Faculté des sciences de l'information et de génie électrique, Université de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japon

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

Centre d'ingénierie des nano-interfaces plasma, Université de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japon

Pankaj Attri et Yuichi Tsukada

Faculté d'agriculture, Université de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japon

Yushi Ishibashi

Faculté des sciences et de la technologie, Département des sciences biologiques appliquées, Université des sciences de Tokyo, Chiba, 278-8510, Japon

Kazuyuki Kuchitsu

Center for Novel Science Initiatives, Instituts nationaux des sciences naturelles, Tokyo, 105-0001, Japon

Kazunori Koga

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TO et K.Koga ont conçu l'étude, préparé et caractérisé les échantillons, et rédigé le manuscrit. TO a réalisé les expériences. TO, K.Koga, AP et K.Kamataki ont discuté des simulations de réactions chimiques. TO, K.Koga, YT, YI et K.Kuchitsu ont discuté de l'importance biologique de l'introduction d'ions nitrate. TO, K.Koga, NI, NY et MS ont discuté des réactions chimiques en phase gazeuse. TO, K.Koga, AP et MS ont discuté de l'organisation du manuscrit.

Correspondance avec Takamasa Okumura.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Okumura, T., Attri, P., Kamataki, K. et al. Détection du NO3− introduit dans les graines de laitue sèches irradiées au plasma à l'aide de la spectrométrie de masse quantique à ionisation par chromatographie liquide-électrospray (LC-ESI QMS). Sci Rep 12, 12525 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16641-1

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Reçu : 26 mars 2022

Accepté : 13 juillet 2022

Publié: 22 juillet 2022

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

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