Totalreflexion Absorption Spectroscopy (TIRAS) zum Nachweis von solvatisierte Elektronen an einer Plasma-Liquid-Schnittstelle

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, solvatisierte Elektronen in der Plasma-Flüssigkeits-Grenzfläche direkt nachzuweisen. Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen zur Chemie der freien Radikale zu beantworten, die durch ein Plasma in Kontakt mit einer wässrigen Lösung erzeugt wird. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie eine direkte Messung eines kurzlebigen freien Radikals, des solvatisierten Elektrons, durch dessen Absorption von Licht ermöglicht.

Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf die Medizin, da Niedertemperaturplasma jetzt als eine Form der Krebsbehandlung getestet wird. Diese Methode kann auch Einblicke in chemische Synthesetechniken geben, da Niedertemperaturplasmen in vielen indosilen Prozessen verwendet werden. Verwenden Sie für diese Methode eine spezielle elektrochemische Plasmazelle mit einem Durchmesser von zwei Zoll und zwei optischen Fenstern in einem Winkel von etwa 20 Grad nach unten von der Normalebene.

Verwenden Sie einen gut sitzenden PTFE-Küvettendeckel mit vier Anschlüssen für die Elektroden und Gasleitungen. Verwenden Sie eine Anode aus einem Stück Platinfolie, die an einem Edelstahlstab befestigt ist, und eine Kathode aus einer geschärften Edelstahlkapillare. Als Lichtquelle für die Absorptionsspektroskopie wird ein 670-Nanometer-Diodenlaser in einer Linie mit einer einstellbaren Blende und einer 50-Millimeter-Linse verwendet, die alle in einem optischen 30-Millimeter-Käfigsystem montiert sind, das auf einem Goniometer montiert ist, um die Einstellung des Einfallswinkels zu ermöglichen.

Verwenden Sie als Fotodetektor eine großflächige Fotodiode, die in einer Sperrsperr-Leckschaltung mit einem 670-Nanometer-Bandpassfilter vor dem Detektor verdrahtet ist. Montieren Sie den Fotodetektor auf einem zweiten Goniometer. Stellen Sie sicher, dass die Goniometer so positioniert sind, dass der Laser in eines der optischen Fenster der elektrochemischen Zelle gerichtet wird und das Licht durch das andere optische Fenster zum Photodetektor reflektiert wird.

Verwenden Sie eine Halbleiterrelaisschaltung, um den Plasmastrom bei einer Trägerfrequenz von 20 Kilohertz zu modulieren, einschließlich eines Lock-in-Verstärkers, um ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten, um die extrem kleinen optischen absorbierenden Signale von solvatisierten Elektronen zu erfassen. Entwerfen Sie schließlich ein automatisiertes Datenerfassungsprogramm, um das Instrument zu steuern und Signale vom Lock-in-Verstärker aufzuzeichnen. Um mit der Einrichtung zu beginnen, geben Sie 60 Milliliter einer 0,163 molaren Lösung aus Natriumperchlorat und entionisiertem Wasser in die elektrochemische Zelle.

Setzen Sie die Platinfolienanode in den elektrochemischen Zelldeckel ein und setzen Sie den Deckel auf die Zelle. Setzen Sie die Platinfolienanode in den Deckel der elektrochemischen Zelle ein. Tauchen Sie die Anode etwa einen Zentimeter unter die Lösungsoberfläche.

Stellen Sie sicher, dass nur die Platinfolie mit der Lösung in Kontakt kommt. Verbinden Sie dann das stumpfe Ende der Plasmaelektrodenkapillare aus Edelstahl über einen Massendurchflussmesser mit einer Argongasleitung. Führen Sie das scharfe Ende der Plasmakapillare durch den Deckel ein, so dass sich die Spitze etwa ein bis zwei Millimeter über der Oberfläche der Lösung befindet.

Bestätigen Sie den Abstand zwischen der Lösung und der Kapillarspitze mit einer Kamera. Verbinden Sie dann einen schmalen Schlauch über einen weiteren Massendurchflussmesser mit einer Argongasleitung. Führen Sie den Schlauch durch einen der Anschlüsse im Deckel der elektrochemischen Zelle ein, um ihn als Spülleitung zu verwenden.

Lassen Sie den vierten Anschluss als Entlüftung frei. Stellen Sie sicher, dass sich der Deckel während des Experiments nicht bewegt. Vervollständigen Sie dann den elektrochemischen Stromkreis, indem Sie die Kapillare mit der Spannungsquelle und die Anode mit der Erde verbinden.

Spülen Sie die Zelle mindestens fünf Minuten lang mit Argon bei 250 Kubikzentimetern pro Minute, bevor Sie fortfahren. Stellen Sie dann den Argongasstrom durch die Plasmakapillare auf etwa zehn Kubikzentimeter pro Minute ein. Schalten Sie den Diodenlaser ein und richten Sie den Laser so aus, dass er auf die Plasmaflüssigkeitsgrenzfläche trifft, was durch das Licht angezeigt wird, das durch den Argonfluss von der Vertiefung gestreut wird.

Stoppen Sie den Fluss von Argon durch die Kapillare und warten Sie, bis der Laserspot wieder seine normale Größe erreicht hat. Lassen Sie Argon mit 250 Kubikzentimetern pro Minute durch die Hauptspülleitung fließen. Richten Sie den Fotodetektor so aus, dass die Laserreflexion auf die Mitte des Detektors trifft.

Verbinden Sie den Ausgang des Fotodetektors mit einem Voltmeter. Und messen Sie die Spannung, die durch das absorbierende Signal des Lasers erzeugt wird. Zeichnen Sie die Spannung auf, die später verwendet werden soll, um die Absorptionsdaten des Lock-in-Verstärkers zu normalisieren.

Der Lock-in-Verstärker misst im Wesentlichen eine Wechselspannung vom Fotodetektor. Diese Spannung muss durch die absolute Intensität des Lasers, gemessen als DC-Offset des Detektors, normiert werden. Verbinden Sie dann den Ausgang des Fotodetektors mit dem Eingang des Lock-in-Verstärkers.

Verbinden Sie den Transistor-Transistor-Logikausgang des Funktionsgenerators mit dem Frequenzeingang des Lock-In-Verstärkers. Schalten Sie den Funktionsgenerator ein, schalten Sie den Verstärker und die Hochspannungsversorgung ein. Stellen Sie sicher, dass die Geräte mit dem Datenerfassungsprogramm kommunizieren und dass der Lock-in-Verstärker mit einem Signal bei einer Trägerfrequenz von 20 Kilohertz gesperrt ist.

Starten Sie das Experiment und überwachen Sie das System, während der Laser automatisch eingeschaltet und das Plasma gezündet wird. Beobachten Sie die aufgezeichneten Signale, da stationäre Daten sowohl mit als auch ohne Laser aufgezeichnet werden. Wir erwarten die optische Absorption von Solvat-Elektronen nur, wenn sowohl der Laser als auch das Plasma eingeschaltet sind.

Daher sollte das Signal nur mit dem Laser und ohne Plasma oder umgekehrt im Vergleich relativ klein sein. Sobald die automatische Datenerfassung abgeschlossen ist, mitteln Sie die Daten, subtrahieren Sie das Rauschen und berechnen Sie die Konzentration der solvatisierten Elektronen in der Lösung im Zeitverlauf. Informationen über Amplitude und Phase relativ zum Schaltkreis wurden aus den Kosinus- und Sinuskomponenten des absorbierenden Signals oder x und y erhalten.

Die Signalamplitude könnte dann verwendet werden, um die Konzentration von solvatisierten Elektronen und Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten verschiedener chemischer Spezies abzuschätzen. Die Amplitude der Absorption betrug etwa 10 Teile pro Million, was die Notwendigkeit eines ausreichend großen Signal-Rausch-Verhältnisses für ein erfolgreiches Experiment unterstreicht. Wenn unbekanntes Rauschen das Signal erheblich beeinflusst, ist es am besten, die Daten zu verwerfen und das Experiment zu wiederholen.

Einmal gemeistert, sollte eine Messung mit diesem Verfahren nicht länger als 30 Minuten dauern. Es ist wichtig, eine inerte Atmosphäre wie Argon bereitzustellen und den Laser richtig auszurichten. Spuren von Sauerstoff können freie Elektronen im Plasma schnell löschen und verhindern, dass sie in die Lösung gelangen.

Es sollte auch beachtet werden, dass diese Methode die Konzentration von solvatisierten Elektronen nicht direkt misst. Vielmehr misst es die AC-Amplitude der optischen Absorption, die proportional zur AC-Amplitude des 20-Kilohertz-Plasmastroms ist. Nach ihrer Entwicklung hat diese Technik wichtige Einblicke in die schnelle Reaktionskinetik von Solvat-Elektronen an einer Plasma-Flüssigkeits-Grenzfläche geliefert.

Wir möchten dies schließlich auf andere freie Radikale ausweiten, die von Plasmen in Kontakt mit Flüssigkeiten erzeugt werden. Vergessen Sie schließlich nicht, dass die Arbeit mit hohen Spannungen gefährlich sein kann. Vor der Durchführung dieses Verfahrens sollten Vorsichtsmaßnahmen wie die Erdung des optischen Tisches und anderer Geräte getroffen werden.