Espectroscopía de absorción por reflexión interna total (TIRAS) para la detección de Solvated electrones en un Plasma líquido interfaz

El objetivo general de este experimento es detectar directamente electrones solvatados en la interfaz plasma-líquido. Este método puede ayudar a responder preguntas importantes sobre la química de los radicales libres creada por un plasma en contacto con una solución acuosa. La principal ventaja de esta técnica es que proporciona una medición directa de un radical libre de vida corta, el electrón solvatado, a través de su absorción de luz.

Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia la medicina, ya que el plasma a baja temperatura se está probando como una forma de tratamiento contra el cáncer. Este método también puede proporcionar información sobre las técnicas de síntesis química, ya que los plasmas de baja temperatura se utilizan en muchos procesos indóciles. Para este método, utilice una celda electroquímica de plasma personalizada, de dos pulgadas de diámetro, con dos ventanas ópticas, en ángulos de aproximadamente 20 grados hacia abajo del plano normal.

Utilice una tapa de celda de PTFE bien ajustada, con cuatro puertos para los electrodos y las líneas de gas. Utilice un ánodo hecho de una pieza de lámina de platino unida a una varilla de acero inoxidable y un cátodo hecho de un capilar de acero inoxidable afilado. Utilice como fuente de luz de espectroscopia de absorción un láser de diodo de 670 nanómetros en línea con un iris ajustable y una lente de 50 milímetros, todo ello montado en un sistema de jaula óptica de 30 milímetros montado en un goniómetro para permitir el ajuste del ángulo de incidencia.

Utilice como fotodetector un fotodiodo de gran área conectado en un circuito de fuga de polarización inversa con un filtro de paso de banda de 670 nanómetros delante del detector. Monte el fotodetector en un segundo goniómetro. Asegúrese de que los goniómetros estén colocados de manera que el láser se dirija a una de las ventanas ópticas de la celda electroquímica y la luz se refleje a través de la otra ventana óptica al fotodetector.

Utilice un circuito de relé de estado sólido para modular la corriente de plasma a una frecuencia portadora de 20 kilohercios, incluido un amplificador de bloqueo para obtener una relación señal-ruido lo suficientemente alta como para detectar las señales absorbentes ópticas extremadamente pequeñas de los electrones solvatados. Por último, diseñe un programa automatizado de recopilación de datos para controlar el instrumento y registrar las señales del amplificador de bloqueo. Para comenzar la configuración, coloque en la celda electroquímica 60 mililitros de una solución 0.163 molar de perclorato de sodio y agua desionizada.

Inserte el ánodo de lámina de platino en la tapa de la celda electroquímica y coloque la tapa en la celda. Inserte el ánodo de lámina de platino en la tapa de la celda electroquímica. Sumerja el ánodo aproximadamente un centímetro por debajo de la superficie de la solución.

Asegúrese de que solo la lámina de platino entre en contacto con la solución. Luego, conecte el extremo romo del capilar del electrodo de plasma de acero inoxidable a una línea de gas argón a través de un medidor de flujo másico. Inserte el extremo afilado del capilar de plasma a través de la tapa de modo que la punta esté aproximadamente uno o dos milímetros por encima de la superficie de la solución.

Confirme la distancia entre la solución y la punta capilar con una cámara. A continuación, conecte una manguera estrecha a una línea de gas argón a través de otro caudalímetro másico. Inserte la manguera a través de uno de los puertos de la tapa de la celda electroquímica para que sirva como línea de purga.

Deje el cuarto puerto sin obstrucciones como ventilación. Asegúrese de que la tapa no se mueva durante el experimento. Luego complete el circuito electroquímico conectando el capilar a la fuente de voltaje y el ánodo a tierra.

Purgue la celda con argón a 250 centímetros cúbicos por minuto durante al menos cinco minutos antes de preceder. A continuación, ajuste el flujo de gas argón a través del capilar de plasma a unos diez centímetros cúbicos por minuto. Encienda el láser de diodo y alinee el láser para que golpee la interfaz de líquido de plasma como lo indica la luz que se dispersa del hoyuelo por el flujo de argón.

Detenga el flujo de argón a través del capilar y espere a que el punto láser vuelva a su tamaño normal. Deje que el argón fluya a través de la línea de purga principal a 250 centímetros cúbicos por minuto. Alinee el fotodetector de modo que el reflejo del láser incida en el centro del detector.

Conecte la salida del fotodetector a un voltímetro. Y mida el voltaje producido por la señal absorbente del láser. Registre el voltaje que se utilizará más adelante para normalizar los datos de absorbancia del amplificador de bloqueo.

El amplificador de bloqueo mide esencialmente un voltaje de CA del fotodetector. Este voltaje debe normalizarse por la intensidad absoluta del láser, medida como el desplazamiento de CC del detector. A continuación, conecte la salida del fotodetector a la entrada del amplificador de bloqueo.

Conecte la salida lógica del transistor del generador de funciones a la entrada de frecuencia del amplificador de bloqueo. Encienda el generador de funciones, bloquee el amplificador y la fuente de alimentación de alto voltaje. Asegúrese de que los instrumentos se comuniquen con el programa de recopilación de datos y que el amplificador de bloqueo esté bloqueado con una señal a la frecuencia portadora de 20 kilohercios.

Inicie el experimento y monitoree el sistema a medida que el láser se enciende automáticamente y el plasma se enciende. Observe las señales registradas, ya que los datos de estado estacionario se registran tanto con como sin el láser. Solo esperamos ver la absorbencia óptica de los electrones del solvato cuando el láser y el plasma están encendidos.

Por lo tanto, la señal con solo el láser y sin plasma, o viceversa, debería ser relativamente pequeña en comparación. Una vez finalizada la recopilación automatizada de datos, promedie los datos, reste el ruido y calcule la concentración de electrones solvatados en la solución a lo largo del tiempo. La información sobre la amplitud y la fase en relación con el circuito de conmutación se obtuvo de los componentes coseno y seno de la señal absorbente, o x e y.

La amplitud de la señal podría utilizarse para estimar la concentración de electrones solvatados y las constantes de velocidad de reacción de varias especies químicas. La amplitud de la absorbancia fue de aproximadamente 10 partes por millón, lo que enfatiza la necesidad de una relación señal/ruido lo suficientemente grande para un experimento exitoso. Si un ruido desconocido afecta significativamente a la señal, lo mejor es descartar los datos y repetir el experimento.

Una vez dominado, una medición con este procedimiento no debería llevar más de 30 minutos. Es fundamental proporcionar una atmósfera inerte, como el argón, y alinear correctamente el láser. Trazas de oxígeno pueden apagar rápidamente los electrones libres en el plasma y evitar que entren en la solución.

También debe tenerse en cuenta que este método no mide directamente la concentración de electrones solvatados. Más bien, mide la amplitud de CA de la absorbancia óptica, que es proporcional a la amplitud de CA de la corriente de plasma de 20 kilohercios. Después de su desarrollo, esta técnica ha proporcionado importantes conocimientos sobre la cinética de reacción rápida de los electrones solvato en una interfaz de plasma líquido.

Con el tiempo, nos gustaría extender esto a otros radicales libres producidos por plasmas en contacto con líquidos. Por último, no olvide que trabajar con altos voltajes puede ser peligroso. Se deben tomar precauciones como la conexión a tierra de la mesa óptica y otros equipos antes de realizar este procedimiento.