Spectroscopie d’Absorption de réflexion totale interne (TIRAS) pour la détection des électrons solvatés à une Interface de Plasma-liquide

L’objectif global de cette expérience est de détecter directement les électrons solvatés dans l’interface plasma-liquide. Cette méthode peut aider à répondre à des questions importantes concernant la chimie des radicaux libres créée par un plasma au contact d’une solution aqueuse. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet de mesurer directement un radical libre à courte durée de vie, l’électron solvaté, grâce à son absorption de lumière.

Les implications de cette technique s’étendent à la médecine, car le plasma à basse température est maintenant testé comme forme de traitement du cancer. Cette méthode peut également donner un aperçu des techniques de synthèse chimique, car les plasmas à basse température sont utilisés dans de nombreux processus indociles. Pour cette méthode, utilisez une cellule électrochimique à plasma personnalisée, de deux pouces de diamètre, avec deux fenêtres optiques, à des angles d’environ 20 degrés par rapport au plan normal.

Utilisez un couvercle de cellule en PTFE bien ajusté, avec quatre ports pour les électrodes et les conduites de gaz. Utilisez une anode faite d’un morceau de feuille de platine attaché à une tige en acier inoxydable et une cathode faite d’un capillaire en acier inoxydable aiguisé. Utilisez comme source lumineuse de spectroscopie d’absorption un laser à diode de 670 nanomètres en ligne avec un iris réglable et une lentille de 50 millimètres, le tout monté dans un système de cage optique de 30 millimètres monté sur goniomètre pour permettre le réglage de l’angle d’incidence.

Utilisez comme photodétecteur une photodiode de grande surface câblée dans un circuit de fuite de polarisation inverse avec un filtre passe-bande de 670 nanomètres devant le détecteur. Montez le photodétecteur sur un deuxième goniomètre. Assurez-vous que les goniomètres sont positionnés de manière à ce que le laser soit dirigé dans l’une des fenêtres optiques de la cellule électrochimique et que la lumière soit réfléchie à travers l’autre fenêtre optique vers le photodétecteur.

Utilisez un circuit de relais à semi-conducteurs pour moduler le courant plasma à une fréquence porteuse de 20 kilohertz, y compris un amplificateur à verrouillage pour obtenir un rapport signal/bruit suffisamment élevé pour détecter les signaux absorbants optiques extrêmement petits des électrons solvatés. Enfin, concevez un programme de collecte de données automatisé pour contrôler l’instrument et enregistrer les signaux de l’amplificateur de verrouillage. Pour commencer la mise en place, placez dans la cellule électrochimique 60 millilitres d’une solution de 0,163 molaire de perchlorate de sodium et d’eau déminéralisée.

Insérez l’anode en feuille de platine dans le couvercle de la cellule électrochimique et placez le couvercle sur la cellule. Insérez l’anode en feuille de platine dans le couvercle de la pile électrochimique. Immergez l’anode à environ un centimètre sous la surface de la solution.

Assurez-vous que seule la feuille de platine entre en contact avec la solution. Ensuite, connectez l’extrémité émoussée du capillaire de l’électrode plasma en acier inoxydable à une conduite de gaz argon via un débitmètre massique. Insérez l’extrémité pointue du capillaire de plasma à travers le couvercle de sorte que le point soit à environ un à deux millimètres au-dessus de la surface de la solution.

Confirmez la distance entre la solution et l’embout capillaire à l’aide d’une caméra. Raccordez ensuite un tuyau étroit à une conduite de gaz argon via un autre débitmètre massique. Insérez le tuyau dans l’un des orifices du couvercle de la cellule électrochimique pour servir de ligne de purge.

Laissez le quatrième port dégagé comme un évent. Assurez-vous que le couvercle ne bouge pas pendant l’expérience. Complétez ensuite le circuit électrochimique en connectant le capillaire à la source de tension et l’anode à la terre.

Purgez la cellule avec de l’argon à 250 centimètres cubes par minute pendant au moins cinq minutes avant de la précéder. Réglez ensuite le débit de gaz argon à travers le capillaire du plasma à environ dix centimètres cubes par minute. Allumez le laser à diode et alignez-le de manière à ce qu’il frappe l’interface liquide du plasma, comme l’indique la lumière diffusée par la fossette par le flux d’argon.

Arrêtez l’écoulement de l’argon à travers le capillaire et attendez que le point laser revienne à sa taille normale. Laissez l’argon s’écouler dans la conduite de purge principale à 250 centimètres cubes par minute. Alignez le photodétecteur de manière à ce que la réflexion laser atteigne le centre du détecteur.

Connectez la sortie du photodétecteur à un voltmètre. Et mesurer la tension produite par le signal absorbant par le laser. Enregistrez la tension à utiliser ultérieurement pour normaliser les données d’absorbance de l’amplificateur de verrouillage.

L’amplificateur de verrouillage mesure essentiellement une tension alternative du photodétecteur. Cette tension doit être normalisée par l’intensité absolue du laser, mesurée comme le décalage DC du détecteur. Ensuite, connectez la sortie du photodétecteur à l’entrée de l’amplificateur de verrouillage.

Connectez la sortie logique du transistor du générateur de fonctions à l’entrée de fréquence de l’amplificateur de verrouillage. Allumez le générateur de fonctions, verrouillez l’amplificateur et l’alimentation haute tension. Assurez-vous que les instruments communiquent avec le programme de collecte de données et que l’amplificateur de verrouillage est verrouillé avec un signal à la fréquence porteuse de 20 kilohertz.

Lancez l’expérience et surveillez le système pendant que le laser s’allume automatiquement et que le plasma s’allume. Observez les signaux enregistrés, car les données à l’état stationnaire sont enregistrées avec et sans le laser. Nous ne nous attendons à voir l’absorbance optique des électrons de solvatation que lorsque le laser et le plasma sont tous deux allumés.

Par conséquent, le signal avec uniquement le laser et pas de plasma, ou vice versa, devrait être relativement faible en comparaison. Une fois la collecte automatisée des données terminée, faites la moyenne des données, soustrayez le bruit et calculez la concentration d’électrons solvatés dans la solution au fil du temps. Des informations sur l’amplitude et la phase par rapport au circuit de commutation ont été obtenues à partir des composantes cosinus et sinus du signal absorbant, ou x et y.

L’amplitude du signal pourrait ensuite être utilisée pour estimer la concentration d’électrons solvatés et les constantes de vitesse de réaction de diverses espèces chimiques. L’amplitude de l’absorbance était d’environ 10 parties par million, ce qui souligne la nécessité d’un rapport signal/bruit suffisamment élevé pour une expérience réussie. Si un bruit inconnu affecte considérablement le signal, il est préférable d’ignorer les données et de répéter l’expérience.

Une fois maîtrisée, une mesure avec cette procédure ne devrait pas prendre plus de 30 minutes. Il est essentiel de fournir une atmosphère inerte telle que l’argon et d’aligner correctement le laser. Des traces d’oxygène peuvent rapidement éteindre les électrons libres dans le plasma et les empêcher de pénétrer dans la solution.

Il convient également de noter que cette méthode ne mesure pas directement la concentration d’électrons solvatés. Il mesure plutôt l’amplitude AC de l’absorbance optique, qui est proportionnelle à l’amplitude AC du courant plasma de 20 kilohertz. Après son développement, cette technique a permis de mieux comprendre la cinétique de réaction rapide des électrons de solvate à l’interface d’un plasma liquide.

Nous aimerions à terme l’étendre à d’autres radicaux libres produits par les plasmas en contact avec des liquides. Enfin, n’oubliez pas que travailler avec des tensions élevées peut être dangereux. Des précautions telles que la mise à la terre de la table optique et d’autres équipements doivent être prises avant d’effectuer cette procédure.