ניסויי להבה במקור האור מתקדם: תובנה חדשות על תהליכי היווצרות פיח
26 במאי 2014
דגימת גז מלהבות מעבדה בקנה מידה עם ניתוח באינטרנט של כל המינים על ידי ספקטרומטריית מסה היא שיטה רבת עוצמה כדי לחקור את התערובת המורכבת של תרכובות כימיות המתרחשות בתהליכי בעירה. יחד עם יינון רך מתכונן באמצעות קרינת ואקום אולטרה סגול-סינכרוטרון שנוצר, בטכניקה זו מספקת מידע נפתר האיזומר ואפשרות ללא בר ספקטרום המוני.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לנתח את ההרכב הכימי של להבות פחמימנים בקנה מידה מעבדתי, כדי לפתח הבנה מפורטת של היווצרות כזו בסביבות בעירה. זה מושג על ידי הקמת להבות מעורבבות מראש מיוצבות מבער בלחץ מופחת של כ-20 עד 80 מיליבר. השלב השני הוא להוציא גזים מהלהבות הללו ולאחר מכן לקבוע את הזהות הכימית של המינים שנדגמו על ידי שימוש בספקטרומטר מסה של זמן טיסה שנבנה בהתאמה אישית עם יינון פוטו אולטרה סגול ואקום.
לאחר מכן, ריכוז המינים הללו נקבע כפונקציה של מרחק מהמבער. השלב האחרון הוא להשתמש בגישה דומה כדי לחקור את ההרכב הכימי של הבעירה הנוצרת, כלומר חלקיקים, שהם התוצאות של תהליכי היווצרות פאזות הגז. בסופו של דבר, ספקטרומטריית מסה של דגימת להבה עם אולטרה סגול ואקום.
יינון פוטו משמש כדי להראות שרדיקלים מייצבי תהודה הם מתווכים חשובים, וכי מנגנון פשוט אחד אינו יכול להסביר את כל רכיבי הפיח שנצפו. בעוד ששיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי תהליכי בעירה, ניתן להשתמש בה גם לחקר כימיה אטמוספרית, דינמיקה מולקולרית וקינטיקה בין היתר. ראשית, קבע זרימה של ליטר אחד לדקה של ארגון וזרימה של 1.5 ליטר לדקה של חמצן דרך משטח המבער, ושמור על לחץ של 80 מיליבר בתא הלהבה.
מקם את מצת החוט החם מעל משטח המבער. לאחר מכן הגדר את זרימת המימן ל-0.4 ליטר לדקה והפעל במהירות את המצת לאחר ההצתה. כבה את מצת החוט החם ומקם אותו מחדש הרחק מהמבער.
לאחר מכן, קבע את הזרימות הרצויות של חמצן ארגון, מימן ודלק. כוונן את הלחץ כך שיתאים לתנאי להבת המטרה, שהיא בדרך כלל בין 20 ל-40 מיליבר כאשר הלחץ בתא היינון קטן או שווה ל-10 למינוס שישה מיליבר. הפעל את המתחים על אופטיקת היונים של ספקטרומטר המסה של זמן הטיסה וגלאי צלחת מיקרו-ערוץ, ופתח את שסתומי קו האלומה.
הפעל את המעבדה view תוכנית רכישת נתונים ממשק כללי vi והעבר את המבער למיקום הרצוי באמצעות לשונית המנוע בתוכנה. לאחר מכן, השתמש בכרטיסייה כללי כדי להגדיר את פרמטרי הסריקה או את מספר הצעדים לכל אלקטרון וולט של אנרגיית פוטון. לאחר מכן, השתמש בכרטיסייה A LS כדי להגדיר את אנרגיית הפוטון לערך ההתחלה הרצוי ולהגדיר את אנרגיית ה-LS שתהיה פעילה בכרטיסייה P 78 86.
השתמש בלחצן הגדר פרמטרים כדי להגדיר את מספר הסריקות, מספר הסלים ורוחב הסל. לאחר מכן הזן נתיב קובץ חוקי ושם ולחץ על התחל כדי להתחיל בתהליך רכישת הנתונים של בקרת המחשב. לרכישת סריקות המבער, הפעל את המתחים כמו סריקות האנרגיה על אופטיקת היונים של זמן הטיסה ספקטרומטר מסה וגלאי צלחת מיקרו-ערוץ.
פתח את שסתומי קו האלומה כדי לאפשר לקרן הפוטון להיכנס לתא. לאחר פתיחת הממשק הכללי של תוכנית רכישת הנתונים של LabVIEW vi, השתמש בריצה מתחת ללשונית המנוע כדי להזיז את משטח המבער קרוב ככל האפשר לקונוס הדגימה ולהגדיר את המיקום הזה כמקור. לאחר מכן הגדר את המנוע כפעיל.
השתמש בכרטיסייה כללי כדי להגדיר את פרמטרי הסריקה או את מספר הצעדים למילימטר של תנועת המבער. לאחר מכן, השתמש בלשונית LS כדי להגדיר את אנרגיית הפוטון לערך הרצוי, שהוא בדרך כלל בין שמונה ל-16.65 ברגי אלקטרונים בכרטיסייה P 78 86. השתמש בכפתור הגדרת הפרמטרים כדי להפעיל מכשיר וירטואלי תת-וירטואלי כדי להגדיר את מספר הסריקות או את מספר ספקטרום המסה שנוספו זה על גבי זה בכל מיקום צורב, מספר הפחים ורוחב הפח.
לאחר מכן, ספק נתיב קובץ חוקי ושם ולחץ על התחל כדי להתחיל בתהליך רכישת הנתונים האוטומטי RAAs עבור ניסוי התרסיס שבו נעשה שימוש בלהבות זרימה מתנגדות. כדי להתחיל, מלאו את תא הלהבה בארגון והעלו את הלחץ לכ- 860 מיליבר. הפעל סליל מצת בערך במרכז שני שקעי המבערים.
הגדר את זרם המחמצן ל-0.3 ליטר לדקה עבור חמצן ו-1.6 ליטר לדקה עבור ארגון ואת זרימת זרם המחמצן ל-2.5 ליטר לדקה עבור ארגון. לאחר מכן הגדר את זרם הדלק ל-0.3 ליטר לדקה עבור מימן ו-2.5 ליטר לדקה עבור ארגון ואת זרימת זרם הדלק ל-2.5 ליטר לדקה. עבור ארגון, פתח את שסתומי המימן והחמצן והפעל מיד את סליל ההצתה.
לאחר שהלהבה נדלקת, כבה את סליל ההצתה ומשוך אותו. בשלב זה, קבע את הזרימות הרצויות של חמצן, ארגון ודלק. כבה את זרימת המימן והגדר את הפרדת הלחץ ויציאת המגיב לערכים הרצויים.
ללהבת המטרה. הפעל את המתחים המתאימים על אופטיקת היונים והגלאי של ספקטרומטר המסה של האירוסול. לאחר מכן פתח את תוכנית רכישת הנתונים של תצוגת המעבדה ממשק כללי התנגדה לזרימה vi.
השתמש ביישום הריצה בלשונית המנוע כדי לתרגם את מבער הזרימה הנגדי כך שחיידק הקוורץ יהיה במיקום הקרוב ביותר לשקע זרם הדלק. במצב זה, אפס את מיקום צעד המנוע לאפס. לאחר מכן.
פתח לאט את שסתום הכדור ברבע סיבוב המאפשר זרימה מקו דגימת הלהבה לעדשה האווירודינמית או למערכת DL. ודא שהלחץ ביציאת ה-A DL הוא קרוב ל-1 כפול 10 לשני המיליבר השליליים. השתמש בכרטיסייה כללי כדי להגדיר את פרמטרי הסריקה או את מספר הצעדים למילימטר של תנועת מבער או אנרגיית פוטון.
השתמש בלשונית LS כדי להגדיר את אנרגיית הפוטון הרצויה והשתמש בלשונית המנוע כדי להזיז את המבער למצב המבער הרצוי. לאחר מכן, השתמש בכרטיסייה P 78 86 ובכפתור הגדרת הפרמטרים שבה. כדי להגדיר את פרמטרי הרכישה, הגדר את אנרגיית המנוע או ה-LS להיות פעילה.
הכנס נתיב קובץ חוקי ושם בשדות המתאימים ולחץ על התחל כדי לרכוש את ספקטרום המסה של האירוסול. ספקטרום מסה טיפוסי של גזים שנדגמו להבה מהמבער המעורבב מראש בלחץ נמוך מוצג כאן. זהות המינים התורמים לאות נחשפת על ידי יעילות יינון הצילום שנדגמה על ידי הלהבה או עקומות PIE עבור כל יחס מטען ראשי והשוואתם לאנרגיות יינון ספציפיות לאיזומר ועקומות PIE.
דוגמאות אופייניות לעקומות PIE שנדגמו על ידי להבה מוצגות כאן. עבור יחס טעינה ראשי שווה ל-39 ו-41. הנתונים נלקחים מלהבת פרופאן מטרית סטויה.
האות מזוהה באופן חד משמעי על ידי ספי היינון האופייניים שלהם שמקורו ברדיקלים האראליים והאללים המיוצבים. עבור ערכי יחס מטען ראשיים רבים, איזומרים מרובים מזוהים באופן שגרתי על ידי התבוננות במספר ספים. דוגמאות רבות נדונו בהרחבה בספרות.
לדוגמה, יחס הטעינה הראשי שווה ל-40 עבור אלן ופרופאן, 44 עבור אתנול ואצטאלדהיד 54 עבור אחד, שלושה בוטאדיאן, בוטאן אחד ושני בוטאן או 78 עבור פולין ובנזן. לאחר שהרכב האיזומר ידוע, ספקטרום המסה נלקח באנרגיות פוטון שונות ומתוך מיקומים שונים בלהבה כדי לאפשר קביעת פרופילי שבר שומה ספציפיים לאיזומר של המין הבודד. כפונקציה של מרחק משטח המבער מוצגים כאן פרופילי שבר שומה מייצגים של פולין ובנזן בלהבת פרופאן גיאומטרית STO מהמבער המעורבב מראש בלחץ נמוך.
עבור כל להבה, בדרך כלל נקבעים בסך הכל 40 עד 50 פרופילי שבר שומה בודדים עבור מינים הנעים בין יחס מטען ראשי שווה לאחד ליחס מטען מאסטר שווה ל-78 או אפילו גבוה יותר, בהתאם למטרות המדעיות. פרופילי שבר שומה אלה משמשים לאחר מכן להערכת יכולות החיזוי של מודלים כימיים של בעירה ולתקף אותם. ספקטרום מסה טיפוסי של אירוסול מוצג כאן, הוא נלקח מתוך אות יון להבה של דיפוזיה של זרימה מנוגדת לפרופאן נצפה עבור מינים עם יחסי מטען ראשיים שנעים בין 150 ל-600 עם שיא בסביבות 202.
זה מעבר ליכולות הניסוי הנוכחיות לזהות את כל המינים שנצפו בספקטרום המסה או לחשוף את היווצרותם האפשרית מסלולים שלוקחים ספקטרום מסה כזה כפונקציה של המרחק מיציאת הדלק כמתואר מספקים פרופילים שנפתרו מרחבית. דוגמה מייצגת מוצגת כאן עבור יחס מטען המסה שווה ל-256. ניתן להשיג פרופילים דומים גם עבור כל אחד מהמינים האחרים, אשר כתוצאה מכך יכולים לשמש כיעדי אימות לכל מודל כימי בעירה.
לאחר השליטה, מפעיל מיומן יכול להשתמש בטכניקה זו כדי להקליט סט שלם של נתוני להבה תוך מספר שעות בלבד.
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה לניתוח ההרכב הכימי של להבות פחמימנים בקנה מידה מעבדתי באמצעות ספקטרומטריית מסות. הטכניקה מספקת מידע ברזולוציית איזומרים ותובנות לגבי תהליכי בעירה וכימיה אטמוספרית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- ניתוח כימי
- מדע הבעירה
- ספקטרומטריית מסות
רקע
- הבנת תהליכי בעירה היא קריטית עבור יישומים שונים.
- ספקטרומטריית מסות מאפשרת ניתוח כימי מפורט של גזי בעירה.
- פוטו-יינון באולטרה-סגול בואקום (Vacuum ultraviolet photoionization) משפר את הרזולוציה של ספקטרי מסות.
- רדיקלים מיוצבים באמצעות תהודה ממלאים תפקיד משמעותי בכימיה של בעירה.
מטרת המחקר
- ניתוח ההרכב הכימי של להבות פחמימנים.
- חקירת היווצרות של חלקיקים הנוצרים בתהליךה הבעירה.
- מתן תובנות לגבי כימיה אטמוספרית ודינמיקה מולקולרית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הקמה של להבות תערובת מוקדמות המיוצבות על ידי מבער תחת לחץ מופחת.
- שימוש בספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוף (time-of-flight) שנבנה בהתאמה לצורך האנליזה.
- קביעת ריכוזי מינים כפונקציה של המרחק מהמבער.
- ביצוע ניסויים לחקר ספקטרום מסות של אירוסול מלהבות.
תוצאות עיקריות
- זיהוי מינים מרכזיים התורמים לתהליכי בעירה.
- הדגמה של חשיבותם של רדיקלים מיוצבים בתהודה.
- הוכחה כי מנגנון יחיד אינו יכול להסביר את כל מרכיבי הפיח.
- אספקה של שיטה ישימה הן למחקרי בעירה והן למחקרי אטמוספירה.
מסקנות
- השיטה שפותחה מספקת תובנות מפורטות לגבי כימיית הבערה.
- ספקטרומטריית מסות עם יינון בעזרת קרינה בעלת על-סגול בואקום יעילה עבור תערובות מורכבות.
- מחקרים נוספים עשויים להעמיק את ההבנה של אינטראקציות בין בערה לאטמוספירה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו מאפשרת ניתוח מפורט ברמה המולקולרית של תוצרי ביניים של בעירה ומקדימי פיח, ובכך מספקת תובנות מכניסטיות הרלוונטיות למידול חזוי במחקר ופיתוח של אנרגיה וחומרים. על ידי הפרדה של מינים ספציפיים לאיזומרים והטלת ספק על מנגנוני צמיחה מקובלים, היא תומכת בהפחתת סיכונים של היפותזות במערכות תגובה מורכבות. גישה זו מציעה פלטפורמה ניתנת להרחבה לתיקוף מודלים של קינטיקה כימית המשמשים בתכנון דלק ובאסטרטגיות להפחתת פליטות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של נתיבי תגובה וזיהוי של תוצרי ביניים רדיקליים מרכזיים בתערובות מורכבות.
- ערך תפעולי: מספק נתונים כמותיים ברזולוציית איזומרים לתמיכה בתיקוף מטרה במחקרי מנגנונים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר פרופילים בעלי רגישות גבוהה וספציפיים לאיזומרים, המתאימים לסטנדרטיזציה של בדיקות ולהערכת הדירות.
- ערך תפעולי: תומך בפיתוח של קריאות כמותיות למסעות סריקה הכוללים מינים נטפים או רגישים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מספק מיפוי כימי ברזולוציה מרחבית המתואם עם תנאי התהליך, ובכך מסייע להמשכיות תרגומית.
- ערך תפעולי: מאפשר שכפול של פרוטוקולי דגימת להבה במעבדות שונות לצורך תיקוף של מודלים רב-תפקודיים.
שילוב תהליכי עבודה וקווי עיבוד
הטכניקה משתלבת בתהליכי עבודה של גילוי הדורשים הפחתת סיכונים מכניסטיים, במיוחד כאשר הבנת ההיווצרות של תוצרים ביניים ומסלולי התגובה תורמת לכושר הניבוי של המודל.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות באמצעות זיהוי ישיר של תוצרי ביניים חולפים במערכות דינמיות.
- סריקה: מספקת פרופילים כמותיים של ריכוזים ברזולוציית מרחק, המאפשרים השוואת תנאים וניתוח מגמות.
- אנליטיקה: מניבה פרופילים של שברי מול ספציפיים לאיזומרים ועקומות יעילות פוטו-יינוניזציה לצורך תיקוף של מודלים מכניסטיים.
- מחקר תרגומי: מקלה על אקסטרפולציה מלהבות בקנה מידה מעבדתי למערכות בעירה מעשיות באמצעות נתונים בעלי רזולוציה מרחבית.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת יכולת אנליטית הניתנת לשימוש חוזר לצורך חקר תגובות מורכבות בשלב הגז לאורך פרויקטים מרובים.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בניבוי על ידי חשיפת המגבלות של מודלים בעלי מנגנון יחיד ביצירת פיח.
- ערך תפעולי: מבטיח שחזור באמצעות פרוטוקולים סטנדרטיים של דגימת להבה וספקטרומטריית מסות.
- ערך אסטרטגי: מפחית אי-ודאות ביולוגית ומכניסטית בהערכת השערות בשלבים מוקדמים.
- השפעה על פורטפוליו: מספק בסיס להחלטות מותאמות סיכון על ידי תיקוף או הפרכה של נתיבי תגובה נ assumed.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בספקטרומטריית מסות עם פוטואיוניזציה בעוברי-סגול ואקום ובמערכות בקרת להבה.
- תלוי בגישה לקווי קרן של סינכרוטרון ובמכשור מותאם אישית לספקטרומטריית מסות מזמן מעוף.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית עבור פרוטוקולים של ייצוב להבה, דגימה ורכישת נתונים.
- כולל שיקולי התאמה בעת היישום לסוגי דלק שונים או גיאומטריות להבה שונות.
- מוגבל על ידי היכולות הנוכחיות בזיהוי כל המינים בעלי המסה הגבוהה בספקטרום פיח מורכב.
