Spettroscopia di assorbimento di riflessione interna totale (TIRAS) per la rilevazione degli elettroni solvatati presso un'interfaccia Plasma-liquido

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di rilevare direttamente gli elettroni solvatati nell'interfaccia plasma-liquido. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande importanti riguardanti la chimica dei radicali liberi creata da un plasma a contatto con una soluzione acquosa. Il vantaggio principale di questa tecnica è che fornisce la misurazione diretta di un radicale libero di breve durata, l'elettrone solvatato, attraverso il suo assorbimento di luce.

Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla medicina, poiché il plasma a bassa temperatura viene ora testato come forma di trattamento del cancro. Questo metodo può anche fornire informazioni sulle tecniche di sintesi chimica, poiché i plasmi a bassa temperatura sono utilizzati in molti processi indocili. Per questo metodo, utilizzare una cella elettrochimica al plasma personalizzata, di due pollici di diametro, con due finestre ottiche, ad angoli di circa 20 gradi rispetto al piano normale.

Utilizzare un coperchio della cella in PTFE ben aderente, con quattro porte per gli elettrodi e le linee del gas. Utilizzare un anodo costituito da un pezzo di lamina di platino attaccato a un'asta di acciaio inossidabile e un catodo costituito da un capillare affilato in acciaio inossidabile. Utilizzare come sorgente luminosa per spettroscopia di assorbimento un laser a diodi da 670 nanometri in linea con un diaframma orientabile e una lente da 50 millimetri, il tutto montato in un sistema a gabbia ottica da 30 millimetri montato su goniometro per consentire la regolazione dell'angolo di incidenza.

Utilizzare come fotorivelatore un fotodiodo di ampia area cablato in un circuito di dispersione a polarizzazione inversa con un filtro passa-banda da 670 nanometri davanti al rivelatore. Montare il fotorilevatore su un secondo goniometro. Assicurarsi che i goniometri siano posizionati in modo che il laser venga diretto in una delle finestre ottiche della cella elettrochimica e la luce venga riflessa attraverso l'altra finestra ottica del fotorilevatore.

Utilizzare un circuito relè a stato solido per modulare la corrente del plasma a una frequenza portante di 20 kilohertz, incluso un amplificatore di blocco per ottenere un rapporto segnale/rumore sufficientemente elevato da rilevare i segnali assorbenti ottici estremamente piccoli degli elettroni solvatati. Infine, è possibile progettare un programma di raccolta dati automatizzato per controllare lo strumento e registrare i segnali dall'amplificatore di blocco. Per iniziare la configurazione, inserire nella cella elettrochimica 60 millilitri di una soluzione molare 0,163 di perclorato di sodio e acqua deionizzata.

Inserire l'anodo a lamina di platino nel coperchio della cella elettrochimica e posizionare il coperchio sulla cella. Inserire l'anodo a lamina di platino nel coperchio della cella elettrochimica. Immergere l'anodo a circa un centimetro sotto la superficie della soluzione.

Assicurarsi che solo la lamina di platino entri in contatto con la soluzione. Quindi, collegare l'estremità smussata del capillare dell'elettrodo al plasma in acciaio inossidabile a una linea di gas argon tramite un misuratore di portata massica. Inserire l'estremità affilata del capillare del plasma attraverso il coperchio in modo che il punto si trovi a circa uno o due millimetri sopra la superficie della soluzione.

Confermare la distanza tra la soluzione e la punta capillare con una telecamera. Quindi collegare un tubo stretto a una linea di gas argon tramite un altro misuratore di portata massica. Inserire il tubo attraverso una delle porte del coperchio della cella elettrochimica per fungere da linea di spurgo.

Lasciare la quarta porta libera come sfiato. Assicurarsi che il coperchio non si muova durante l'esperimento. Completare quindi il circuito elettrochimico collegando il capillare alla sorgente di tensione e l'anodo a terra.

Spurgare la cella con argon a 250 centimetri cubi al minuto per almeno cinque minuti prima di procedere. Quindi impostare il flusso di gas argon attraverso il capillare del plasma a circa dieci centimetri cubi al minuto. Accendere il laser a diodi e allineare il laser in modo che colpisca l'interfaccia del liquido al plasma come indicato dalla luce che viene diffusa dalla fossetta dal flusso di argon.

Arrestare il flusso di argon attraverso il capillare e attendere che lo spot laser torni alle sue dimensioni normali. Lasciare che l'argon scorra attraverso la linea di spurgo principale a 250 centimetri cubi al minuto. Allineare il fotorilevatore in modo che la riflessione laser colpisca il centro del rilevatore.

Collegare l'uscita del fotorilevatore a un voltmetro. E misurare la tensione prodotta dal segnale assorbente dal laser. Registrare la tensione da utilizzare in seguito per normalizzare i dati di assorbanza dall'amplificatore di blocco.

L'amplificatore lock in misura essenzialmente una tensione CA dal fotorilevatore. Questa tensione deve essere normalizzata dall'intensità assoluta del laser, misurata come offset CC del rivelatore. Quindi, collegare l'uscita del fotorilevatore al blocco in ingresso amplificatore.

Collegare l'uscita logica del transistor transistor del generatore di funzioni all'ingresso di frequenza dell'amplificatore di blocco. Accendere il generatore di funzioni, bloccare l'amplificatore e l'alimentatore ad alta tensione. Assicurarsi che gli strumenti siano in comunicazione con il programma di raccolta dati e che l'amplificatore di blocco sia bloccato con un segnale alla frequenza portante di 20 kilohertz.

Avvia l'esperimento e monitora il sistema mentre il laser si accende automaticamente e il plasma si accende. Osservare i segnali registrati, poiché i dati in stato stazionario vengono registrati sia con che senza il laser. Ci aspettiamo di vedere l'assorbenza ottica degli elettroni del solvato solo quando il laser e il plasma sono entrambi accesi.

Pertanto, il segnale con solo il laser e senza plasma, o viceversa, dovrebbe essere relativamente piccolo in confronto. Una volta terminata la raccolta automatizzata dei dati, fare la media dei dati, sottrarre il rumore e calcolare la concentrazione di elettroni solvatati nella soluzione nel tempo. Le informazioni sull'ampiezza e la fase relative al circuito di commutazione sono state ottenute dalle componenti coseno e seno del segnale assorbente, o x e y.

L'ampiezza del segnale potrebbe quindi essere utilizzata per stimare la concentrazione di elettroni solvatati e le costanti di velocità di reazione di varie specie chimiche. L'ampiezza dell'assorbanza era di circa 10 parti per milione, sottolineando la necessità di un rapporto segnale/rumore sufficientemente ampio per un esperimento di successo. Se il rumore sconosciuto influisce in modo significativo sul segnale, è meglio scartare i dati e ripetere l'esperimento.

Una volta padroneggiata, una misurazione con questa procedura non dovrebbe richiedere più di 30 minuti. È fondamentale fornire un'atmosfera inerte come l'argon e allineare correttamente il laser. Tracce di ossigeno possono estinguere rapidamente gli elettroni liberi nel plasma e impedire loro di entrare nella soluzione.

Va inoltre notato che questo metodo non misura direttamente la concentrazione di elettroni solvatati. Piuttosto, misura l'ampiezza CA dell'assorbanza ottica, che è proporzionale all'ampiezza CA della corrente di plasma di 20 kilohertz. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha prodotto importanti intuizioni sulla cinetica di reazione rapida degli elettroni del solvato in un'interfaccia liquido plasmatica.

Vorremmo eventualmente estendere questo ad altri radicali liberi prodotti dai plasmi a contatto con i liquidi. Infine, non dimenticare che lavorare con alte tensioni può essere pericoloso. Precauzioni come la messa a terra del tavolo ottico e di altre apparecchiature devono essere prese prima di eseguire questa procedura.