Espectroscopia de absorção de reflexão interna total (TIRAS) para a detecção de Solvated elétrons em uma Interface Plasma-líquido

O objetivo geral deste experimento é detectar diretamente elétrons solvatados na interface plasma-líquido. Este método pode ajudar a responder a questões importantes sobre a química dos radicais livres criada por um plasma em contato com uma solução aquosa. A principal vantagem dessa técnica é que ela fornece medição direta de um radical livre de vida curta, o elétron solvatado, por meio de sua absorção de luz.

As implicações dessa técnica se estendem à medicina, já que o plasma de baixa temperatura está sendo testado como uma forma de tratamento contra o câncer. Este método também pode fornecer informações sobre técnicas de síntese química, já que plasmas de baixa temperatura são usados em muitos processos indóceis. Para este método, use uma célula eletroquímica de plasma personalizada, com duas polegadas de diâmetro, com duas janelas ópticas, em ângulos de aproximadamente 20 graus abaixo do plano normal.

Use uma tampa de célula de PTFE bem ajustada, com quatro portas para os eletrodos e linhas de gás. Use um ânodo feito de um pedaço de folha de platina preso a uma haste de aço inoxidável e um cátodo feito de um capilar de aço inoxidável afiado. Use como fonte de luz de espectroscopia de absorção um laser de diodo de 670 nanômetros alinhado com uma íris ajustável e uma lente de 50 milímetros, todos montados em um sistema de gaiola óptica de 30 milímetros montado no goniômetro para permitir o ajuste do ângulo de incidência.

Use como fotodetector um fotodiodo de grande área conectado em circuito de vazamento de polarização reversa com um filtro passa-banda de 670 nanômetros na frente do detector. Monte o fotodetector em um segundo goniômetro. Certifique-se de que os goniômetros estejam posicionados de forma que o laser seja direcionado para uma das janelas ópticas da célula eletroquímica e a luz seja refletida através da outra janela óptica para o fotodetector.

Use um circuito de relé de estado sólido para modular a corrente de plasma em uma frequência portadora de 20 kilohertz, incluindo um amplificador de bloqueio para obter uma relação sinal-ruído suficientemente alta para detectar os sinais absorventes ópticos extremamente pequenos de elétrons solvatados. Por fim, projete um programa automatizado de coleta de dados para controlar o instrumento e registrar sinais do amplificador de bloqueio. Para iniciar a configuração, coloque na célula eletroquímica 60 mililitros de uma solução molar de 0,163 de perclorato de sódio e água deionizada.

Insira o ânodo de folha de platina na tampa da célula eletroquímica e coloque a tampa na célula. Insira o ânodo de folha de platina na tampa da célula eletroquímica. Mergulhe o ânodo cerca de um centímetro abaixo da superfície da solução.

Certifique-se de que apenas a folha de platina entre em contato com a solução. Em seguida, conecte a extremidade romba do capilar do eletrodo de plasma de aço inoxidável a uma linha de gás argônio por meio de um medidor de fluxo de massa. Insira a extremidade afiada do capilar de plasma através da tampa de modo que a ponta fique cerca de um a dois milímetros acima da superfície da solução.

Confirme a distância entre a solução e a ponta capilar com uma câmera. Em seguida, conecte uma mangueira estreita a uma linha de gás argônio por meio de outro medidor de fluxo de massa. Insira a mangueira através de uma das portas na tampa da célula eletroquímica para servir como linha de purga.

Deixe a quarta porta desobstruída como um respiradouro. Certifique-se de que a tampa não se mova durante o experimento. Em seguida, complete o circuito eletroquímico conectando o capilar à fonte de tensão e o ânodo ao terra.

Purgue a célula com argônio a 250 centímetros cúbicos por minuto por pelo menos cinco minutos antes de preceder. Em seguida, defina o fluxo de gás argônio através do capilar plasmático para cerca de dez centímetros cúbicos por minuto. Ligue o laser de diodo e alinhe o laser de modo que ele atinja a interface do plasma líquido conforme indicado pela luz sendo espalhada pela covinha pelo fluxo de argônio.

Pare o fluxo de argônio através do capilar e espere que o ponto do laser retorne ao seu tamanho normal. Deixe o argônio fluindo pela linha de purga principal a 250 centímetros cúbicos por minuto. Alinhe o fotodetector de forma que o reflexo do laser atinja o centro do detector.

Conecte a saída do detector de fotos a um voltímetro. E meça a tensão produzida pelo sinal absorvente pelo laser. Registre a tensão a ser usada posteriormente para normalizar os dados de absorbância do amplificador de bloqueio.

O amplificador de bloqueio mede essencialmente uma tensão CA do fotodetector. Essa tensão deve ser normalizada pela intensidade absoluta do laser, medida como o deslocamento CC do detector. Em seguida, conecte a saída do fotodetector à trava na entrada do amplificador.

Conecte a saída lógica do transistor do transistor do gerador de funções à entrada de frequência da trava no amplificador. Ligue o gerador de funções, trave o amplificador e a fonte de alimentação de alta tensão. Certifique-se de que os instrumentos estejam se comunicando com o programa de coleta de dados e que o bloqueio no amplifier está bloqueado com um sinal na frequência portadora de 20 kilohertz.

Inicie o experimento e monitore o sistema enquanto o laser é ligado automaticamente e o plasma é inflamado. Observe os sinais registrados, pois os dados de estado estacionário são registrados com e sem o laser. Só esperamos ver a absorção óptica dos elétrons solvato quando o laser e o plasma estiverem ligados.

Portanto, o sinal apenas com o laser e sem plasma, ou vice-versa, deve ser relativamente pequeno em comparação. Uma vez concluída a coleta automatizada de dados, calcule a média dos dados, subtraia o ruído e calcule a concentração de elétrons solvatados na solução ao longo do tempo. As informações sobre amplitude e fase em relação ao circuito de comutação foram obtidas a partir dos componentes cosseno e seno do sinal absorvente, ou x e y.

A amplitude do sinal poderia então ser usada para estimar a concentração de elétrons solvatados e constantes de taxa de reação de várias espécies químicas. A amplitude da absorbância era de cerca de 10 partes por milhão, enfatizando a necessidade de uma relação sinal-ruído suficientemente grande para um experimento bem-sucedido. Se o ruído desconhecido afetar significativamente o sinal, é melhor descartar os dados e repetir o experimento.

Uma vez dominado, uma medição com este procedimento não deve levar mais de 30 minutos. É fundamental fornecer uma atmosfera inerte, como o argônio, e alinhar adequadamente o laser. Vestígios de oxigênio podem extinguir rapidamente quaisquer elétrons livres no plasma e impedi-los de entrar na solução.

Deve-se notar também que este método não mede diretamente a concentração de elétrons solvatados. Em vez disso, ele mede a amplitude CA da absorbância óptica, que é proporcional à amplitude CA da corrente de plasma de 20 quilohertz. Após seu desenvolvimento, essa técnica rendeu informações importantes sobre a cinética de reação rápida de elétrons solvato em uma interface plasmática-líquido.

Eventualmente, gostaríamos de estender isso a outros radicais livres produzidos por plasmas em contato com líquidos. Por fim, não se esqueça de que trabalhar com altas tensões pode ser perigoso. Precauções como aterrar a mesa óptica e outros equipamentos devem ser tomadas antes de realizar este procedimento.