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要約

プラズマ ・液体界面における短命のフリーラジカルを測定するため全反射吸収分光法 (TIRAS) 手法を提案します。700 近く赤色光の光の吸光度に基づく電子を solvated を識別するために TIRAS を使用する特に、nm。

要約

この記事で紹介した全反射吸収分光法 (TIRAS) メソッドは、水溶液と接触して低温プラズマによる溶媒和電子を検出するのに安価なダイオード レーザーを使用します。電子を Solvated は強力な還元剤であり、気体プラズマ放電や導電性の液体間の界面化学の重要な役割を果たしていることが仮定されています。ただし、界面活性種ローカル高濃度による短い平均寿命 (〜 1 μ s)、検出が非常に困難になるがあります。TIRAS 技術は、他のスプリアス ノイズ源からの電子を solvated 吸光度信号を区別するために振幅変調ロックイン増幅と組み合わせてユニークな全内部反射ジオメトリを使用します。これはソリューションの安定した製品の一括測定ではなく、界面領域で短寿命中間体の in situ検出を可能。 にします。この方法は、多くの重要な化学は短命のフリーラジカルによるプラズマ電気化学の分野には特に魅力的です。この実験は、亜硝酸 (ない2-(aq))、硝酸塩 (ないの3-の(aq)) の削減を分析に使用されています、水素 (H2O2(aq))、過酸化水素し炭酸ガスを溶解 (CO2 (aq)) プラズマ溶媒和電子による効果的な速度定数を推定し、。手法の限界がプラズマ、空気汚染などの意図しない並列反応の存在下で発生する可能性し、吸光度測定は、減らされた電気化学製品の沈殿物によっても妨げられる可能性があります。全体的に、TIRAS メソッドは、プラズマ ・液体インターフェイスを研究するための強力なツールをすることができますが、その効果は調査の下で特定のシステム ・反応化学に依存します。

概要

プラズマ ・液体の相互作用は、プラズマ科学、工学のコミュニティの関心の高まりの領域を表します。分析化学、プラズマ医学、水および排水処理、ナノ材料合成など多くの分野でのアプリケーションを見つけたさまざまな反応性の高い活性酸素が含まれ、プラズマ ・液体間の複雑なインターフェイス1,2,3,4,5,6。7液体と接触してプラズマを持って使用できるさまざまな構成がありますが、おそらく単純なのプラズマ電解セル、標準的な金属電極の 1 つはプラズマやガス放電置き換えのアナログ8. プラズマ電気化学セルは、原子炉容器、水中の金属電極とプラズマ放電陰極または陽極 (または両方) として機能することができますがで構成されています。プラズマ放電を陰極として使用すると、気相電子プラズマの生成はソリューションに挿入されます。電子後の溶液を入力、その運動エネルギーは主に溶媒分子の非弾性散乱によってフェムト9,10,11のタイム スケールで散る。電子が近熱運動エネルギーに達すると、彼らをトラップし、空洞における残留溶媒が溶媒分子の周囲によって形成されます。溶媒や温度の変化によって、これらの「溶媒和」の電子は、ソリューション一部還元種または別の溶媒和電子と反応まで安定にあります。、水溶液中で電子を solvated は水和電子12とも呼ばれます。

溶媒和のこのプロセスは長い間知られている、およびパルス放射線分解やフラッシュ ・ フォトリシス法などの手続きによって生成された水和電子の検出は、1960 年代の13,14,15から研究されています。溶媒の分子のイオン化によって生成される電子を solvated 伝統的な放射線分解、光分解、ただし、プラズマ ・液体界面における電子の溶媒和は気体プラズマ16から注入されます。前の実験は、水和電子が 700 nm13,14,17, 光吸収分光法による実験的検討することができます近くの赤い光を吸収することを決定しました。他の実験は、拡散定数、化学種、回転の半径および金利12,18の他のプロパティ間での電荷の移動度の何百もの彼らの反応速度を測定しました。

文献内で溶媒和電子を検出するいくつかの方法が報告されているが主に 2 つのタイプに分けることができる: 一括線量、その反応生成物の一括分析から推論して、溶媒和電子の存在と直接過渡吸収分光、反応が起こると電子の吸光度を測定します。後者のカテゴリは、ここで紹介する方法の基になる中間反応を監視する機能と同様に、ダイレクトに瞬時の証拠の利点があります。

全反射吸収分光法 (TIRAS) の方法論の開発の後ろの理論的根拠は直接血漿液界面の溶媒和電子の役割を研究するだった。プラズマと液体間のインターフェイスで放射線分解や光分解のような方法ではなく、プラズマ放電を用いた溶媒和電子の生産が行われるため、反射ジオメトリが選択されました。プローブ レーザーは、浅い入射角で表面をかすめる、ソリューションに戻ると、探知器に完全反射だ小さな光の量より少ない電子によって吸収されます。消灯はプラズマにエスケープ、実験手法のみインターフェイスのすぐ下に、液相におけるフリーラジカルを対策し、高感度界面の計測は。さらに、全反射現象信号を支配することができるそれ以外の場合、表面の変動により部分的な反射の変化からノイズを除去するという利点があります。

この資料に記載されている TIRAS プロトコルには、3 つの重要な機能があります。最初は、下向き約 20 ° の角度にアルゴンのガスの制御ヘッド スペース 2 つの光学窓透明ガラス ビーカーから成っているプラズマ電気化学セルです。第二の特徴は、ダイオード レーザー、光のケージ、フォト ダイオード検出器などの光計測装置です。レーザー光は溶媒和電子により吸収され、絞り調整と光の檻の中の 50 mm レンズに合わせてマウントするを提供します。この配置は、ゴニオ メーター、目的の入射角度に回転することができますにマウントされます。透過光の強度は、大面積フォト ダイオード逆バイアス リーク回路で有線から成っている光検出器で測定されます。最後に、反応性が高いため電子を solvated 浸透 ~ 10 nm ~ 10-5光密度の非常に小さい光学吸収信号を生成ソリューションにします。十分に高い信号対雑音比を確保するため、3 番目の重要なコンポーネントはプラズマ スイッチング回路とロックイン アンプから成っているロックイン増幅システムです。スイッチング回路では、ソリッドステート リレー回路は、プラズマ高と関数発生器によって設定 20 の kHz のキャリア周波数で低値の電流を変調します。これは、順番もインターフェイスし彼らの光の吸光度の溶媒和電子の集中を変調します。ロックイン アンプは、光検出器からの信号を受け取りし、周波数外のすべてのノイズをフィルターします。

TIRAS メソッドには、プラズマ ・液体実験、特にプラズマ電気化学において重要な化学プロセスを明らかにする大きな可能性があります。還元と酸化の経路は主にプラズマ ・液体界面におけるさまざまな短寿命ラジカルによって駆動される種の検出、界面化学を理解するために非常に重要です。その場でTIRAS の機能を監視ができる、重要な電子駆動反応プラズマ ・液体界面のより大きい理解を確立します。TIRAS は、たとえば、反応速度の測定を電子捕捉剤の存在下で可能になります。先行研究がない2-(aq)、なしの3-(aq)の削減に焦点を当てた、H2O2(aq)スカベン ジャーの削減と同様に、16の水溶液に溶解した溶解CO2(aq)19。他の研究は、プラズマ溶媒和電子化学20に及ぼすプラズマガス キャリアに焦点を当てています。

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プロトコル

1. 実験的体制の構築

注: この実験を実行するには、システムを組み立てる、プラズマ反応器から成る場所、吸光測定用光学部品、信号を処理する電子ロックの増幅システムの反応をかかります。

  1. プラズマ電気化学セルを構築します。
    1. 透明なガラス容器、通常面から約 20 ° の角度で 2 つの光窓の直径 (2 で) 50.8 mm からなる反応セルを製造してください。
    2. プラズマ電極、白金アノード、アルゴン (Ar) のヘッド スペースをフラッシュする小さなホース導入に使用される 4 つのオリフィスを含む非透過性のふたを作成します。
      注:4 オリフィスをヘッド スペースから発散する Ar となります。
    3. ステンレス鋼棒にプラチナ箔の部分を付けることによって、陽極を形成します。
    4. 1.58 mm の端のシャープによって陰極を形成 (1/16 の) 外径、0.178 mm (0.007) 内径ステンレス鋼キャピラリー。適切な継手を使用して毛細血管の平滑末端に Ar ホースを接続します。
  2. 光計測装置を構築します。
    1. 30 mm 光学式ケージ システムにマウントされているすべての 50 mm レンズ、絞りを調整、670 nm ダイオード レーザーから成るレーザー ソースを構築します。システム全体は、電気化学セルの光学窓の 1 つに指示されるレーザーで 19 ° の角度で回転する可能性がありますので、ゴニオメータにケージをマウントします。
      注:他のレーザーの波長を使うことも可能性がありますを参照してくださいRef 16。
    2. 大面積フォト ダイオード逆バイアス リーク回路に配線から成る光検出器を構築します。拘に光検出器をマウントし、レーザー ソースと反対の電気化学セルの光学窓からの反射光を受け取れるようにします。さらに、検出器にレーザ波長に対応するバンドパス フィルターをマウントします。
      注:光検出器回路のダイアグラムは、図 1に示すことができます。このような回路では、出力電圧はレーザー光源の強度に比例です。
  3. プラズマのスイッチング回路とロックイン アンプ回路を構築します。
    注:    高圧電源、高電圧スイッチング回路、関数発生器、電圧計、ロックイン アンプ、電子部品が含まれます。
    1. 約-2.5 の直流 (DC) バイアスを適用可能性がありますように、高電圧電源を接続、プラズマを生成するプラズマ電極と陽極の間 kV。
    2. 20 kHz のキャリア周波数で高値と低値の間の電流のプラズマを調節するのに特注のスイッチング回路を使用します。
      注:回路の回路図を図 2に示します。高電圧電源供給 2 バラスト抵抗を流れる電流は並列に接続されているドライブです。連続微小電流で 3 MΩ 抵抗を通して流れる中、220 kΩ を通る電流連続絶縁ゲート バイポーラ接合トランジスタ (IGBT) により切り替えられます。関数発生器は、駆動周波数、20 kHz を生成し、光アイソレータ、関数発生器からの高電圧電源を分離を IGBT に接続されています。
    3. それに接続する受光素子の出力を許可するロックイン アンプを統合します。
      注:ロックイン アンプは 20 kHz の帯域外ノイズをフィルターします。その出力、すなわち振幅と吸光度信号の位相は、コンピューターによって記録されなければなりません。社内のプログラムは、出力を記録する使用されました。

2. 導電性背景電解質として NaClO4ソリューションを準備します。

  1. この実験で使用される濃度である 0.163 M NaClO4ソリューションを準備するには、NaClO4 500 mL の脱イオン水で 10 g を溶かします。注:それは溶媒和電子と反応しないので、NaClO4は電解質として選ばれました。唯一の代理人であり、濃度の異なる使用できますが、通常順序 0.001 0.1 0.163 M 濃度 M。
  2. プラズマ反応器に NaClO4の 60 mL を注ぐ。

3 測定のためのセットアップを準備します。

  1. 電気化学セルのセットアップを準備し、原子炉を削除します。
    1. 非透過性の蓋に適切なオリフィス陽極を挿入します。ソリューションの表面の下に陽極を部分的に水没します。
    2. プラズマ電極 (陰極毛細血管) を Ar タンクに接続されている質量流量計に接続し、蓋を介して毛細血管を挿入します。ソリューションの表面の上の約 1-2 mm キャピラリーの先端を中断します。キャピラリーと液体の表面との間の距離を測定するのにカメラを使用します。
    3. 小さなホースを Ar タンクに接続されている質量流量計に接続し、; 蓋の開口部のいずれかでホースを挿入これはパージ ラインを形成します。
    4. 陰極、陽極、Ar とパージの場所でライン、反応セルの先頭に非透過性のふたを確保します。
    5. Ar プラズマ反応器のヘッドから空気を除去するため、少なくとも 5 分間約 250 cm3の最低にパージ ライン流れを入れます。
      注:流量と使用流量の期間リアクターのボリュームと原子炉の中の薬の量に依存します。ここで使用される値は、代表です。空気を洗い流す障害ソリューションにおける溶存酸素によって駆動される側の反応につながる (Ref. 21 参照)。
  2. 測定を合わせます。
    1. 方向を設定 Ar プラズマ電極を通じて約 10 cm3/min. 配置する原子炉レーザー プラズマ ・液体インターフェイスを当るように。光に Ar ガスの流れによって、ディンプルを散在して観察することによってこれを行います。
    2. プラズマ電極に Ar の流れを閉じ、通常のサイズに戻りますレーザー スポットを待ちます。いったんこれが起こるは、レーザー検出器の中心に当たるので、光検出器の位置を合わせます。
  3. 基準信号強度を測定し、電気システムを準備します。
    1. 光検出器出力を電圧計に接続し、レーザーによって与えられた電圧を測定します。測定した吸光度信号の正規化に後で使用されるこの値を記録します。
      注:この値は直接入射強度に比例して私0。
    2. 入量を測定した後、光検出器からケーブルを外し、20 kHz のキャリア周波数で信号をロックするロックでアンプの入力に接続します。
    3. 関数発生器のトランジスタ-トランジスタ ロジック出力をロックイン アンプの周波数入力に接続します。
    4. ロックイン アンプ、関数発生器、および高電圧電源ユニットの電源がオンになっていることを確認します。
      注:実験は、開始する準備が整いました。

4. 実験とデータ収集を開始します。

注:社内のプログラムは、データの収集に使用されます。さらに、このシステムを自動化して、精度を確保し、ヒューマン エラーを削減します。この自動化の基本的なプロセスは次の手順で説明されます。

  1. レーザーをオンにし、吸光度を測定を開始します。十分に低いレベルにまで統合されるノイズのための時間を許可します。
  2. 高電圧電源を約-2.5 の電圧差に設定 kV プラズマを点火します。
    注:液体表面から 1 mm の距離でプラズマ放電の写真を図 3に示します。
  3. 定常状態に達するし、その後、約 2 分のための信号を記録するロックイン アンプによって測定される振幅の約 30 秒を待ちます。
  4. レーザーをオフにして、定常状態に到達するレーザー信号を待ちます。その後、2 分の吸光度を測定します。
    注:この測定は、プラズマからのノイズを考慮して以前の吸光度の測定値から差し引かれます。
  5. 高電圧電源を切り替えることによって、プラズマの電源を切ります。
  6. 実験を繰り返す、プラズマ電極はまだ揃っていることを確認します。これを行うには、プラズマ電極少なくとも 1 cm を撤回し、毛細血管内の Ar の流れを開きます。3.2 から 4.5 の手順を繰り返します。
  7. ないより多くの実験が繰り返される場合、すべての電子機器をオフに、電気化学セル、NaClO4処分からふたを適切に取る。

5. データの解析

注:ロックイン アンプからの出力には、20 kHz の吸光度信号の振幅Rと位相φについての情報が含まれています。これはそれぞれ余弦および正弦部品、 XとY、によって表されることができます。これら 2 つの違いが信号、および吸光度の変化を測定するために使用、ロックイン アンプ対策セット ステップ 1.3.2、 XとYで高・低電流間の信号の変調された振幅を表すためΔ は私に低いと高い状態。

  1. 入量の電圧を除してXとY時間ベクトルをノーマライズするには、データを正しく分析するには、私0。
    注:3.3.1 の手順で測定した、この電圧は、信号成分XとYは、光の強度に比例。したがって、この値でXとYの除算と、20 kHz の吸光度信号の同相およびフェーズのコンポーネントを表す無次元のベクトルが得られるはず。
  2. Xの平均を取得/私0とY/私0瞬間から定常状態に達した後、レーザーがオフになっていたまでプラズマを有効にします。
    注:図 4は、正規化された吸光度 RMS 振幅R測定実験を示しています。プラズマが 30 以降後切り替えになった s、吸光度信号 50 の時に定常状態に達した s とプラズマ 150 の時にオフになっていた s。
  3. 同様に、 Xの平均を取得/私0とY/私0までプラズマはプラズマのノイズの余弦および正弦のコンポーネントを取得するオフになっていた瞬間からレーザーがオフになっています。注:150 の時のオフになっていたプラズマ図 4s、および騒音測定は 170 の時間から検出された平均吸光度 200 s s。
  4. 吸光度信号の余弦および正弦成分を得るためには、ステップ 5.3 5.2 で得られた平均値から得られた平均値を減算します。
  5. 真の吸光度を計算するには、式 1に示すように、5.4 の手順で得られた信号の X および Y コンポーネントの正方形の合計の平方根を計算します。
    figure-protocol-5787(1)

6. パラメーターの抽出

  1. どの溶媒和の電子をプラズマ導入ソリューションに速度とが消費される速度の定常状態を仮定することにより溶液中の溶媒和電子の濃度を計算します。
    注:ない場合は、他の反応の溶媒和電子の消費は、方程式 2で示すように、電子の 2 番目の注文の再結合を介して行われます。
    figure-protocol-6085(2)
    1. 不明な浸透深さl、 εはモル吸光係数、θ は入射角 (19 ° ステップで定義されている関数として溶媒和電子の濃度を見つける方程式 3で示すように、ビールの法律を使用します。1.2)。
      注:溶媒和電子の消散係数は 〜 19,000 の L mol-1 cm-1 Ref. 18 で説明されているようです。
      figure-protocol-6397(3)
    2. 不明な浸透深さを推定するには、結合式 3と式 4、 kは 2 番目の反応定数プラズマの電流密度に比例した速度で電子を導入を前提としています。注文組み替え、 qは素電荷、 jは電流密度、NAは Avogadro の数。
      注:2 の要因は、2 つの電子は、式 2の反応によって消費されることを示すために式 4に含まれます。
      figure-protocol-6768(4)
      浸透の長さlと濃度 [(e-)aq]方程式 3 と 4を使用した信号の測定から決定できます。

7. 反応速度の推定

注:とき電子 NaClO4などリン電解質を用いたソリューションにおける残留溶媒、溶媒和電子がのみ式 2の反応によって消費されます。しかし、電子を solvated はさまざまな陽イオン、陰イオンおよび中性種を減らす能力を持っています。これらの電子のスカベン ジャーのいずれかが、水溶液に溶ける、彼らは溶媒和電子と反応します。これの平衡濃度を下げるし、検出されると、吸光度の減少につながるこれらの反応の反応速度定数を推定する TIRAS 方法論を可能にします。新しい反応を導入すると、速度のバランスになります。
figure-protocol-7324(5)
[(S)aq] ソリューションで電子スカベン ジャー濃度である、k2は反応速度定数がその反応に関連付けられています。ただし、スカベン ジャー濃度が十分に大きい場合、方程式 5に簡略化できます。
 figure-protocol-7539(6)
式 3は、方程式 6スカベン ジャー濃度と吸光度の関係を取得すると、組み合わせることができます。
figure-protocol-7699(7)

  1. 電子スカベン ジャーと、溶媒和電子の反応速度定数を測定するには、手順 1 で作成した NaClO4ソリューションのスカベン ジャーを溶解することにより開始します。
    注:非反応性 NaClO4ソリューションにより、ソリューションの導電性プラズマ安定性のために十分に高いです。スカベン ジャーの濃度は第 2 順序の組み換えに対抗するために十分に高くする必要があります、それ以外の場合、反応は行われません。
  2. 手順 2.2 に 6.1.2 異なるスカベン ジャー濃度と純粋な NaClO4ソリューションに関してステップ 5.5 で計算された吸光度の差を測定します。
  3. [(S)aq]-1の機能として吸光度のプロットを作る。
    注:スカベン ジャー濃度が方程式 6有効であること十分に大きい場合に、[(S)aq] の関数として吸光度をプロット、-1は速度定数k2に依存する斜面と直線が生成されます。
  4. 反応速度定数 k2直線の傾きから外挿する。
    注:追加詳細については、方法の例だけでなく、これにつけたない2-(aq)、3-(aq)および H2O2(aq)、CO2(aq)溶媒和との反応電子は、Ref. 16,19 を参照してください。

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結果

前述の手順の手順 5 で、この実験は吸光度信号し、信号の大きさ間の位相角の余弦および正弦成分を測定します。信号とその 2 つのコンポーネントの大きさのプロットは図 4に示します。

時折、最適なまたは使用できなくもない可能性がある測定があります。血しょうビームとレーザーのずれやノイ...

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ディスカッション

結果は、プラズマ ・液体界面における光の吸光度の測定が検出し、水溶液中でのプラズマ溶媒和電子の濃度を測定する効果的な方法であることを示します。異なる波長でそれに続く測定は、吸収スペクトルの測定結果します。この実験は NaClO4水溶液中で行われますが、電子液体における残留溶媒をことができます、方法論は多種多様な他の液体のために有効なはずです。

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開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

この作品は、賞を受賞番号 W911NF-14-1-0241 ・ W911NF-17-1-0119 下米国陸軍研究局によって支えられました。DMB は、米国のエネルギー事務所の科学科賞数デ-FC02-04ER1553 の下で基本的なエネルギー科学のオフィスによってサポートされます。

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資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Function GeneratorProtekB8055
Lock-in AmplifierStanford Research SystemsSR830
High-Voltage Power SupplyStanford Research SystemsPS325
PhotodetectorSelf-built
FlowmeterKey Instruments60310 R5
Flow controllerOmega EngineeringFMA 5400A/5500A
CameraDino-liteDinocapture 2.0
VoltmeterAmprobeAM-510
Optical Cage SystemThorlabs30 mm cage system
GoniometersThorlabsRP01 - Ø2Manual rotation stage
Diode lasersThorlabs
Electrochemical cellAdams & Chittenden Scientific GlassCustom-made product
Stainless steel capillaryRestek0.007 in. ID
SHV Coax CableSRSCustom-made product
Sodium PerchlorateSigma-AldrichACS reagent, ≥98.0%
ArgonAirgasAR UHP300Ultra-high purity
LabVIEWNational InstrumentsSoftware used to generate in-house program used to collect data

参考文献

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