कुल आंतरिक प्रतिबिंब अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (TIRAS) एक प्लाज्मा तरल इंटरफेस में Solvated इलेक्ट्रॉनों का पता लगाने के लिए
Summary
इस अनुच्छेद के एक कुल आंतरिक प्रतिबिंब अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (TIRAS) एक प्लाज्मा तरल इंटरफेस में कम रहते मुक्त कण को मापने के लिए विधि प्रस्तुत करता है । विशेष रूप से, TIRAS ७०० एनएम के पास लाल बत्ती के अपने ऑप्टिकल अवशोषक के आधार पर solvated इलेक्ट्रॉनों की पहचान करने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
Abstract
कुल आंतरिक प्रतिबिंब अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (TIRAS) विधि इस अनुच्छेद में प्रस्तुत एक सस्ती डायोड लेजर का उपयोग करता है solvated एक जलीय समाधान के साथ संपर्क में एक कम तापमान प्लाज्मा द्वारा उत्पादित इलेक्ट्रॉनों का पता लगाने । Solvated इलेक्ट्रॉनों शक्तिशाली एजेंटों को कम कर रहे हैं, और यह माने किया गया है कि वे एक गैसीय प्लाज्मा या निर्वहन और एक प्रवाहकीय तरल के बीच चेहरे रसायन विज्ञान में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं । हालांकि, इंटरफेस पर प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के उच्च स्थानीय सांद्रता के कारण, वे एक छोटे औसत जीवनकाल (~ 1 µs) है, जो उंहें बहुत मुश्किल का पता लगाने के लिए बनाता है । TIRAS तकनीक अन्य नकली शोर स्रोतों से solvated इलेक्ट्रॉनों ‘ अवशोषक संकेत भेद करने के लिए आयाम संग्राहक लॉक-इन के साथ संयुक्त एक अद्वितीय कुल आंतरिक प्रतिबिंब ज्यामिति का उपयोग करता है । इस समाधान में स्थिर उत्पादों की थोक माप के विरोध के रूप में, चेहरे क्षेत्र में कम रहते मध्यवर्ती के सीटू में पता लगाने में सक्षम बनाता है. इस दृष्टिकोण प्लाज्मा electrochemistry के क्षेत्र के लिए विशेष रूप से आकर्षक है, जहां महत्वपूर्ण रसायन विज्ञान के बहुत कम से प्रेरित है मुक्त कण रहते थे । इस प्रायोगिक विधि नाइट्राइट (कोई2–(वायु)) की कमी का विश्लेषण करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, नाइट्रेट (कोई3–(वायु)), हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एच2ओ2 (वायु)), और भंग कार्बन डाइऑक्साइड (CO2 ( वायु)) द्वारा प्लाज्मा-solvated इलेक्ट्रॉनों और निकालना प्रभावी दर स्थिरांक । विधि की सीमाएं अवांछित समानांतर प्रतिक्रियाओं की उपस्थिति में उत्पन्न हो सकती हैं, जैसे प्लाज्मा में वायु संदूषण, और अवशोषण माप भी कम विद्युत उत्पादों की वर्षा से बाधा हो सकती है. कुल मिलाकर, TIRAS विधि प्लाज्मा तरल इंटरफेस का अध्ययन करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण हो सकता है, लेकिन इसकी प्रभावशीलता अध्ययन के तहत विशेष प्रणाली और प्रतिक्रिया रसायन विज्ञान पर निर्भर करता है ।
Introduction
प्लाज्मा तरल बातचीत प्लाज्मा विज्ञान और इंजीनियरिंग समुदाय में बढ़ती रुचि के एक क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करते हैं । प्लाज्मा और तरल पदार्थ है, जो उच्च प्रतिक्रियाशील मुक्त कण की एक किस्म शामिल है के बीच जटिल इंटरफेस, विश्लेषणात्मक रसायन, प्लाज्मा चिकित्सा, पानी और अपशिष्ट जल उपचार, और nanomaterial संश्लेषण सहित कई क्षेत्रों में आवेदन पाया गया है 1,2,3,4,5,6. जबकि वहाँ विभिन्न विन्यास है कि एक तरल7के साथ संपर्क में एक प्लाज्मा लाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, शायद सरल एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल के प्लाज्मा अनुरूप है, जहां एक मानक धातु इलेक्ट्रोड की जगह एक प्लाज्मा या गैस के निर्वहन के साथ है 8. प्लाज्मा विद्युत सेल एक रिएक्टर पोत के होते हैं, एक जलमग्न धातु इलेक्ट्रोड, और एक प्लाज्मा निर्वहन, जो या तो कैथोड या anode (या दोनों) के रूप में कार्य कर सकते हैं. जब प्लाज्मा निर्वहन एक कैथोड के रूप में प्रयोग किया जाता है, गैस चरण प्लाज्मा में उत्पंन इलेक्ट्रॉनों समाधान में इंजेक्ट कर रहे हैं । इलेक्ट्रॉनों के बाद समाधान दर्ज करें, उनकी काइनेटिक ऊर्जा femtoseconds के टाइमस्केल पर9,10,11 मुख्य रूप से विलायक अणुओं बंद करने के लिए लोचदार बिखरने के माध्यम से अपव्यय । एक बार इलेक्ट्रॉनों के पास पहुंच गए है थर्मल काइनेटिक ऊर्जा, वे जाल और एक गुहा में solvate आसपास के विलायक अणुओं द्वारा गठित । विलायक और तापमान पर निर्भर करता है, इन “solvated” इलेक्ट्रॉनों स्थिर हो सकता है जब तक वे समाधान में कुछ कम प्रजातियों के साथ या एक और solvated इलेक्ट्रॉन के साथ प्रतिक्रिया । जलीय समाधान में, solvated इलेक्ट्रॉनों को भी कहा जाता है के रूप में हाइड्रेटेड इलेक्ट्रॉनों12।
solvation की यह प्रक्रिया लंबे समय ज्ञात किया गया है, और हाइड्रेटेड इलेक्ट्रॉनों की पहचान जैसे पल्स radiolysis या फ्लैश photolysis के रूप में प्रक्रियाओं द्वारा उत्पन्न 1960 के दशक के बाद से अध्ययन किया गया है13,14,15. पारंपरिक radiolysis और photolysis में, solvated इलेक्ट्रॉनों विलायक अणुओं के ionization के माध्यम से उत्पादित कर रहे हैं; तथापि, इलेक्ट्रॉनों प्लाज्मा पर solvated-तरल अंतरफलक गैसीय प्लाज्मा16से इंजेक्ट कर रहे हैं । पिछले प्रयोगों कि हाइड्रेटेड इलेक्ट्रॉनों ७०० एनएम के पास लाल बत्ती को अवशोषित13,14,17, जो उंहें प्रयोग करने के लिए ऑप्टिकल अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से अध्ययन किया जा करने की अनुमति देता है । अंय प्रयोगों उनके प्रसार निरंतर मापा है, उनकी रासायनिक प्रजातियों के सैकड़ों के साथ प्रतिक्रिया की दर, परिचलन के अपने त्रिज्या, और उनके शुल्क गतिशीलता, ब्याज की अंय संपत्तियों के बीच12,18।
साहित्य के भीतर, कई तरीकों solvated इलेक्ट्रॉनों का पता लगाने के लिए रिपोर्ट किया गया है, जो मुख्य रूप से दो प्रकार में अलग किया जा सकता है: थोक dosimetry, जहां solvated इलेक्ट्रॉन उपस्थिति उनकी प्रतिक्रिया उत्पादों के थोक रासायनिक विश्लेषण से आस्थगित है, और प्रत्यक्ष क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी, जहां ‘ इलेक्ट्रॉनों अवशोषण मापा जाता है के रूप में प्रतिक्रिया जगह लेता है. उत्तरार्द्ध श्रेणी, जिस पर यहां प्रस्तुत कार्यप्रणाली आधारित है, प्रत्यक्ष और त्वरित सबूत का लाभ, साथ ही साथ मध्यवर्ती प्रतिक्रियाओं की निगरानी करने की क्षमता है ।
कुल आंतरिक प्रतिबिंब अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (TIRAS) पद्धति के विकास के पीछे तर्क को सीधे प्लाज्मा में solvated इलेक्ट्रॉनों की भूमिका तरल अंतरफलक का अध्ययन किया गया । प्रतिबिंब ज्यामिति चुना गया था, क्योंकि solvated इलेक्ट्रॉनों के उत्पादन एक प्लाज्मा निर्वहन का उपयोग कर, के रूप में radiolysis या photolysis जैसे तरीकों का विरोध किया, प्लाज्मा और तरल के बीच इंटरफेस पर होता है । जब एक जांच लेजर घटना के एक उथले कोण पर सतह चरने, यह पूरी तरह से समाधान में वापस परिलक्षित होता है और एक डिटेक्टर में, कम प्रकाश की छोटी राशि इलेक्ट्रॉनों द्वारा अवशोषित । प्लाज्मा में भागने कोई प्रकाश के साथ, प्रायोगिक तकनीक केवल तरल चरण में मुक्त कण उपाय, बस अंतरफलक के नीचे, और इस प्रकार एक अति संवेदनशील चेहरे की माप तकनीक है । इसके अतिरिक्त, कुल आंतरिक प्रतिबिंब घटना से शोर को नष्ट करने का लाभ है आंशिक प्रतिबिंब के कारण सतह उतार चढ़ाव है, जो अंयथा संकेत हावी हो सकता है ।
इस आलेख में उल्लिखित TIRAS प्रोटोकॉल में तीन आवश्यक सुविधाएं हैं । पहले एक प्लाज्मा विद्युत सेल है, जो लगभग 20 डिग्री का सामना करना पड़ नीचे और आर्गन गैस के एक नियंत्रित headspace के कोण पर दो ऑप्टिकल खिड़कियों के साथ एक पारदर्शी कांच चोंच के होते हैं । दूसरी विशेषता ऑप्टिकल माप प्रणाली है, जो एक डायोड लेजर, एक ऑप्टिकल पिंजरे, और एक photodiode डिटेक्टर भी शामिल है । लेजर प्रकाश है कि solvated इलेक्ट्रॉनों द्वारा अवशोषित कर लेता है प्रदान करता है, और एक समायोज्य आईरिस और एक ऑप्टिकल पिंजरे में एक ५० mm लेंस के साथ लाइन में बढ़ रहा है । यह व्यवस्था एक goniometer है, जो यह घटना के एक वांछित कोण को घुमाया जा करने की अनुमति देता है पर मुहिम शुरू की है । संचरित प्रकाश की तीव्रता तो photodetector है, जो एक बड़े क्षेत्र के होते है द्वारा मापा जाता है photodiode एक रिवर्स में वायर्ड-पूर्वाग्रह रिसाव सर्किट । अंत में, क्योंकि उनके उच्च जेट, solvated इलेक्ट्रॉनों के समाधान में केवल ~ 10 एनएम घुसना, जो ~ 10 के एक अत्यंत छोटे ऑप्टिकल अवशोषण संकेत पैदावार-5 ऑप्टिकल घनत्व । एक पर्याप्त उच्च संकेत करने वाली शोर अनुपात सुनिश्चित करने के लिए, तीसरे आवश्यक घटक एक ताला प्रवर्धन प्रणाली है, जो एक प्लाज्मा स्विचन सर्किट और एक ताला एम्पलीफायर में होते हैं । स्विचन सर्किट में, एक ठोस राज्य रिले सर्किट 20 kHz एक समारोह जनरेटर द्वारा निर्धारित की एक वाहक आवृत्ति पर एक उच्च और एक कम मूल्य के बीच प्लाज्मा वर्तमान संग्राहक. यह, बारी में, भी अंतरफलक पर solvated इलेक्ट्रॉन एकाग्रता और उनके ऑप्टिकल अवशोषक संग्राहक । एम्पलीफायर में ताला तो photodetector से संकेत लेता है और वाहक आवृत्ति के बाहर सभी शोर फिल्टर.
TIRAS विधि प्लाज्मा में विशेष रूप से महत्वपूर्ण रासायनिक प्रक्रियाओं-तरल प्रयोगों, प्लाज्मा electrochemistry में प्रकट करने की क्षमता है । कमी और ऑक्सीकरण रास्ते मुख्यतः प्लाज्मा-तरल अंतरफलक में लघु रहने वाले कण की एक किस्म से प्रेरित हैं, और प्रजातियों का पता लगाने के चेहरे रसायन विज्ञान को समझने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है । TIRAS की निगरानी क्षमताओं में महत्वपूर्ण इलेक्ट्रॉन चालित प्लाज्मा-तरल इंटरफेस में शामिल प्रतिक्रियाओं की एक बड़ी समझ स्थापित करने में मदद मिलेगी । TIRAS, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन मेहतरों की उपस्थिति में प्रतिक्रिया दरों की संभव माप बनाता है । पिछले अध्ययनों में कोई2–(वायु)की कमी पर ध्यान केंद्रित किया है, कोई3–(वायु), और एच2ओ2 (वायु) जलीय समाधान16में भंग मेहतरों, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से भंग की कमी सीओ2 (वायु)19। अन्य अध्ययनों प्लाज्मा पर प्लाज्मा वाहक गैस के प्रभाव पर ध्यान केंद्रित किया है-solvated इलेक्ट्रॉन रसायन विज्ञान20.
Protocol
Representative Results
Discussion
परिणाम बताते है कि प्लाज्मा-तरल अंतरफलक पर प्रकाश के अवशोषण की माप का पता लगाने और एक जलीय समाधान में प्लाज्मा solvated इलेक्ट्रॉनों की एकाग्रता को मापने के लिए एक प्रभावी तरीका है । विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम अमेरिकी सेना अनुसंधान कार्यालय द्वारा पुरस्कार संख्या W911NF-14-1-0241 और W911NF-17-1-0119 के तहत समर्थन किया गया था । DMB अमेरिका के ऊर्जा विभाग के कार्यालय द्वारा समर्थित है, पुरस्कार संख्या DE-FC02-04ER1553 के तहत बुनियादी ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय ।
Materials
| Function Generator | Protek | B8055 | |
| Lock-in Amplifier | Stanford Research Systems | SR830 | |
| High-Voltage Power Supply | Stanford Research Systems | PS325 | |
| Photodetector | Self-built | ||
| Flowmeter | Key Instruments | 60310 R5 | |
| Flow controller | Omega Engineering | FMA 5400A/5500A | |
| Camera | Dino-lite | Dinocapture 2.0 | |
| Voltmeter | Amprobe | AM-510 | |
| Optical Cage System | Thorlabs | 30 mm cage system | |
| Goniometers | Thorlabs | RP01 – Ø2 | Manual rotation stage |
| Diode lasers | Thorlabs | ||
| Electrochemical cell | Adams & Chittenden Scientific Glass | Custom-made product | |
| Stainless steel capillary | Restek | 0.007 in. ID | |
| SHV Coax Cable | SRS | Custom-made product | |
| Sodium Perchlorate | Sigma-Aldrich | ACS reagent, ≥98.0% | |
| Argon | Airgas | AR UHP300 | Ultra-high purity |
| LabVIEW | National Instruments | Software used to generate in-house program used to collect data |
Referências
- Smoluch, M., Mielczarek, P., Silberring, J. Plasma-based ambient ionization mass spectrometry in bioanalytical sciences. Mass Spectrom. Rev. 35 (1), 22-34 (2015).
- Jamroz, P., Greda, K., Pohl, P. Development of direct-current, atmospheric-pressure, glow discharges generated in contact with flowing electrolyte solutions for elemental analysis by optical emission spectrometry. Trends Anal. Chem. 41, 105-121 (2012).
- Foster, J. Plasma-based water purification: Challenges and prospects for the future. Phys. Plasmas. 24, (2017).
- Kong, M. G., et al. Plasma medicine: an introductory review. New J. Phys. 11, (2009).
- Chen, Q., Li, J., Li, Y. A review of plasma-liquid interactions for nanomaterial synthesis. J. Phys. D: Appl. Phys. 48, (2015).
- Mariotti, D., Patel, J., Svrcek, V., Maguire, P. Plasma-liquid interactions at atmospheric pressure for nanomaterials synthesis and surface engineering. Plasma Processes Polym. 9 (11-12), 1074-1085 (2012).
- Bruggeman, P. J., et al. Plasma-liquid interactions: a review and roadmap. Plasma Sources Sci. Technol. 25 (5), (2016).
- Rumbach, P., Go, D. B. Perspectives on plasmas in contact with liquids for chemical processing and materials synthesis. Top. Catal. , (2017).
- Mozumder, A. . Fundamentals of Radiation Chemistry. , (1999).
- Kai, T., Yokoya, A., Ukai, M., Fujii, K., Higuchi, M., Watanabe, R. Dynamics of low-energy electrons in liquid water with consideration of coulomb interaction with positively charged water molecules induced by electron collision. Radiat. Phys. Chem. 102, 16-22 (2014).
- Kai, T., Yokoya, A., Ukai, M., Fujii, K., Watanabe, R. Thermal equilibrium and prehydration processes of electrons injected into liquid water calculated by dynamic Monte Carlo method. Radiat. Phys. Chem. 115, 1-5 (2015).
- Hart, E. J., Anbar, M. . The hydrated electron. , (1970).
- Hart, E. J., Boag, J. W. Absorption spectrum of the hydrated electron in water and in aqueous solutions. J. Am. Chem. Soc. 84 (21), 4090-4095 (1962).
- Boag, J. W., Hart, E. J. Absorption spectra in irradiated water and some solutions. Nature. 197 (4862), 45-47 (1963).
- Matheson, M. S., Mulac, W. A., Rabani, J. Formation of the hydrated electron in the flash photolysis of aqueous solutions. J. Phys. Chem. 67 (12), 2613-2617 (1963).
- Rumbach, P., Bartels, D. M., Sankaran, R. M., Go, D. B. The solvation of electrons by an atmospheric-pressure plasma. Nat. Commun. 6 (7248), (2015).
- Anbar, M., Hart, E. J. The effect of solvent and of solutes on the absorption spectrum of solvated electrons. J. Phys. Chem. 69 (4), 1244-1247 (1965).
- Buxton, G. V., Greenstock, C. L., Helman, W. P., Ross, A. B. Critical review of rate constants for reactions of hydrated electrons, hydrogen atoms and hydroxyl radicals (·OH/·O-) in aqueous solution. J. Phys. Chem. Ref. Data. 17 (2), 513-886 (1988).
- Rumbach, P., Xu, R., Go, D. B. Electrochemical production of oxalate and formate from CO2 by solvated electrons produced using an atmospheric-pressure plasma. J. Electrochem. Soc. 163 (10), 1157-1161 (2016).
- Rumbach, P., Bartels, D. M., Sankaran, R. M., Go, D. B. The effect of air on solvated electron chemistry at a plasma/liquid interface. J. Phys. D: Appl. Phys. 48 (42), (2015).
- Rumbach, P., Witzke, M., Sankaran, R. M., Go, D. Decoupling interfacial reactions between plasmas and liquids: Charge transfer vs plasma neutral reactions. J. Am. Chem. Soc. 135, 16264-16267 (2013).
- Richmonds, C., Sankaran, R. M. Plasma-liquid electrochemistry: Rapid synthesis of colloidal metal nanoparticles by microplasma reduction of aqueous cations. Appl. Phys. Lett. 93, (2008).
