全内反射吸收光谱法（TIRAS）用于检测等离子体-液体界面处的溶剂化电子

本实验的总体目标是直接检测等离子体-液体界面中的溶剂化电子。该方法有助于解答关于等离子体与水溶液接触时产生的自由基化学的重要问题。该技术的主要优势在于，可通过溶剂化电子对光的吸收，直接测量这种寿命较短的自由基——溶剂化电子。

该技术的应用前景涉及医学领域，因为低温等离子体目前正被测试作为一种癌症治疗方法。该方法还可为化学合成技术提供见解，因为低温等离子体被广泛应用于许多难以处理的化学过程中。本方法需使用一个定制的等离子体电化学池，直径为两英寸，配备两个光学窗口，其角度约为从法线平面向下20度。

使用一个贴合良好的聚四氟乙烯（PTFE）电池盖，盖上设有四个端口，用于电极和气体管路。阳极采用附着在不锈钢棒上的一片铂箔制成，阴极则采用 sharpened 不锈钢毛细管。吸收光谱的光源使用波长为 670 纳米的二极管激光器，与可调光圈和一个 50 毫米透镜同轴排列，所有光学元件均安装在 30 毫米光学笼式系统中，并将整个系统固定在测角仪上，以便调节入射角。

使用一个大面积光电二极管作为光电探测器，将其连接在反向偏置漏电电路中，并在探测器前方放置一个670纳米的带通滤光片。将光电探测器安装在第二个测角仪上。确保测角仪的位置设置使得激光能够射入电化学池的一个光学窗口，并通过另一个光学窗口反射至光电探测器。

使用固态继电器电路以20千赫的载波频率调制等离子体电流，并结合锁相放大器，以获得足够高的信噪比，从而检测溶剂化电子极其微弱的光吸收信号。最后，设计一个自动数据采集程序，用于控制仪器并记录锁相放大器的信号。开始搭建装置时，在电解池中加入60毫升0.163摩尔的高氯酸钠水溶液。

将铂箔阳极插入电化学池的盖子中，并将盖子放在电化学池上。将铂箔阳极插入电化学池盖子中。将阳极浸入液面以下约一厘米处。

确保只有铂金箔与溶液接触。然后，通过质量流量计将不锈钢等离子体电极毛细管的钝端连接到氩气管路。将等离子体毛细管的尖端穿过盖子，使其尖端位于溶液表面上方约一至两毫米处。

使用相机确认溶液与毛细管尖端之间的距离。然后通过另一个质量流量计将一根细管连接到氩气管线。将该细管插入电化学池盖的一个端口，作为吹扫管线。

将第四个端口保持通畅作为通气口。确保在实验过程中盖子不会移动。然后通过将毛细管连接至电压源、将阳极接地，完成电化学回路。

在继续操作之前，以每分钟250立方厘米的流速用氩气吹扫细胞至少五分钟。然后将通过等离子体毛细管的氩气流速调节至约每分钟10立方厘米。打开二极管激光器，并调整激光方向，使其照射到等离子体-液体界面，可通过氩气流使凹面散射光线来确认位置。

停止通过毛细管的氩气流动，并等待激光光斑恢复至正常大小。保持主吹扫管路中的氩气流速为 250 立方厘米每分钟。调整光电探测器的位置，使激光反射光照射到探测器的中心。

将光电探测器的输出端连接至电压表。利用激光测量吸光信号产生的电压。记录该电压值，用于后续对锁相放大器的吸光度数据进行归一化处理。

锁相放大器基本上用于测量来自光电探测器的交流电压。该电压必须通过激光的绝对强度进行归一化，激光强度以探测器的直流偏移量来测量。然后，将光电探测器输出连接到锁相放大器的输入端。

将函数发生器的晶体管-晶体管逻辑输出连接到锁相放大器的频率输入端。打开函数发生器、锁相放大器和高压电源。确保仪器与数据采集程序正常通信，并且锁相放大器已锁定在20千赫载波频率的信号上。

启动实验并监测系统，激光将自动开启并点燃等离子体。观察记录的信号，稳态数据将在有激光和无激光条件下均被记录。只有当激光和等离子体均开启时，我们才预期能够观察到溶剂化电子的光吸收信号。

因此，仅有激光而无等离子体的信号，或相反情况下的信号，相对而言应较小。自动化数据采集完成后，对数据进行平均处理，扣除噪声，并计算溶液中溶剂化电子随时间变化的浓度。关于相对于开关电路的信号振幅和相位信息，可从吸收信号的余弦分量和正弦分量（即x和y分量）中获得。

随后可利用信号幅度来估算溶剂化电子的浓度以及各种化学物种的反应速率常数。吸光度的幅度约为百万分之十，这凸显了成功实验需要足够高的信噪比。若未知噪声对信号产生显著影响，则最好舍弃该数据并重复实验。

一旦掌握，采用本方法进行一次测量不应超过30分钟。提供惰性气氛（如氩气）并正确对准激光至关重要。痕量氧气可迅速淬灭等离子体中的自由电子，阻止其进入溶液。

还应注意，该方法并不直接测量溶剂化电子的浓度，而是测量光学吸光度的交流振幅，该交流振幅与20千赫等离子体电流的交流振幅成正比。该技术在建立后，已为研究等离子体-液体界面处溶剂化电子的快速反应动力学提供了重要的见解。

我们最终希望将此方法拓展至等离子体与液体接触时产生的其他自由基。最后，请务必注意，使用高电压可能存在危险。在进行本实验操作前，应采取相应预防措施，例如将光学平台及其他设备接地。