用于释放发动机油中的自由基的微ESR

自由基是一种反应性越来越强的化学物质，它控制着自然界中的几个基本化学过程，最显著的是燃烧和氧化。到目前为止，由于必要设备的复杂性和费用，直接测量自由基的组成和浓度对化学家来说是一个挑战。微型ESR传感器是传感器设计中的一项创新，它通过一种低成本、紧凑且坚固的装置来确定自由基。2020欧洲杯下注官网

光谱仪实现了新的低成本应用，如发动机和机械中润滑剂分解的在线测量、柴油发动机排气中的在线空气微粒监测，甚至旋转免疫分析医疗诊断。

电子自旋共振

电子自旋共振（ESR）光谱仪可识别样品中自由基的浓度和组成。自由基是分子或原子物种，具有通常高度反应性的未配对电子。将样品加载到缓慢变化的均匀磁场中的高频谐振腔中。用固定频率的微波辐射照射的未配对电子将在由方程1控制的特征磁场下经历自旋上升和自旋下降状态之间的共振跃迁，概念上如图2所示。

图1。微esr传感器包含在一个高q陶瓷谐振器中

图2。微波能量激发的电子跃迁

这里，h是普朗克常数，β是玻尔磁子，ν是共振频率，h是外加磁场，g是自由基的特征(g因子，一个经验确定的数字，通常接近2.000)。样品中自由基的浓度决定了共振时的磁场是g因子的函数，以及共振峰的高度。

与传统ESR光谱仪相比，Micro-ESR具有更好的灵敏度和成本降低1000倍的特点。

表1。规范

电源电压	12-32直流
传感器输出	选择USB,网络通讯协议®，RS-232，以太网，CAN。可根据客户规范提供其他通信标准。
维度:	2.25英寸Φ， 1.5英寸高圆柱形金属封装，液压和电气连接。
配件	7/16英寸JIC, NPT，其他可根据客户要求定制。
量测量	氧化和烟尘(过氧自由基和碳自由基)，水含量，燃料稀释(仅船用)，射频介电常数。
工作温度范围	-30°C + 120°C
Max。入口油温	160摄氏度+

实验结果

验证光谱仪操作的初步实验是用DPPH进行的，DPPH是一种含有稳定自由基的染料，溶解在甲苯溶剂中。溶解在甲苯中的DPPH表现出一组与超精细分裂相对应的特征共振峰。

对本田汽油机的机油进行了研究。由于油中的抗氧化包被氧化殆尽，过氧化氢自由基(RO₂信号从零稳步增加。这是诱导期。此外，过氧基信号的g因子随着碳氢链的分解而轻微增加。

当油接近其使用寿命时，过氧基信号的强度急剧增加，故障迫在眉睫，如图3所示。

图3。过氧自由基vs里程

可以更详细地检查氧化链反应，以了解过氧自由基在润滑剂分解中的重要性。首先，将石油暴露在有氧的高温下会产生自由基:

然后，链式反应传播为：

通常，抗氧化剂被添加到基础油中，与过氧自由基发生反应，使基础油无害。然而，随着油中抗氧化剂的消耗，过氧化氢自由基的浓度增加，分解加速。

在图4中，所有这些化合物都可以通过实验观察到。汽缸润滑油通常使用一次，然后在发动机中燃烧。润滑油的进给量也必须根据燃料油中硫的浓度进行调整，而燃油硫含量的测量是船舶运营商寻求将运营成本降至最低的兴趣所在。

图4。船舶发动机气缸润滑油样品的ESR谱

应用程序

上述示例清楚地显示了传感器可应用的应用范围（100 hp燃气发动机到75000 hp船用柴油机）。如图4所示，无论是溶解在油中还是空气中的烟尘，都可以通过光谱仪轻易检测到碳烟尘颗粒。这使其能够用于确定车辆或动力装置排放物中空气中烟尘颗粒的成分和浓度。正如汽油发动机中的氧传感器用于调整燃油-空气混合气以防止发动机运行过浓一样，电自旋共振气载烟尘传感器也可用于调整柴油发动机中的燃油-空气混合气以防止过量微粒排放。这是一个非常重要的应用，因为新的排放标准不断挑战车辆制造商减少微粒排放。

竞争优势

该光谱仪确定石油的内在化学性质(化学成分的浓度)，而其他方法测量石油的物理性质(如介电常数、粘度、电阻抗)，然后将这些数据与石油的潜在化学变化联系起来。

另一个好处是，分光计可提供机油状况的绝对读数。新机油具有零光谱，即机油中不存在自由基、碳或其他污染物。任何ESR光谱的存在都清楚地表明油中存在污染。

此外，每个自由基的g因子(如式1)对温度的依赖性较弱。由于石油中的自由基可以通过g因子进行唯一识别，这使得用户能够在任何操作温度下轻松地识别任何ESR信号。ESR的特异性表明，除了自由基或过渡金属离子外，没有其他化合物会产生信号。因此，该技术不存在其他传感器常见的交叉因素。

光谱仪的这种应用为最终用户提供了一种新的、经济高效的方法，以确保符合环境标准。它还使用户能够识别发动机何时运行过浓，这会严重降低燃油效率。

结论

微ESR标志着化学传感器技术的最新发展。尽管电子自旋共振光谱法有着广泛的应用，但到目前为止，在光谱仪的核心设计方面还没有根本性的进展。

这些信息来源于Bruker BioSpin - NMR、EPR和Imaging提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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