Abstract
Ce manuscrit décrit comment visualiser les sources d'ionisation par spectrométrie de masse ambiante en utilisant la photographie schlieren. Afin de bien optimiser le spectromètre de masse, il est nécessaire de caractériser et comprendre les principes physiques de la source. La plupart des sources d'ionisation ambiante commerciaux utilisent des jets d'azote, l'hélium ou l'air atmosphérique afin de faciliter l'ionisation de l'analyte. En conséquence, Strioscopie peut être utilisée pour visualiser les flux de gaz en exploitant les différences d'indice de réfraction entre les cours d'eau et l'air ambiant pour la visualisation en temps réel. La configuration de base nécessite une caméra, miroir, lampe de poche, et la lame de rasoir. Lorsqu'il est correctement configuré, une image en temps réel de la source est observée en regardant son reflet. Cela permet de mieux comprendre le mécanisme d'action de la source, et les voies à son optimisation peut être élucidé. La lumière est faite sur une situation par ailleurs invisible.
Introduction
Spectrométrie de masse, un outil d'analyse disponibles pour l'identification poids moléculaire, est devenu l'une des techniques d'analyse les plus puissants à ce jour. Au cours de la dernière décennie, une foule de nouvelles sources d'ionisation ambiantes sont devenues disponibles pour la détection par spectrométrie de masse. Pour les données recueillies dans ce manuscrit, l'échantillon Direct Analysis (DSA) source a été utilisée. Bien que ces sources sont extrêmement polyvalents, une connaissance plus détaillée du processus d'ionisation physique est nécessaire pour l'optimisation et l'extension de l'objet. Le but de cette expérience est d'acquérir une meilleure compréhension du processus d'ionisation dans les sources ambiantes grâce à la visualisation du flux d'azote sur le dispositif en utilisant une technique appelée la photographie schlieren.
L'étude scientifique initie souvent par l'observation, ce qui est difficile si l'objet de l'étude est transparente à l'oeil nu. Strioscopie est une technique qui permet à l'invisiblepour devenir visible à travers compter sur des changements dans l'indice de réfraction au sein des milieux transparents 1. L'inhomogénéité des indices de réfraction provoque une distorsion de la lumière permettant la visualisation. La technique schlieren a été régulièrement utilisé dans une variété de domaines de spécialité , y compris la modélisation de la balistique, l' ingénierie aérospatiale, la détection générale de gaz et de surveillance d' écoulement, et parfois pour visualiser les bandes de protéines en électrophorèse sur gel de 2-5.
La plupart des sources d'ionisation ambiante utilisent un courant de gaz en vue de faciliter l'ionisation. Une large gamme de conditions peut exister pour les options de source, les paramètres de cette expérience mais doivent impliquer l'utilisation d'un gaz avec un indice de réfraction qui diffère de l'air laboratoire environnant. Cette étude spécifique utilise l'azote chaud. Il convient de noter que seule une petite différence d'indice de réfraction est observée entre l' azote pur à partir du courant gazeux et de l' air à la température ambiante 6, principalement en raison d' uneir est essentiellement composé d'azote. Ce problème est résolu dans ce cas, en raison des températures élevées de l'azote pur dans le courant de gaz qui produit un changement assez significative de l'indice de réfraction du gaz à observer.
D' autres sources de spectrométrie de masse comme une atmosphère d' ionisation chimique désorption (DAPCI) 7, Circuler Pression atmosphérique Afterglow (FAPA) 8-10, et Direct Analyse en temps réel (DART) 11 sources d'ionisation ont utilisé la photographie schlieren. Le but de ce protocole est de discuter de la façon d'étudier l'ionisation ambiante en utilisant une configuration schlieren de base de la photographie. Cette technique est cependant applicable à un nombre quelconque de différentes techniques d'analyse qui impliquent des courants gazeux.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Schlieren Photographie
- Mise en place de la région d' essai
Remarque: La région de test existe directement en face du miroir.- Fixer un miroir sphérique concave (150 mm de diamètre, longueur focale de 1500 mm) sur un stand collier de serrage assez grand pour soutenir le miroir. Fixer la pince de support d'anneau avec le miroir à un support annulaire perpendiculaire au sol. L'étude actuelle a utilisé un support annulaire 3 du pied, mais toute la hauteur peut être utilisé tant qu'il est suffisamment grand pour pouvoir centrer le miroir dans la fenêtre de visualisation de la source.
- Placez le support annulaire et le miroir du côté de la source d'un spectromètre de masse. Faire face du miroir parallèle et à la même hauteur, comme source.
- Positionner le miroir de sorte que son centre soit aligné avec la région de source centrale du spectromètre de masse. Un certain chevauchement de l'appareil se produit.
- Cutoff, Caméra et source lumineuse
- Couper
- Fixer une plaque de métal au sommet du trépied. La plaque servira de plate-forme pour tenir à la fois la lame de rasoir et la source lumineuse. La lame de rasoir agit en tant que ce qu'on appelle la "coupure" dans Strioscopie.
- Attacher la lame de rasoir sur la plaque métallique à l'aide d'un aimant de telle sorte que l'arête vive est verticale.
- Placez le trépied en ligne avec le miroir à deux fois la distance focale du miroir, 3000 mm. Aligner la lame de rasoir perpendiculaire à la trajectoire de la lumière réfléchie par le miroir.
- Ajustez manuellement la hauteur du trépied pour que le tranchant de la lame de rasoir est approximativement aligné avec le centre du miroir.
NOTE: Le réglage fin se produira plus tard.
- Caméra
- Monter un appareil photo numérique avec 300 mm téléobjectif sur un trépied séparé.
- Placez la caméra de sorte que la lentille (quand à plein zoom) est de 4 cm directement derrière et en même heilutte que la lame de rasoir. Ne pas enlever le bouchon d'objectif en ce moment.
- Moniteur en option
- Connectez la sortie vidéo de la caméra à un écran d'ordinateur ou d'un téléviseur pour visualiser facilement le phénomène schlieren en temps réel.
NOTE: Ceci est un processus recommandé. Cette procédure peut varier en fonction du type d'appareil utilisé.
- Connectez la sortie vidéo de la caméra à un écran d'ordinateur ou d'un téléviseur pour visualiser facilement le phénomène schlieren en temps réel.
- Sténopé Source de lumière
- Percez un petit trou (environ 0,6 mm de diamètre) dans le centre d'un couvercle (dans ce cas, un bouchon de flacon le même diamètre de la lampe a été utilisée) qui peut être attaché / collé à la source lumineuse. Veiller à ce que le couvercle a un diamètre suffisant pour couvrir complètement la lentille de lampe de poche.
- Fixer le couvercle sur une 200 lumens lampe de poche LED en utilisant du ruban de papier d'aluminium.
NOTE: La lampe de poche se réchauffer et un ruban à haute température est recommandée.
- Source lumineuse Positionnement
- Première utilisation a laser pointeur pour aligner la source lumineuse avec le miroir, une lame de rasoir, et une caméra, afin d'assurer un bon positionnement de la source lumineuse.
- Placer le pointeur laser sur la plaque de métal à côté de la lame de rasoir.
- Déplacez manuellement le pointeur laser de sorte que le faisceau frappe le centre du miroir. Ajuster si nécessaire pour assurer le faisceau réfléchi coupe orthogonale par rapport à la lame de rasoir de telle sorte que la moitié environ de la poutre est bloquée.
- Réglez manuellement la position du miroir pour diriger le faisceau du pointeur laser directement sur la lame de rasoir si l'alignement du faisceau n'a pas été atteint en 1.2.5.3.
ATTENTION! Ne regardez pas directement dans le pointeur laser ou le faisceau réfléchi. - Veiller à ce que le faisceau laser est centré sur la lentille tout en gardant le capuchon d'objectif sur l'appareil photo.
- Remplacer le pointeur laser avec la lampe de poche couverte alors que tout est aligné. Faire en sorte que la lampe de poche est dans la même orientation que le pointeur laser.
- Allumez la lampe de poche et, en utilisant un morceau de papier blanc, d'observer la lumière réfléchie à la coupure. Assurez-vous que le faisceau est un petit spot focalisé à la coupure.
- Faire les ajustements verticaux nécessaires pour bloquer environ la moitié du faisceau lumineux réfléchi à la coupure.
- Retirez le capuchon de l'objectif de l'appareil photo et de se concentrer sur le miroir.
NOTE: Il est recommandé que l'appareil photo / objectif être utilisé en mode mise au point manuelle.
- Couper
2. Exemple d'essai Objet: Ionisation Mass Spectrometry Source
- aligner manuellement la source d'ions par spectrométrie de masse à l'intérieur de la zone de test, avec une distance de 10 mm entre l'extrémité de la buse et l'entrée du spectromètre de masse.
- Ouvrir manuellement la vanne à pointeau à la source d'azote ambiant permettant de circuler à travers la source.
- Ouvrir le logiciel utilisé pour contrôler le spectromètre de masse. Pour cette étude, le logiciel utilisé était "driver SQ". Cliquez sur file -open- puis sélectionnez le fichier de mise au point approprié.
- Appliquer toutes les tensions et les températures à la source ambiante une fois le réglage manuel est ouvert. Chaque spectromètre de masse aura son propre logiciel pour cette étape. Pour la présente étude, une fois le réglage manuel est ouvert, cliquez sur le bouton "Source de tension est éteint" et le bouton "Tous les gaz et appareils de chauffage sont éteints" pour effectuer cette tâche.
- Observer l'apparition de l'écoulement sortant de la buse avec l'appareil strioscopique sur l'écran d'affichage de la caméra numérique lorsque la température augmente. Observez le flux de gaz (voir description section "Résultats" in) qui sort de l'extrémité de la buse. Le flux de gaz peut être consulté sur le dos de l'appareil, ou il peut être consulté directement sur un écran LCD.
- Recueillir l'image soit par l'enregistrement d'une vidéo de la caméra, ou de prendre une photo du flux de gaz, les images une fois désirées sont visualisées en direct sur la caméra.
- Transférez la photo (s) recueillies à un ordinateur avec le camerune carte mémoire ou une connexion USB et d'afficher l'image avec le logiciel de votre choix.
3. Détermination de pulvérisation demi-angle à partir d'une image recueillie
- Ouvrez l'image recueillies à l'aide d'un logiciel de visualisation d'images et d'imprimer l'image (s) collecté.
- Tracez une ligne sur l'image imprimée (s) définissant l'axe central du flux de gaz parallèle à la direction de l'écoulement à l'aide d'une règle.
- Tracez une ligne le long du bord du flux de gaz visualisée sur l'image imprimée (s) en utilisant une règle. Cela peut être visualisé mieux à partir d'une vidéo enregistrée en raison d'un miroitement qui est présent en format vidéo; l'utiliser pour aider à identifier le bord dans les images imprimées. Marquer les bords extérieurs des courants gazeux afin d'obtenir une plage de la moitié d'un angle de pulvérisation.
- Mesurer l'angle produit entre l'axe central et la ligne tracée en 3.2 à l'aide d'un rapporteur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Un schéma de l'installation Schlieren comprenant la source spectrométrie de masse à ionisation peut être trouvée dans la figure 1. Lorsque tous les composants Schlieren sont correctement alignés, les gaz dans la région de test peuvent être considérés comme des zones sombres et lumineuses contrastées. La figure 2 illustre la manière dont ce contraste peut être utilisé pour observer comment la forme de l'écoulement du jet d'azote à partir des changements de la source de spectrométrie de masse comme la taille de la buse diminue.
Une image schlieren complète, uncropped du flux source et le gaz peut être trouvé dans la figure 3. Cette image illustre l'orientation du test des objets par rapport au miroir. L'image de la figure 3 montre également ce qui devrait être prévu lorsque la bonne quantité, environ 50%, de la lumière est coupée par la lame de rasoir. Si le seuil est trop élevé (figure 4), ou trop faible (Figure 5
Une fois que l'installation est terminée, on peut régler divers paramètres du spectromètre de masse tout en regardant leur effet sur l'écran vidéo de la caméra. Cette image, à côté du signal réel du spectromètre de masse, permet des conditions optimisées pour être atteint rapidement en raison de la nouvelle compréhension du flux de gaz.
Ces images peuvent ensuite être utilisées pour calculer l'angle de pulvérisation de la moitié du courant d'azote. Le spray demi-angle indique à l'utilisateur la taille globale du flux d'azote gazeux. Cet angle est effectué en fonction du diamètre de la buse, ainsi que la pression et la température du gaz. La figure 6 est une représentation des demi mesures d'angle avec la taille et des variations de la pression de la buse à gaz constante. Comme prévu, le demi-angle augmente en conséquence d'une augmentation de la pression, ce qui signifie une augmentation de la taille globale du gazflux. La figure 7 est une représentation du demi - angle avec une pression constante , tout en changeant le diamètre de la buse. Comme prévu, le demi-angle a augmenté avec l'augmentation de diamètre de la buse. Cela signifie une augmentation d'échelle de la taille globale du jet d'azote sortant de la source que le diamètre de la buse est augmentée.
Figure 1. Schéma Schlieren (re-print avec la permission de la référence 7). Représentation schématique de la photographie appareil schlieren avec la source d'ionisation par spectrométrie de masse. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. Visualisation de Nit Streams Rogen (réimpression avec la permission de la référence 7). photographies Schlieren de flux de gaz provenant de la source d'ionisation avec des diamètres internes de buses différent de (A) de 4,8 mm, (B) 3,2 mm, (C) de 1,5 mm, (D) 0,5 mm. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Visualisation de Ambient Source. Grand angle schlieren photographie de la source d'ionisation avec un bon positionnement de la coupure. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
g4.jpg "/>
Figure 4. Mauvaise Visualisation avec Low Cutoff. Schlieren photographie à la coupure positionné trop bas. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. Mauvaise visualisation avec High Cutoff. Schlieren photographie à la coupure positionnée trop haut. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6 demi - angle par rapport à la pression du gaz. Un graphique représentant la variation du demi - angle de pulvérisation avec une taille de buse constante avec une pression de gaz variable.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg" target = "_ blank"> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 7. Demi Angle vs Buse Taille. Un graphique représentant l'évolution de la demi - angle de pulvérisation avec une pression constante en faisant varier la taille de la buse. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Il y a plusieurs considérations qui doivent être traitées avant d'essayer ce protocole. En plus de l'espace autour du spectromètre de masse pour la source et le miroir, assez d'espace ouvert doit être disponible pour accueillir la distance de deux fois le point focal du miroir. En outre, la taille du miroir est finalement déterminée par la taille de la source qui est à l'étude. Si le miroir est trop faible, la source ne sera pas complètement visualisée. Il est important de noter que certains, sinon la totalité, des couvercles de source doivent être retirés pour mettre en oeuvre la technique de la photographie d'imagerie Schlieren.
Les étapes les plus cruciales de la configuration réelle sont l'alignement de chaque partie de l'appareil schlieren. Le miroir doit être perpendiculaire au sol et une lame de rasoir doit être placé exactement à deux fois la longueur focale du miroir. A cette distance, la lumière réfléchie sera concentrée sur un petit point. La quantité de lumière bloquée par la lame de rasoir est aussi important. Si les images pauvres sont produites, le premier aspect pour ajuster serait avec le placement de la lame de rasoir. Lorsque la lame de rasoir ne bloque pas assez de la lumière atteignant la caméra, sans contraste est formée et donc le gaz ne sera pas visible. Si trop de la lumière est bloquée les images apparaissent sombres, ce qui rend difficile de distinguer les détails les plus subtils dans le flux d'azote de l'objet à l'étude.
Une limitation de la technique est qu'il doit y avoir une grande différence en termes de l'indice de réfraction de l'arrière-plan et la zone d'étude. Cela dépendra de la température et de l'humidité du laboratoire en question. RT azote est habituellement difficile de voir que l'air de fond est composé d'environ 78% d'azote. Cela est surmonté dans la configuration décrite, car la température de l'azote varie de la source qui se traduit par des changements dans l'indice de réfraction.
, La contribution globale importante de tson protocole est la capacité de comprendre les processus physiques impliqués avec l'ionisation dans la source. Cela permettra à l'utilisateur de mieux accorder l'instrument au lieu de suivre aveuglément des paramètres variables, ainsi que de fournir un raisonnement pour les conditions optimisées. L'avantage de cette technique est la possibilité d' utiliser toutes les informations à la fois des procédés physiques et chimiques pour obtenir une meilleure sensibilité et de sélectivité avec une source d'ionisation ambiante 6. L'utilisateur peut utiliser les images de Schlieren pour déterminer les propriétés physiques de la source, tandis que les données de spectrométrie de masse peuvent être utilisées pour comprendre les propriétés chimiques de la source.
Les applications futures serait d'appliquer cette technique soit à d'autres sources d'ionisation ambiantes disponibles sur le marché, ou un appareil non-commercial. Ceci peut également être appliquée à d'autres instruments / machines qui utilisent des courants de gaz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Flashlight | EAGTAC | D25A Ti | or equivalent |
| Spherical Concave Mirror | Anchor Optics | 27633 | |
| Rebel EOS T2i | Canon | 4462B001 | or equivalent |
| 300 mm telephoto lens | Canon | 6473A003 | or equivalent |
| Direct Sample Analysis (DSA) Ionization Source | PerkinElmer | MZ300560 | or equivalent |
| Sq 300 MS with SQ Driver Software | PerkinElmer | N2910801 | or equivalent |
| Ring Stand | Fisher Scientific | 11-474-207 | or equivalent |
| Laser Pointer | Apollo | MP1200 | or equivalent |
| razor blade | Blue Hawk | 34112 | or equivalent |
| small drill bit #73 | CML Supply | 503-273 | or equivalent |
| Protractor | Sterling | 582 | or equivalent |
| Hose Clamp | Trident | 720-6000L | or equivalent |
References
- Settles, G. S. Schlieren and Shadowgraph Techniques: Visualization Phenomena in Transparent Media. , 1st, Springer-Verlag. Germany. (2001).
- Strawa, A. W., Chapman, G. T., Arnold, J. O., Canning, T. N. Ballistic range and aerothermodynamic testing. J. Aircraft. 28 (7), 443-449 (1991).
- Settles, G. S. Imaging gas leaks by using schlieren optics. Pipeline & Gas Journal. 226 (9), 28-30 (1999).
- Takagi, T., Kubota, H. The application of schlieren optics for detection of protein bands and other phenomena in polyacrylamide gel electrophoresis. Electrophoresis. 11 (5), 361-366 (1990).
- Clark, I. G., Cruz, J. R., Huges, M. F., Ware, J. S., Madlangbayan, A., Braun, R. D. Aerodynamic and Aeroelastic Characteristics of a Tension Cone Inflatable Aerodynamic Decelerator. Proceedings from the 20th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and, May 7, 2009, Seattle, , (2009).
- Froome, K. D. The Refractive Indices of Water Vapour, Air, Oxygen, Nitrogen and Argon at 72 kMc/s. Proc. Phys. Soc. B. 68, 833-835 (1955).
- Winter, G. T., Wilhide, J. A., LaCourse, W. R. Characterization of a Direct Sample Analysis (DSA) Ambient Ionization. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 26 (9), 1502-1507 (2015).
- Pfeuffer, K. P., Schaper, J. N., et al. Halo-Shaped Flowing Atmospheric Pressure Afterglow: A Heavenly Design for Simplified Sample Introduction and Improved Ionization in Ambient Mass Spectrometry. Anal. Chem. , 7512-7518 (2013).
- Pfeuffer, K. P., Shelley, J. T., Ray, S. J., Hieftje, G. M. Visualization of Mass Transport and Heat Transfer in the FAPA Ambient Ionization Source. J. Anal. At. Spectrom. 28 (379-387), 379-387 (2013).
- Pfeuffer, K. P., Ray, S. J., Hieftje, G. M. Measurement and Visualization of Mass Transport for the Flowing Atmospheric Pressure Afterglow (FAPA) Ambient Mass-Spectrometry Source. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 25 (5), 800-808 (2014).
- Keelor, J. D., Dwivedi, P., Fernández, F. M. An Effective Approach for Coupling Direct Analysis in Real Time with Atmospheric Pressure Drift Tube Ion Mobility Spectrometry. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 25 (9), 1538-1548 (2014).
