Abstract
Dette håndskrift skitserer, hvordan at visualisere massespektrometri omgivende ionisering kilder ved hjælp Schlieren fotografering. For at kunne optimere massespektrometer, er det nødvendigt at karakterisere og forstå de fysiske principper for kilden. De fleste kommercielle omgivende ionisering kilder anvender stråler af nitrogen, helium, eller atmosfærisk luft for at lette ionisering af analytten. Som følge heraf kan Schlieren fotografering anvendes til at visualisere gasstrømmene ved at udnytte forskellene i brydningsindeks mellem strømmene og omgivende luft til visualisering i realtid. Den grundlæggende opsætning kræver et kamera, spejl, lommelygte, og barberblad. Ved korrekt konfigureret, er en real time billede af kilden observeret ved at se sine overvejelser. Dette giver mulighed for indsigt i virkningsmekanismen i kilden, og veje til dens optimering kan belyses. Lyset er udgydt på en ellers usynlig situation.
Introduction
Massespektrometri, et analytisk værktøj til rådighed for molekylmasse identifikation, er blevet en af de mest kraftfulde analyseteknikker til dato. I det seneste årti en hel række nye omgivende ionisering kilder er blevet tilgængelige for massespektrometri detektion. For de indsamlede i dette manuskript data blev den direkte Sample Analysis (DSA) kilde udnyttet. Selv om disse kilder er meget alsidig, er der behov for en mere detaljeret viden om den fysiske ionisering proces for sin optimering og udvidelse af formålet. Formålet med dette forsøg er at opnå en bedre forståelse af ionisering processen inden for de omgivende kilder gennem visualisering af kvælstof stream på enheden ved hjælp af en teknik kaldet Schlieren fotografering.
Videnskabelig undersøgelse initierer ofte gennem observation, hvilket er vanskeligt, hvis genstanden for undersøgelsen er transparent for det blotte øje. Schlieren fotografering er en teknik, der tillader den usynligeat blive synlige gennem stole på ændringer i brydningsindekset inden transparente medier 1. Den inhomogenitet af brydningsindeks forårsager en forvridning af det lys giver mulighed for visualisering. Den Schlieren teknik har været rutinemæssigt anvendt i en række specialkemikalier felter herunder ballistik modellering, Aerospace Engineering, generel gas detektering og flow overvågning, og til tider at visualisere proteinbånd i gelelektroforese 2-5.
De fleste omgivende ionisering kilder anvender en strøm af gas for at lette ionisering. En lang række betingelser kan findes for kilde muligheder, men parametrene af dette forsøg skal involvere anvendelsen af en gas med et brydningsindeks, der adskiller sig fra den omgivende lab luft. Denne specifikke undersøgelse udnytter varmt kvælstof. Det skal bemærkes, at kun en lille forskel i brydningsindeks er observeret mellem rent nitrogen fra gasstrømmen og luft ved stuetemperatur 6, hovedsagelig fordi enir består hovedsagelig af nitrogen. Dette problem overvindes i dette tilfælde på grund af de høje temperaturer af rent nitrogen i gasstrømmen, der frembringer en betydelig nok ændring i brydningsindeks for gassen, der skal overholdes.
Andre massespektrometri kilder såsom en desorption Atmosfærisk Kemisk ionisering (DAPCI) 7, flydende atmosfærisk tryk Afterglow (FAPA) 8-10, og direkte analyse i Real Time (DART) 11 ionisering kilder har brugt Schlieren fotografering. Hensigten med denne protokol er at diskutere, hvordan man kan studere omgivende ionisering ved hjælp af en grundlæggende Schlieren fotografering konfiguration. Denne teknik er imidlertid anvendelig til et vilkårligt antal forskellige analytiske teknikker, der involverer gasstrømme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Schlieren Photography
- Etablering af Test Region
Bemærk: eksisterer testområdet direkte foran spejlet.- Klemme en sfærisk konkavt spejl (150 mm diameter, brændvidde 1.500 mm) i en ring stativ klemme stor nok til at understøtte spejlet. Monter ringen stå klemme med spejlet til en ring stå vinkelret på gulvet. Den aktuelle undersøgelse anvendte en 3 fod ring stativ, men enhver højde kan anvendes, så længe den er høj nok til at kunne centrere spejlet i visningsvinduet af kilden.
- Sætte ringen stå og spejl til siden af massespektrometeret kilde. Gøre det ansigt af spejlet parallelt med og i samme højde, som kilde.
- Placer spejl, så dens center er rettet ind med centrum kilde region af massespektrometret. Vis overlapning af instrumentet vil forekomme.
- Cutoff, Kamera og lyskilde
- Skære af
- Vedhæft en metalplade til toppen af stativet. Pladen vil fungere som en platform til at holde både barberblad og lyskilden. Barberbladet fungerer som det, der er kendt som "cutoff" i Schlieren fotografering.
- Fastgør barberblad til metalpladen ved hjælp af en magnet, således at den skarpe kant er lodret.
- Placer stativet på linje med spejlet i to gange brændvidden af spejlet, 3.000 mm. Juster barberblad vinkelret på lysets vej reflekteres fra spejlet.
- Manuelt justere højden af stativet, således at den skarpe kant af barberbladet er omtrent på linie med midten af spejlet.
BEMÆRK: Finjustering vil ske senere.
- Kamera
- Monter et digitalt kamera med 300 mm telelinse på en separat stativ.
- Anbring kameraet, så objektivet (når de er på fuld zoom) er 4 cm direkte bag og på samme heiGHT som barberbladet. Fjern ikke objektivdækslet på dette tidspunkt.
- Valgfri Monitor
- Forbind video-output på kameraet til en computer skærm eller TV til nemt se den Schlieren fænomen i realtid.
BEMÆRK: Dette er en anbefalet proces. Denne procedure kan variere afhængigt af typen af anvendte kamera.
- Forbind video-output på kameraet til en computer skærm eller TV til nemt se den Schlieren fænomen i realtid.
- Pinhole Lyskilde
- Bore et lille hul (ca. 0,6 mm i diameter) i midten af et dæksel (i dette tilfælde en hætteglashætte den samme diameter af lommelygten blev brugt) som kan fastgøres / tapede til lyskilden. Sørg for, at dækslet har tilstrækkelig diameter til helt at dække lommelygten linsen.
- Sæt dækslet over en 200 lumen LED lommelygte hjælp folie tape.
BEMÆRK: Lommelygten vil få varm og anbefales en høj temperatur bånd.
- Lyskilde Positionering
- Brug først en laser pointer at tilpasse lyskilden med spejlet, barberblad, og kameraet, for at sikre korrekt positionering af lyskilden.
- Placer laser pointer på metalpladen ved siden af barberblad.
- Manuelt flytte laser pointer, så strålen rammer midt på spejlet. Juster efter behov for at sikre den reflekterede stråle skærer vinkelret på barberblad, så ca. halvdelen af strålen er blokeret.
- Manuelt justere spejlet position til at sigte stråle af laser pointer direkte på barberblad hvis lyshøjden ikke blev nået i 1.2.5.3.
ADVARSEL! Undgå at se direkte ind i laser pointer eller reflekterede bundt. - Sørg for, at laserstrålen er centreret på objektivet og samtidig holde objektivdækslet på kameraet.
- Udskift laser pointer med overdækket lommelygte, mens alt er justeret. Sørg for, at lommelygte er i samme retning som laser pointer.
- Tænd for lommelygte og ved hjælp af en stykke hvidt papir, observere det reflekterede lys ved cutoff. Sørg for, at strålen er en lille fokuseret plet ved cutoff.
- Foretag de vertikale justeringer nødvendigt at blokere omtrent halvdelen af den reflekterede lysstråle med cutoff.
- Fjern objektivdækslet på kameraet og fokusere på spejlet.
BEMÆRK: Det anbefales, at kameraet / objektivet bruges i manuel fokusering mode.
- Skære af
2. Eksempel testobjektet: massespektrometri ioniseringskilde
- Manuelt justere massespektrometri ionkilde i testområdet, med en afstand på 10 mm mellem enden af dysen og indløbet af massespektrometeret.
- Manuelt åbne nåleventilen til den omgivende kilde med nitrogen for at strømme gennem kilden.
- Åbn softwaren anvendes til at styre massespektrometer. Til denne undersøgelse den anvendte software var "SQ driver". Klik på file -open- derefter vælge den relevante melodi-fil.
- Anvend alle spændinger og temperaturer til den omgivende kilde, når den manuelle melodi åbnes. Hver massespektrometer vil have sin egen software til dette trin. For den aktuelle undersøgelse, når den manuelle melodi er åbent, skal du klikke på knappen "Source Voltage er slukket", og knappen "Alle gas og varmeapparater er off" for at udføre denne opgave.
- Vær opmærksom på udseendet af strømmen forlader dysen med Schlieren apparat på det synspunkt skærmen af det digitale kamera, som temperaturen stiger. Overhold gasstrømmen (se beskrivelse i afsnittet "Resultater") kommer ud af enden af dysen. Gasstrømmen kan ses på bagsiden af kameraet, eller det kan ses direkte på en LCD-skærm.
- Saml billedet ved enten at optage en video fra kameraet, eller tage et billede af gasstrømmen, der engang ønskede billeder visualiseret live på kameraet.
- Overfør billedet (r) opsamles til en computer med cameret hukommelseskort eller USB-forbindelsen og se billedet med software efter eget valg.
3. Bestemmelse af Spray Half Angle fra en Indsamlet Billede
- Åbn indsamlede billede ved hjælp af et billedvisning software og udskrive de indsamlede billede (r).
- Tegn en linje på det trykte billede (r), der definerer midterakse gasstrømmen parallelt med strømningsretningen under anvendelse af en lineal.
- Tegn en linje langs kanten af den visualiserede gasstrømmen på det udskrevne billede (r) ved hjælp af en lineal. Dette kan visualiseres bedre fra en optaget video på grund af en glitre der er til stede i video format; bruge dette til at hjælpe med at identificere kant i de trykte billeder. Markere de ydre kanter af gasstrømmene for at opnå et interval for spray halv vinkel.
- Mål vinklen produceret mellem midteraksen og linje trukket i 3.2 ved hjælp af en vinkelmåler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En skematisk af Schlieren setup herunder massespektrometri ionisering kilde kan findes i figur 1. Når alle Schlieren komponenter er korrekt justeret, kan gasser i testområdet ses som kontrasterende mørke og lyse områder. Figur 2 illustrerer, hvordan denne kontrast kan være bruges til at observere, hvordan formen af kvælstof jet flow fra de massespektrometri skifter kilden dyse størrelse reduceres.
En fuld, ukuperede Schlieren billede af strømningen kilden og gas kan findes i figur 3. Dette billede illustrerer orienteringen af testobjekter forhold til spejlet. Billedet i figur 3 viser også, hvad der skal forventes, når den rette mængde, ca. 50%, af lys afskæres af barberblad. Hvis cutoff enten er for høj (figur 4), eller for lavt (figur 5
Når opsætningen er færdig, kan man justere forskellige masse spektrometer parametre, mens du ser deres effekt på video kameraets skærm. Dette billede, ved siden af selve signalet i massespektrometeret, muliggør optimerede betingelser, der skal nås hurtigt på grund af den nye forståelse af gasstrømmen.
Disse billeder kan derefter bruges til at beregne spray halv vinkel nitrogenstrømmen. Spray halvvinkel fortæller brugeren den samlede størrelse af nitrogengasstrøm den. Denne vinkel udføres ved diameteren af dysen, samt trykket og temperaturen af gassen. Figur 6 er en repræsentation af de halve vinkelmålinger med konstant dysestørrelse og variationer i gastryk. Som forventet, den halve vinkel stige tilsvarende med en stigning i trykket, der betyder en samlet størrelse stigning af gassenstream. Figur 7 er en repræsentation af den halve vinkel med konstant tryk under ændring af dysediameteren. Som forventet, den halve vinkel øges med øget dysediameter. Dette betyder en samlet skalering forøgelse af størrelsen af nitrogen jet kommer ud af kilden som dysens diameter forøges.
Figur 1. Schlieren Skematisk (re-print med tilladelse fra henvisning 7). Skematisk fremstilling af den Schlieren fotografering apparat med massespektrometri ionisering kilde. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Visualisering af Nit Rogen Streams (re-print med tilladelse fra henvisning 7). Schlieren fotografier af gasstrømmen fra ionisering kilde med forskellige dyse indvendig diameter på (A) 4,8 mm, (B) 3,2 mm, (C) 1,5 mm, (D) 0.5 mm. klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Visualisering af Ambient Source. Vidvinkel Schlieren fotografi af ionisering kilde med korrekt positionering af cutoff. Klik her for at se en større version af dette tal.
g4.jpg "/>
Figur 4. Dårlig Visualisering med lav Cutoff. Schlieren fotografi med cutoff placeret for lavt. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Dårlig Visualisering med høj Cutoff. Schlieren fotografi med cutoff placeret for højt. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Half Angle vs gastryk. En graf, der viser ændringen i spray halv vinkel med konstant dysestørrelse med varierende gastryk.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg" target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. Half Vinkel vs dyse størrelse. En graf, der viser ændringen i spray halv vinkel med konstant tryk med varierende dyse størrelse. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Der er flere overvejelser, der skal løses, før du forsøger denne protokol. Ud over den plads omkring massespektrometer til kilden og spejlet skal nok åbne rum være til rådighed til at rumme afstanden to gange omdrejningspunktet for spejlet. Endvidere er størrelsen af spejlet i sidste ende bestemmes af størrelsen af den kilde, der er under undersøgelse. Hvis spejlet er for lille, kilden vil ikke være fuldt visualiseres. Det er vigtigt at bemærke, at nogle, hvis ikke alle, af kilden dæksler skal fjernes for at gennemføre Schlieren fotografering imaging teknik.
Det mest afgørende trin i selve opsætningen er tilpasningen af hver del af Schlieren apparat. Spejlet skal være vinkelret på gulvet og barberbladet skal placeres nøjagtigt på det dobbelte af brændvidden af spejlet. På denne afstand, vil det reflekterede lys fokuseres på en lille plet. Mængden af lys blokeres af barberbladet er også iVIGTIG. Hvis produceres dårlige billeder, vil det første aspekt at justere være med placeringen af barberbladet. Når barberblad ikke blokerer nok af lys, der når kameraet er ingen kontrast dannes og dermed gassen vil ikke ses. Hvis for meget af lyset er blokeret billederne er mørke, hvilket gør det vanskeligt at adskille de mere subtile detaljer i nitrogenstrømmen fra objektet, der undersøges.
En begrænsning ved teknikken er, at der skal være en stor forskel med hensyn til brydningsindekset for baggrunden og den del af undersøgelsen. Dette vil afhænge af temperatur og fugtighed i det pågældende laboratorium. RT nitrogen er almindeligvis vanskeligt at se som luften baggrund er sammensat af ca. 78% nitrogen. Dette overvindes i den beskrevne opsætning, fordi temperaturen af kvælstof varierer fra kilden, hvilket resulterer i ændringer i brydningsindeks.
Samlet set betydelige bidrag thans protokol er evnen til at forstå de fysiske processer, der er involveret med ionisering i den kilde. Dette vil igen gøre det muligt for brugeren bedre at tune instrument i stedet for blindt varierende parametre, samt give begrundelse for de optimerede betingelser. Fordelen ved denne teknik er evnen bruge alle oplysninger fra både de fysiske og kemiske processer til at få bedre følsomhed og selektivitet med en omgivende ionisering kilde 6. Brugeren kan anvende de Schlieren billeder for at bestemme fysiske egenskaber af kilden, mens de massespektrometriske data kan anvendes til at forstå de kemiske egenskaber af kilden.
Fremtidige programmer ville være at anvende denne teknik til enten forskellige andre omgivende ionisering kilder til rådighed på markedet, eller en ikke-kommerciel apparat. Dette kan også anvendes på andre instrumenter / maskiner, som anvender gasstrømme.
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).
