Abstract
Detta manuskript beskriver hur man visualisera masspektrometri omgivande jonisering källor använder schlierenfotografering. För att på rätt optimera masspektrometern, är det nödvändigt att karaktärisera och förstå de fysikaliska principerna för källan. De flesta kommersiella omgivnings jonisering källor utnyttjar strålar av kväve, helium, eller atmosfärisk luft för att underlätta joniseringen av analyten. Som en konsekvens, kan schlierenfotografering användas för att visualisera gasströmmarna genom att utnyttja skillnaderna i brytningsindex mellan de strömmar och omgivande luft för visualisering i realtid. Den grundläggande inställningen kräver en kamera, spegel, ficklampa och rakblad. När korrekt konfigurerad, är en realtidsbild av källan observeras genom att titta på dess reflektion. Detta möjliggör insikt i verkningsmekanism i källan, och vägar till dess optimering kan belysas. Belyses på en annars osynlig situation.
Introduction
Masspektrometri, ett analysverktyg för molekylvikt identifiering, har blivit en av de mest kraftfulla analytiska tekniker hittills. Under det senaste decenniet en mängd nya omgivande jonisering källor har blivit tillgängliga för massdetektering spektrometri. För de uppgifter som samlats i detta manuskript var Direct Sample Analysis (DSA) källa används. Även om dessa källor är extremt mångsidig, behövs en mer detaljerad kunskap om den fysiska jonisering processen för dess optimering och utbyggnad av ändamålet. Syftet med detta experiment är att få en bättre förståelse för jonisering processen inom omgivande källorna genom visualisering av kväveflödet på enheten med hjälp av en teknik som kallas schlierenfotografering.
Vetenskaplig studie initierar ofta genom observation, vilket är svårt om syftet med studien är transparent för blotta ögat. Schlierenfotografering är en teknik som gör det osynligaatt bli synliga genom att förlita sig på förändringar i brytningsindex inom transparenta medier 1. Den homogen brytningsindex orsakar en snedvridning av ljuset möjliggör visualisering. Den Schlieren teknik har rutinmässigt används i en mängd olika specialområden, inklusive ballistik modellering, flygteknik, allmän upptäckt gas och flödesövervakning, och ibland för att visualisera proteinbanden i gelelektrofores 2-5.
De flesta omgivnings jonisering källor använder en ström av gas i syfte att underlätta jonisering. Ett brett område av förhållanden kan existera för käll alternativ, men parametrarna för detta experiment måste involvera användningen av en gas med ett brytningsindex som skiljer sig från den omgivande lab luft. Denna specifika studie utnyttjar varm kväve. Det bör noteras att endast en liten skillnad i brytningsindex observeras mellan rent kväve från gasströmmen och luft vid RT 6, främst därför att enir består mestadels av kväve. Det här problemet övervinns i detta fall på grund av de höga temperaturerna i rent kväve i gasströmmen, som alstrar en tillräckligt signifikant förändring i brytningsindex för den gas som skall observeras.
Andra spektrometri källor mass såsom Desorption Atmospheric kemisk jonisering (DAPCI) 7, flödande Lufttryck Afterglow (FAPA) 8-10, och direkt analys i realtid (DART) 11 jonisering källor har använt schlierenfotografering. Avsikten med detta protokoll är att diskutera hur man kan studera omgivande jonisering med hjälp av en grundläggande schlierenfotografering konfiguration. Denna teknik är emellertid tillämplig på vilket som helst antal olika analystekniker som involverar gasflöden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. schlierenfotografering
- Upprättande av testområdet
Obs: testområdet finns direkt framför spegeln.- Klämma en sfärisk konkav spegel (150 mm diameter, brännvidd 1500 mm) i en ring stativ klämma tillräckligt stor för att stödja spegeln. Fäst ringen stativ klämma med spegeln till ett ringstativ vinkelrätt mot golvet. Den aktuella studien använde en 3 fotring stativ, men vilken som helst höjd kan användas så länge som den är lång nog för att kunna centrera spegeln i visningsfönstret av källan.
- Placera ringen stå och spegel för att vid sidan av masspektrometer källan. Göra ansiktet spegelns parallell med och på samma höjd, som källa.
- Positionera spegeln så dess centrum är i linje med centrum emitterområdet av masspektrometern. Viss överlappning av instrumentet kommer att inträffa.
- Cutoff, kamera och Ljuskälla
- cutoff
- Fästa en metallplatta till toppen av stativet. Plattan kommer att fungera som en plattform för att hålla både rakblad och ljuskällan. Rakbladet fungerar som vad som är känt som "cutoff" i schlierenfotografering.
- Fäst rakblad till metallplattan med hjälp av en magnet, så att den vassa kanten är vertikal.
- Placera stativet i linje med spegeln vid två gånger brännvidden av spegeln, 3000 mm. Rikta in rakblad vinkelrätt mot banan av ljus som reflekteras från spegeln.
- manuellt justera höjden på stativet så att den skarpa kanten av rakbladet är ungefär i linje med centrum av spegeln.
OBS: Finjustering kommer att hända senare.
- Kamera
- Montera en digitalkamera med 300 mm teleobjektiv på en separat stativ.
- Placera kameran så att linsen (när vid full zoom) är 4 cm direkt bakom och på samma heiGHT som rakblad. Ta inte bort linsskyddet vid denna tidpunkt.
- valfri bildskärm
- Anslut videoutgången på kameran till en datorskärm eller TV för att enkelt visa Schlieren fenomen i realtid.
OBS: Detta är en rekommenderad process. Detta förfarande kan variera beroende på vilken typ av kamera som användes.
- Anslut videoutgången på kameran till en datorskärm eller TV för att enkelt visa Schlieren fenomen i realtid.
- Pinhole Ljuskälla
- Borra ett litet hål (ca 0,6 mm i diameter) in i centrum av ett lock (i detta fall, en ampull cap samma diameter av ficklampan användes) som kan fästas / tejpas till ljuskällan. Se till att kåpan har tillräcklig diameter för att helt täcka ficklampan linsen.
- Fäst locket över en 200 lumen LED-ficklampa med hjälp av folie tejp.
OBS: Ficklampan får varm och en hög temperatur bandet rekommenderas.
- Ljuskälla Positionering
- Först använder en laser pekaren för att rikta in ljuskällan med spegeln, rakblad, och kamera, för att säkerställa korrekt positionering av ljuskällan.
- Placera laserpekaren på metallplattan intill rakbladet.
- flytta manuellt laserpekare så strålen träffa spegelns mittpunkt. Justera vid behov för att säkerställa den reflekterade strålen skär vinkelrätt mot rakblad så att ungefär hälften av strålen är blockerad.
- manuellt justera spegelns position för att rikta strålen av laserpekaren direkt på rakbladet om ljushöjden inte uppnåddes i 1.2.5.3.
VARNING! Titta inte direkt in i laserpekaren eller den reflekterade strålen. - Säkerställa att laserstrålen är centrerad på linsen samtidigt som linsskyddet på kameran.
- Byt ut laserpekaren med den täckta ficklampa medan allt är i linje. Se till att ficklampan är i samma riktning som laserpekaren.
- Slå på ficklampan och med hjälp av en bit vitt papper, observera det reflekterade ljuset på cutoff. Säkerställa att strålen är en liten fokuserad fläck vid cutoff.
- Gör vertikala justeringar som krävs för att blockera ungefär hälften av den reflekterade ljusstrålen med cutoff.
- Ta bort linsskyddet på kameran och fokusera på spegeln.
OBS: Det rekommenderas att kameran / lins användas i manuellt fokusläge.
- cutoff
2. Exempel Test Objekt: Mass Spectrometry joniseringskälla
- Manuellt rikta in masspektrometri jonkällan inom testområdet, med ett avstånd av 10 mm mellan änden av munstycket och inloppet hos masspektrometern.
- öppna nålventilen till omgivningskälla tillåter kväve att strömma genom källan manuellt.
- Öppna den programvara som används för att styra masspektrometern. För denna studie, den programvara som används var "SQ förare". Klicka på file -open- sedan välja lämplig melodi filen.
- Applicera alla spänningar och temperaturer till den omgivande källan när det manuella inställnings öppnas. Varje masspektrometer kommer att ha sin egen programvara för detta steg. För den aktuella studien, när det manuella inställnings är öppet, klicka på knappen "Source Spänningen är off" och på knappen "Alla gas och värmare är off" för att utföra denna uppgift.
- Observera förekomsten av flödet lämnar munstycket med Schlieren apparaten på vyn skärmen på digitalkameran när temperaturen ökar. Observera gasströmmen (se beskrivning i avsnittet "Resultat") som kommer ut ur änden av munstycket. Gasflödet kan ses på baksidan av kameran, eller det kan ses direkt på en LCD-skärm.
- Samla bilden genom att antingen spela in en video från kameran, eller ta en bild av gasflödet, är en gång önskade bilder visualiseras direkt på kameran.
- Överför bilden (s) samlas till en dator med camerett minneskort eller USB-anslutning och visa bilden med programvara som du väljer.
3. Fastställande av Spray halvvinkel från en Insamlade Image
- Öppna den samlade bilden med hjälp av en bildvisning programvara och skriva ut den insamlade bilden (s).
- Rita en linje på den tryckta bilden (er) som definierar centrumaxeln hos gasströmmen är parallell med flödesriktningen med hjälp av en linjal.
- Dra en linje längs kanten av det visualiserade gasströmmen på den tryckta bilden (er) med användning av en linjal. Detta kan visualiseras bättre från en inspelad video på grund av en skimmer som är närvarande i videoformat; använda detta för att hjälpa till att identifiera kant i de utskrivna bilderna. Markera de yttre kanterna av gasströmmarna för att erhålla ett intervall för spray halv vinkel.
- Mät vinkeln produceras mellan centrumaxeln och linjen dras i 3,2 med hjälp av en gradskiva.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En schematisk bild av schlieren installationen inklusive masspektrometri joniseringskälla kan hittas i figur 1. När alla Schlieren komponenter är korrekt inriktade, kan gaserna i testområdet ses som kontrasterande mörka och ljusa områden. Figur 2 illustrerar hur denna kontrast kan vara används för att observera hur formen på kvävejetstrålen från massförändringar spektrometri källa som munstycket storleken minskar.
En fullständig, uncropped schlieren bild av källan och gasflödet kan hittas i figur 3. Denna bild illustrerar orienteringen av testobjekt i förhållande till spegeln. Bilden i fig 3 visar också vad som bör förväntas när rätt mängd, ca 50%, av ljuset är avskuren av rakblad. Om cutoff är antingen för hög (figur 4), eller för låg (Figur 5
När installationen är klar, kan man justera olika masspektrometer parametrar medan du tittar på deras effekt på videoskärmen på kameran. Denna bild, vid sidan av själva signalen av masspektrometern möjliggör för optimerad villkor som skall nås snabbt på grund av den nya förståelsen av gasflödet.
Dessa bilder kan sedan användas för att beräkna sprut halv vinkel av kväveströmmen. Spray halv vinkel talar om för användaren den totala storleken på den kvävgasström. Denna vinkel åstadkommes genom diametern på munstycket, såväl som trycket och temperaturen på gasen. Figur 6 är en representation av de halvvinkelmätningar med konstant munstycke storlek och variationer i gastryck. Som väntat ökar halv vinkel i enlighet med en ökning av trycket, vilket innebär en total ökning av gasen storlekström. Figur 7 är en representation av den halv vinkel med konstant tryck under ändring av munstyckets diameter. Som väntat ökade halv vinkel med ökad munstycke diameter. Detta innebär en total ökning skalning i omfattningen av kvävestråle som kommer ut ur källan som munstycksdiametern ökas.
Figur 1. Schlieren Schematisk (re-print med tillstånd från referens 7). Schematisk bild av schlierenfotografering apparaten med masspektrometri jonisering källa. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Visualisering av Nit Rogen strömmar (re-print med tillstånd från referens 7). Schlieren fotografier av gasflödet från jonisering källa med olika munstycken inre diameter av (A) 4,8 mm, (B) 3,2 mm, (C) 1,5 mm, (D) 0,5 mm. klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Visualisering av Ambient Source. Vidvinkel schlierenfotografering av jonisering källa med rätt placering av cutoff. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
g4.jpg "/>
Figur 4. Dålig Visualisering med låg cutoff. Schlierenfotografering med cutoff placerad för lågt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Dålig visualisering med hög Cutoff. Schlierenfotografering med cutoff för högt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Half Vinkel vs. Gastryck. En graf som avbildar förändringen i sprayen halv vinkel med konstant storlek på munstyckena med varierande gastryck.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg" target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. halvvinkel vs dysstorlek. Ett diagram som visar förändringen av spray halv vinkel med konstant tryck med varierande munstycke storlek. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det finns flera faktorer som måste åtgärdas innan du försöker detta protokoll. Förutom utrymmet runt masspektrometern för källan och spegel, måste tillräckligt med öppet utrymme finnas tillgängligt för att rymma avstånd på två gånger brännpunkt spegeln. Dessutom är storleken på spegeln i slutändan bestäms av storleken på den källa som är under utredning. Om spegeln är för liten, källan kommer inte att vara helt visualiseras. Det är viktigt att notera att en del, om inte alla, av käll kåpor måste avlägsnas för att genomföra den schlierenfotografering avbildningsteknik.
De viktigaste stegen i den aktuella installationen är inriktningen av varje del av Schlieren apparaten. Spegeln måste vara vinkelrät mot golvet och rakblad måste placeras exakt vid två gånger fokallängden för spegeln. På detta avstånd, kommer det reflekterade ljuset att fokuseras till en liten fläck. Mängden ljus som blockeras av rakbladet är också important. Om dåliga bilder produceras, skulle den första aspekten för att justera vara med placeringen av rakbladet. När rakbladet inte blockerar tillräckligt av ljus som når kameran, är ingen kontrast bildas och därmed gasen inte kommer att ses. Om alltför mycket av ljuset blockeras bilderna blir mörka, vilket gör det svårt att urskilja de mer subtila detaljer i kväveflödet från objektet under utredning.
En begränsning av tekniken är att det måste finnas en stor skillnad när det gäller brytningsindex av bakgrunden och området för studien. Detta kommer att bero på temperaturen och fuktigheten i det berörda laboratoriet. RT kväve är vanligtvis svårt att se som bakgrund luften består av ca 78% kväve. Detta övervinns i den beskrivna konfigurationen eftersom temperaturen hos kvävet varierar från källan, vilket resulterar i förändringar i brytningsindex.
Sammantaget betydande bidrag thans protokoll är förmågan att förstå de fysikaliska processerna med jonisering inom källan. Detta i sin tur gör det möjligt för användaren att bättre stämma instrumentet i stället för att blint varierande parametrar, samt ge motivering till de optimerade förhållanden. Fördelen med denna teknik är möjligheten att använda all information från både den fysiska och kemiska processer för att få bättre känslighet och selektivitet med en omgivande jonisering källa 6. Användaren kan utnyttja de Schlieren bilderna för att bestämma fysikaliska egenskaper hos källan medan spektrometridata mass kan användas för att förstå de kemiska egenskaperna hos källan.
Framtida tillämpningar skulle vara att tillämpa denna teknik för att antingen olika andra omgivnings jonisering källor som finns på marknaden, eller en icke-kommersiell apparat. Detta kan även tillämpas på alla andra instrument / maskiner som utnyttjar gasflöden.
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).
