利用舒利伦摄影技术可视化环境质谱

摘要

本文介绍了一种利用纹影摄影与质谱法对常压电离源的气体流进行可视化的实验方案。

摘要

本文阐述了如何利用纹影摄影技术对质谱环境电离源进行可视化观察。为了正确优化质谱仪，有必要对电离源的物理原理进行表征和理解。大多数商用环境电离源利用氮气、氦气或大气空气的气流来促进分析物的电离。因此，可通过纹影摄影技术，利用气流与周围空气之间折射率的差异，实时可视化气体流场。该方法的基本装置包括一台相机、一面镜子、一个手电筒和一片剃须刀片。当配置适当时，通过观察光源的反射影像即可获得电离源的实时图像。这种方法有助于深入理解电离源的作用机制，并揭示其优化路径。该技术使原本不可见的物理过程得以清晰呈现。

引言

质谱法是一种用于分子质量鉴定的分析工具，迄今为止已成为最强大的分析技术之一。在过去十年中，大量新型常压离子化源已可用于质谱检测。本论文所收集的数据采用了直接样品分析（Direct Sample Analysis，DSA）离子源。尽管这些离子源具有极高的通用性，但为了优化其性能并拓展其应用范围，仍需更深入地了解其物理离子化过程。本实验的目的是通过一种称为纹影成像（schlieren photography）的技术，对设备中氮气流进行可视化观察，从而增进对常压离子源内部离子化过程的理解。

科学研究通常始于观察，但如果研究对象对肉眼透明，则观察将变得困难。Schlieren 摄影技术利用透明介质中折射率的变化，使不可见的现象变得可见¹。折射率的不均匀性会引起光线的畸变，从而实现可视化。Schlieren 技术已被常规应用于多种专业领域，包括弹道建模、航空航天工程、气体检测与流动监测，有时也被用于可视化凝胶电泳中的蛋白质条带^2-5。

大多数常压电离源使用气流来促进电离过程。虽然电离源的条件选择范围广泛，但本实验的参数必须涉及使用折射率不同于周围实验室空气的气体。本项研究具体采用了高温氮气。需要注意的是，在常温下，气流中的纯氮气与空气之间的折射率差异很小⁶，这主要是因为空气的主要成分本身就是氮气。本实验通过使用高温的纯氮气克服了这一问题，高温导致折射率发生足够显著的变化，从而使气流可以被观测到。

其他质谱电离源，例如解吸常压化学电离（Desorption Atmospheric Chemical Ionization, DAPCI）⁷、流动常压余辉（Flowing Atmospheric Pressure Afterglow, FAPA）^8-10 和实时直接分析（Direct Analysis in Real Time, DART）¹¹ 电离源，均已采用纹影成像技术。本实验方案旨在探讨如何利用基本的纹影成像装置来研究常压电离过程。然而，该技术同样适用于任何涉及气体流的分析技术。

方案

1. 纹影成像

1. 测试区域的建立
   注意： 测试区域位于镜子正前方。
   1. 将一个球面凹面镜（直径150 mm，焦距1,500 mm）夹在足够支撑该镜子的环形支架夹中。将带有凹面镜的环形支架夹固定在垂直于地面的铁架台上。本研究使用了3英尺高的铁架台，但任何高度均可使用，只要其足够高以使镜子在光源的观察窗口中居中即可。
   2. 将铁架台和凹面镜放置在质谱仪离子源的一侧。使镜面与离子源平行，并处于相同高度。
   3. 调整镜子位置，使其中心与质谱仪的中心离子源区域对齐。仪器之间可能会有部分重叠。
2. 遮光板、相机和光源
   1. 遮光板
      1. 将一块金属板固定在三脚架顶部。该金属板将作为平台，用于固定剃须刀片和光源。剃须刀片在纹影成像中起着所谓的"遮光板"作用。
      2. 使用磁铁将剃须刀片固定在金属板上，使其锋利边缘保持垂直。
      3. 将三脚架放置在与镜子成两倍焦距（即3,000 mm）的位置上，并与镜子成一直线。调整剃须刀片的位置，使其与从镜子反射的光线路径垂直。
      4. 手动调节三脚架的高度，使剃须刀片的锋利边缘大致与镜子中心对齐。
         注：后续将进行精细调节。
   2. 相机
      1. 将配备300 mm远摄镜头的数码相机安装在另一个三脚架上。
      2. 调整相机位置，使其镜头（在完全变焦状态下）位于剃须刀片正后方4 cm处，并与剃须刀片处于同一高度。此时请勿取下镜头盖。
   3. 可选监视器
      1. 将相机的视频输出连接至计算机显示器或电视，以便实时观察纹影现象。
         注：此步骤为推荐操作。具体操作可能因所用相机类型而异。
   4. 针孔光源
      1. 在盖子中心钻一个小孔（直径约0.6 mm），该盖子可附着或粘贴在光源上（本例中使用了一个与手电筒直径相同的瓶盖）。确保盖子直径足够大，能够完全覆盖手电筒镜头。
      2. 使用铝箔胶带将盖子固定在200流明的LED手电筒上。
         注：手电筒会发热，建议使用耐高温胶带。
   5. 光源定位
      1. 首先使用激光笔将光源与镜子、剃须刀片和相机对齐，以确保光源位置正确。
      2. 将激光笔放置在金属板上，紧邻剃须刀片。
      3. 手动移动激光笔，使光束照射到镜子中心。必要时进行调整，确保反射光束与剃须刀片垂直相交，从而使约一半光束被遮挡。
      4. 如果在步骤1.2.5.3中未能实现光束对齐，则手动调节镜子位置，使激光笔光束直接对准剃须刀片。
         警告！ 切勿直视激光笔或其反射光束。
      5. 在相机镜头盖保持关闭的情况下，确保激光束在镜头中心对准。
      6. 在所有部件对齐后，用带盖的手电筒替换激光笔。确保手电筒的方向与激光笔一致。
      7. 打开手电筒，使用一张白纸观察遮光板处的反射光。确保光束在遮光板处形成一个细小且聚焦的光斑。
      8. 根据需要进行垂直方向的微调，使遮光板遮挡约一半的反射光束。
      9. 取下相机镜头盖，并对准镜子进行对焦。
         注：建议将相机/镜头设置为手动对焦模式。

2. 示例测试对象：质谱电离源

1. 手动将质谱离子源在测试区域内对准，使喷嘴末端与质谱仪入口之间的距离为 10 mm。
2. 手动打开通向环境电离源的针阀，使氮气流经电离源。
3. 打开用于控制质谱仪的软件。本研究中使用的软件为 "SQ driver"。点击文件 - 打开，然后选择合适的调谐文件。
4. 在手动调谐打开后，向环境电离源施加所有电压和温度。每台质谱仪在此步骤中都有其专用的软件。在本研究中，手动调谐打开后，点击按钮 "Source Voltage is off" 和按钮 "All gas and heaters are off" 以完成此操作。
5. 随着温度升高，通过数码相机的显示屏上观察纹影装置所显示的从喷嘴排出气流的形态。观察从喷嘴末端逸出的气流（参见 "结果" 部分的描述）。该气流可在相机背面查看，也可直接在 LCD 显示器上观察。
6. 当在相机上实时观察到所需图像后，通过录制视频或拍摄照片的方式采集图像。
7. 将采集的图像通过相机存储卡或 USB 连接传输至计算机，并使用您选择的软件查看图像。

3. 从采集图像确定喷雾半角

1. 使用图像查看软件打开采集到的图像，并将图像打印出来。
2. 使用直尺在打印出的图像上绘制一条直线，定义与气流方向平行的气流中心轴线。
3. 使用直尺在打印出的图像上沿可视化气流边缘绘制一条直线。由于视频格式中存在闪烁现象，通过回放录制的视频可更清晰地观察气流边界；可利用此特点辅助确定打印图像中的边缘位置。标记气流的外侧边缘，以获得喷雾半角的范围。
4. 使用量角器测量中心轴线与步骤 3.2 中所画直线之间形成的夹角。

结果

包含质谱电离源的纹影装置示意图见图1。当所有纹影组件正确对准时，测试区域内的气体可呈现为明暗对比的区域。图2展示了如何利用这种对比来观察质谱源中氮气喷流的形状随喷嘴尺寸减小而发生的变化。

完整的未裁剪的纹影图像（显示光源和气流）见图3。该图像展示了测试物体相对于反射镜的方位。图3还显示了当剃刀片恰好遮挡约50%的光线时应获得的成像效果。如果遮光比例过高（图4）或过低（图5），都将导致成像质量不佳。

设置完成后，可一边观察摄像头视频屏幕上的图像，一边调整质谱仪的各种参数。该图像与质谱仪的实际信号相结合，有助于快速实现最优条件，从而加深...

讨论

在尝试本方案之前，必须考虑若干事项。除了质谱仪周围用于光源和反射镜的空间外，还需留出足够的开放空间，以容纳反射镜两倍焦距的距离。此外，反射镜的尺寸最终取决于所研究光源的尺寸。如果反射镜过小，则无法完全观察到光源。需要注意的是，为了实施纹影成像技术，可能需要拆除部分甚至全部光源外壳。

实际搭建过程中最关键的步骤是纹影装置各个部件的对准。镜子必须与地面垂直，剃须刀片必须精确地放置在镜面焦距两倍的位置。在此距离下，反射光将聚焦成一个很小的光斑。剃须刀片遮挡光线的程度也非常重要。如果成像效果不佳，首先应调整刀片的位置。当刀片未能遮挡足够多到达相机的光线时，无法形成对比度，因此气体流动将不可见；而如果遮挡了过多光线，则图像会过暗，导致难以分辨被研究物体周围氮气流中较为细微的细节。

该技术的一个局限性在于，背景与研究区域的折射率必须存在较大差异。这种差异取决于相应实验室的温度和湿度。通常情况下，由于背景空气约含78%的氮气，因此难以观察到室温下的氮气。在所述实验装置中，由于氮气源的温度与周围环境不同，导致其折射率发生变化，从而克服了这一困...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
手电筒	EAGTAC	D25A Ti	或同等产品
球面凹面镜	Anchor Optics	27633
Rebel EOS T2i	佳能	4462B001	或同等产品
300 mm 远摄镜头	佳能	6473A003	或同等产品
直接样品分析（DSA）电离源	PerkinElmer	MZ300560	或同等产品
Sq 300 MS 配 SQ 驱动软件	PerkinElmer	N2910801	或同等产品
铁架台	Fisher Scientific	11-474-207	或同等产品
激光笔	Apollo	MP1200	或同等产品
剃须刀片	Blue Hawk	34112	或同等产品
小钻头 #73	CML Supply	503-273	或同等产品
量角器	Sterling	582	或同等产品
软管夹	Trident	720-6000L	或同等产品