Name: 环境质谱可视化纹影摄影的使用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 49 s
Description: 学习使用纹影摄影技术可视化环境质谱电离源的气流，以优化电离效率并理解相关物理现象。该方法可应用于质谱分析和空气动力学等多个科学领域。

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作者谨此感谢 Caitlin Kowalewski 在本出版物的编辑与排版过程中提供的帮助。

1. 纹影成像
<ol>
	<li>测试区域的建立 
	注意： 测试区域位于镜子正前方。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>遮光板、相机和光源
	<ol>
		<li>遮光板
		<ol>
			<li>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&#34;遮光板&#34;作用。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>相机
		<ol>
			<li>将配备300 mm远摄镜头的数码相机安装在另一个三脚架上。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>可选监视器
		<ol>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>针孔光源
		<ol>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>光源定位
		<ol>
			<li>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。</li>
			<li>将激光笔放置在金属板上，紧邻剃须刀片。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 示例测试对象：质谱电离源
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>手动打开通向环境电离源的针阀，使氮气流经电离源。</li>
	<li>打开用于控制质谱仪的软件。本研究中使用的软件为 &#34;SQ driver&#34;。点击文件 - 打开，然后选择合适的调谐文件。</li>
	<li>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 &#34;Source Voltage is off&#34; 和按钮 &#34;All gas and heaters are off&#34; 以完成此操作。</li>
	<li>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 &#34;结果&#34; 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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
3. 从采集图像确定喷雾半角
<ol>
	<li>使用图像查看软件打开采集到的图像，并将图像打印出来。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

<ol><li>Settles, G. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSettles%2C+GS+%22Schlieren+and+Shadowgraph+Techniques%3A+Visualization+Phenomena+in+Transparent+Media%22">Schlieren and Shadowgraph Techniques: Visualization Phenomena in Transparent Media</a>. , 1st, Springer-Verlag. Germany. (2001).</li>
<li>Strawa, A. W., Chapman, G. T., Arnold, J. O., Canning, T. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ballistic+range+and+aerothermodynamic+testing%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Aircraft%22%5BJournal%5D)">Ballistic range and aerothermodynamic testing.</a> J. Aircraft. 28 (7), 443-449 (1991).</li>
<li>Settles, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+gas+leaks+by+using+schlieren+optics%5BTitle%5D)+AND+%22Pipeline+%26+Gas+Journal%22%5BJournal%5D)">Imaging gas leaks by using schlieren optics.</a> Pipeline & Gas Journal. 226 (9), 28-30 (1999).</li>
<li>Takagi, T., Kubota, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+application+of+schlieren+optics+for+detection+of+protein+bands+and+other+phenomena+in+polyacrylamide+gel+electrophoresis%5BTitle%5D)+AND+%22Electrophoresis%22%5BJournal%5D)">The application of schlieren optics for detection of protein bands and other phenomena in polyacrylamide gel electrophoresis.</a> Electrophoresis. 11 (5), 361-366 (1990).</li>
<li>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).</li>
<li>Froome, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Refractive+Indices+of+Water+Vapour%2C+Air%2C+Oxygen%2C+Nitrogen+and+Argon+at+72+kMc%2Fs%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Phys.+Soc.+B%22%5BJournal%5D)">The Refractive Indices of Water Vapour, Air, Oxygen, Nitrogen and Argon at 72 kMc/s.</a> Proc. Phys. Soc. B. 68, 833-835 (1955).</li>
<li>Winter, G. T., Wilhide, J. A., LaCourse, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+a+Direct+Sample+Analysis+%28DSA%29+Ambient+Ionization%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Soc.+Mass+Spectrom%22%5BJournal%5D)">Characterization of a Direct Sample Analysis (DSA) Ambient Ionization.</a> J. Am. Soc. Mass Spectrom. 26 (9), 1502-1507 (2015).</li>
<li>Pfeuffer, K. P., Schaper, J. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Halo-Shaped+Flowing+Atmospheric+Pressure+Afterglow%3A+A+Heavenly+Design+for+Simplified+Sample+Introduction+and+Improved+Ionization+in+Ambient+Mass+Spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Halo-Shaped Flowing Atmospheric Pressure Afterglow: A Heavenly Design for Simplified Sample Introduction and Improved Ionization in Ambient Mass Spectrometry.</a> Anal. Chem. , 7512-7518 (2013).</li>
<li>Pfeuffer, K. P., Shelley, J. T., Ray, S. J., Hieftje, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualization+of+Mass+Transport+and+Heat+Transfer+in+the+FAPA+Ambient+Ionization+Source%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Anal.+At.+Spectrom%22%5BJournal%5D)">Visualization of Mass Transport and Heat Transfer in the FAPA Ambient Ionization Source.</a> J. Anal. At. Spectrom. 28 (379-387), 379-387 (2013).</li>
<li>Pfeuffer, K. P., Ray, S. J., Hieftje, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+and+Visualization+of+Mass+Transport+for+the+Flowing+Atmospheric+Pressure+Afterglow+%28FAPA%29+Ambient+Mass-Spectrometry+Source%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Soc.+Mass+Spectrom%22%5BJournal%5D)">Measurement and Visualization of Mass Transport for the Flowing Atmospheric Pressure Afterglow (FAPA) Ambient Mass-Spectrometry Source.</a> J. Am. Soc. Mass Spectrom. 25 (5), 800-808 (2014).</li>
<li>Keelor, J. D., Dwivedi, P., Fernández, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Effective+Approach+for+Coupling+Direct+Analysis+in+Real+Time+with+Atmospheric+Pressure+Drift+Tube+Ion+Mobility+Spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Soc.+Mass+Spectrom%22%5BJournal%5D)">An Effective Approach for Coupling Direct Analysis in Real Time with Atmospheric Pressure Drift Tube Ion Mobility Spectrometry.</a> J. Am. Soc. Mass Spectrom. 25 (9), 1538-1548 (2014).</li>
</ol>

本文不存在任何利益冲突。

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...

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。

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

利用舒利伦摄影技术可视化环境质谱

Visualization of Ambient Mass Spectrometry with the Use of Schlieren Photography

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。

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。如果遮光程度过高（图4）或过低（图5），都将导致成像质量不佳。
一旦装置完成，即可在观察摄像头视频屏幕的同时调节质谱仪的各种参数。该图像结合质谱仪的实际信号，有助于快速实现最优条件，从而加深对气体流的...

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。

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。为了充分优化质谱……

该实验方案的总体目标是通过可视化质谱联用的常压电离源中的气体流，以理解和优化电离源的性能。该方法有助于解答常压电离质谱领域中的关键问题，例如电离效率与电离源位置之间的关系。该技术的主要优势在于利用可视化气体流与常压电离源相结合，从而更深入地理解与检测技术相关的物理现象。尽管该方法可为环境质谱分析提供见解，但它也可应用于其他涉及气流的系统，例如物理现象。一个实例是空气动力学领域。通常，刚接触该方法的人员会遇到困难，因为最初很难掌握如何手动调节系统以实现相机的正确对准。首先，将一个球面凹面镜固定在足够支撑该镜片的铁环架夹具中。将夹有凹面镜的铁环架夹具安装在垂直于地面的三英尺高铁环架上。将铁环架及凹面镜置于质谱仪离子源侧边的位置。调整镜面，使其与源平行且处于相同高度。然后，将镜子定位，使其中心与质谱仪的源中心区域对齐。接下来，将一块金属板固定在三脚架顶部。使用磁铁将被称为“截断刀片”的剃须刀片固定在金属板上，使刀片的锋利边缘保持垂直。将三脚架放置在与反射镜共轴的位置，距离为反射镜焦距的两倍。然后，将剃须刀片与反射镜反射的光路垂直对齐。手动调节三脚架的高度，使剃刀刃口大致与镜子中心对齐。随后，将配备300毫米远摄镜头的数码相机安装在另一个三脚架上。调整相机位置，使镜头位于剃刀后方4厘米处，且与剃刀处于同一高度。将相机的视频输出连接到计算机显示器，以便实时轻松观察 schlieren 现象。在小瓶盖中心钻一个直径约 0.6 毫米的小孔，以便将其固定在手电筒上。使用耐高温铝箔胶带将小瓶盖固定在 200 流明的 LED 手电筒上。只有当所有组件正确对准时，实验才能成功。请仔细确保各部件的准确定位。为确保手电筒的正确位置，将一个激光笔放置在金属板上剃须刀片旁边。手动移动激光笔，使光束照射到镜面中心。根据需要进行调整，确保反射光束与剃刀刀片垂直相交，从而使约一半的光束被遮挡。如果光束未对准，需手动调节镜片位置，使激光笔的光束直接对准剃刀刀片。在确保激光束已对准透镜中心后，保持所有部件位置不变，将激光笔更换为带遮盖的手电筒。接着，打开手电筒。使用一张白纸在截止位置观察反射光，确保光束形成一个细小且聚焦的光斑。进行必要的垂直调整，使遮挡物挡住约一半的反射光束。然后，取下相机的镜头盖，对准镜面进行聚焦。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毫米。随后，手动打开通向环境气源的针阀，使氮气流经该阀。打开用于控制质谱仪的软件，点击“文件”，然后选择“打开调谐”。然后，选择合适的调谐文件。打开手动调谐后，将所有电压和温度施加到常压电离源。随着温度升高，通过数字相机的显示屏利用纹影装置观察喷嘴流出气流的形态变化。当在相机上观察到所需图像后，拍摄气流图像以进行采集。随后，使用图像查看软件打开所获取的图像并将其打印出来。在打印好的图像上，使用铅笔和直尺手动绘制一条直线，定义气流中心轴线，该轴线应与气流方向平行。使用直尺，在打印出的图像上沿着可视化气流边缘手动绘制一条线。标记气流的外侧边缘，以获得喷雾半角的范围。最后，使用量角器测量中心轴与该线之间形成的夹角。当所有Schlieren装置组件正确对准后，测试区域内的气体可呈现明暗对比的区域。这种对比可用于观察随着喷嘴尺寸减小，质谱源中氮气射流形状的变化情况。一幅完整且未裁剪的Schlieren图像展示了源和气体流动相对于反射镜的方向，并显示了在遮挡适量光线时应观察到的现象。如果阈值过高或过低，都会导致图像质量下降。在喷嘴尺寸固定的情况下，随着压力的增加，半角相应增大，表明气体射流的整体尺寸增大。在压力恒定时，随着喷嘴直径的增大，半角也随之增大，表明氮气射流的整体尺寸按比例增大，即随着喷嘴直径的增加，从源端喷出的氮气射流尺寸增大。一旦掌握，若操作得当，该技术可在一至两小时内完成。观看本视频后，您应能充分理解如何对常压电离源的气体流进行可视化。请注意，使用激光笔可能具有极高危险性，在执行该操作时务必佩戴护目镜。

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