Abstract
Este manuscrito descreve como visualizar fontes de ionização espectrometria de massa ambiente usando a fotografia Schlieren. De modo a optimizar correctamente o espectrómetro de massa, é necessário caracterizar e compreender os princípios físicos da fonte. A maioria das fontes de ionização ambiente comerciais utilizam jactos de azoto, o hélio, ou o ar atmosférico para facilitar a ionização do analito. Como consequência, a fotografia Schlieren pode ser usado para visualizar as correntes de gás através da exploração das diferenças no índice de refracção entre as correntes de ar ambiente e para a visualização em tempo real. A configuração básica requer uma câmera, espelho, lanterna e lâmina de barbear. Quando devidamente configurado, uma imagem em tempo real da fonte é observado por observando seu reflexo. Isto permite uma visão sobre o mecanismo de acção na fonte, e vias para a sua optimização pode ser elucidado. A luz é derramado sobre uma outra situação invisível.
Introduction
Espectrometria de Massa, uma ferramenta analítica disponível para identificação massa molecular, tornou-se uma das mais poderosas técnicas de análise até à data. Na última década, toda uma série de novas fontes de ionização ambiente tornaram-se disponíveis para a detecção de espectrometria de massa. Para os dados recolhidos neste manuscrito, a análise da fonte (DSA) Amostra direta foi utilizado. Embora estas fontes são extremamente versáteis, um conhecimento mais detalhado do processo de ionização física é necessário para a sua optimização e extensão de propósito. O objectivo desta experiência é a de obter uma melhor compreensão do processo de ionização dentro das fontes ambientais através da visualização do fluxo de azoto sobre o dispositivo utilizando uma técnica chamada de fotografia schlieren.
O estudo científico, muitas vezes inicia através da observação, que é difícil, se o objeto de estudo é transparente a olho nu. Fotografia Schlieren é uma técnica que permite que o invisívelpara tornar-se visível através depender de mudanças no índice de refração dentro de meios transparentes 1. A falta de homogeneidade dos índices de refracção causa uma distorção da luz que permite a visualização. A técnica Schlieren tem sido utilizado rotineiramente em uma variedade de campos de especialidade, incluindo modelagem de balística, engenharia aeroespacial, detecção de gás em geral e monitoração de fluxo, e às vezes para visualizar as bandas de proteína em eletroforese em gel de 2-5.
A maioria das fontes de ionização ambiente, o uso de um fluxo de gás, a fim de facilitar a ionização. Uma ampla variedade de condições pode existir para as opções de fonte, no entanto, os parâmetros deste teste deve envolver a utilização de um gás com um índice de refracção que difere do ar circundante laboratório. Este estudo específico utiliza nitrogênio quente. Deve notar-se que só é observada uma pequena diferença no índice de refracção entre o azoto puro a partir da corrente de gás e de ar à TA 6, principalmente porque umir é composta principalmente de nitrogênio. Este problema é ultrapassado no presente caso, devido às elevadas temperaturas do azoto puro na corrente de gás, que produz uma alteração suficientemente significativa no índice de refracção para o gás a ser observado.
Outras fontes de espectrometria de massa, como a dessorção atmosférica Ionização Química (DAPCI) 7, Fluir Pressão atmosférica Afterglow (FAPA) 8-10, e Direct Análise em Tempo Real (DART) 11 fontes de ionização têm utilizado a fotografia Schlieren. A intenção deste protocolo é discutir como estudar ionização ambiente usando uma configuração básica de fotografia Schlieren. Esta técnica, no entanto, é aplicável a qualquer número de diferentes técnicas analíticas que envolvem correntes gasosas.
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Protocol
1. Fotografia Schlieren
- Estabelecimento da Região Teste
Nota: A região de teste existe directamente em frente do espelho.- Grampo um espelho esférico côncava (150 mm de diâmetro, comprimento focal 1.500 milímetros) em uma braçadeira suporte anelar suficientemente grande para suportar o espelho. Prenda o grampo estande ringue com o espelho a um anel ficar perpendicular ao chão. Este estudo utilizou um suporte de anel de 3 pés, mas qualquer altura pode ser utilizado, desde que ele é alto o suficiente para ser capaz de centrar o espelho na janela de visualização da fonte.
- Colocar o suporte anelar e um espelho para o lado da fonte de espectrómetro de massa. Adicione a face do espelho e é paralelo a, e na mesma altura, como a fonte.
- Posicionar o espelho, para o seu centro está alinhado com a região de origem centro do espectrómetro de massa. Alguns sobreposição do instrumento vai ocorrer.
- Cutoff, Fotografia a Fonte de Luz
- Corte fora
- Anexar uma placa de metal com o topo do tripé. A placa de vai servir como uma plataforma para realizar tanto a lâmina de barbear e a fonte de luz. A lâmina funciona como o que é conhecido como o "corte" em fotografia schlieren.
- Fixe a lâmina de barbear para a placa de metal usando um ímã para que a borda afiada é vertical.
- Coloque o tripé em linha com o espelho de duas vezes a distância focal do espelho, 3.000 mm. Alinhar a lâmina de barbear ortogonal em relação ao caminho da luz reflectida a partir do espelho.
- ajustar manualmente a altura do tripé de modo que a ponta afiada da lâmina de barbear é aproximadamente alinhado com o centro do espelho.
NOTA: O ajuste fino vai acontecer mais tarde.
- Câmera
- Montar uma câmera digital com lente de telefoto 300 milímetros em um tripé separado.
- Posicione a câmera de forma objectiva (quando em zoom completo) é de 4 cm diretamente atrás e, ao mesmo heiluta como a lâmina de barbear. Não remova a tampa da lente neste momento.
- monitor opcional
- Ligue a saída de vídeo da câmera para um monitor de computador ou TV para ver facilmente o fenómeno Schlieren em tempo real.
NOTA: Este é um processo recomendado. Este procedimento pode variar dependendo do tipo de câmara usada.
- Ligue a saída de vídeo da câmera para um monitor de computador ou TV para ver facilmente o fenómeno Schlieren em tempo real.
- Pinhole Fonte de Luz
- Perfurar um furo pequeno (aproximadamente 0,6 mm de diâmetro) no centro de uma tampa (neste caso, uma tampa do frasco foi usado o mesmo diâmetro da lanterna) que pode ser ligada / colado à fonte de luz. Certifique-se de que a tampa tem diâmetro suficiente para cobrir completamente a lente lanterna.
- Coloque a tampa mais de 200 lumen lanterna LED usando fita de alumínio.
NOTA: A lanterna vai ficar quente e uma fita de alta temperatura é recomendado.
- Posicionamento Fonte de Luz
- Primeiro use a laSer ponteiro para alinhar a fonte de luz com o espelho, lâmina de barbear, e câmara, para assegurar o posicionamento apropriado da fonte de luz.
- Coloque o ponteiro laser sobre a placa de metal ao lado da lâmina de barbear.
- manualmente mover o ponteiro laser de modo que o feixe é que bate o centro do espelho. Ajustar conforme necessário para garantir o feixe reflectido intersecta ortogonalmente para a lâmina de barbear de modo que aproximadamente metade do feixe é bloqueado.
- ajustar manualmente a posição do espelho para apontar o feixe do laser pointer directamente na lâmina de barbear se o alinhamento do feixe não foi alcançada em 1.2.5.3.
CUIDADO! Não olhe diretamente para o ponteiro laser ou do feixe reflectido. - Certifique-se de que o feixe de laser é centrada sobre a lente, mantendo a tampa da lente da câmara.
- Substitua o ponteiro laser com a lanterna coberta enquanto tudo está alinhado. Assegure-se que a lanterna é na mesma orientação que o ponteiro laser.
- Ligar a lanterna e, usando um pedaço de papel branco, observar a luz refletida na corte. Certifique-se de que o feixe é um pequeno ponto focalizado no ponto de decisão.
- Faça os ajustes verticais necessário bloquear aproximadamente metade do feixe de luz refletida com a corte.
- Retire a tampa da lente da câmera e foco no espelho.
NOTA: Recomenda-se que a câmera / lente ser usado no modo de focagem manual.
- Corte fora
2. Objecto Exemplo de Teste: Espectrometria de Massa de Ionização Fonte
- alinhar manualmente a fonte de espectrometria de massa de iões dentro da região de teste, com uma distância de 10 mm entre a extremidade do bocal e a entrada do espectrómetro de massa.
- abrir manualmente a válvula de agulha para a fonte de azoto ambiente permitindo que a fluir através da fonte.
- Abra o software utilizado para controlar o espectrómetro de massa. Para este estudo, o software utilizado foi o "driver de SQ". Clique no file -open- em seguida, selecione o arquivo de música apropriada.
- Aplicar todas as tensões e temperaturas para a fonte ambiente uma vez que a sintonia manual é aberto. Cada espectrômetro de massa terá o seu próprio software para esta etapa. Para o estudo atual, uma vez que a melodia do manual for aberto, clique no botão "Tensão Fonte está desligado" e o botão "All gás e aquecedores são off" para executar esta tarefa.
- Observar o aparecimento do fluxo que sai do bocal com o aparelho Schlieren na tela de vista da câmara digital medida que a temperatura aumenta. Observar a corrente de gás (ver descrição na secção "Resultados") que sai da extremidade do bico. O fluxo de gás pode ser visto na parte de trás da câmera, ou pode ser visualizado diretamente em um monitor LCD.
- Recolha a imagem por qualquer gravação de um vídeo a partir da câmara, ou tirar uma foto do fluxo de gás, as imagens depois desejados são visualizadas ao vivo na câmara.
- Transfira a foto (s) recolhido a um computador com o camerum cartão de memória ou conexão USB e visualizar a imagem com o software de sua escolha.
3. Determinação do pulverizador semi-ângulo de uma imagem Collected
- Abra a imagem recolhida usando um software de visualização de imagens e imprimir a imagem recolhida (s).
- Desenhar uma linha na imagem (s) de impresso que define o eixo central da corrente de gás paralela à direcção de fluxo usando uma régua.
- Desenhar uma linha ao longo da borda da corrente de gás visualizados na imagem (s) de impresso usando uma régua. Isto pode ser melhor visualizado a partir de um vídeo gravado devido a um brilho que é presente em formato de vídeo; usar isso para ajudar a identificar a borda nas imagens impressas. Marcar as bordas exteriores dos fluxos de gás para se obter um intervalo para o semi-ângulo de pulverização.
- Medir o ângulo produzido entre o eixo central e a linha traçada no ponto 3.2, usando um transferidor.
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Representative Results
Um esquema da configuração Schlieren incluindo a fonte de espectrometria de ionização de massa podem ser encontrados na Figura 1. Quando todos os componentes schlieren estão devidamente alinhados, os gases dentro da região de teste pode ser visto como contrastante regiões escuras e claras. A Figura 2 ilustra a forma como esta contraste pode ser usado para observar a forma como o fluxo do jacto de azoto a partir da massa muda a fonte de espectrometria de como o tamanho do bico diminui.
Uma imagem Schlieren completo, não recortada da fonte de fluxo de gás e pode ser encontrada na Figura 3. Esta imagem ilustra a orientação do teste de objectos em relação ao espelho. A imagem na Figura 3 também mostra o que deveria ser esperado quando a quantidade adequada, cerca de 50%, de luz é cortado pela lâmina de barbear. Se o corte é demasiado alta (Figura 4), ou muito baixo (Figura 5
Quando a instalação estiver completa, pode-se ajustar vários parâmetros do espectrómetro de massa, enquanto observa seu efeito na tela de vídeo da câmera. Esta imagem, juntamente com o sinal real do espectrômetro de massa, permite condições otimizado para ser alcançado rapidamente devido à nova compreensão do fluxo de gás.
Estas imagens podem depois ser usados para calcular o ângulo de pulverização metade da corrente de azoto. O ângulo de pulverização metade diz ao utilizador o tamanho total da corrente de gás de azoto. Este ângulo é efectuada pelo diâmetro do bocal, assim como a pressão e a temperatura do gás. A Figura 6 é uma representação das medições semi-ângulo constante com o tamanho do bico e variações na pressão do gás. Como esperado, o semi-ângulo aumenta proporcionalmente com o aumento da pressão, o que significa um aumento de tamanho global do gásfluxo. A Figura 7 é uma representação da semi-ângulo com pressão constante durante a mudança do diâmetro do bocal. Como esperado, o semi-ângulo aumentado com o aumento do diâmetro do bocal. Isto significa um aumento global de escala de tamanho do jacto de azoto que sai da fonte de que o diâmetro do bocal é aumentada.
Figura 1. Schlieren esquemático (re-print com a permissão de referência 7). Representação esquemática do aparelho fotografia Schlieren com a fonte de espectrometria de ionização em massa. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Visualização de Nit Rogen Streams (re-impressão com a permissão de referência 7). fotografias Schlieren de fluxo de gás a partir da fonte de ionização com diferentes bicos diâmetros internos de (A) 4,8 milímetros, (B) 3,2 mm (C) 1,5 mm, (D) 0,5 mm. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Visualização da Ambient Source. O ângulo largo fotografia Schlieren da fonte de ionização com posicionamento adequado do ponto de corte. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Figura 4. Visualização Pobre com Low Cutoff. Fotografia Schlieren com o corte posicionado muito baixo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. Pobre Visualization com alta corte. Fotografia Schlieren com o corte posicionado muito alta. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6. semi-ângulo versus a pressão de gás. Um gráfico que representa a alteração no ângulo de pulverização com metade de tamanho constante bocal com uma pressão de gás variável.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg" target = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7. Metade Ângulo vs Bocal Size. Um gráfico que ilustra a mudança na metade ângulo de pulverização com a pressão constante com variação do tamanho do bico. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Há várias considerações que devem ser resolvidos antes de tentar este protocolo. Além disso para o espaço em torno do espectrómetro de massa para a fonte e o espelho, espaço aberto deve ser suficiente disponível para acomodar a distância de duas vezes o ponto focal do espelho. Além disso, o tamanho do espelho é, em última análise decidida pelo tamanho da fonte que está sob estudo. Se o espelho for demasiado pequena, a fonte não será inteiramente visualizado. É importante notar que algumas, se não todas, das tampas de origem tem de ser removido para implementar a técnica de imagiologia fotografia schlieren.
Os passos mais importantes da configuração real são o alinhamento de cada parte do aparelho Schlieren. O espelho deve ser perpendicular à lâmina de barbear chão e deve ser colocado exactamente em duas vezes a distância focal do espelho. A esta distância, a luz reflectida irá ser focado para uma pequena mancha. A quantidade de luz bloqueada pela lâmina de barbear também é important. Se as imagens são produzidos pobres, o primeiro aspecto para ajustar seria com a colocação da lâmina de barbear. Quando a lâmina de barbear não bloqueia o suficiente da luz que atinge a câmara, nenhum contraste é formada e, portanto, o gás não ser visto. Se muita da luz é bloqueada as imagens aparecem escuras, tornando-se difícil distinguir os detalhes mais sutis no fluxo de nitrogênio do objeto em estudo.
Uma limitação da técnica é que deve haver uma grande diferença em termos de índice de refracção do fundo e da zona de estudo. Isso vai depender da temperatura e umidade do laboratório em questão. RT nitrogênio é normalmente difícil ver como o ar fundo é composto de aproximadamente 78% de azoto. Isto é superar na configuração descrita, porque a temperatura do azoto varia a partir da fonte que resulta em mudanças no índice de refracção.
No geral, a contribuição significativa de to protocolo é a capacidade de compreender os processos físicos envolvidos com a ionização dentro da fonte. Isto por sua vez vai permitir que o utilizador para sintonizar o melhor instrumento ao invés de parâmetros cegamente variados, bem como fornecer raciocínio para as condições optimizadas. A vantagem desta técnica é a capacidade utilizar todas as informações de ambos os processos físicos e químicos para obter um melhor sensibilidade e seletividade com uma fonte de ionização ambiente 6. O utilizador pode utilizar as imagens schlieren para determinar as propriedades físicas da fonte, enquanto os dados de espectrometria de massa pode ser utilizada para compreender as propriedades químicas da fonte.
As aplicações futuras seria aplicar esta técnica para tanto várias outras fontes de ionização ambiente disponíveis no mercado, ou um aparelho não-comercial. Isto também pode ser aplicado a quaisquer outros instrumentos / máquinas que utilizam correntes de gás.
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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).
