Abstract
この原稿は、シュリーレン写真撮影を使用して、質量分析、周囲イオン化源を可視化する方法について説明します。適切に質量分析計を最適化するためには、ソースの物理的原理を特徴付けると理解することが必要です。ほとんどの市販の周囲イオン化源は、分析物のイオン化を促進するために、窒素、ヘリウム、または大気のジェットを利用します。その結果、シュリーレン写真をリアルタイムで可視化ストリームと周囲空気の間の屈折率の差を利用してガス流を可視化するために使用することができます。基本的な設定は、カメラ、ミラー、懐中電灯、とカミソリの刃が必要です。適切に設定された場合、元の実時間画像は、その反射光を監視することによって観察されます。これは、ソースの作用機構への洞察を可能にし、その最適化の経路が解明することができます。光は、そうでなければ見えない状況に流されています。
Introduction
質量分析、分子量の識別に利用できる分析ツールは、これまでで最も強力な分析技術の一つとなっています。過去10年間、新しい周囲イオン化源の全体のホストは、質量分析検出のために利用できるようになりました。この原稿で収集したデータについては、直接試料分析（DSA）のソースを利用しました。これらのソースは非常に汎用性がありますが、物理的なイオン化プロセスのより詳細な知識は、その最適化と目的の拡張のために必要とされます。この実験の目的は、シュリーレン写真撮影と呼ばれる技術を使用して、デバイス上の窒素流れの可視化を通じて、周囲のソース内のイオン化プロセスのより良い理解を得ることです。
科学的研究は、多くの場合、研究の目的は、肉眼で透明である場合に困難であるという観察を通じて開始します。シュリーレン現象は、目に見えないを可能にする技術であり、透明媒体1内の屈折率の変化に頼るを通して見えるようになります。屈折率の不均一性は、視覚化を可能にする光の歪みを引き起こします。シュリーレン技術は、日常的に、ゲル電気泳動2-5タンパク質のバンドを可視化する弾道モデル、航空宇宙工学、一般的なガス検知及び流量監視、及び時間で含む特殊様々な分野で使用されてきました。
最も周囲イオン源は、イオン化を容易にするために、ガスの流れを使用します。条件の広い範囲は、しかし、この実験のパラメータは、周囲の研究室の空気とは異なる屈折率を有するガスの利用を伴わなければならない、ソースオプションのために存在することができます。この特定の研究では、高温の窒素を利用しています。屈折率のわずかな違いは、主にので、RT 6のガス流と空気から純窒素との間に観察されることに留意すべきですIRは、窒素主に構成されています。この問題が原因で観察されるガスの屈折率の有意な十分な変化を生成するガス流中の純粋な窒素の高温に、この例で克服されます。
このような脱着大気化学イオン化（DAPCI）7、大気圧の残光（FAPA）8-10を流れる、およびリアルタイムでの直接分析（DART）のような他の質量分析法源は、11イオン源は、シュリーレン写真撮影を使用しています。このプロトコルの目的は、基本的なシュリーレン写真撮影の設定を使用して、周囲のイオン化を研究する方法を議論することです。この技術は、しかしながら、ガス流を含む異なる分析技術の任意の数に適用可能です。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1.シュリーレン写真
- 試験地域の確立
注：テスト領域は、鏡の前に直接存在します。- ミラーをサポートするのに十分な大きリングスタンドクランプで球状凹面ミラー（直径150mm、焦点距離1500ミリメートル）を固定します。リングにミラーを有するリングスタンドクランプを取り付け床に垂直に立っています。現在の研究は、3フィートのリングスタンドを使用するが、任意の高さであれば、ソースの表示窓、ミラーの中心できることが十分な高さとして使用することができます。
- 質量分析計源側にリングスタンドとミラーを配置します。ミラー並列の顔を作成し、同じ高さで、ソースとして。
- その中心は、質量分析計の中央ソース領域と整列するようにミラーを配置します。楽器の一部の重複が発生します。
- カットオフ、カメラと光源
- 断つ
- 三脚の上部に金属板を取り付けます。プレートは、カミソリの刃と光源の両方を保持するためのプラットフォームとして機能します。かみそりの刃は、シュリーレン写真の「カットオフ」として知られているものとして動作します。
- シャープなエッジが垂直になるように磁石を用いて金属板にカミソリの刃を取り付けます。
- ミラーの倍の焦点距離で鏡に沿って三脚を置き、3000ミリメートル。ミラーからの反射光の経路に直交するカミソリの刃を合わせます。
- カミソリの刃の鋭いエッジがほぼミラーの中心と一致するように、手動で三脚の高さを調整します。
注：微調整は後に発生します。
- カメラ
- 別々の三脚に300ミリメートルの望遠レンズとデジタルカメラをマウントします。
- （フルズーム時）レンズは後ろと同じ丙で4センチメートル直接であるようにカメラを置きカミソリの刃のようGHT。この時点でレンズキャップを外さないでください。
- オプションのモニタ
- 簡単にリアルタイムでシュリーレン現象を表示するには、コンピュータのモニタやテレビにカメラの映像出力を接続します。
注：これは推奨されるプロセスです。この手順は、使用されるカメラの種類に応じて変えることができます。
- 簡単にリアルタイムでシュリーレン現象を表示するには、コンピュータのモニタやテレビにカメラの映像出力を接続します。
- ピンホール光源
- （懐中電灯の同じ直径を使用したこの場合、バイアルキャップ）カバーの中央に小さな穴（直径約0.6 mm）をドリル光源にテープ/取り付けることができます。カバーが完全に懐中電灯のレンズをカバーするのに十分な直径を有していることを確認してください。
- 箔テープを用いて、200ルーメンのLED懐中電灯の上にカバーを取り付けます。
注：懐中電灯が暖かくなり、高温テープが推奨されます。
- 光源の位置
- 最初のラを使用しますSERポインタは、光源の適切な位置決めを確実にするために、ミラー、かみそりの刃、およびカメラと光源を整列させます。
- かみそりの刃の隣に金属板にレーザーポインターを置きます。
- ビームは、ミラーの中心部に当たっているので、手動でレーザーポインターを移動します。ビームの約半分が遮断されるように、反射ビームは、カミソリの刃に直交する確保するために、必要に応じて調整します。
- 手動でビームアライメントを1.2.5.3に達成されなかった場合は、カミソリの刃で直接レーザーポインタのビームを目指すミラーの位置を調整してください。
注意！レーザーポインターまたは反射光を直接見ないでください。 - カメラのレンズキャップを維持しながら、レーザビームがレンズの中央に配置されていることを確認してください。
- すべてが整列している間に覆われた懐中電灯でレーザーポインターを交換してください。懐中電灯は、レーザーポインタと同じ方向にあることを確認してください。
- 懐中電灯をオンにして、白い紙を使用して、カットオフでの反射光を観察します。ビームは、カットオフの小さな集光スポットであることを確認してください。
- カットオフで反射された光ビームの約半分を阻止するために必要な任意の垂直調整を行います。
- カメラのレンズキャップを外し、ミラーに焦点を当てます。
注：カメラ/レンズはマニュアルフォーカスモードで使用することをお勧めします。
- 断つ
2.例テスト・オブジェクト：質量分析イオン源
- 手動で、ノズルの端部と質量分析計の入口との間に10mmの距離で、検査領域内の質量分析のイオン源を整列させます。
- 手動窒素源を通って流れることが可能に周囲ソースにニードル弁を開きます。
- 質量分析計を制御するために使用されるソフトウェアを開きます。この研究のために、使用したソフトウェアは、「SQドライバー」でした。 Fiの上でクリックしてくださいルは、適切なチューニングファイルを選択し-open-。
- 手動チューニングが開かれると、周囲のソースに、すべての電圧と温度を適用します。各質量分析計は、このステップのために、独自のソフトウェアを持っています。現在の研究のために、手動チューニングが開いていると、ボタン「電源電圧がオフになっている」をクリックし、ボタンこのタスクを実行するには、「すべてのガスとヒーターはオフになっています」。
- 温度が上昇するにつれて、デジタルカメラの表示画面上のシュリーレン装置を用いてノズルを出る流れの様子を観察します。ノズル先端から出てくる（「結果」セクションの説明を参照してください）ガス流を観察します。ガス流は、カメラの背面に表示することができ、またはそれは、LCDモニター上で直接見ることができます。
- いずれかのカメラからの映像を記録する、またはガス流を撮影して画像を収集し、一度希望の画像は、カメラでライブ視覚化されます。
- カマーを使用してコンピュータに収集した画像（複数可）を転送メモリカードまたはUSB接続し、あなたの好みのソフトウェアで画像を表示します。
収集された画像からスプレー半角の3決意
- 画像閲覧ソフトを使用して収集された画像を開き、収集された画像（複数可）をプリントアウトします。
- 定規を使用して流れの方向にガス流と平行な中心軸を画定する、印刷された画像（複数可）に線を引きます。
- 定規を使用して印刷された画像（複数可）上で可視化ガス流の縁に沿って線を引きます。これは、ビデオ形式で存在しているきらめきに記録された映像から、より良い可視化することができます。印刷された画像内のエッジを識別するためにこれを使用します。噴霧半分の角度の範囲を得るために、ガス流の外側のエッジをマークします。
- 中心軸と分度器を使用して3.2に引かれた線との間に生じる角度を測定します。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
質量分析イオン源を含むシュリーレンセットアップの概略は、試験領域内のガスが暗いと明るい領域を対比として見ることができる、すべてのシュリーレンコンポーネントが正しく整列しているとき。 図1に見出すことができる。 図2は 、このコントラストがいかに示し質量分析のソースの変更からの窒素の噴流の形状は、ノズルのサイズが減少するにつれてどのように観察するために使用されます。
ソースおよびガス流の完全な、uncroppedのシュリーレン画像を図3に記載されています。この画像は、テストの向きがミラーに比べてオブジェクトを示しています。 図3の画像は、光の適切な量、約50％は、カミソリの刃で切断されたときに期待されるべきであるかを示しています。カットオフのいずれか（ 図4）が高すぎる、または低すぎる場合（ 図5
セットアップが完了すると、カメラのビデオ画面への影響を見ながら、人は様々な質量分析計のパラメータを調整することができます。この画像は、質量分析計の実際の信号と一緒に、起因するガス流の新しい理解に迅速に到達する最適化された条件を可能にします。
これらの画像は、その後、窒素流の噴霧半角を計算するために使用することができます。噴霧半角ユーザ窒素ガス流の全体のサイズを伝え。この角度は、ノズルの直径によって影響、ならびにガスの圧力と温度である。 図6は、一定のノズルサイズ及びガス圧力の変動と半角測定の表現です。予想されるように、半画角は、ガスの全体のサイズの増加を意味する、圧力の増加に応じて増加しますノズル径を変えながら流れ。 図7は、一定の圧力と半角の表現です。予想されるように、半画角が増加し、ノズル径が増加しました。これは、ノズル径が大きくなるように、ソースから出てくる窒素ジェットのサイズの全体的なスケーリングの増加を意味します。
図1.シュリーレン回路図（参照7からの許可を得て再印刷）。質量分析イオン源とシュリーレン写真撮影装置の模式図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
NITの図2.可視化ローゲンストリーム（A）4.8ミリメートル、（B）3.2ミリメートル、（C）1.5ミリメートル、（D）0.5の異なるノズル内径とイオン化源からのガス流の。シュリーレン写真（参照7からの許可を得て再印刷）ミリメートル。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
周囲ソース図3.可視カットの適切な位置決めとイオン源の。広角シュリーレン写真。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
g4.jpg "/>
低カットオフ図4.悪い可視化。低すぎる位置し、カットオフとシュリーレン写真。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
高いカットオフ図5.悪い可視化。高すぎる位置し、カットオフとシュリーレン写真。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
ガス圧力に対する図6半角。ガス圧を変化させることで一定のノズル径を有するスプレー半角の変化を示すグラフ。= "https://www.jove.com/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg"ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
ノズルサイズ対図7.半角。様々なノズルサイズと一定の圧力でスプレー半角の変化を示すグラフ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
このプロトコルをしようとする前に対処しなければならないいくつかの考慮事項があります。ソースおよびミラーのための質量分析計の周りの空間に加えて、十分なオープンスペースは、ミラーの倍の焦点距離に対応するために使用可能でなければなりません。また、ミラーの大きさは、最終的に検討されている元の大きさによって決定されます。ミラーが小さすぎると、ソースが完全に視覚化されません。ソース・カバーはシュリーレン写真撮影技術を実装するために除去しなければならないいくつかの、全てではない、ということに留意することが重要です。
実際のセットアップの最も重要なステップは、シュリーレン装置の各部分のアラインメントです。ミラーは床に垂直でなければならず、かみそりの刃は、ミラーの倍の焦点距離に正確に配置する必要があります。この距離では、反射光は、小さなスポットに集束されます。カミソリ刃によって遮断される光の量はまた、iはmportant。画像不良が生じている場合は、調整するための第一の態様は、かみそりの刃の配置となります。カミソリの刃がカメラに到達する光を十分に遮断しない場合には、何のコントラストが形成されていないため、ガスは表示されません。光のあまりがブロックされている場合の画像は、それが困難な研究対象物からの窒素気流中でより多くの微妙な細部を区別すること、暗く見えます。
技術の限界は、バックグラウンドの屈折率と研究の面積の点で大きな違いが存在しなければならないことです。これは、問題の実験室の温度及び湿度に依存するであろう。 RTの窒素は、バックグラウンド空気が約78％の窒素から構成されているように表示することが通常困難です。窒素の温度は、屈折率の変化を生じる源から変化するので、これが説明セットアップで克服されます。
トンの全体的な、重要な貢献彼のプロトコルは、ソース内のイオン化に伴う物理的プロセスを理解する能力です。これにより、代わりに盲目的に様々なパラメータをより良く調整するために、ユーザの機器を可能にするだけでなく、最適化された条件のための推論を提供します。この手法の利点は、能力、周囲イオン化源6との良好な感度と選択性を得るために、両方の物理的および化学的プロセスからのすべての情報を使用しています。質量分析データは元の化学的性質を理解するために使用することができるが、ユーザは、ソースの物理的特性を決定するために、シュリーレン画像を利用することができます。
将来のアプリケーションは、他の様々な周囲のイオン化、市場で利用可能なソース、または非商用装置のいずれかにこの手法を適用することであろう。これは、ガス流を利用する他の機器/コンピュータに適用することができます。
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).
