Abstract
Este manuscrito describe cómo visualizar fuentes de ionización de espectrometría de masas ambiente usando la fotografía Schlieren. Con el fin de optimizar correctamente el espectrómetro de masas, es necesario caracterizar y comprender los principios físicos de la fuente. La mayoría de las fuentes de ionización ambiente comerciales utilizan chorros de nitrógeno, helio, o aire atmosférico para facilitar la ionización del analito. Como consecuencia, la fotografía schlieren se puede utilizar para visualizar las corrientes de gas mediante la explotación de las diferencias de índice de refracción entre las corrientes de aire ambiente y para la visualización en tiempo real. La configuración básica requiere una cámara, un espejo, una linterna, y la hoja de afeitar. Cuando se configura correctamente, una imagen en tiempo real de la fuente se observa al ver su reflejo. Esto permite la penetración en el mecanismo de acción en la fuente, y las vías a su optimización puede ser dilucidado. La luz se derramó en una situación de otra invisible.
Introduction
La espectrometría de masa, una herramienta de análisis disponibles para la identificación masa molecular, se ha convertido en una de las más poderosas técnicas de análisis hasta la fecha. Durante la última década, toda una serie de nuevas fuentes de ionización de ambiente están disponibles para la detección de espectrometría de masas. Por los datos recogidos en este manuscrito, se utilizó el análisis de la fuente de la muestra Directa (DSA). Aunque estas fuentes son extremadamente versátiles, se necesita un conocimiento más detallado del proceso de ionización física para su optimización y la extensión de propósito. El objetivo de este experimento es para obtener una mejor comprensión del proceso de ionización dentro de las fuentes ambientales través de la visualización de la corriente de nitrógeno en el dispositivo usando una técnica llamada photography Schlieren.
El estudio científico inicia a menudo mediante la observación, la cual es difícil si el objeto de estudio es transparente para el ojo desnudo. photography Schlieren es una técnica que permite que el invisiblea ser visible a través de depender de los cambios en el índice de refracción en medios transparentes 1. La falta de homogeneidad de los índices de refracción provoca una distorsión de la luz que permite la visualización. La técnica schlieren se ha utilizado de forma rutinaria en una variedad de campos de especialidad, incluyendo el modelado de balística, ingeniería aeroespacial, la detección de gases en general y de monitoreo de flujo, y a veces para visualizar las bandas de proteínas en electroforesis en gel de 2-5.
La mayoría de las fuentes de ionización ambiente utilizan una corriente de gas con el fin de facilitar la ionización. Una amplia gama de condiciones que pueden existir para opciones de fuente, sin embargo los parámetros de este experimento deben implicar la utilización de un gas con un índice de refracción que difiere de la de aire de laboratorio circundante. Este estudio específico utiliza nitrógeno caliente. Cabe señalar que sólo se observa una pequeña diferencia en el índice de refracción entre el nitrógeno puro a partir de la corriente de gas y aire a temperatura ambiente 6, principalmente debido a unaIR está compuesta principalmente de nitrógeno. Este problema se supera en este caso debido a las altas temperaturas del nitrógeno puro en la corriente de gas que produce un suficiente cambio significativo en el índice de refracción para la que se observó el gas.
Otras fuentes de espectrometría de masas como una desorción ionización atmosférica química (DAPCI) 7, que fluye Presión atmosférica Afterglow (FAPA) 8-10, y Direct Análisis en Tiempo Real (DART) 11 fuentes de ionización han utilizado la fotografía Schlieren. La intención de este protocolo es discutir cómo estudiar la ionización ambiente usando una configuración básica fotografía Schlieren. Esta técnica, sin embargo, es aplicable a cualquier número de diferentes técnicas de análisis que implican corrientes gaseosas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fotografía Schlieren
- Establecimiento de la región de prueba
Nota: Existe la región de prueba directamente en frente del espejo.- Sujetar un espejo esférico cóncavo (diámetro 150 mm, longitud focal de 1.500 mm) en un soporte de pinzas anillo de tamaño suficiente para soportar el espejo. Coloque la abrazadera de soporte del anillo con el espejo a un anillo de pie perpendicular al suelo. El estudio actual utiliza un soporte de anillo de 3 pie, pero cualquier altura se puede utilizar como el tiempo que sea lo suficientemente alto como para poder centrar el espejo en la ventana de visualización de la fuente.
- Colocar el soporte de anillo y un espejo en el lado de la fuente de espectrómetro de masas. Hacer la cara del espejo paralelo a, y a la misma altura, como la fuente.
- Coloque el espejo para que su centro está alineada con la región de origen centro del espectrómetro de masas. se producirá cierto solapamiento del instrumento.
- Corte, la cámara y la fuente de luz
- Cortar
- Adjuntar una placa metálica a la parte superior del trípode. La placa servirá como una plataforma para sostener tanto la hoja de afeitar y la fuente de luz. La hoja de afeitar actúa como lo que se conoce como el "corte" en la fotografía Schlieren.
- Coloque la hoja de afeitar a la placa metálica utilizando un imán de modo que el borde afilado es vertical.
- Coloque el trípode en línea con el espejo al doble de la distancia focal del espejo, 3.000 mm. Alinear la cuchilla de afeitar ortogonal a la trayectoria de la luz reflejada por el espejo.
- ajustar manualmente la altura del trípode de modo que el borde afilado de la cuchilla de afeitar es de aproximadamente alineado con el centro del espejo.
NOTA: El ajuste fino va a pasar después.
- Cámara
- Montar una cámara digital con lente telefoto de 300 mm en un trípode separado.
- Coloque la cámara de manera que la lente (cuando el zoom al máximo) es de 4 cm detrás y al mismo heilucha como la hoja de afeitar. No quite la tapa del objetivo en este momento.
- monitor opcional
- Conectar la salida de video de la cámara a un monitor de ordenador o un televisor para ver fácilmente el fenómeno Schlieren en tiempo real.
NOTA: Este es un proceso que se recomienda. Este procedimiento puede variar dependiendo del tipo de cámara utilizada.
- Conectar la salida de video de la cámara a un monitor de ordenador o un televisor para ver fácilmente el fenómeno Schlieren en tiempo real.
- Pinhole Fuente de luz
- Un agujero pequeño (aproximadamente 0,6 mm de diámetro) en el centro de una cubierta (en este caso, un tapón del vial se utilizó el mismo diámetro de la linterna) que se puede fijar / pegado a la fuente de luz. Asegúrese de que la cubierta tiene un diámetro suficiente para cubrir completamente la lente de la linterna.
- Coloque la cubierta de más de 200 lumen linterna LED usando cinta de papel de aluminio.
NOTA: La linterna se caliente y se recomienda una cinta de alta temperatura.
- Posicionamiento Fuente de luz
- En primer lugar utilizar a lapuntero Ser para alinear la fuente de luz con el espejo, hoja de afeitar, y la cámara, para asegurar el posicionamiento adecuado de la fuente de luz.
- Coloque el puntero láser en la placa de metal al lado de la cuchilla de afeitar.
- mover manualmente el puntero láser de forma que el haz está golpeando el centro del espejo. Ajustar si es necesario para garantizar el haz reflejado se cruza ortogonalmente con respecto a la hoja de afeitar de modo que aproximadamente la mitad de la viga está bloqueado.
- Para ajustar manualmente la posición del espejo para dirigir el rayo del puntero láser directamente a la hoja de afeitar si la alineación del haz, no se logró en 1.2.5.3.
PRECAUCIÓN: No mire directamente hacia el puntero láser o haz reflejado. - Asegúrese de que el rayo láser se centra en el objetivo mientras se mantiene la tapa de la lente de la cámara.
- Vuelva a colocar el puntero láser con la linterna cubierta, mientras que todo esté alineado. Asegúrese de que la linterna se encuentra en la misma orientación que el puntero láser.
- Encender la linterna y, utilizando un trozo de papel blanco, observe la luz reflejada en el corte. Asegúrese de que el rayo es un pequeño punto enfocado en el corte.
- Hacer los ajustes verticales necesario bloquear aproximadamente la mitad del haz de luz reflejado con el punto de corte.
- Retire la tapa de la lente de la cámara y se centran en el espejo.
NOTA: Se recomienda que la cámara / lente de utilizarse en el modo de enfoque manual.
- Cortar
2. Objeto Ejemplo de ensayo: La espectrometría de masas de ionización Fuente
- alinear manualmente la fuente de iones de espectrometría de masas en la región de prueba, con una distancia de 10 mm entre el extremo de la boquilla y la entrada del espectrómetro de masas.
- abrir manualmente la válvula de aguja a la fuente ambiente permitiendo nitrógeno fluya a través de la fuente.
- Abra el software utilizado para controlar el espectrómetro de masas. Para este estudio, el software utilizado fue "conductor SQ". Haga clic en la fiLe -open- continuación, seleccione el archivo de sintonización apropiada.
- Aplicar todos los voltajes y temperaturas de la fuente ambiente una vez que se abre la sintonización manual. Cada espectrómetro de masas tendrá su propio software para este paso. Para el estudio actual, una vez que la sintonización manual está abierto, haga clic en el botón "Fuente de tensión está apagado" y el botón "Todo el gas y calentadores son off" para realizar esta tarea.
- Observar la aparición de la corriente que sale de la boquilla con el aparato de Schlieren en la vista de pantalla de la cámara digital, como la temperatura aumenta. Observar la corriente de gas (véase la descripción en la sección "Resultados") que sale del extremo de la boquilla. La corriente de gas se puede ver en la parte posterior de la cámara, o se puede ver directamente en un monitor LCD.
- Recoge la imagen por cualquiera de grabar un video de la cámara, o tomar una foto de la corriente de gas, una vez que las imágenes deseadas se visualizan en vivo de la cámara.
- Transfiera la fotografía (s) recogidos a un ordenador con la cámaruna tarjeta de memoria o una conexión USB y ver la imagen con el software de su elección.
3. Determinación del Ángulo Medio spray de una imagen recogida
- Abra la imagen recogida usando un software de visualización de imágenes e imprimir la imagen (s) recogidos.
- Dibujar una línea sobre la imagen (s) impreso que define el eje central de la corriente de gas paralelo a la dirección de flujo usando una regla.
- Dibujar una línea a lo largo del borde de la corriente de gas visualizado en la imagen (s) impresa con una regla. Esto puede ser visualizado mejor de un vídeo grabado debido a un brillo que está presente en el formato de vídeo; usar esto para ayudar a identificar el borde de las imágenes impresas. Marque los bordes exteriores de las corrientes de gas para obtener un rango para el medio ángulo de pulverización.
- Medir el ángulo producido entre el eje central y la línea dibujada en 3,2 usando un transportador.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Un diagrama esquemático de la configuración de Schlieren incluyendo la fuente de espectrometría de masas de ionización se puede encontrar en la Figura 1. Cuando todos los componentes de Schlieren están correctamente alineados, los gases dentro de la región de la prueba se pueden ver como contraste regiones oscuras y claras. La figura 2 ilustra cómo esta contraste puede ser utilizado para observar cómo la forma de la corriente de chorro de nitrógeno de la fuente cambia de espectrometría de masas como tamaño de la boquilla disminuye.
A, sin recortar la imagen schlieren completa del flujo de fuente y el gas se puede encontrar en la Figura 3. Esta imagen ilustra la orientación de la prueba de los objetos en relación con el espejo. La imagen de la Figura 3 también muestra lo que debería esperarse cuando la cantidad adecuada, aproximadamente el 50%, de la luz es cortada por la cuchilla de afeitar. Si el corte es demasiado alta (Figura 4), o demasiado baja (Figura 5
Una vez completada la configuración, se puede ajustar varios parámetros del espectrómetro de masas mientras ve su efecto en la pantalla de vídeo de la cámara. Esta imagen, junto con la señal real del espectrómetro de masas, permite condiciones optimizadas a alcanzar rápidamente debido a la nueva comprensión de la corriente de gas.
Estas imágenes se pueden utilizar para calcular el ángulo de pulverización medio de la corriente de nitrógeno. El ángulo de pulverización medio indica al usuario el tamaño total de la corriente de gas de nitrógeno. Este ángulo se efectúa por el diámetro de la boquilla, así como la presión y la temperatura del gas. La figura 6 es una representación de las mediciones de ángulo medio con tamaño de la boquilla constante y las variaciones en la presión del gas. Como era de esperar, el medio ángulo aumenta en consecuencia, con un aumento de la presión, lo que significa un aumento general de las dimensiones de la gascorriente. Figura 7 es una representación de la media ángulo con presión constante mientras se cambia el diámetro de la boquilla. Como era de esperar, el ángulo medio se incrementó con el aumento de diámetro de la boquilla. Esto significa un aumento global de escala en el tamaño del chorro de nitrógeno que sale de la fuente que el diámetro de la boquilla se incrementa.
Figura 1. Esquema Schlieren (re-impresión con el permiso de la referencia 7). Representación esquemática del aparato de la fotografía Schlieren con la fuente de la espectrometría de masas de ionización. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. La visualización de Nit Secuencias rogen (re-impresión con el permiso de la referencia 7). fotografías Schlieren de flujo de gas desde la fuente de ionización con diámetros internos diferentes boquillas de (A) de 4,8 mm, (B) de 3,2 mm, (C) de 1,5 mm, (D) 0,5 mm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Visualización de Fuente ambiente. Schlieren gran angular fotografía de la fuente de ionización con el posicionamiento adecuado del punto de corte. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
g4.jpg "/>
Figura 4. Visualización pobre con el punto de corte bajo. Schlieren fotografía con el punto de corte colocado demasiado bajo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. La visualización pobre con el corte alto. Schlieren fotografía con el punto de corte colocado demasiado alto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. La mitad de ángulo vs. presión de gas. Un gráfico que representa el cambio en el medio ángulo de pulverización con tamaño de la boquilla constante con variación de la presión de gas.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg" target = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7. Ángulo Medio vs tamaño de la boquilla. Un gráfico que representa el cambio en el ángulo medio de spray con una presión constante con diferentes tamaño de la boquilla. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hay varias consideraciones que deben abordarse antes de intentar este protocolo. Además del espacio alrededor del espectrómetro de masas para la fuente y el espejo, suficiente espacio abierto debe estar disponible para dar cabida a la distancia de dos veces en el punto focal del espejo. Además, el tamaño del espejo finalmente se decide por el tamaño de la fuente que está en estudio. Si el espejo es demasiado pequeño, la fuente no se visualiza completamente. Es importante tener en cuenta que algunos, si no todos, de las cubiertas de origen deben ser removidos para implementar la técnica de formación de imágenes photography Schlieren.
Los pasos más importantes de la configuración real son la alineación de cada parte del aparato Schlieren. El espejo debe ser perpendicular a la hoja de piso y la maquinilla de afeitar debe ser colocado exactamente al doble de la distancia focal del espejo. A esta distancia, la luz reflejada estará enfocado a un punto pequeño. La cantidad de luz bloqueada por la cuchilla de afeitar es también importante. Si se producen imágenes pobres, el primer aspecto para ajustar sería con la colocación de la hoja de afeitar. Cuando la cuchilla de afeitar no bloquea suficiente de la luz que llega a la cámara, sin contraste se forma y por lo tanto no será visto el gas. Si demasiado de la luz se bloquea las imágenes aparecen oscuras, por lo que es difícil distinguir los detalles más sutiles en el flujo de nitrógeno del objeto en estudio.
Una limitación de esta técnica es que debe haber una gran diferencia en términos del índice de refracción del fondo y de la zona de estudio. Esto dependerá de la temperatura y la humedad del laboratorio en cuestión. RT nitrógeno es normalmente difícil de ver como el aire fondo se compone de aproximadamente el 78% de nitrógeno. Esto se supera en la configuración descrita, porque la temperatura del nitrógeno varía de la fuente que se traduce en cambios en el índice de refracción.
En general, la contribución significativa de tsu protocolo es la capacidad de entender los procesos físicos involucrados con la ionización dentro de la fuente. Esto a su vez permitirá al usuario mejor afinar el instrumento en vez de ciegamente diferentes parámetros, así como proporcionar el razonamiento para las condiciones optimizadas. La ventaja de esta técnica es la posibilidad de utilizar toda la información tanto de los procesos físicos y químicos para obtener una mejor sensibilidad y la selectividad con una fuente de ionización ambiente 6. El usuario puede utilizar las imágenes de Schlieren para determinar las propiedades físicas de la fuente mientras que los datos de espectrometría de masas se pueden utilizar para comprender las propiedades químicas de la fuente.
Las aplicaciones futuras sería aplicar esta técnica a cualquiera de varias otras fuentes de ionización ambiental disponible en el mercado, o un aparato no comercial. Esto también se puede aplicar a cualquier otro instrumento / máquinas que utilizan corrientes de gas.
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).
