Abstract
Dit manuscript beschrijft hoe om te visualiseren massaspectrometrie ambient ionisatie bronnen met behulp van Schlieren fotografie. Om de massaspectrometer goed optimaliseren, is het noodzakelijk te karakteriseren en begrijpen van de fysische principes van de bron. De meeste commerciële ambient ionisatiebronnen gebruiken stralen stikstof, helium of atmosferische lucht naar de ionisatie van het analyt te vergemakkelijken. Bijgevolg kan Schlieren fotografie worden gebruikt om de gasstromen te visualiseren op verschillen in brekingsindex tussen de stromen en omgevingslucht voor weergave in real time. De basis setup vereist een camera, spiegel, zaklamp, en scheermesje. Bij goed geconfigureerd, is een real-time beeld van de bron waargenomen door te kijken naar haar reflectie. Dit zorgt voor inzicht in het werkingsmechanisme bij de bron, en wegen naar de optimalisatie kan worden opgehelderd. Licht wordt geworpen op een anders onzichtbaar situatie.
Introduction
Massaspectrometrie, een analytisch instrument vindt molecuulmassa identificatie, is een van de meest krachtige analytische techniek tot nu toe. In de afgelopen tien jaar een hele reeks van nieuwe ambient ionisatie bronnen beschikbaar voor massaspectrometrie-detectie zijn geworden. De verzamelde dit manuscript gegevens werd de Direct Sample Analysis (DSA) bron gebruikt. Hoewel deze bronnen zijn zeer veelzijdig, is een gedetailleerde kennis van de fysische ionisatieproces nodig voor de optimalisering en uitbreiding van het doel. Het doel van deze proef is om een beter begrip van het ionisatieproces krijgen in de omgeving wordt door visualisatie van de stikstofstroom over het apparaat via een techniek genaamd schlieren fotografie.
Wetenschappelijk onderzoek initieert vaak door observatie, die moeilijk als het object van onderzoek is transparant voor het blote oog. Schlieren fotografie is een techniek die het mogelijk maakt onzichtbarezichtbaar worden doordat hij zich baseert op veranderingen in de brekingsindex binnen transparante media 1. De inhomogeniteit van de brekingsindex veroorzaakt een vervorming van het licht waardoor visualisatie. De Schlieren techniek is routinematig gebruikt in een verscheidenheid van speciale gebieden, waaronder ballistische modellering, aerospace engineering, algemene gasdetectie en flow monitoring, en soms om eiwitbanden te visualiseren in gelelektroforese 2-5.
Meest ambient ionisatie bronnen een stroom gas om de ionisatie vergemakkelijken. Een breed scala aan omstandigheden kunnen aanwezig voor bronopties, maar de parameters van dit experiment moet het gebruik van een gas met een brekingsindex die verschilt van de omringende lucht lab betrekken. Deze specifieke studie maakt gebruik van hete stikstof. Opgemerkt wordt dat slechts een klein verschil in brekingsindex waargenomen tussen zuivere stikstof uit de gasstroom en lucht bij kamertemperatuur 6, vooral omdat eenir bestaat hoofdzakelijk uit stikstof. Dit probleem wordt overwonnen in dit geval vanwege de hoge temperaturen van de zuivere stikstof in de gasstroom die een belangrijk genoeg verandering in brekingsindex van het gas wordt waargenomen produceert.
Andere massaspectrometrie bronnen zoals een desorptie Atmospheric chemische ionisatie (Dapci) 7, Vloeiende Luchtdruk Afterglow (FAPA) 8-10, en Direct Analysis in Real Time (DART) 11 ionisatie bronnen hebben gebruikt schlieren fotografie. De bedoeling van dit protocol is om te bespreken hoe ambient ionisatie bestuderen met behulp van een basis Schlieren fotografie configuratie. Deze techniek is echter toepasbaar op elk aantal verschillende analytische technieken gasstromen omvatten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Schlieren fotografie
- Oprichting van de regio Test
Opmerking: De test regio bestaat direct voor de spiegel.- Klem een sferische concave spiegel (150 mm, brandpuntsafstand 1500 mm) in een ring statiefklem groot genoeg om de spiegel te ondersteunen. Bevestig de ring statiefklem de spiegel een ring staan loodrecht op de vloer. De huidige studie gebruikte een 3 voetring staan, maar kan elke gewenste hoogte zolang het is lang genoeg om de spiegel te centreren in het kijkvenster van de bron worden gebruikt.
- Plaats de ring staan en spiegel aan de zijkant van de massaspectrometer bron. Maak het vlak van de spiegel evenwijdig aan en op dezelfde hoogte als de bron.
- Plaats de spiegel, zodat het midden is uitgelijnd met het midden brongebied van de massaspectrometer. Enkele overlap van het instrument optreden.
- Cutoff, Camera en Lichtbron
- Afsnijden
- Bevestig een metalen plaat naar de top van het statief. De plaat zal dienen als een platform om zowel het scheermesje en de lichtbron te houden. Het scheermesblad fungeert als zogenaamde de "cutoff" Schlieren fotografie.
- Bevestig het scheermesje om de metalen plaat met behulp van een magneet, zodat de scherpe rand is verticaal.
- Plaats het statief overeenkomstig de spiegel met tweemaal de brandpuntsafstand van de spiegel, 3000 mm. Lijn de scheermesje loodrecht op het pad van het licht dat weerkaatst wordt door de spiegel.
- Handmatig stel de hoogte van het statief, zodat de scherpe rand van het scheermesblad benadering is uitgelijnd met het midden van de spiegel.
LET OP: Fine aanpassing zal later gebeuren.
- Camera
- Monteer een digitale camera met een 300 mm telelens op een aparte statief.
- Plaats de camera, zodat de lens (als bij volledige zoom) is 4 cm direct achter en op hetzelfde heivechten als het scheermesje. Raak de lensdop niet te verwijderen op dit moment.
- optioneel Monitor
- Sluit de video-uitgang van de camera op een computer monitor of TV om gemakkelijk de Schlieren fenomeen in real time.
LET OP: Dit is een aanbevolen proces. Deze procedure is afhankelijk van het type gebruikte camera.
- Sluit de video-uitgang van de camera op een computer monitor of TV om gemakkelijk de Schlieren fenomeen in real time.
- Pinhole Lichtbron
- Boor een klein gaatje (ongeveer 0,6 mm in diameter) in het midden van een deksel (in dit geval een dop dezelfde diameter van de zaklamp gebruikt) die worden gehecht zijn / geplakt is aan de lichtbron. Zorg ervoor dat het deksel voldoende diameter om volledig te bedekken de zaklamp lens.
- Bevestig de cover over een 200 lumen LED-zaklamp met behulp van tape.
LET OP: De zaklamp zal warm te krijgen en een hoge temperatuur tape wordt aanbevolen.
- Light Source Positioning
- Gebruik eerst a laser pointer naar de lichtbron af te stemmen op de spiegel, scheermesje en camera, om een goede positionering van de lichtbron verzekert.
- Plaats de laser pointer op de metalen plaat naast het scheermesblad.
- Handmatig verplaatsen van de laser pointer, zodat de bundel is het raken van het midden van de spiegel. Stel zo nodig om de gereflecteerde bundel snijdt loodrecht op het scheermesblad zodat ongeveer de helft van de bundel wordt geblokkeerd.
- Handmatig positie van de spiegel om de straal van de laser pointer direct aan het scheermesblad doel als de koplampen niet werd bereikt 1.2.5.3 passen.
LET OP! Kijk niet direct in de laser pointer of de weerkaatste bundel. - Zorg ervoor dat de laserstraal is gecentreerd op de lens terwijl de lensdop op de camera.
- Vervang de laser pointer met het overdekte flitslicht terwijl alles is uitgelijnd. Waarborgen dat de zaklamp in dezelfde richting als de laser pointer.
- Schakel de zaklamp en, met behulp van een stuk wit papier, het gereflecteerde licht te observeren bij de cutoff. Zorg ervoor dat de bundel is een kleine gerichte plek aan de cutoff.
- Maak elke verticale aanpassingen die nodig zijn om ongeveer de helft van de gereflecteerde lichtbundel met de cutoff te blokkeren.
- Verwijder de lensdop op de camera en de focus op de spiegel.
OPMERKING: Het wordt aanbevolen om de camera / lens worden gebruikt in de stand voor handmatige scherpstelling.
- Afsnijden
2. Voorbeeld testobject: Massaspectrometrie ionisatiebron
- Het handmatig uitlijnen massaspectrometrie ionenbron in het testgebied, met een afstand van 10 mm tussen het uiteinde van het mondstuk en de inlaat van de massaspectrometer.
- Handmatig te openen de naaldklep de omgevingstemperatuur bron waardoor stikstof door de bron stroomt.
- Open de software waarmee de massaspectrometer onder controle. Voor deze studie, de gebruikte software was "SQ driver". Klik op file -open- selecteer vervolgens de juiste tune bestand.
- Solliciteer alle voltages en temperaturen aan het omgevingslicht bron zodra de handleiding tune wordt geopend. Elke massaspectrometer zal zijn eigen software voor deze stap te hebben. Voor de huidige studie, zodra de handleiding tune is geopend, klikt u op de knop "Bron Voltage is off" en de knop "Alle gas en kachels zijn off" om deze taak uit te voeren.
- Op het uiterlijk van de stroom die uit de spuitmond met de schlieren inrichting op het scherm van de digitale camera als de temperatuur stijgt weergave. Let op de gasstroom (zie beschrijving in paragraaf "Resultaten") die uit het einde van de sproeier. De gasstroom kan worden bekeken op de achterzijde van de camera, of het kan rechtstreeks worden bekeken op een LCD-monitor.
- Verzamel de afbeelding door ofwel het opnemen van een video van de camera, of het nemen van een foto van de gasstroom, worden een keer gewenste beelden voor live gevisualiseerd op de camera.
- Breng de foto ( 's) worden verzameld voor een computer met de camereen geheugenkaart of USB-aansluiting en bekijk de afbeelding met software van uw keuze.
3. Bepaling van Spray halve hoek van een Collected Afbeelding
- Open de verzamelde beeld met behulp van een afbeelding bekijken van software en de verzamelde foto (s) af te drukken.
- Teken een lijn op de afdruk (s) die de hartlijn van de gasstroom evenwijdig aan de stromingsrichting met een liniaal.
- Trek een lijn langs de rand van de gevisualiseerde gasstroom op het afgedrukte beeld (en) met een liniaal. Dit kan beter uit een opgenomen video zichtbaar worden gemaakt als gevolg van een shimmer die aanwezig is in video-formaat is; Gebruik deze te helpen identificeren de rand van de afgedrukte beelden. Markeer de buitenranden van de gasstromen een bereik voor de spray halve hoek te verkrijgen.
- Meet de hoek die wordt geproduceerd tussen de centrale as en de lijn getrokken in 3.2 met behulp van een gradenboog.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een schema van de Schlieren setup waaronder massaspectrometrie ionisatiebron te vinden in Figuur 1. Als alle schlieren componenten goed zijn uitgelijnd, kunnen gassen in het testgebied worden als contrasterende lichte en donkere gebieden. Figuur 2 illustreert hoe dit contrast kan worden gebruikt om te zien hoe de vorm van de stikstof straalstroom van massaspectrometrie bron veranderingen sproeiermaat afneemt.
Een volle, uncropped Schlieren beeld van de bron en de gasstromen te vinden in Figuur 3. Deze afbeelding illustreert de oriëntatie van de testobjecten opzichte van de spiegel. Het beeld in figuur 3 toont ook wat moet worden verwacht wanneer de juiste hoeveelheid, ongeveer 50% van het licht wordt afgesneden door het scheermesblad. Als de cutoff is te hoog (figuur 4) of te laag (Figuur 5
Zodra de installatie is voltooid, kan men verschillende massaspectrometer parameters tijdens het kijken naar het effect ervan op de video-scherm van de camera aan te passen. Dit beeld, naast de eigenlijke signaal van de massaspectrometer, zorgt voor optimale omstandigheden snel worden bereikt als gevolg van het nieuwe begrip van de gasstroom.
Deze beelden kunnen vervolgens worden gebruikt om de spray halve hoek van de stikstofstroom berekenen. De spray halve hoek geeft de gebruiker de totale omvang van de stikstofgasstroom. Deze hoek wordt bewerkstelligd door de diameter van het mondstuk, en de druk en temperatuur van het gas. Figuur 6 is een weergave van helft hoekmetingen met constante spuitmond en variaties in gasdruk. Zoals verwacht, de halve hoek neemt derhalve met drukverhoging, betekent een totale vergroot van het gasstroom. Figuur 7 is een weergave van de halve hoek met constante druk tijdens het verwisselen van het mondstuk diameter. Zoals verwacht, de halve hoek toe met verhoogde nozzle diameter. Dit betekent een algehele schaling toename met stikstof straal die uit de bron als de spuitmond diameter toeneemt.
Figuur 1. Schematische Schlieren (re-print met toestemming van referentie 7). Schematische weergave van de Schlieren fotografie apparaat met de massaspectrometrie ionisatiebron. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Visualisatie van Nit rogen Streams (herdruk met toestemming van referentie 7). Schlieren foto gasstroom uit de ionisatiebron met verschillende nozzle binnendiameter van (A) 4,8 mm, (B) 3,2 mm, (C) 1,5 mm, (D) 0,5 mm. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Visualisatie van Ambient Source. Groothoek Schlieren foto van de ionisatie bron met de juiste positionering van de cutoff. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
g4.jpg "/>
Figuur 4. Poor Visualisatie met Low Cutoff. Schlieren foto met de cutoff gepositioneerd te laag. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5. Slechte Visualisatie met High Cutoff. Schlieren foto met de cutoff te hoog geplaatst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. halve hoek vs. gasdruk. Een grafiek die de verandering in de spray halve hoek met constante spuitmond met wisselende gasdruk.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg" target = "_ blank"> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7. Half Angle vs Nozzle Maat. Een grafiek die de verandering in de spray halve hoek met een constante druk met verschillende nozzle grootte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Er zijn verschillende overwegingen die zet voordat dit protocol moet worden aangepakt. Naast de ruimte rond de massaspectrometer voor de bron en de spiegel moet voldoende open ruimte beschikbaar om de afstand van twee maal het brandpunt van de spiegel tegemoet. Bovendien is de grootte van de spiegel uiteindelijk bepaald door de grootte van de bron die wordt onderzocht. Indien de spiegel te klein is, de bron niet volledig zichtbaar. Belangrijk is dat sommige merken, zo niet alle, van de bron kappen moeten worden verwijderd om de schlieren photography beeldvormingstechniek voeren.
Het belangrijkste stappen van de werkelijke opstelling zijn de uitlijning van elk deel van de schlieren inrichting. De spiegel moet loodrecht op de vloer en scheermes moet precies tweemaal de brandpuntsafstand van de spiegel geplaatst zijn. Op deze afstand zal het gereflecteerde licht wordt gericht op een kleine plek. De hoeveelheid licht geblokkeerd door het scheermesblad ook important. Bij geringe afbeeldingen worden geproduceerd, zou het eerste aspect om te passen met de plaatsing van het scheermesblad. Wanneer het scheermesblad onvoldoende van het licht die de camera blokkeren, geen contrast wordt gevormd en aldus het gas niet zichtbaar. Als er te veel van het licht blokkeerde de beelden donker lijken, waardoor het moeilijk is het meer subtiele details soortelijke stikstofstroom tot het object onder studie.
Een beperking van de techniek is dat er een groot verschil in de brekingsindex van de achtergrond en het gebied van verdieping dient. Dit hangt af van de temperatuur en vochtigheid van het laboratorium betrokken. RT stikstof gewoonlijk moeilijk te zien als achtergrondlucht bestaat uit ongeveer 78% stikstof. Dit wordt overwonnen in de beschreven opstelling, omdat de temperatuur van het stikstof verschilt van de bron waardoor veranderingen in de brekingsindex.
Over het geheel genomen de belangrijke bijdrage van tZijn protocol is de mogelijkheid om de fysische processen bij de ionisatie in de bron begrijpen. Dit zal de gebruiker beter af te stemmen zodat het instrument in plaats van blindelings variërende parameters en verstrekt redenen voor de geoptimaliseerde omstandigheden. Het voordeel van deze techniek is de vaardigheid alle informatie van zowel de fysische en chemische processen betere gevoeligheid en selectiviteit te krijgen met een omgevingstemperatuur van 6 ionisatiebron. De gebruiker kan gebruik maken van de schlieren afbeeldingen om fysische eigenschappen van de bron te kunnen bepalen, terwijl de massaspectrometrie gegevens kunnen worden gebruikt om de chemische eigenschappen van de bron begrijpen.
Toekomstige toepassingen zou zijn om deze techniek te gebruiken om zowel verschillende andere omgevingsomstandigheden ionisatie bronnen op de markt, of een niet-commerciële inrichting. Dit kan ook worden toegepast op andere instrumenten / machines die gasstromen te gebruiken.
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).
