Abstract
Dette manuskriptet skisserer hvordan å visualisere massespektrometri ambient ionisering kilder ved hjelp Schlieren fotografering. For å kunne optimalisere massespektrometer, er det nødvendig å karakterisere og forstå de fysiske prinsipper for kilden. De fleste kommersielle kilder omgivelses ionisering utbytte av strålene av nitrogen, helium, eller atmosfærisk luft for å lette ioniseringen av analytten. Som en konsekvens, kan Schlieren fotografering brukes til å visualisere de gass-strømmer ved å utnytte forskjellene i brytningsindeks mellom strømmene og omgivende luft for visualisering i sanntid. Den grunnleggende oppsett krever et kamera, speil, lommelykt, og barberblad. Når den er riktig konfigurert, er et sanntidsbilde av kilde observert ved å se sin refleksjon. Dette gjør det mulig for innsikt i virkningsmekanismen i kilden, og veier til dens optimalisering kan bli klarlagt. Belyses på en ellers usynlig situasjon.
Introduction
Massespektrometri, et analytisk verktøy tilgjengelig for molekylvekt identifikasjon, har blitt en av de mest kraftfulle analytiske teknikker til dags dato. I løpet av det siste tiåret en hel rekke nye omgivelses ionisering kilder har blitt tilgjengelig for massespektrometri deteksjon. For de innsamlede dataene i dette manuskriptet ble direkte Sample Analysis (DSA) kilde utnyttet. Selv om disse kildene er svært allsidig, er en mer detaljert kunnskap om den fysiske ionisering prosess nødvendig for sin optimalisering og utvidelse av formål. Målet med dette eksperimentet er å få en bedre forståelse av ionisering prosessen innenfor normale kilder gjennom visualisering av nitrogenstrømmen på enheten ved hjelp av en teknikk som kalles Schlieren fotografering.
Vitenskapelig studium initierer ofte gjennom observasjon, som er vanskelig dersom formålet med undersøkelsen er gjennomsiktig for det blotte øye. Schlieren fotografering er en teknikk som gjør det usynligeå bli synlig gjennom å stole på endringer i brytningsindeks innen transparente medier 1. Inhomogenitet av brytningsindeksene forårsaker en forvrengning av lyset slik at for visualisering. Den Schlieren teknikken har blitt rutinemessig brukt i en rekke fagområder inkludert ballistikk modellering, luftfartsteknologi, generell gassdeteksjon og flyt overvåking, og til tider å visualisere proteinbånd i gel elektroforese 2-5.
De fleste omgivende ionisering kilder bruke en strøm av gass for å lette ioniseringen. Et bredt spekter av betingelser kan eksistere for source-, men parametrene av dette forsøk må involvere anvendelse av en gass med en brytningsindeks som er forskjellig fra den omgivende luft laboratoriet. Denne spesifikke studien benytter varmt nitrogen. Det bør bemerkes at det kun observert en liten forskjell i brytningsindeks mellom ren nitrogen fra gass-strømmen og luft ved RT 6, hovedsakelig fordi enir består hovedsakelig av nitrogen. Dette problemet er overvunnet i dette tilfelle på grunn av de høye temperaturer på den rene nitrogenet i gass-strømmen som frembringer en betydelig nok endring i brytningsindeksen for den gass som skal overholdes.
Andre massespektrometri kilder som en desorpsjon Atmospheric Kjemisk ionisering (DAPCI) 7, flyter Atmosfærisk trykk Afterglow (FAPA) 8-10, og direkte analyse i Real Time (DART) 11 ionisering kilder har brukt Schlieren fotografering. Hensikten med denne protokollen er å diskutere hvordan vi skal studere omgivelsene ionisering ved hjelp av en enkel Schlieren fotografering konfigurasjon. Denne teknikken er imidlertid anvendelig til en rekke forskjellige analytiske teknikker som involverer gassformige strømmer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Schlieren Photography
- Etablering av testområdet
Merk: testområdet eksisterer direkte foran speilet.- Spenn et sfærisk konkavt speil (diameter 150 mm, lengde 1500 mm brennvidde) i en ring stativ klemme for små for speilet. Fest ring stativet klemme med speilet til en ring stå vinkelrett på gulvet. Studien anvendes en tre fot ring stand, men en hvilken som helst høyde kan brukes så lenge det er høy nok til å være i stand til å sentrere speilet i visningsvinduet for kilden.
- Plasser ring stativet og speil til den side av massespektrometer kilden. Gjør den flate av speilet er parallell med og i samme høyde, som kilde.
- Plasser speil slik at dens sentrum er innrettet med sentrum kilde regionen av massespektrometer. Noe overlapping av instrumentet vil oppstå.
- Cutoff, kamera og lyskilde
- cutoff
- Fest en metallplate til toppen av stativet. Platen vil fungere som en plattform for å holde både barberblad og lyskilden. Barberblad fungerer som det som er kjent som "cutoff" i Schlieren fotografering.
- Fest barberblad til metallplaten ved hjelp av en magnet, slik at den skarpe kanten er vertikal.
- Plasser stativet på linje med speilet på det dobbelte av brennvidden av speilet, 3000 mm. Juster barberblad vinkelrett på banen lys som reflekteres fra speilet.
- manuelt justere høyden på stativet, slik at den skarpe kant av barberbladet er tilnærmet på linje med midten av speilet.
MERK: Finjustering vil skje senere.
- Kamera
- Monter et digitalt kamera med 300 mm telelinse på en separat stativ.
- Plasser kameraet slik objektivet (da ved full zoom) er 4 cm rett bak og på samme heikjempe som barberblad. Ikke fjern linsedekselet på dette tidspunktet.
- valgfritt Monitor
- Koble videoutgangen fra kameraet til en dataskjerm eller TV for å enkelt vise Schlieren fenomen i sanntid.
MERK: Dette er en anbefalt prosess. Denne fremgangsmåten kan variere avhengig av hvilken type kamera som brukes.
- Koble videoutgangen fra kameraet til en dataskjerm eller TV for å enkelt vise Schlieren fenomen i sanntid.
- Pinhole lyskilde
- Bore et lite hull (ca. 0,6 mm i diameter) inn i midten av et deksel (i dette tilfellet, en korken den samme diameter av lommelykten ble brukt) som kan festes / tapet til lyskilden. Sørg for at dekselet har tilstrekkelig diameter til å dekke lommelykt linsen.
- Fest dekselet over en 200 lumen LED-lommelykt ved hjelp av folie tape.
MERK: lommelykt vil få varme og høy temperatur tape anbefales.
- Light Source Posisjonering
- Først bruker a laser pekeren for å justere lyskilde med speilet, barberblad, og kamera, for å sikre riktig plassering av lyskilden.
- Plasser laserpeker på metallplaten ved siden av barberblad.
- flytte manuelt laserpekeren slik at strålen treffer midten av speilet. Juster som nødvendig for å sikre at den reflekterte strålen skjærer ortogonalt til barberbladet, slik at omtrent halvparten av strålen blokkeres.
- Manuelt justere speilet posisjon til å sikte strålen til laserpekeren direkte på barberblad hvis strålejustering ikke ble oppnådd i 1.2.5.3.
OBS Ikke se direkte inn i laserpeker eller den reflekterte strålen. - Sørg for at laserstrålen er sentrert på linsen mens du holder linsedekselet på kameraet.
- Bytt ut laserpeker med overbygget lommelykt mens alt er justert. Sørg for at lommelykten er i samme retning som laserpeker.
- Slå på lommelykten, og ved hjelp et stykke hvitt papir, observere det reflekterte lyset i cutoff. Sørg for at strålen er et lite fokusert flekk på cutoff.
- Gjør eventuelle vertikale justeringer nødvendig å blokkere omtrent halvparten av den reflekterte lysstrålen med cutoff.
- Ta av linsedekselet på kameraet og fokusere på speilet.
MERK: Det anbefales at kamera / objektiv brukes i manuell fokusering modus.
- cutoff
2. Eksempel Test Object: massespektrometri ionisering Source
- justere manuelt massespektrometri ionekilden innenfor testområdet, med en avstand på 10 mm mellom enden av dysen og innløpet til det massespektrometer.
- åpner nåleventilen til den omgivende kilde slik at nitrogen å strømme gjennom kilden manuelt.
- Åpne programvaren som brukes til å kontrollere massespektrometeret. For denne studien, programvaren som ble brukt var "SQ driver". Klikk på file -open- deretter velger du riktig melodi filen.
- Bruk alle spenninger og temperaturer til omgivelses kilden når den manuelle melodi er åpnet. Hvert massespektrometer vil ha sin egen programvare for dette trinnet. For denne studien, når den manuelle tune er åpen, klikker du på knappen "Source Spenning er av" og knappen "All gass og varmeovner er off" for å utføre denne oppgaven.
- Observer utseendet strømmen som kommer ut av munnstykket med Schlieren apparat på visning skjermen på digitalkameraet når temperaturen øker. Observer gasstrømmen (se beskrivelse i "Resultater" -delen) kommer ut av enden av dysen. Gasstrømmen kan sees på baksiden av kameraet, eller det kan ses direkte på en LCD-skjerm.
- Samle bildet ved enten å spille inn en video fra kameraet, eller ta et bilde av gasstrømmen, er nok ønskede bildene visualisert live på kameraet.
- Overfør bildet (e) samlet til en datamaskin med cameret minnekort eller en USB-tilkobling og vise bildet med programvare som du velger.
3. Fastsettelse av Spray Half Angle fra en innsamlet bilde
- Åpne samlet bilde ved hjelp av en bildevisning programvare og skrive ut samlet bilde (r).
- Trekke en linje på det trykte bilde (r) som avgrenser senteraksen av gasstrømmen parallelt med strømningsretningen ved hjelp av en linjal.
- Tegn en linje langs kanten av visualisert gasstrømmen på det trykte bilde (r) med en linjal. Dette kan visualiseres bedre fra en innspilt video på grunn av en skimmer som er tilstede i video format; bruke dette til å identifisere kanten i trykte bilder. Markerer de ytre kanter av de gass-strømmer for å oppnå en rekkevidde for sprøyte halv vinkel.
- Måle vinkelen produsert mellom midtaksen og linjen trukket på 3,2 ved hjelp av en vinkelmåler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En skjematisk av Schlieren oppsettet herunder massespektrometri ioniseringskilden kan finnes i figur 1. Når alle Schlieren komponentene er riktig justert, kan gassene i testområdet bli sett på som kontrast mørke og lyse områder. Figur 2 viser hvordan dette kontrast kan bli anvendes for å observere hvordan formen av nitrogenstrålestrømmen fra de massespektrometri kilde endringer som dysestørrelse avtar.
En full, ubeskårne Schlieren bilde av kilden, og gass-strømmen kan bli funnet i figur 3. Dette bilde viser orienteringen av testobjekter i forhold til speilet. Bildet i Figur 3 viser også hva som bør forventes når riktig mengde, ca 50%, av lys er kuttet av barberblad. Dersom cutoff enten er for høy (figur 4), eller for lavt (Figur 5
Når installasjonen er ferdig, kan man justere forskjellige massespektrometer parametre mens du ser på deres effekt på videoskjermen på kameraet. Dette bildet, langs den faktiske signalet fra massespektrometeret, gjør det mulig for optimaliserte betingelser for å nås raskt på grunn av den nye forståelse av gasstrømmen.
Disse bildene kan deretter brukes til å beregne sprøyte halve vinkelen av nitrogenstrømmen. Sprayen halve vinkel forteller brukeren den totale størrelsen av nitrogengass-strømmen. Denne vinkel skjer ved en diameter av munnstykket, så vel som trykket og temperaturen i gassen. Figur 6 er en representasjon av den halve vinkelmålingene med konstant dysestørrelse og variasjoner i gasstrykket. Som forventet, øker den halve vinkel i samsvar med en økning i trykk, som betegner en total størrelse økning av gassenstrøm. Figur 7 er en representasjon av den halve vinkel med konstant trykk under endring av dysediameteren. Som ventet økte den halve vinkel med økt diameter dyse. Dette betyr en generell skalerings økning i størrelsen av nitrogen stråle som kommer ut av kilden som dysediameteren økes.
Figur 1. Schlieren Skjematisk (re-print med tillatelse fra referanse 7). Skjematisk fremstilling av Schlieren fotografering apparat med massespektrometri ionisering kilde. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Visualisering av Nit Rogen Streams (re-print med tillatelse fra referanse 7). Schlieren fotografier av gasstrømmen fra ionisering kilde med annen dyse med innvendig diameter på (A) 4,8 mm, (B) 3,2 mm, (C) 1,5 mm, (D) 0,5 mm. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Visualisering av Ambient Source. Vidvinkel Schlieren fotografi av ionisering kilde med riktig plassering av cutoff. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
g4.jpg "/>
Figur 4. Dårlig Visualisering med lav cutoff. Schlieren fotografi med cutoff plassert for lavt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Dårlig visualisering med høy Cutoff. Schlieren fotografi med cutoff plassert for høyt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Halvvinkel vs. gasstrykk. En kurve som viser endringen i sprøyte halv vinkel med konstant dysestørrelse med varierende gasstrykk.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg" target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7. Half Angle vs dysestørrelse. En graf som viser endringen i sprøyte halv vinkel med konstant press med varierende dyse størrelse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det er flere hensyn som må tas opp før du prøver denne protokollen. I tillegg til plass rundt massespektrometer for kilden og speil, må nok åpne plassen være tilgjengelig for å imøtekomme avstanden til to ganger det sentrale punktet i speilet. Videre blir størrelsen av speilet i siste instans avgjøres av størrelsen av den kilde som er under undersøkelse. Dersom speilet er for liten, kilden vil ikke være fullt visualisert. Det er viktig å merke seg at noen, om ikke alle, av kilde dekslene må fjernes for å implementere Schlieren fotografering avbildningsteknikk.
De viktigste trinnene i selve oppsettet er justeringen av hver del av Schlieren apparat. Speilet må være vinkelrett på gulvet og barberblad må plasseres nøyaktig på det dobbelte av brennvidden av speilet. På denne avstand, vil det reflekterte lys fokuseres til en liten flekk. Mengden av lys blokkert av barberblad er omportant. Ved dårlige bilder blir produsert, vil det første aspektet for å justere være med plassering av barberblad. Når barberbladet ikke blokkerer nok av det lys som når kameraet, er ingen kontrast dannet og således gassen vil ikke bli sett. Hvis for mye av lyset blokkeres bildene virker mørke, noe som gjør det vanskelig å skille de mer subtile detaljer i nitrogenstrømmen fra objektet som undersøkes.
En begrensning av teknikken er at det må være en stor forskjell i forhold til brytningsindeks på bakgrunnen og studieområdet. Dette vil avhenge av temperatur og fuktighet i laboratoriet i spørsmålet. RT nitrogen er vanligvis vanskelig å se som bakgrunn luften består av omtrent 78% nitrogen. Dette er overvunnet i den beskrevne oppsettet på grunn av temperaturen på nitrogenet varierer fra kilden, som resulterer i endringer i brytningsindeks.
Totalt sett er betydelig bidrag av thans protokoll er evnen til å forstå de fysiske prosessene som er involvert ved ionisering innenfor kilden. Dette i sin tur vil tillate brukeren å bedre stemme instrumentet i stedet for blindt varierende parametre, samt gi begrunnelsen for de optimaliserte forhold. Fordelen med denne teknikken er evnen til å bruke all informasjon fra både de fysiske og kjemiske prosesser for å oppnå bedre følsomhet og selektivitet med et omgivende ioniseringskilden 6. Brukeren kan benytte Schlieren bildene for å bestemme fysiske egenskaper av kilden, mens massespektrometri dataene kan brukes til å forstå de kjemiske egenskapene til kilden.
Fremtidige søknader ville være å bruke denne teknikken til enten diverse andre omgivelses ionisering kilder tilgjengelig på markedet, eller en ikke-kommersiell apparat. Dette kan også brukes til andre instrumenter / maskiner som benytter gass-strømmer.
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).
