Visualisierung von Ambient-Massenspektrometrie mit der Verwendung von Schlieren Fotografie

This paper presents a protocol for the visualization of gaseous streams of an ambient ionization source using schlieren photography and mass spectrometry.

Dieses Manuskript beschreibt, wie Massenspektrometrie Umgebungs Ionisierungsquellen mit schlieren Fotografie sichtbar zu machen. Um das Massenspektrometer, um richtig zu optimieren, ist es notwendig, die physikalischen Grundlagen der Quelle zu charakterisieren und zu verstehen. Die meisten kommerziellen Umgebungs Ionisationsquellen verwenden Strahlen Stickstoff, Helium oder atmosphärischer Luft die Ionisation des Analyten zu erleichtern. Als Folge können Schlieren Fotografie verwendet werden, um die Gasströme zu visualisieren, indem die Unterschiede im Brechungsindex zwischen den Strömen und der Umgebungsluft für die Visualisierung in Echtzeit zu nutzen. Die Basis-Setup erfordert eine Kamera, Spiegel, Taschenlampe und Rasierklinge. Wenn sie richtig konfiguriert ist, wird ein Echtzeit-Bild der Quelle durch die Beobachtung seiner Reflexion beobachtet. Dies ermöglicht eine Einsicht in den Mechanismus der Wirkung in der Quelle, und Wege zu ihrer Optimierung kann erläutert. Das Licht wird auf einer ansonsten unsichtbaren Situation zu vergießen.

Mass Spectrometry, ein Analysetool für molekulare Masse Identifizierung, hat sich zu einem der leistungsfähigsten analytischen Techniken bis heute geworden. Im letzten Jahrzehnt haben eine ganze Reihe von neuen Umgebungs Ionisierungsquellen für die Massenspektrometrie Detektion zur Verfügung stehen. Für die Daten in diesem Manuskript gesammelt wurde der direkte Probenanalyse (DSA) Quelle verwendet. Obwohl diese Quellen extrem vielseitig, ein detaillierteres Wissen über die physikalischen Ionisationsprozesses sind ist bekannt für seine Optimierung und Erweiterung der Zweck benötigt werden. Das Ziel dieses Experiments ist es, ein besseres Verständnis der Ionisierung innerhalb der Umgebungsquellen durch Visualisierung des Stickstoffstroms auf dem Gerät zu gewinnen, eine Technik genannt Schlierenfotografie verwendet wird.

Wissenschaftliche Studie initiiert oft durch die Beobachtung, was schwierig ist, wenn das Objekt der Untersuchung mit dem bloßen Auge transparent ist. Schlieren Fotografie ist eine Technik, die das unsichtbare erlaubtwerden sichtbar durch ¹ innerhalb transparenten Medien in dem Brechungsindex auf Änderungen verlassen. Die Inhomogenität der Brechungsindizes verursacht eine Verzerrung des Lichts zur Visualisierung ermöglicht. Die schlieren Technik wurde in einer Vielzahl von Fachgebieten einschließlich ballistische Modellierung, Luft- und Raumfahrttechnik, allgemeine Gasdetektion und Durchflussüberwachung und manchmal zu visualisieren Proteinbanden in der Gelelektrophorese ^2-5 routinemäßig eingesetzt.

Die meisten Umgebungs Ionisierungsquellen verwenden, um einen Strom von Gas, um die Ionisierung zu erleichtern. Eine Vielzahl von Bedingungen können für Quell Optionen bestehen jedoch die Parameter dieses Experiments sind die Verwendung eines Gases mit einem Brechungsindex umfassen, die aus der umgebenden Luft lab unterscheidet. Diese spezifische Studie nutzt heißem Stickstoff. Es ist zu beachten , dass nur eine kleine Differenz im Brechungsindex zwischen reinem Stickstoff aus dem Gasstrom und der Luft bei RT ^6, vor allem weil ein beobachtetir besteht überwiegend aus Stickstoff. Dieses Problem wird in diesem Fall aufgrund der hohen Temperaturen des reinen Stickstoff in den Gasstrom zu überwinden, die einen bedeutenden genug Änderung des Brechungsindex für das Gas beobachtet werden produziert.

Andere Massenspektrometrie Quellen wie Desorptions Atmospheric Chemical Ionisation (DAPCI) ^7, Fließen Atmosphärischer Druck Afterglow (FAPA) ^8-10 und die direkte Analyse in Echtzeit (DART) ¹¹ Ionisierungsquellen haben schlieren Fotografie eingesetzt. Die Absicht dieses Protokolls ist zu erörtern, wie Umgebungs Ionisierung zu studieren, um ein Grund schlieren Fotografie Konfiguration. Diese Technik ist jedoch für eine beliebige Anzahl von verschiedenen analytischen Techniken, die gasförmigen Strömen umfassen.

1. Schlieren Fotografie

1. Gründung der Testregion
   Hinweis: Der Testbereich direkt vor dem Spiegel vorhanden ist .
   1. Klemme einen sphärischen Konkavspiegel (150 mm Durchmesser, Brennweite 1,500 mm) in einem Ringständer Schelle groß genug, um den Spiegel zu unterstützen. Bringen Sie den Ring Stativklemme mit dem Spiegel zu einem Ring stehen senkrecht zum Boden. Die aktuelle Studie verwendet einen 3 Fußring stehen, aber jede Höhe kann so lange verwendet werden, wie es groß genug ist, um den Spiegel in das Sichtfenster der Quelle zum Zentrum zu können.
   2. Platzieren Sie den Ring Garderobe und ein Spiegel an der Seite des Massenspektrometers Quelle. Machen Sie das Gesicht des Spiegels parallel und auf gleicher Höhe, wie die Quelle.
   3. Positionieren Sie den Spiegel so sein Zentrum mit dem Zentrum Source-Bereich des Massenspektrometers ausgerichtet ist. Gewisse Überlappung des Instruments auftreten.
2. Cutoff, Kamera und Lichtquelle
   1. Abgeschnitten
      1. Bringen Sie eine Metallplatte an die Spitze des Stativs. Die Platte wird als Plattform dienen, sowohl die Rasierklinge und die Lichtquelle zu halten. Die Rasierklinge wirkt wie das, was als "Cutoff" in schlieren Fotografie bekannt ist.
      2. Bringen Sie die Rasierklinge an der Metallplatte mit Hilfe eines Magneten, so dass die scharfe Kante vertikal ist.
      3. Stellen Sie das Stativ in Einklang mit dem Spiegel mit der doppelten Brennweite des Spiegels, 3.000 mm. Ausrichten der Rasierklinge senkrecht zu dem Weg des Lichts von dem Spiegel reflektiert wird.
      4. Manuelle Einstellung des Stativs die Höhe, so dass die scharfe Kante der Rasierklinge in etwa mit der Mitte des Spiegels ausgerichtet ist.
         HINWEIS: Die Feineinstellung wird später geschehen.
   2. Kamera
      1. Montieren Sie eine Digitalkamera mit 300 mm Teleobjektiv auf einem separaten Stativ.
      2. Positionieren Sie die Kamera so die Linse (bei voller Zoom) ist 4 cm direkt hinter und auf der gleichen height als Rasierklinge. Sie nicht den Objektivdeckel zu diesem Zeitpunkt entfernen.
   3. Optional - Monitor
      1. Schließen Sie den Videoausgang der Kamera an einen Computer-Monitor oder TV auf einfache Weise die schlieren Phänomen in Echtzeit anzuzeigen.
         Hinweis: Dies ist ein empfehlenswertes Verfahren. Dieses Verfahren kann in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Kamera variieren.
   4. Pinhole - Lichtquelle
      1. Bohren ein kleines Loch (ungefähr 0,6 mm im Durchmesser) in der Mitte des Deckels (in diesem Fall eine Phiole Kappe den gleichen Durchmesser der Taschenlampe verwendet wurde), die an der Lichtquelle angebracht / abgeklebt werden können. Stellen Sie sicher, dass die Abdeckung ausreichend großen Durchmesser hat, um vollständig die Taschenlampe Linse abzudecken.
      2. Bringen Sie die Abdeckung über eine 200 Lumen LED-Taschenlampe Folienband.
         HINWEIS: Die Taschenlampe wird warm und ein Hochtemperatur-Klebeband wird empfohlen.
   5. Lichtquelle Positionierung
      1. Verwenden Sie zuerst ein laser Zeiger, die Lichtquelle mit dem Spiegel, Rasierklinge, und die Kamera auszurichten, die richtige Positionierung der Lichtquelle zu gewährleisten.
      2. Setzen Sie den Laserpointer auf der Metallplatte neben der Rasierklinge.
      3. Manuelles Verschieben der Laserpointer so wird der Strahl die Mitte des Spiegels treffen. Einstellen, wie erforderlich, der reflektierte Strahl schneidet, orthogonal zu der Rasierklinge zu gewährleisten, so dass etwa die Hälfte des Strahls blockiert wird.
      4. Manuell die Position der Spiegel einstellen, den Strahl des Laserpointers direkt an der Rasierklinge zu zielen, wenn die Strahlausrichtung nicht in 1.2.5.3 erreicht.
         VORSICHT! Schauen Sie nicht direkt in den Laser - Pointer oder dem reflektierten Strahl.
      5. Sicherzustellen, dass der Laserstrahl auf die Linse zentriert ist, während die Objektivabdeckung in der Kamera zu halten.
      6. Ersetzen Sie den Laserpointer mit der überdachten Taschenlampe, während alles ausgerichtet ist. Sicherzustellen, dass die Taschenlampe in der gleichen Orientierung wie der Laserpointer ist.
      7. Schalten Sie die Taschenlampe und ein Stück weißes Papier verwenden, beobachten das reflektierte Licht an der Grenz. Stellen Sie sicher, dass der Strahl an der Grenz einen kleinen fokussierten Punkt ist.
      8. Nehmen Sie die vertikale Anpassungen notwendig etwa die Hälfte des reflektierten Lichtstrahls mit dem Cutoff zu blockieren.
      9. Entfernen Sie den Objektivdeckel an der Kamera und konzentrieren sich auf den Spiegel.
         HINWEIS: Es wird empfohlen, die Kamera / Objektiv im manuellen Fokusmodus verwendet werden.

2. Beispiel Testobjekt: Mass Spectrometry lonisierungsquelle

1. die Massenspektrometrie-Ionenquelle innerhalb der Testregion, mit einem Abstand von 10 mm zwischen dem Ende der Düse und dem Einlass des Massenspektrometers manuell auszurichten.
2. Hand öffnen Sie das Nadelventil in die Umgebungsquelle ermöglicht Stickstoff durch die Quelle zu fließen.
3. Öffnen Sie die Software verwendet, um das Massenspektrometer zu steuern. Für diese Studie war die verwendete Software "SQ-Treiber". Klicken Sie auf file -open- dann die entsprechende Melodie-Datei auswählen.
4. Wenden Sie alle Spannungen und Temperaturen an die Umgebungsquelle, sobald der manuellen Abstimmung geöffnet wird. Jedes Massenspektrometer wird seine eigene Software für diesen Schritt haben. Für die aktuelle Studie, sobald die manuelle Melodie geöffnet ist, klicken Sie auf die Schaltfläche "Source-Spannung aus" und die Schaltfläche "Alle Gas und Heizungen ausgeschaltet sind" diese Aufgabe zu erfüllen.
5. Beachten Sie das Aussehen der Strömung um die Düse mit der Schlierenvorrichtung auf der Bildschirmansicht der Digitalkamera mit zunehmender Temperatur austritt. Beobachten Sie den Gasstrom (siehe Beschreibung unter "Ergebnisse" Abschnitt) aus dem Ende der Düse kommt. Der Gasstrom kann auf der Rückseite der Kamera betrachtet werden, oder es kann direkt auf einem LCD-Monitor angezeigt werden.
6. Sammeln Sie das Bild, indem entweder ein Video von der Kamera aufnehmen, oder ein Bild von dem Gasstrom nehmen, sobald die gewünschten Bilder werden live auf der Kamera sichtbar gemacht.
7. Übertragen Sie das Bild (n) gesammelt an einen Computer mit dem camereine Speicherkarte oder USB-Anschluss und mit der Software Ihrer Wahl um das Bild anzuzeigen.

3. Bestimmung des Spray-Halbwinkel von einem Gesammelte Bild

1. Öffnen Sie das gesammelte Bild mit einem Bildbetrachtungssoftware und ausdrucken das gesammelte Bild (er).
2. Zeichnen Sie eine Linie auf dem gedruckten Bild (n), die die Mittelachse des Gasstroms parallel zur Strömungsrichtung mit einem Lineal.
3. Zeichnen Sie eine Linie entlang der Kante des visualisierten Gasstrom auf dem gedruckten Bild (n) mit einem Lineal. Dies lässt sich besser von einem aufgezeichneten Video visualisiert werden aufgrund eines Schimmer, die im Video-Format vorhanden ist; verwenden diese die Kante in den gedruckten Bildern zu identifizieren. Markieren Sie die Außenkanten der Gasströme einen Bereich für die Spritzhalbwinkel zu erhalten.
4. Messen Sie den Winkel zwischen der Mittelachse erzeugt und der Linie gezeichnet in 3.2 Winkelmesser.

Ein Schema des Schlierenaufbau einschließlich der Massenspektrometrie Ionisationsquelle in 1 zu . Wenn alle Schlieren Komponenten richtig ausgerichtet sind , Gase innerhalb der Testregion gefunden werden kann als kontrastierenden dunklen und hellen Bereiche zu sehen. 2 zeigt , wie dieser Kontrast sein kann zu beobachten, wie sich die Form des Stickstoffs Strahlströmung aus den Massenspektrometriequelle ändert als Düsengröße abnimmt verwendet.

Eine vollständige, uncropped schlieren Bild der Quelle und den Gasstrom in Abbildung 3. Dieses Bild finden zeigt die Ausrichtung des Tests auf den Spiegel relativ Objekte. Das Bild in 3 zeigt auch , was erwartet werden sollte , wenn die richtige Menge, etwa 50% des Lichts wird durch die Rasierklinge abgeschnitten. Wenn die Grenz entweder zu hoch (Figur 4) oder zu niedrig (Abbildung 5 ), wird zur Folge haben schlechte Bilder.

Sobald die Installation abgeschlossen ist, kann man verschiedene Massenspektrometer Parameter einzustellen, während ihre Wirkung auf dem Bildschirm der Kamera zu beobachten. Dieses Bild, neben dem eigentlichen Signal des Massenspektrometers, ermöglicht optimierten Bedingungen schnell auf den neuen Verständnis des Gasstromes aufgrund erreicht werden.

Diese Bilder können dann verwendet werden, um die Spritzhalbwinkel des Stickstoffstroms zu berechnen. Das Spray Halbwinkel teilt dem Benutzer die Gesamtgröße des Stickstoffgasstrom. Dieser Winkel wird durch den Durchmesser der Düse bewirkt wird , sowie der Druck und die Temperatur des Gases. 6 ist eine Darstellung der Halbwinkelmessungen mit konstanter Düsengröße und Variationen des Gasdrucks. Wie erwartet, erhöht sich die Halbwinkel entsprechend mit einer Druckerhöhung, eine Gesamtgröße Erhöhung des Gases bedeutetStream. 7 ist eine Darstellung des Halbwinkel mit konstantem Druck während der Düsendurchmesser zu verändern. Wie erwartet, erhöhte sich der Halbwinkel mit einer erhöhten Düsendurchmesser. Dies bedeutet eine Gesamtskalierungs Zunahme der Größe des Strahl Stickstoff aus der Quelle als der Düsendurchmesser kommende erhöht.

Abbildung 1. Schlieren Schematic (Wiederabdruck mit Genehmigung aus Lit. 7). Schematische Darstellung der schlieren Fotografie Gerät mit der Massenspektrometrie Ionisationsquelle. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2. Visualisierung von Nit Rogen Streams (Re-Print mit Genehmigung aus Lit. 7). Schlieren Fotografien der Gasstrom aus der Ionisierungsquelle mit verschiedenen Düseninnendurchmesser von (A) 4,8 mm, (B) 3,2 mm, (C) 1,5 mm, (D) 0,5 mm. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3. Visualisierung von Ambient Quelle. Weitwinkel schlieren Fotografie der Ionisationsquelle mit der richtigen Positionierung des Cutoff. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 4. Schlechte Visualisierung mit Low Cutoff. Schlieren Foto mit dem Cutoff zu niedrig positioniert. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5. Schlechte Visualisierung mit hoher Cutoff. Schlieren Foto mit dem Cutoff zu hoch positioniert. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 6. Halbwinkel gegen Gasdruck. Ein Diagramm , welches die Änderung in der Gischt Halbwinkel mit konstanter Düsengröße mit unterschiedlichen Gasdruck.= "Https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg" target = "_ blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 7. Halbwinkel vs Düsengröße. Ein Diagramm , das die Änderung in der Gischt Halbwinkel mit konstantem Druck mit unterschiedlichen Düsengröße darstellt. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Es gibt mehrere Gründe, die zu dem Versuch, dieses Protokoll vor gangen werden müssen. Neben dem Raum um das Massenspektrometer für die Quelle und Spiegel, muss genügend Freiraum vorhanden sein, um den Abstand des Zweifachen der Brennpunkt des Spiegels aufzunehmen. Ferner wird die Größe des Spiegels letztlich durch die Größe der Quelle entschieden, die untersucht wird. Wenn der Spiegel zu klein ist, wird die Quelle nicht vollständig sichtbar gemacht werden. Es ist wichtig, dass einige zu beachten, wenn nicht alle, der Quelle deckt die schlieren Fotografie Imaging-Technik zu implementieren, entfernt werden müssen.

Die wichtigsten Schritte des eigentlichen Setup sind die Ausrichtung der einzelnen Teile des schlieren Gerät. Der Spiegel muss auf den Boden und Rasierklinge senkrecht sein müssen, genau bei der doppelten Brennweite des Spiegels angeordnet werden. Bei dieser Entfernung wird das reflektierte Licht auf einen kleinen Punkt fokussiert werden. Die Menge des Lichts von der Rasierklinge blockiert ist auch important. Wenn schlechte Bilder erzeugt werden, auf den ersten Aspekt einstellen würde mit der Platzierung der Rasierklinge sein. Wenn der Rasierklinge des Lichts nicht genug blockieren die Kamera erreicht, wird kein Kontrast gebildet und ist somit nicht das Gas zu sehen. Wenn zu viel von dem Licht blockiert wird, die Bilder erscheinen dunkel, so dass es schwierig ist, die feineren Details in dem Stickstoffstrom aus dem untersuchten Objekt zu unterscheiden.

Eine Begrenzung der Technik ist, dass es muss in Bezug auf den Brechungsindex des Hintergrundes und der Bereich der Studie ein großer Unterschied. Dies wird bei der Temperatur und Feuchtigkeit des Labors in Frage abhängen. RT Stickstoff ist normalerweise schwer zu sehen, wie der Hintergrund Luft von etwa 78% aus Stickstoff besteht. Dies wird in der beschriebenen Einrichtung zu überwinden, weil die Temperatur des Stickstoffs von der Quelle variiert, die Veränderungen im Brechungsindex führt.

Insgesamt ist der signifikanten Beitrag von tseinem Protokoll ist die Fähigkeit, die physikalischen Vorgänge bei der Ionisation innerhalb der Quelle einbezogen zu verstehen. Dies wiederum wird den Benutzer besser tune das Instrument anstatt blind veränderlichen Parametern, sowie bieten Begründung für den optimierten Bedingungen ermöglichen. Der Vorteil dieser Technik ist die Fähigkeit , die alle Informationen verwenden , sowohl von den physikalischen und chemischen Prozesse ⁶ eine bessere Empfindlichkeit und Selektivität bei einer Umgebungs Ionisationsquelle zu gewinnen. Der Benutzer kann die Bilder schlieren nutzen physikalischen Eigenschaften der Quelle, um zu bestimmen, während die Massenspektrometriedaten verwendet werden können, um die chemischen Eigenschaften der Quelle zu verstehen.

Zukünftige Anwendungen wäre diese Technik, um entweder auf dem Markt verschiedene andere Umgebungs Ionisierungsquellen anzuwenden, oder eine nicht-kommerzielle Gerät. Dies kann auch auf andere Instrumente / Maschinen angewendet werden, die Gasströme nutzen.

There are no competing financial interests with this article.

The authors would like to acknowledge Caitlin Kowalewski for aiding in the editing and formatting of this publication.