Визуализация Ambient масс-спектрометрии с использования шлирен Фото

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

Эта рукопись описывает, как визуализировать массовые источники спектрометрия окружающей среды ионизации с помощью шлирен фотографии. Для того, чтобы должным образом оптимизировать масс-спектрометр, необходимо охарактеризовать и понять физические принципы источника. Большинство коммерческих источников окружающей среды ионизации используют струи азота, гелия, или атмосферного воздуха для облегчения ионизации анализируемого вещества. Как следствие, шлирен фотография может быть использован для визуализации газовых потоков за счет использования разности показателей преломления между потоками и окружающего воздуха для визуализации в реальном масштабе времени. Базовая настройка требует камеры, зеркало, фонарик, и лезвие бритвы. При правильной настройке в режиме реального времени изображение источника наблюдается, наблюдая ее отражение. Это позволяет понимание механизма действия в источнике, и пути к его оптимизации могут быть выяснены. Свет льется на иначе невидимой ситуации.

Масс-спектрометрия, аналитический инструмент, доступный для молекулярно-массового идентификации, стала одной из самых мощных аналитических методов на сегодняшний день. За последнее десятилетие целый ряд новых внешних источников ионизации стали доступны для обнаружения масс-спектрометрии. Для получения данных, собранных в этой рукописи, был использован источник (АДС) Прямая Анализ проб. Хотя эти источники чрезвычайно универсальны, более детальное знание процесса физической ионизации необходим для ее оптимизации и расширения цели. Целью данного эксперимента является получение лучшего понимания процесса ионизации в окружающих источников с помощью визуализации потока азота на устройстве, используя технику, называемую шлиры фотографии.

Научные исследования часто инициирует через наблюдение, что трудно, если объектом исследования является прозрачным невооруженным глазом. Теневые фотография является метод, который позволяет невидимымчтобы стать видимым через опираясь на изменения показателя преломления в пределах прозрачных сред ^1. Неоднородность показателя преломления вызывает искажение света, позволяя для визуализации. Шлиры метод регулярно используется в различных специальных областях , включая моделирование баллистики, авиационно - космической техники, обнаружение общего газа и контроля расхода, и время от времени для визуализации белковых полос в гель - электрофореза ^2-5.

Большинство внешних источников ионизации используют поток газа, с тем, чтобы облегчить ионизацию. Широкий диапазон условий может существовать для вариантов источника, однако параметры этого эксперимента должны предусматривать использование газа с показателем преломления, который отличается от окружающего воздуха лаборатории. Это конкретное исследование использует горячий азот. Следует отметить , что лишь небольшое различие в коэффициенте преломления наблюдается между чистым азотом из газового потока и воздуха при комнатной температуре ^6, главным образом потому, чтоИК состоит в основном из азота. Эта проблема преодолена в этом случае из-за высоких температур чистого азота в газовом потоке, который производит достаточно значительное изменение показателя преломления для газа, чтобы наблюдать.

Другие массовые источники спектрометрия , такие как десорбция атмосферы химической ионизации (DAPCI) ^7, протекая Атмосферное давление Afterglow (FAPA) ^8-10, и непосредственный анализ в реальном времени (DART) ¹¹ источники ионизации используют шлирен фотографии. Целью этого протокола является обсуждение, как изучать окружающий ионизацию с помощью базовой конфигурации шлирен фотографии. Этот метод, однако, применимо к любому числу различных аналитических методов, включающих в виде газообразных потоков.

1. Теневые Фото

1. Создание тестовой области
   Примечание: Тест область существует непосредственно перед зеркалом.
   1. Зажим сферического вогнутого зеркала (диаметр 150 мм, фокусное расстояние 1500 мм) в кольцевой зажим стенда достаточно большой, чтобы поддерживать зеркало. Прикрепите зажим кольцо стенд с зеркалом к ​​кольцу стоять перпендикулярно полу. В настоящем исследовании использовали кольцо стенд 3-футовую, но любой высоты может быть использован до тех пор, как он достаточно высок, чтобы иметь возможность центрирования зеркало в смотровом окне источника.
   2. Поместите кольцо стенд и зеркало в сторону источника масс-спектрометра. Сделать лицо зеркала, параллельной, и на той же высоте, в качестве источника.
   3. Поместите зеркало так что его центр выровнен с исходным центром области масс-спектрометра. Некоторое дублирование прибора будет происходить.
2. Граничная, камера и источник света
   1. Отрезать
      1. Приложить металлическую пластину к верхней части штатива. Пластина будет служить платформой для хранения как лезвие бритвы, и источник света. Бритвенное лезвие действует как то, что известно как "отсечки" в теневом фотографии.
      2. Прикрепите лезвие к металлической пластине с помощью магнита так, чтобы острый край вертикально.
      3. Поместите штатив в соответствии с зеркалом в два раза превышает фокусное расстояние зеркала, 3000 мм. Совместите лезвие бритвы, перпендикулярные пути света, отраженного от зеркала.
      4. отрегулировать вручную высоту штатива так, чтобы острый край лезвия бритвы приблизительно совпадает с центром зеркала.
         Примечание: Точная регулировка будет происходить позже.
   2. камера
      1. Установите цифровую камеру с телеобъективом 300 мм на отдельном штативе.
      2. Установите камеру таким образом, объектив (когда при полном увеличении) составляет 4 см непосредственно позади и в то же хейGHT как лезвие бритвы. Не снимайте крышку объектива в это время.
   3. Дополнительный монитор
      1. Подключите видеовыход камеры на мониторе компьютера или телевизора, чтобы легко просматривать шлирен явление в реальном масштабе времени.
         Примечание: Это рекомендуемый процесс. Эта процедура может варьироваться в зависимости от типа используемой камеры.
   4. Пинхол Источник света
      1. Просверлить маленькое отверстие (примерно 0,6 мм в диаметре) в центре крышки (в данном случае, флакон колпачок был использован тот же диаметр фонарика), который может быть присоединен / приклеенный к источнику света. Убедитесь в том, что крышка имеет достаточный диаметр, чтобы полностью покрыть фонарик объектив.
      2. Установите крышку свыше 200 люмен Светодиодный фонарь с помощью фольги ленты.
         ПРИМЕЧАНИЕ: фонарик получите тепло и высокая температура ленты рекомендуется.
   5. Источник света Позиционирование
      1. Первое использование а-ляУказатель Ser для выравнивания источника света с зеркалом, лезвие бритвы, и камеры, чтобы обеспечить правильное расположение источника света.
      2. Поместите лазерный указатель на металлическую пластину рядом с лезвием бритвы.
      3. Вручную переместите указатель лазера таким образом луч ударяет в центр зеркала. Отрегулируйте по мере необходимости, чтобы обеспечить отраженный луч пересекает под прямым углом к ​​бритвенным лезвием, так что примерно половина пучка блокируется.
      4. Ручная регулировка положения зеркала, чтобы нацелить луч лазерного указателя непосредственно на лезвие бритвы, если выравнивание пучка не была достигнута в 1.2.5.3.
         ВНИМАНИЕ! Не смотрите прямо в указатель лазера или отраженного луча.
      5. Убедитесь в том, что лазерный луч центрируется на объективе, сохраняя при этом крышку объектива на камере.
      6. Заменить лазерный указатель с крытой фонарик в то время как все выравнивается. Убедитесь, что фонарик находится в той же ориентации, что и лазерный указатель.
      7. Включите фонарик и, используя лист белой бумаги, наблюдать отраженный свет на обрезанию. Убедитесь в том, что луч небольшой сфокусированное пятно на обрезанию.
      8. Сделать любые вертикальные регулировки необходимо, чтобы заблокировать приблизительно половину отраженного светового луча с граничной.
      9. Снимите крышку объектива на камере и сосредоточиться на зеркале.
         Примечание: Рекомендуется, чтобы камера / объектив можно использовать в ручном режиме фокусировки.

2. Пример испытаний объекта: Масс-спектрометрия ионизацией Источник

1. Ручное выравнивание источника массы спектрометрия иона внутри тестовой области, с расстоянием 10 мм между концом сопла и входом в масс-спектрометр.
2. Вручную откройте игольчатый клапан с источником окружающей среды, позволяя азот протекать через источник.
3. Откройте программное обеспечение, используемое для управления масс-спектрометра. Для этого исследования, программное обеспечение, используемое было "SQ водитель". Нажмите на филе -open- затем выберите соответствующий файл мелодии.
4. Применить все напряжения и температуры к источнику окружающей среды, как только открывается Ручная настройка. Каждый масс-спектрометр будет иметь свое собственное программное обеспечение для этого шага. Для данного исследования, как только Ручная настройка открыта, нажмите на кнопку "Источник напряжения выключен" и кнопка "Весь газ и обогреватели выключены", чтобы выполнить эту задачу.
5. Обратите внимание на внешний вид потока, выходящего из форсунки с шлировую аппарата на экране просмотра цифровой камеры при повышении температуры. Обратите внимание на газовый поток (см описание в разделе "Результаты"), выходящий из конца сопла. Поток газа можно посмотреть на задней стороне камеры, или его можно просмотреть непосредственно на ЖК-дисплее.
6. Соберите изображение, либо записи видео с камеры, или принимая картину газового потока, как только желаемые образы визуализируются в прямом эфире на камеру.
7. Перенесите снимок (ы), собранные на компьютер с Camerкарту памяти или USB-соединение и просмотреть изображение с помощью программного обеспечения по вашему выбору.

3. Определение Spray половинный угол от собираемой изображения

1. Откройте собранный изображение, используя программное обеспечение для просмотра изображений и распечатать собранный образ (ы).
2. Нарисуйте линию на отпечатанном изображении (ы), определяющего центральную ось потока газа параллельно направлению потока с помощью линейки.
3. Нарисуйте линию вдоль края потока визуализированы газа на отпечатанном изображении (ы), используя линейку. Это можно визуализировать лучше из записанного видео из-за отливом, который присутствует в видео формате; использовать это, чтобы помочь идентифицировать края в печатных изображений. Отметьте внешние края газовых потоков, чтобы получить диапазон для половины угла распыления.
4. Измерьте угол между произведенный центральной осью и линией, проведенной в 3.2 с помощью транспортира.

Схема шлирен установки , включая массовый источник спектрометрия ионизации можно найти на рисунке 1. Когда все шлирен компоненты правильно выровнены, газов в тестовой области можно рассматривать как контрастных темных и светлых областей. На рисунке 2 показано , каким образом этот контраст может быть используется для наблюдения, как форма струи азота поток от изменения массы источника спектрометрия, как размер сопла уменьшается.

Полный, неподрезано шлирен изображение потока источника и газа , можно найти на рисунке 3. Это изображение иллюстрирует ориентация тест - объектов по отношению к зеркалу. Изображение на рисунке 3 также показывает , что следует ожидать , когда надлежащее количество, примерно 50%, света отсекается лезвием бритвы. Если отсечка либо слишком высок (рис 4), или слишком низкое (рис 5 ), плохие изображения.

После завершения установки, можно настроить различные параметры масс-спектрометра, наблюдая их влияние на видео экране камеры. Это изображение, наряду с фактическим сигналом масс-спектрометра, позволяет Оптимизированные условия, чтобы быть быстро достигнуто благодаря новому пониманию газового потока.

Эти изображения затем могут быть использованы для расчета спрей половину угла потока азота. Угол распыления половина сообщает пользователю общий размер газового потока азота. Этот угол осуществляется путем диаметра сопла, а также от давления и температуры газа. Фиг.6 представляет собой изображение половинами угловых измерений с постоянным размером сопла и колебаниями давления газа. Как и следовало ожидать, половинный угол соответственно увеличивается с увеличением давления, означающий общий размер увеличение газапоток. Фиг.7 представляет собой изображение половинный угол с постоянным давлением при изменении диаметра сопла. Как и следовало ожидать, половинный угол возрастает с увеличением диаметра сопла. Это означает общее увеличение масштабирования размеров струи азота, выходящего из источника, что и диаметр сопла увеличивается.

Рисунок 1. Схема Теневые (перепечатка с разрешения ссылка 7). Схематическое изображение шлировую фотографии аппарата с масс - спектрометрия источником ионизации. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2. Визуализация Нит Роген Streams (перепечатка с разрешения ссылка 7). шлирен фотографии газового потока из источника ионизации с различными сопловых внутренних диаметров (А) 4,8 мм, (B) 3,2 мм, (C) 1,5 мм, (D) 0.5 мм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3. Визуализация окружающей среды Источник. Широкий угол шлиры фотография источника ионизации с правильным расположением обрезания. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

g4.jpg "/>
Рисунок 4. Плохая визуализация с помощью Отсечка. Теневые фотография с обрезанием , расположенной слишком низко. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5. Плохая визуализация с помощью High Cutoff. Теневые фотография с обрезанием слишком высоко. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6. половинный угол против давления газа. График , иллюстрирующий изменение в распылительную половину угла с постоянным размером сопла с переменным давлением газа.= "Https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54195/54195fig6large.jpg" целевых = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7. Половина угла против Размер сопла. График , иллюстрирующий изменение в брызгах половину угла при постоянном давлении с переменным размером сопла. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Есть несколько соображений, которые должны быть решены до попытки этот протокол. В дополнение к пространству вокруг масс-спектрометра для источника и зеркала, достаточно открытое пространство должно быть доступно, чтобы приспособить расстояние в два раза в фокальной точке зеркала. Кроме того, размер зеркала, в конечном счете решается размер источника, который находится в стадии изучения. Если зеркало слишком мал, то источник не будет полностью визуализированы. Важно отметить, что некоторые, если не все, из крышки источника должен быть удален, чтобы реализовать шлирен технику фотографии изображений.

Наиболее важные этапы фактической установки являются выравнивание каждой части шлировую аппарата. Зеркало должно быть перпендикулярно полу и лезвия бритвы должны быть размещены точно в два раза превышает фокусное расстояние зеркала. На этом расстоянии, отраженный свет будет сосредоточено на небольшом месте. Количество света, заблокированного на бритвенное лезвие также яmportant. Если бедные изображения произведены, первый аспект для регулировки будет с размещением лезвия бритвы. Когда лезвие бритвы не блокирует достаточное количество света, попадающего на камеру, никакого контраста не образуется, и, таким образом, газ не будет видно. Если слишком много света блокируется изображения появляются темные, что делает его трудно отличить более тонкие детали в потоке азота от исследуемого объекта.

Ограничением метода является то, что должна быть большая разница с точки зрения показателя преломления фона и области исследования. Это будет зависеть от температуры и влажности в лаборатории в вопросе. RT азота обычно трудно видеть, как фоновый воздух состоит из приблизительно 78% азота. Это преодолевается в описываемой установке, так как температура азота изменяется от источника, что приводит к изменениям показателя преломления.

В целом, значительный вклад тего протокол является способность понимать физические процессы, связанные с ионизацией в источнике. Это, в свою очередь, позволит пользователю лучше настраивать инструмент вместо того, чтобы слепо меняющихся параметров, а также обеспечить рассуждения для оптимизированных условий. Преимуществом этого метода является возможность использовать всю информацию от обоих физических и химических процессов , чтобы получить лучшую чувствительность и селективность с источником ионизации окружающей среды ^6. Пользователь может использовать шлирен изображения, чтобы определить физические свойства источника в то время как данные масс-спектрометрии могут быть использованы, чтобы понять химические свойства источника.

Будущие приложения будет применять эту технику либо различных других внешних источников ионизации, доступных на рынке, или некоммерческого аппарата. Это также может быть применен к любым другим инструментов / машин, которые используют газовые потоки.

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.