Jonizacja Elektroerozyjna Desorpcji: Zasada Działania i Zastosowania
- Szczegóły
Spektrometria masowa jest powszechnie używaną metodą pomiaru masy cząsteczkowej próbki. Okazała się pomocna dla naukowców w różnych dziedzinach, takich jak analizowanie białek, metabolizm leków oraz jakość wody.
Obróbka elektroerozyjna (EDM) to metoda obróbki metali oparta na erozji elektrycznej, która towarzyszy wyładowaniom elektrycznym. Wykorzystywana jest głównie przy obróbce specjalizowanych części maszyn i innych materiałów trudnoskrawalnych, gdyż pozwala na uzyskanie skomplikowanych kształtów, trudnych lub niemożliwych do wykonania obróbką skrawaniem (np. wewnętrzne ostre narożniki i/lub gwint w materiale hartowanym, czy węgliku). Nie ma też tutaj sił skrawania oddziałujących na część obrabianą, choć jest wpływ na warstwę zewnętrzną, co utrudnia dalsze procesy, jak np. polerowanie.
Podział i Zasada Działania Obróbki Elektroerozyjnej
Do elektroerozyjnej obróbki zalicza się obróbkę elektroiskrową, anodowo-mechaniczną i elektrokontaktową. Obróbkę przeprowadza się na drążarkach, piłach lub szlifierkach anodowo-mechanicznych. Stosowana jest do obróbki węglików spiekanych oraz kształtowania i regeneracji narzędzi do obróbki plastycznej.
Obróbkę elektroerozyjną można zasadniczo podzielić na dwa typy: drążenie elektroerozyjne oraz cięcie elektroerozyjne (WEDM - Wire Electrical Discharge Machining). Generalnie różnica pomiędzy tymi metodami polega na rodzaju elektrody roboczej (w przypadku WEDM jest to przewijany drut), energii wyładowań oraz używanego dielektryka.
W obróbce typu EDM materiał obrabianego przedmiotu usuwany jest w wyniku erozji elektrycznej zachodzącej podczas wyładowania iskrowego między elektrodą roboczą a przedmiotem obrabianym zanurzonym w dielektryku płynnym (tradycyjnie nafta lub nowoczesne oleje o podobnych właściwościach albo woda dejonizowana).
Przeczytaj także: Profesjonalna stylizacja włosów w domu
Wskutek przyłożenia napięcia w szczelinie pomiędzy elektrodą roboczą a przedmiotem obrabianym tworzy się niejednorodne, zmienne w czasie pole elektryczne. W miejscach, gdzie natężenie pola elektrycznego ma największą wartość, następuje koncentracja zanieczyszczeń w dielektryku. Przy dostatecznym natężeniu pola elektrycznego następuje przebicie. Cząsteczki dielektryka ulegają lawinowo tzw. jonizacji udarowej i tworzy się wąski kanał plazmowy. Wokół tego kanału powstaje pęcherz gazowy. Elektrony emitowane przez elektrodę roboczą, uderzając w powierzchnię przedmiotu obrabianego, powodują wydzielanie się ciepła, lokalny wzrost temperatury oraz stopienie i intensywne parowanie materiału. Cały proces ma charakter wybuchowy i towarzyszy mu wyrzucenie strumienia ciekłego metalu do dielektryka.
Elektroerozja Drutowa (WEDM)
Elektroerozja drutowa (obróbka elektroerozyjna) to proces, w którym możemy ciąć każdy materiał przewodzący prąd elektryczny, twardy lub miękki, a nawet węglik lub diament. Drut EDM tnie bez kontaktu fizycznego z detalem.
WEDM, który wszedł do użytku komercyjnego w latach 60. XX wieku, wykorzystuje naprężony drut jako elektrodę. Zwykle obrabiany przedmiot i drut są zanurzone w wodzie dejonizowanej. Woda działa jako dielektryk (izolator elektryczny), dopóki nie nastąpi wyładowanie elektryczne. Wyładowanie elektryczne ogrzewa niewielką część przedmiotu obrabianego do tysięcy stopni. Dielektryk staje się zjonizowanym gazem lub plazmą, która balonuje się pod wysokim ciśnieniem. Bańka plazmowa zapada się, zmuszając stopiony materiał do rozproszenia się w płynie dielektrycznym, pozostawiając szczelinę w obrabianym elemencie. W tym samym czasie część drutu ulega erozji. Ten proces rozładowania powtarza się szybko, do 250 000 razy na sekundę. W ten sposób metal w pobliżu drutu jest usuwany, a wzdłuż drutu tworzy się nacięcie. Ponieważ drut jest również nieco erodowany w tym procesie, drutowa maszyna EDM stale podaje świeży drut ze szpuli.
Aby wyciąć kształt wewnętrzny, musisz wykonać otwór pilotujący. Można to zrobić konwencjonalnym wiertłem lub wiertarką elektroerozyjną. Drut jest przewleczony przez otwór, aby rozpocząć. Nowoczesne maszyny CNC zapewniają automatyczne nawlekanie drutu. Strumień wody lub strumień powietrza prowadzi drut przez obrabiany przedmiot. Maszyna automatycznie wykonuje niezbędne połączenia mechaniczne i elektryczne.
Drut i Dielektryk w WEDM
Krytycznymi składnikami procesu EDM są drut i woda dielektryczna. Drut używany do większości zastosowań jest wykonany z mosiądzu. Jeśli potrzebujesz wyższej wydajności, możesz wybrać drut ocynkowany w celu zwiększenia prędkości i lepszego wykończenia powierzchni. Dzisiejsze maszyny EDM wykrywają rodzaj drutu i warunki cięcia i odpowiednio dostosowują prędkość cięcia. Zmiana drutu może poprawić prędkość procesu. Na przykład w jednym projekcie zastosowano drut mosiężny, który wykonał cięcie w ciągu 10 godzin. Ale rozproszony drut odprężony skrócił go do siedmiu godzin, nie zmieniając żadnych ustawień. Inne rodzaje drutu EDM są dostępne do określonych zastosowań. Na przykład wszczepialne urządzenia medyczne nie mogą napotykać miedzi, dlatego stosuje się drut molibdenowy.
Przeczytaj także: Wszystko o prostownicy z laserową jonizacją
Aby uzyskać najlepszą wydajność maszyny do elektroerozji drutowej, musisz utrzymywać czystość wody i prawidłowe przewodnictwo. W procesie WEDM część metalu wchodzi do wody w postaci małych cząstek, a część rozpuszcza się w wodzie. Klasyczny system oczyszczania wody działa składa się z dwóch części: uzdatnianie wody - filtr do usuwania cząstek oraz filtr dejonizujący, aby usunąć atomy metalu z roztworu.
Zastosowania Elektroerozji Drutowej
Elektroerozja drutowa sprawdza się w wielu różnych projektach gdzie trzeba wykonać np: mały promień wewnątrz narożników, ciasne szczeliny. W sytuacji gdy do obróbki mamy trudny w obróbce materiał, (np stal narzędziowa - hartowana , czy wysokowydajny stop). Czasami kluczowa jest jakość powierzchni oraz wysoka tolerancja wykonania otworów.
Spektrometria Mas
Spektrometria mas jest techniką analityczną, która w ciągu ostatniego stulecia uległa dynamicznemu rozwojowi. Począwszy od skonstruowania pierwszego spektrometru przez Josepha Johna Thomsona w 1911 roku do czasów współczesnych przeszła długą drogę doskonalenia, dzięki czemu dziś jest cenioną techniką pozwalającą na identyfikację związków chemicznych oraz precyzyjne określenie składu złożonych struktur. Do zasadniczego postępu w tym kierunku przyczyniło się powstanie nowych metod łagodnej jonizacji próbek biologicznych, które znalazły zastosowanie w proteomice, metabolomice oraz chemii materiałów i polimerów.
Techniki LDI
Techniki LDI wykorzystujące proces transferu energii zostały wprowadzone w późnych latach 60 ubiegłego wieku jako obiecująca perspektywa badania biocząsteczek umiejscowionych na powierzchni płytki. Istotą tego mechanizmu jest wprowadzenie stałego lub ciekłego analitu w stan gazowy przy użyciu wiązki laserowej, a następnie nadanie obojętnym cząsteczkom wymaganego ładunku. Wszystkie metody oparte na LDI zalicza się do tzw. metod miękkiej jonizacji, co oznacza, że poddawane badaniu molekuły w głównej mierze przekształcane są w pojedynczo naładowane jony molekularne, a fragmentacji ulegają jedynie w niewielkim stopniu.
Techniki LDI są szczególnie atrakcyjne ze względu na dużą czułość oznaczeń (na poziomie femtomolowym), tolerancję na zanieczyszczenia oraz niewielką ilość próbki potrzebną do przeprowadzenia analiz, co w przypadku cennego materiału ogranicza jego straty.
Przeczytaj także: Pyły zawieszone, filtry i jonizacja w oczyszczaczach powietrza
Metody LDI
- MALDI (Laserowa desorpcja/jonizacja wspomagana matrycą): Jest najbardziej znaną i najczęściej stosowaną metodą do badania nielotnych, wielkocząsteczkowych, delikatnych cząsteczek biologicznych. Została ona opracowana pod koniec lat 80 z myślą o śledzeniu zawartości białek, peptydów, węglowodorów i nici DNA. Klasyczna procedura MALDI rozpoczyna się od powlekania analitu roztworem matrycy. Mieszaninę sporządza się z dużym naddatkiem molowym związku matrycowego (stosunek 1:1000-1:100 000), aby mógł on efektywnie ochronić molekuły przed destruktywnym działaniem promieniowania. Po odparowaniu rozpuszczalnika i współkrystalizacji matrycy i analitu gotową do pomiaru próbkę umieszcza się we wnętrzu spektrometru i poddaje się ją krótkim impulsom lasera.
- SALDI (Surface Assisted Laser Desorption/Ionization): W roku 1995 Sunner i Chen rozwinęli badania nad nieorganicznymi matrycami do analiz metodą LDI. Dostrzegli duży potencjał chemicznie obojętnych cząstek grafitu i wykorzystali je do identyfikacji peptydów i białek. Zapoczątkowali tym samym wdrożenie nanomateriałowych powierzchni w miejsce konwencjonalnych, kłopotliwych matryc organicznych.
- DIOS (Desorption/Ionization on Silicon): Technika ta jest jedną z najczęściej stosowanych metod w identyfikacji peptydów, węglowodorów, kwasów i soli organicznych, związków metaloorganicznych. Stała się także ważnym narzędziem w wykrywaniu nielegalnych narkotyków.
Obrazowanie Tkanek Zwierzęcych Przy Pomocy Spektrometrii Mas (MSI)
Istotą obrazowania jest wizualizacja rozkładu przestrzennego związków pochodzenia biologicznego i syntetycznego w badanym materiale biologicznym. Zestaw danych otrzymany metodą MSI jest wynikiem powiązanych ze sobą składowych, wśród których wyróżniamy: położenie punktu na powierzchni (x,y), stosunek masy do ładunku (m/z) oraz intensywność (I). Zasadniczo w tej technice można wyróżnić dwa etapy: mapowanie i tworzenie obrazu.
Pierwszy z nich polega na zebraniu informacji dotyczących rozmieszczenia analitu w poszczególnych fragmentach materiału badanego. Energia pochodząca z lasera powoduje przejście cząsteczek biologicznych w stan gazowy, gdzie ulegają jonizacji i rozdzielane są zgodnie z ich stosunkiem m/z w spektrometrze masowym. Do separacji zjonizowanych cząstek najczęściej stosuje się analizator czasu przelotu ToF (ang. Time of Flight).
W wyniku stopniowego przemieszczania się lasera po tkance zbierane są widma masowe - uzyskuje się tysiące punktów pomiarowych w postaci plam, które zawierają sygnały analizowanych związków o różnej intensywności. Niezwykle atrakcyjnym aspektem obrazowania jest jego efektywność. Już podczas jednego eksperymentu jesteśmy w stanie uzyskać szczegółowe, rzetelne informacje na temat lokalizacji cząsteczek, istniejących modyfikacji potranslacyjnych, a także ustalić skład ilościowy danego związku.
Doskonała czułość pozwala na wykrywanie substancji na poziomie femtomolowym (10-15 mola), a więc potwierdza nawet śladową obecność cząsteczek. W porównaniu z innymi metodami obrazowania, MSI nie wymaga uprzednich kroków związanych ze żmudnym oczyszczaniem i separacją.
Metoda MSI stała się potężnym narzędziem wykorzystywanym w analizie złożonych układów biologicznych takich jak pojedyncze komórki czy tkanki w środowisku in vivo, in vitro i in situ. Obrazowanie w obrębie tych struktur pozwala na identyfikację związków o różnym pochodzeniu tj. leków, metabolitów, węglowodanów, białek, peptydów, lipidów a także polimerów, co jest osiągalne poprzez możliwość analizy w szerokim zakresie mas rozpoczynając od atomów i substancji niskocząsteczkowych po duże makromolekuły.
Metody LDI sprzężone ze spektrometrią mas z powodzeniem znajdują zastosowanie w badaniu budowy i występowania syntetycznych związków chemicznych i molekuł wchodzących w skład złożonych układów biologicznych tj. tkanki, krew, osocze, mocz.
tags: #jonizacja #elektroerozyjna #desorpcji #zasada #działania
