برای اندازه گیری نسبت جرم به بار در یون ها از یک روش تحلیلی به نام طیف سنجی جرمی (MS) استفاده می شود. در طیف سنجی جرمی نتایج به شکل طیفی جرمی ارائه می شوند. کاربرد طیف سنجی جرمی هم در مخلوط ها و هم نمونه های خالص وجود دارد. کاربرد طیف سنجی جرمی (MS) هم در جامدات و هم مایعات و هم در گاز ها به چشم می خورد. در طیف سنجی جرمی ابتدا یون های مختلف از هم تفکیک شده و سپس و فراوانی آن ها مشخص می گردد. بنابراین یک طیف جرمی شامل نموداری است که بر اساس جرم یون ها به فراوانی‌شان ارائه گردیده است. کاربرد طیف سنجی جرمی برای شناسایی ماهیت عناصر، ایزوتوپ ها، جرم ذرات و مولکول ها و بررسی ساختارشان استفاده می شود. در ادامه همراه ما باشید تا با اساس کار طیف سنجی جرمی (MS) آشنا شوید.
نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی بسیاری از مفاهیم علم شیمی پرداخته است. مانند الکترون، پروتون، مول، اتم، عدد اتمی، عدد جرمی، یکای جرم اتمی و… . با ما همراه باشید با شناخت مطلبی دیگر از شیمی با نام طیف سنجی جرمی.
مقدمه ای بر طیف سنجی جرمی (MS)
طیف سنجی جرمی به عنوان روشی جهت اندازه گیری فراوانی یون ها در فاز گازی شناخته می شود. اساس کار این روش، جداسازی یون های تک اتمی یا چند اتمی برمبنای نسبت جرم به بار است. جداسازی با استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی صورت می پذیرد.
کاربرد طیف سنجی جرمی گسترده بوده و برای طیف وسیعی از مولکول های خنثی به کار می رود. در این روش ابتدا مولکول‌ها توسط منبع یونیزاسیون به یون های گازی تبدیل می شوند. سپس به سمت جداکننده هدایت می شوند، این هدایت یون ها با توجه به اختلاف جرمی عناصر است. در نهایت یون‌های جداشده با کمک میدان الکترومغناطیس به سمت آشکارساز هدایت می شوند. در آن قسمت شناسایی می شوند. لازم به ذکر است که خلا بالایی در مسیر طی شده از منبع یونش تا آشکارساز وجود دارد. این خلا موجب می شود که برخورد یون‌ها و مولکول‌ها با یکدیگر به حداقل برسد.
اصول طیف سنجی جرمی
- ابتدا مولکول ها بوسیله جریانی از الکترون های پر انرژی بمباران می شوند. در این مرحله برخی از مولکول ها به یون تبدیل می‌گردند. سپس در یک میدان الکتریکی به یون ها شتاب داده می‌شود.
- یون ها در یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی با توجه به نسبت بار/جرم جداسازی خواهند شد.
- یون هایی که نسبت بار/جرم مشخصی دارند، توسط بخشی از دستگاه که قادر به شمارش آن هاست، آشکار می شوند. در نهایت نتایج داده شده خروجی توسط آشکار کننده بزرگ می شوند. در پایان نموداری از تعداد ذرات آشکار شده به دست می آید که تابعی از نسبت بار به جرم است.
روش کار دستگاه طیف سنجی جرمی
یک دستگاه طیف سنج جرمی (MS) شامل موارد زیر است:
- ورودی نمونه
- منبع یونیزاسیون
- سیستم اندازه گیری
- آشکارساز یونی تحت خلأ
- سیستم داده
در دستگاه طیف سنج جرمی ابتدا در یک محفظه خلأ نمونه به یون تبدیل می‌شود. سپس در سیستم اندازه گیری بر اساس جرم تفکیک و آشکارسازی می‌شود. درنهایت نتایج پردازش و به صورت طیف جرمی ارائه می‌گردد. در ادامه این مقاله همراه ما باشید تا با اجزا و کارکرد این دستگاه بیشتر آشنا شوید.
اجزای دستگاه طیف سنج جرمی
محل ورود نمونه
محل ورود نمونه قسمتی است که مقدار معینی از نمونه را به منبع یونیزاسیون می فرستند. سیستم قرارگیری نمونه های گازی و مایع خارج از منبع یونیزاسیون قرار داشته و از طریق روزنه ای با هدایت کم به منبع یونیزاسیون متصل می شوند.
از طریق دریچه هایی نمونه های گازی به سیستم ورودی منتقل می‌شوند. تزریق نمونه های مایع فرار نیز به راحتی صورت می گیرد. تزریق این مایعات در دماهای پایین و توسط یخ خشک و یا نیتروژن مایع انجام می‌شود. البته مایعات غیر فرار و جامدات به سیستم های ورودی حرارتی نیازمندند. بیشتر دستگاه‌ها با ورودی یگانه و دوگانه، در دماهای ۱۵۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی گراد کار می کنند. سیستم های ورودی نمونه می‌توانند از جنس شیشه یا فلز انتخاب شوند. در رابطه با نمونه های جامد باید به فراریت آن ها توجه شود.
تزریق جامدات
جامدات با نقطه ذوب پایین را می توان توسط سرنگ تزریق نمود. البته روش های جدیدی هم برای انتقال نمونه های جامد با فشار بخار پایین و مقادیر کم به کار گرفته می شوند. در روش اول نمونه بخار شده و به منبع یونیزاسیون منتقل می گردد. در یک روش دیگر ابتدا نمونه جامد توسط حامل مناسبی به منبع یونیزاسیون انتقال یافته و در همان جا تبخیر می گردد.
منبع یونیزاسیون
یونیزاسیون در این دستگاه توسط منابع مختلفی رخ می دهد. یونیزاسیون به روش های زیر توسط بمباران صورت می پذیرد. بمباران:
- الکترونی
- بمباران شیمیایی
- میدانی
- فوتونی
- گرمایی
- جرقه‌ای
- بمباران اتمی
یونیزاسیون افشانه
این روش اغلب برای نمونه هایی به کار می رود که از لحاظ گرمایی ناپایدار هستند. در این روش محلول مورد نظر در این روش از طریق افشانه اسپری می گردد. با اعمال ولتاژ الکتریکی بین نوک سوزن افشانه و الکترود کمکی قطرات محلول حاوی نمونه را باردار می کنند.
یونیزاسیون شیمیایی
در این روش نمونه مورد نظر با گاز های واکنش گر مانند آمونیاک، متان و ایزوبوتان واکنش می دهد. طی این واکنش انتقال پروتون صورت می گیرد. البته انتقال پروتون همراه به نمونه موردنظر با انرژی زیادی همراه نیست. بنابراین بر خلاف یونیزاسیون شیمیایی تجزیه مولکولی رخ نمی دهد.
یونیزاسیون واجذبی
این روش از یک پرتو پرانرژی مانند لیزر برای یونیزه کردن نمونه استفاده می کند.
تجزیه گر جرمی
یون های ساخته شده از نمونه ها پس از تشکیل شدن باید توسط پتانسیل های مختلف شتاب پیدا کنند. به این ترتیب می توانند از میان جداکننده ها عبور کنند. تنظیم پتانسیل این بخش باید طوری باشد که بیشترین قدرت جداسازی و راندمان فراهم شود.
یون های مثبت از جداکننده عبور کرده و به دلیل اختلاف در نسبت جرم به بار تفکیک می شوند. سپس به سمت آشکارساز حرکت می کنند. جداسازی یون ها براساس نسبت جرم به بار توسط تجزیه گرهای جرمی مختلفی صورت می پذیرد.
- تجزیه‌گر جرمی قطاع مغناطیسی
- تجزیه گر زمان پرواز
- تجزیه‌گر جرمی چهار قطبی
آشکارساز یونی
پس از اینکه یون ها بر اساس نسبت m/z جداسازی شدند، وارد آشکارساز می‌شوند. آشکارساز درواقع ساده ترین قسمت این دستگاه است. در آشکارساز ابتدا یون‌ها به بار الکتریکی تبدیل می شوند. یون‌ها با برخورد به سطح حساس تابش کننده الکترون متناسب با تعداد و شدت برخورد، الکترون تولید می‌کنند. اما جریان الکتریکی برقرار شده ضعیف است و قابل اندازه گیری نیست. بنابراین الکترون های تولید شده مجدد به داینودها برخورد می کنند. داینودها با برخورد الکترون به آن‌ها قادرند تعداد بیشتری الکترون تولید کنند. دایانودها درواقع جریان الکتریکی را تقویت کرده و به حدی می رسانند که قابل اندازه گیری توسط دستگاه باشد. در آخر سیگنال به پردازنده دستگاه برای پردازش و ثبت انتقال می یابد.
انواع آشکارساز
آشکارساز تکثیرگر الکترون
یک چندگانه گر الکترون، دارای چندین دایانود است. در این آشکارساز از یک ذره باردار ۷۱۰ الکترون تولید می شود. سپس جریان حاصل توسط آمپلی فایر تقویت می گردد.
آشکارساز فنجان فارادی
فنجان فارادی (Faraday Cup) آشکارسازی مشابه تکثیر کننده الکترونی است. این آشکارساز از فلزی منحنی از جنس اکسید برلیم یا گالیم فسفید ساخته شده است. با برخورد یون به آن الکترون تولید می‌شود. از مزیت های این آشکارساز سادگی مقاومت و کارکردن در هر فشاری است. این آشکارساز به دلیل حساسیت کم کاربرد محدودی دارد.
سیستم داده
در این قسمت از طیف جرمی نمودار تغییرات نسبت جرم به بار بر حسب شدت به دست می آید. در سیستم داده، اطلاعات حاصل از آنالیزگر با اطلاعات حاصل از آشکارساز ترکیب شده و طیف جرمی حاصل می آید. باید ذکر شود که استفاده از طیف سنجی جرمی تکنیکی بسیار سریع است. یک طیف جرمی کامل را می توان در کسری از ثانیه به دست آورد. چندین هزار اسکن ثبت شده و در سیستم های ذخیره و کتابخانه دستگاه ذخیره می گردد. البته سیستم داده ها علاوه بر کسب و پردازش داده، به
- پارامتر های دستگاهی را کنترل می کند.
- داده ها را به صورت کروماتوگرام و طیف های جرمی ارائه می کند.
- جست و جوی کتابخانه ای انجام می دهد.
- داده های ثبت شده را بایگانی می کند.
در حال حاضر مناسب ترین تکنیک برای آنالیز ترکیبات mass spectrometry است. زیرا حساسیت و انتخاب گری بالایی دارد. لازم به ذکر است که مقادیر نانوگرم از مواد برای به دست آوردن طیف جرمی کافی است. از ترکیب طیف سنجی جرمی با کروماتوگرافی گازی (GC-MS) به عنوان یک روش جداسازی در مخلوط های بسیار پیچیده نیز استفاده می شود.
طیف جرمی چیست
طیف سنجی جرمی (MS) نموداری از فراوانی یون بر مبنای نسبت جرم به بار فراهم می کند. با در اختیار قرار داشتن طیف جرمی یک نمونه اطلاعات زیادی در رابطه با ایزوتوپ های موجود در نمونه، وزن مولکولی، یون مولکولی و… فراهم می شود. البته ممکن است مولکول‌ها بر اثر تابش پرتوهای پر انرژی الکترونی به اجزا کوچک‌تری تجزیه شوند. پیک های مربوط به این قطعات نیز در نمودار نهایی دیده می شود. در این حالت طیف های جرمی به نسبت پیچیده تری ایجاد می شود.
بررسی یک طیف جرمی
در ابتدا به بررسی قله ها می پردازیم. هر قله Pik در طیف به این معنی تعداد ایزوتوپ هاست. مثلا اگر ۵ قله در طیف داشته باشیم یعنی ۵ ایزوتوپ طبیعی خواهیم داشت. بلندی پیک نیز فراوانی نسبی هر ایزوتوپ نسبت به دیگری را نشان خواهد داد. محور عمودی نمودار (طیف) نشان دهنده فراوانی نسبی و محور افقی نشان دهنده نسبت جرم به بار (m/z) است. در محور افقی طیف جرمی، در عبارت m/z، اگر تمامی یون های تولید شده در آزمایش، باری برابر با ۱+ داشته باشند، در این حالت عبارت m/z با جرم اتمی برابر خواهد بود.
گروه عاملی در طیف سنجی جرمی (MS)
الگوهای شکست با حضور یک گروه عاملی بخصوص اگر شامل هترواتم های نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و… با الکترون های غیرپیوندی باشد به کلی تغییر می کند. این اتفاق و تغییر به دلیل تمرکز رادیکال کاتیون یون مولکولی بر روی هترواتم توجیه می شود. با متمرکز شدن بخش واکنش پذیر، فرآیند شکست بوجود می‌آید.
وجود این پیچیدگی ها در الگو های شکست موجب شده تا طیف سنجی جرمی به نوعی اثر انگشت برای شناسایی ترکیبات بدل شود. در نیز از طیف سنجی جرمی استفاده می‌کنند.
کاربرد روش طیف سنجی جرمی (MS)
- شناسایی ترکیبات خالص آلی
- حضور یا عدم حضور گروه های عاملی
- تعیین وزن مولکولی
- تعیین شدن فرمول تجربی ترکیب
- آنالیز ترکیب و پایداری آن در فاز محلول
- تجزیه و شناسایی کردن ساختار ترکیبات بیولوژیک
- تعیین نمودن ترکیبات ماده به شکل مستقیم
- شناسایی عناصر جدول تناوبی
- شناسایی آلاینده های زیست محیطی
- بقایای آفت کش بر روی مواد غذایی
- کنترل مواد دارویی
- آنالیز گازهای موجود در هوا
- مشخصه سازی پروتئین ها
- تحقیقات فضایی
جمع‌بندی
در این مقاله به بررسی طیف سنجی جرمی و دستگاه و کاربرد آن پرداختیم. اجزای تشکیل دهنده دستگاه طیف سنج جرمی نیز مورد بررسی قرار گرفته شد. توضیح داده شد که تهیه یون از نمونه مورد نظر توسط چه روش هایی صورت می پذیرد. کاربرد های این روش در موضوعات مختلف نیز بیان شد. این روش به عنوان یکی از مهم ترین موضوعات علم شیمی شناخته شده و کاربرد فراوانی در شناسایی عناصر و ترکیبات مختلف دارد. ما در نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی مسائل و موضوعات روز علم می پردازیم. در جهان شیمی فیزیک با شناخت این موضوعات همراه ما باشید.
