طیف سنجی جرمی چیست؟ اصول، اجزای دستگاه و تفسیر طیف جرمی

طیف سنجی جرمی یا اسپکترومتری جرمی (Mass Spectrometry) یکی از قدرتمندترین روش های تجزیه شیمیایی است. این روش با تبدیل مولکول ها به یون و اندازه گیری نسبت جرم به بار آنها، امکان شناسایی ترکیبات ناشناخته، اندازه گیری مقدار مواد شناخته شده و بررسی ساختار مولکولی را فراهم می کند.

طیف سنجی جرمی حساسیت بسیار بالایی دارد و می تواند مقادیر بسیار ناچیزی از یک ماده را شناسایی کند. به همین دلیل در شیمی، داروسازی، زیست شناسی، پزشکی، محیط زیست، صنایع غذایی، پزشکی قانونی و صنعت نفت کاربرد گسترده ای دارد. در این مقاله با اصول طیف سنجی جرمی، اجزای دستگاه، تفسیر طیف جرمی و کاربردهای آن آشنا می شوید.

نکته: برخلاف روش هایی مانند طیف سنجی فروسرخ یا طیف سنجی رامان، طیف سنجی جرمی بر پایه برهمکنش نور با ماده نیست، بلکه جرم یون ها را اندازه گیری می کند. به همین دلیل اصطلاح دقیق تر آن «اسپکترومتری جرمی» است.

تاریخچه طیف سنجی جرمی

• اوایل قرن بیستم: طیف سنجی جرمی از آزمایش هایی درباره رفتار ذرات باردار در میدان های الکتریکی و مغناطیسی پدید آمد. جوزف جان تامسون در سال ۱۹۱۳ با بررسی پرتوهای مثبت نئون، نشان داد که نئون دو ایزوتوپ با جرم های متفاوت دارد.

• سال ۱۹۱۹: فرانسیس استون نخستین طیف نگار جرمی دقیق را ساخت و ایزوتوپ های بسیاری از عناصر را کشف کرد. او در سال ۱۹۲۲ جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد.

• دهه ۱۹۴۰: نخستین طیف سنج های جرمی تجاری ساخته شدند و بیشتر برای اندازه گیری اجزای نفت خام در صنعت نفت استفاده شدند.

• دهه ۱۹۸۰: روش های یونیزاسیون نرم مانند الکترواسپری و دفع لیزری توسعه یافتند که امکان آنالیز مولکول های زیستی بزرگ مانند پروتئین ها را فراهم کردند. جان فن و کوئیچی تاناکا به خاطر این روش ها در سال ۲۰۰۲ جایزه نوبل شیمی را دریافت کردند.

طیف سنجی جرمی چگونه کار می کند؟

اساس طیف سنجی جرمی این است که ذرات باردار با نسبت جرم به بار (m/z) متفاوت، در میدان های الکتریکی و مغناطیسی رفتار متفاوتی دارند. فرایند آنالیز چهار مرحله اصلی دارد:

1. یونیزاسیون: مولکول های نمونه به یون های گازی تبدیل می شوند.

2. شتاب دادن: یون ها با یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند.

3. جداسازی: یون ها بر اساس نسبت جرم به بار از هم جدا می شوند.

4. آشکارسازی: تعداد یون های هر m/z اندازه گیری و طیف جرمی ثبت می شود.

نسبت جرم به بار (m/z)

نسبت جرم به بار کمیتی است که رفتار یک ذره باردار را در میدان های الکتریکی و مغناطیسی تعیین می کند. طبق الکترودینامیک کلاسیک، دو ذره با m/z یکسان که با شرایط اولیه یکسان در خلأ حرکت کنند، در میدان های یکسان مسیر یکسانی را طی می کنند. چون بیشتر یون ها در طیف سنجی جرمی بار ۱+ دارند، m/z آنها عملا برابر با جرم یون است.

۱. یونیزاسیون

نخستین مرحله، تبدیل نمونه به یون های فاز گازی است. یونیزاسیون می تواند با برخورد الکترون ها، میدان الکتریکی، گرما، فوتون ها یا واکنش های شیمیایی انجام شود.

در رایج ترین روش کلاسیک، یعنی یونیزاسیون الکترونی، نمونه ابتدا تبخیر می شود و سپس در محفظه یونیزاسیون با جریانی از الکترون های پرانرژی بمباران می شود. این الکترون ها از یک رشته فلزی داغ گسیل می شوند. برخورد الکترون با مولکول، یک الکترون از آن جدا می کند و یک یون مثبت به نام یون مولکولی (M⁺) تشکیل می شود. بیشتر یون ها بار ۱+ دارند، چون جدا کردن الکترون دوم از یک یون مثبت بسیار دشوارتر است.

یون مولکولی معمولا انرژی اضافه دارد و ممکن است شکسته شده و یون های قطعه کوچک تری تولید کند. الگوی این شکست ها برای هر مولکول منحصر به فرد است و مانند اثر انگشت عمل می کند.

۲. شتاب دادن یون ها

یون های مثبت توسط یک صفحه دافع با بار مثبت از محفظه یونیزاسیون رانده می شوند و با عبور از چند شکاف با ولتاژهای منفی، شتاب می گیرند و به صورت یک پرتو یونی باریک وارد آنالایزر می شوند. چون همه یون ها انرژی جنبشی تقریبا یکسانی می گیرند، یون های سبک تر سریع تر حرکت می کنند.

۳. جداسازی یون ها

یون ها در آنالایزر جرمی بر اساس m/z از هم جدا می شوند. در میدان الکتریکی، نیروی کولنی و در میدان مغناطیسی، نیروی لورنتس بر یون ها اثر می کند. در یک آنالایزر مغناطیسی:

• یون ها در میدان مغناطیسی روی یک کمان دایره ای حرکت می کنند.

• شعاع این کمان با جذر جرم یون نسبت مستقیم دارد؛ یعنی یون های سبک تر شعاع کوچک تری دارند و بیشتر منحرف می شوند.

• یون هایی با بار بیشتر نیز بیشتر منحرف می شوند.

با تغییر شدت میدان مغناطیسی یا ولتاژ شتاب دهنده، یون هایی با m/z مختلف به ترتیب از شکاف خروجی عبور کرده و به آشکارساز می رسند. جداسازی یون ها می تواند در نواحی بدون میدان نیز انجام شود؛ مانند آنالایزر زمان پرواز که یون ها را بر اساس زمان رسیدن جدا می کند.

۴. آشکارسازی یون ها

یون های جدا شده به آشکارساز برخورد می کنند و یک جریان الکتریکی متناسب با تعداد یون ها ایجاد می کنند. ساده ترین آشکارساز فنجان فارادی است که بار یون ها را مستقیما جمع آوری می کند. در دستگاه های امروزی معمولا از تکثیرکننده الکترون استفاده می شود که هر یون، بهمنی از الکترون ها ایجاد می کند و سیگنال را میلیون ها برابر تقویت می کند. در نهایت رایانه طیف جرمی را رسم می کند.

اجزای اصلی طیف سنج جرمی

یک طیف سنج جرمی از پنج بخش اصلی تشکیل شده است:

• سیستم ورود نمونه: نمونه را وارد دستگاه می کند؛ مستقیما یا از طریق یک دستگاه کروماتوگرافی

• منبع یون: نمونه را به یون تبدیل می کند.

• آنالایزر جرمی: یون ها را بر اساس m/z جدا می کند.

• آشکارساز: تعداد یون های هر m/z را اندازه گیری می کند.

• سیستم خلأ: فشار داخل آنالایزر و آشکارساز را بسیار پایین نگه می دارد.

چرا طیف سنج جرمی به خلأ نیاز دارد؟

اگر یون ها در مسیر خود با مولکول های هوا برخورد کنند، از مسیر منحرف می شوند، انرژی از دست می دهند یا واکنش های ناخواسته انجام می دهند. به همین دلیل آنالایزر و آشکارساز در خلأ بالا (معمولا حدود ۱۰ به توان منفی ۶ میلی بار یا کمتر) کار می کنند تا یون ها بدون برخورد به آشکارساز برسند.

منبع یون: قلب طیف سنج جرمی

منبع یون مهم ترین بخش طیف سنج جرمی است. در منبع یونیزاسیون الکترونی، الکترون ها از یک رشته داغ تنگستن یا رنیوم گسیل شده و با ولتاژی حدود ۷۰ ولت شتاب می گیرند تا انرژی ۷۰ الکترون ولت پیدا کنند. این انرژی، استاندارد بین المللی یونیزاسیون الکترونی است، چون طیف های حاصل در دستگاه های مختلف قابل مقایسه هستند و می توان آنها را با کتابخانه های طیفی مقایسه کرد. در این فرایند تنها بخش کوچکی از مولکول های نمونه یونیزه می شوند.

روش های یونیزاسیون

• روش های سخت مانند EI، مولکول را به قطعات زیادی می شکنند که اطلاعات ساختاری می دهد، اما گاهی یون مولکولی دیده نمی شود.

• روش های نرم مانند ESI و MALDI، مولکول را تقریبا سالم یونیزه می کنند و برای تعیین جرم مولکول های بزرگ و ناپایدار مناسب هستند.

برای آشنایی با پلاسمای ICP، مقاله طیف سنجی نشری را بخوانید.

انواع آنالایزرهای جرمی

• بخش مغناطیسی: یون ها را با میدان مغناطیسی منحرف می کند؛ تفکیک بالا دارد اما بزرگ و گران است.

• چهارقطبی (کوادروپل): چهار میله موازی با ولتاژهای متناوب و مستقیم که فقط یون هایی با m/z مشخص را عبور می دهند؛ کوچک، ارزان و رایج ترین آنالایزر در GC-MS و LC-MS

• زمان پرواز (TOF): یون ها با انرژی یکسان شتاب گرفته و در یک لوله بدون میدان حرکت می کنند؛ یون های سبک تر زودتر به آشکارساز می رسند. سریع است و محدوده جرمی بسیار گسترده ای دارد.

• تله یونی: یون ها را در یک میدان الکتریکی به دام می اندازد و به ترتیب m/z خارج می کند.

• اوربیتراپ و تشدید سیکلوترونی یونی (FT-ICR): با اندازه گیری فرکانس حرکت یون ها، تفکیک و دقت جرمی بسیار بالا فراهم می کنند.

طیف سنجی جرمی پشت سر هم (MS/MS)

در طیف سنجی جرمی پشت سر هم، یک یون مشخص در آنالایزر اول انتخاب می شود، سپس با برخورد با مولکول های گاز شکسته می شود و قطعات آن در آنالایزر دوم اندازه گیری می شوند. این روش گزینش پذیری و اطلاعات ساختاری بسیار بیشتری فراهم می کند و در آنالیز داروها، پروتئین ها و آلاینده ها در نمونه های پیچیده استفاده می شود.

طیف جرمی و تفسیر آن

طیف جرمی نموداری است که فراوانی نسبی یون ها را بر حسب m/z نشان می دهد. هر خط عمودی در طیف، یک یون با m/z مشخص را نشان می دهد و ارتفاع آن، فراوانی آن یون است.

قله پایه

قوی ترین قله طیف، قله پایه نامیده می شود و شدت آن ۱۰۰ درصد در نظر گرفته می شود. شدت سایر قله ها به صورت درصدی از قله پایه گزارش می شود. قله پایه معمولا مربوط به پایدارترین یون قطعه است، اما گاهی خود یون مولکولی قله پایه است.

قله یون مولکولی

یون مولکولی (M⁺) از جدا شدن یک الکترون از مولکول سالم تشکیل می شود و جرم مولکولی ترکیب را نشان می دهد. قله یون مولکولی معمولا قله ای با بالاترین m/z در طیف است، به جز قله های ایزوتوپی کوچک کنار آن. در برخی ترکیبات که یون مولکولی آنها ناپایدار است، این قله با یونیزاسیون الکترونی بسیار ضعیف است یا دیده نمی شود.

قله های ایزوتوپی

بیشتر عناصر چند ایزوتوپ دارند. به همین دلیل در کنار یون مولکولی، قله های کوچک تری در M+1 و M+2 دیده می شوند:

• کربن ۱۳ که حدود ۱.۱ درصد کربن طبیعی را تشکیل می دهد، قله کوچکی در M+1 ایجاد می کند. اندازه این قله به تعداد اتم های کربن مولکول بستگی دارد.

• کلر دو ایزوتوپ ۳۵ و ۳۷ با نسبت تقریبی ۳ به ۱ دارد؛ بنابراین ترکیبات دارای یک اتم کلر، دو قله M و M+2 با نسبت شدت حدود ۳ به ۱ دارند.

• برم دو ایزوتوپ ۷۹ و ۸۱ با نسبت تقریبی ۱ به ۱ دارد و دو قله M و M+2 تقریبا هم اندازه ایجاد می کند.

یون های قطعه

یون های قطعه از شکسته شدن یون مولکولی ایجاد می شوند. برخی مستقیما از تفکیک یون مولکولی و برخی، به ویژه یون های کوچک، در چند مرحله تشکیل می شوند. با بررسی اختلاف جرم بین قله ها می توان فهمید چه بخش هایی از مولکول جدا شده اند؛ مثلا اختلاف ۱۵ واحد معمولا نشان دهنده از دست دادن یک گروه متیل است.

یک ویژگی مهم طیف جرمی این است که به مقدار نمونه بستگی ندارد. بنابراین طیف های جرمی یک ترکیب که با مقادیر مختلف نمونه یا در دستگاه های مختلف (با شرایط استاندارد) ثبت شده اند، قابل مقایسه هستند و می توان ترکیبات را با کتابخانه های طیفی شناسایی کرد.

ترکیب طیف سنجی جرمی با کروماتوگرافی

طیف سنجی جرمی برای شناسایی یک ترکیب خالص بسیار قدرتمند است، اما نمونه های واقعی معمولا مخلوط هستند. به همین دلیل طیف سنج جرمی اغلب به یک دستگاه کروماتوگرافی متصل می شود که ابتدا اجزای مخلوط را جدا می کند:

• GC-MS (کروماتوگرافی گازی و طیف سنجی جرمی): برای ترکیبات فرار و پایدار در برابر حرارت؛ مانند حلال ها، عطرها، آفت کش ها، ترکیبات نفتی و مواد مخدر

• LC-MS (کروماتوگرافی مایع و طیف سنجی جرمی): برای ترکیبات غیرفرار، قطبی و ناپایدار در برابر حرارت؛ مانند داروها، پروتئین ها، پپتیدها و متابولیت ها

این روش های ترکیبی، از قدرتمندترین ابزارهای شیمی تجزیه امروزی هستند. برای آشنایی با کروماتوگرافی، مقاله کروماتوگرافی را بخوانید.

کاربردهای طیف سنجی جرمی

• داروسازی: شناسایی ترکیبات دارویی، ناخالصی ها و متابولیت های دارو

• پزشکی و آزمایشگاه بالینی: غربالگری بیماری های متابولیک نوزادان، شناسایی میکروب ها و اندازه گیری داروها در خون

• پروتئومیکس و زیست شناسی: شناسایی و توالی یابی پروتئین ها

• محیط زیست: اندازه گیری آلاینده هایی مانند آفت کش ها و دیوکسین ها در غلظت های بسیار کم

• صنایع غذایی: کنترل باقی مانده سموم و تشخیص تقلب

• پزشکی قانونی و ورزش: شناسایی مواد مخدر، سموم و داروهای نیروزا (دوپینگ)

• صنعت نفت: تعیین ترکیب نفت خام و فرآورده های نفتی

• زمین شناسی و باستان شناسی: تعیین سن نمونه ها با اندازه گیری نسبت ایزوتوپ ها، مانند کربن ۱۴

• ایزوتوپ ها: شناسایی ایزوتوپ ها، تعیین جرم دقیق و فراوانی نسبی آنها و استفاده از ایزوتوپ ها به عنوان ردیاب در شیمی، زیست شناسی و پزشکی

• اکتشافات فضایی: آنالیز ترکیب شیمیایی و ایزوتوپی نمونه های ماه، شهاب سنگ ها و جو سیارات

سوالات متداول درباره طیف سنجی جرمی

طیف سنجی جرمی چیست؟

روشی که مولکول ها را به یون تبدیل می کند و با اندازه گیری نسبت جرم به بار یون ها، ترکیبات را شناسایی و اندازه گیری می کند.

مراحل اصلی طیف سنجی جرمی کدام اند؟

یونیزاسیون، شتاب دادن یون ها، جداسازی یون ها بر اساس m/z و آشکارسازی آنها.

قله پایه در طیف جرمی چیست؟

قوی ترین قله طیف که شدت آن ۱۰۰ درصد در نظر گرفته می شود و شدت سایر قله ها نسبت به آن بیان می شود.

تفاوت GC-MS و LC-MS چیست؟

GC-MS برای ترکیبات فرار و پایدار در برابر حرارت و LC-MS برای ترکیبات غیرفرار، قطبی و حساس به حرارت مانند داروها و پروتئین ها استفاده می شود.

چرا طیف سنج جرمی به خلأ نیاز دارد؟

تا یون ها بدون برخورد با مولکول های هوا از منبع یون به آشکارساز برسند.

جمع بندی

طیف سنجی جرمی روشی بسیار حساس برای شناسایی و اندازه گیری ترکیبات بر اساس نسبت جرم به بار یون هاست. در این روش، نمونه یونیزه می شود، یون ها شتاب می گیرند، در آنالایزر جرمی بر اساس m/z جدا می شوند و توسط آشکارساز شمارش می شوند. طیف جرمی حاصل، با قله یون مولکولی، قله پایه، قله های ایزوتوپی و یون های قطعه، اطلاعات ارزشمندی درباره جرم و ساختار مولکول ارائه می دهد. روش های یونیزاسیون نرم مانند ESI و MALDI و ترکیب طیف سنجی جرمی با کروماتوگرافی (GC-MS و LC-MS)، کاربرد این روش را در داروسازی، پزشکی، محیط زیست، صنایع غذایی و بسیاری حوزه های دیگر گسترش داده اند.

برای آشنایی با محصولات بلورآزما، به بخش محصولات مراجعه کنید.

منابع

• Mass Spectrometry, International Course on Analysis in (Bio)Molecular Chemistry, 2016

• D. Mistry, A Handbook of Spectroscopic Data: Chemistry, Oxford Book Company, 2009

• K. Shrivas and M. Setou, Imaging Mass Spectrometry: Sample Preparation, Instrumentation, and Applications, Advances in Imaging and Electron Physics, Vol. 171, Elsevier, 2012