طیف سنجی جرمی، یک تکنیک تحلیلی قدرتمند است که برای تعیین کمیت مواد شناخته شده، شناسایی ترکیبات نا شناخته در یک نمونه و خواص شیمیایی مولکول­ ها و اتم­ های مختلف استفاده می ­شود.

طیف سنجی جرمی، از آزمایش‌ ها و مطالعات اوایل قرن بیستم که سعی در توضیح رفتار ذرات باردار موجود در میدان‌ های مغناطیسی و الکترواستاتیک داشتند، تکامل یافته است.

به این ترتیب، تکنیکی به دست آمد که امکان جمع‌ آوری اطلاعات مهم در مورد فراوانی طبیعی ایزوتوپ‌ها را فراهم کرد.

اولین کاربرد های تحلیلی پس از آن، زمانی که اولین طیف ­سنج ­های جرمی تجاری تولید شد، عمدتاً برای تعیین کمّی اجزای مختلف در ترکیبات پیچیده­ نفت خام مورد استفاده قرار می گرفتند.

برای آشنایی با تکنیک کاربردی طیف سنجی جرمی، اجزای دستگاهی و کاربردهای آن در این مقاله با ما همراه باشید.

واقعیت طیف سنجی جرمی

طیف سنجی جرمی برای شناسایی ترکیبات از این واقعیت ناشی می­ شود که پس از برهمکنش الکترون­ ها با یک مولکول یا اتم معین، انرژی صرف تشکیل طیف وسیعی از یون­ های مثبت می­ شود.

توزیع جرم حاصل (طیف‌ های جرمی)، مشخصه­ (یا اثر انگشت) مولکول یا اتم مورد بررسی است و از برخی جهات به راحتی قابل تفسیر هستند زیرا اطلاعات، بر حسب جرم اجزای ساختار ارائه می‌ شوند.

توسعه روش‌ های یونیزاسیون دفعی بر اساس انتشار یون‌ های از قبل موجود، مانند دفع پلاسما، بمباران سریع اتم یا دفع لیزری، امکان استفاده از این روش طیف‌ سنجی را برای آنالیز بیومولکول‌ های پیچیده فراهم کرده است.

مکانیزم عملکردی طیف سنجی جرمی

تکنیک طیف سنجی جرمی اساساً تأثیر انرژی یونیزاسیون بر روی مولکول­ ها و اتم ­ها را مطالعه می­ کند که به واکنش ­های شیمیایی در فاز گازی بستگی دارد.

در این واکنش های شیمیایی، مولکول­ ها و اتم­ های ماده­ نمونه مورد آنالیز، در طول تشکیل گونه­ های یونی و خنثی مصرف می ­شوند.

طیف سنجی جرمی در حقیقت، برای اندازه گیری دقیق جرم مولکول های مختلف در یک نمونه استفاده می شود و به طور کلی، فرآیند عملکردی کامل در طیف سنجی جرمی، شامل چهار مرحله اصلی است:

1. یونیزاسیون: تبدیل نمونه مورد آنالیز به یون­ های گازی
2. شتاب دادن یون ها
3. انحراف یون ها: عبور آنها از میدان های الکتریکی و مغناطیسی جهت تعیین نسبت جرم به بار (m/z)
4. آشکارسازی یون ها: تعیین فراوانی نسبی یون ها

جداسازی بر اساس مسیرهای مختلف یون‌ های متحرک، بر اساس نسبت‌ های جرم به بار (m/z) متفاوت در میدان‌ های الکتریکی و/یا مغناطیسی به دست می‌آید.

نسبت جرم به بار (m/Z) یک کمیت فیزیکی است که بیشترین کاربرد را در الکترودینامیک ذرات باردار دارد و در بسیاری از زمینه­ های علمی مانند میکروسکوپ الکترونی، لوله­ های پرتو کاتدی، فیزیک شتاب دهنده، فیزیک هسته ­ای، طیف­ سنجی الکترونی اوژه، کیهان شناسی و طیف­ سنجی جرمی ظاهر می ­شود.

با توجه به الکترودینامیک کلاسیک، اهمیت نسبت جرم به بار در این است که دو ذره با نسبت جرم به بار یکسان در خلأ، زمانی که در معرض میدان های الکتریکی و مغناطیسی یکسان قرار گیرند در یک مسیر یکسان حرکت می­ کنند.

یونیزاسیون

اولین مرحله در آنالیز طیف سنجی جرمی ترکیبات، تولید یون­ های فاز گازی ترکیب است که اساساً از طریق یونیزاسیون الکترون انجام می­ شود.

هر یون حاصل از یون مولکولی اولیه نیز به نوبه خود ممکن است تجزیه شود و سپس، یون ­ها با توجه به نسبت جرم به بار آنها جدا می­ شوند و به نسبت فراوانی آنها شناسایی می­ شوند.

بنابراین طیف جرمی از مولکول تولید می ­شود و نتیجه به صورت نموداری از فراوانی یون بر حسب نسبت جرم به بار ماده مورد بررسی نمایش داده می شود و یون­ ها اطلاعاتی در مورد ماهیت و ساختار مولکول یا اتم ارائه می ­دهند.

آنالیت (ماده مورد بررسی) ممکن است از طریق حرارت، میدان ­های الکتریکی یا با برخورد الکترون­ ها، یون­ ها و یا فوتون­ های پرانرژی یونیزه شود و یون‌ ها می‌توانند اتم‌ ها، کلاستر‌ ها، مولکول‌ های یونیزه‌ شده منفرد یا همبستگان آنها باشند.

نمونه قبل از انتقال به محفظه یونیزاسیون تبخیر می شود، جایی که توسط جریانی از الکترون های ساطع شده توسط یک سیم پیچ فلزی گرم شده الکتریکی بمباران می شود.

برخوردهای شدید یک یا چند الکترون را از ذره جدا می کند و در نتیجه یک یون با بار مثبت ایجاد می شود که بیشتر آنها به دلیل دشواری ذاتی در حذف الکترون دوم از یونی که قبلا مثبت است، بار ۱+ دارند.

شتاب دادن یون ها

محفظه یونیزاسیون با بار مثبت، یون های دارای بار مثبت را دفع می کند، که به سمت سه شکاف با بار منفی با کاهش تدریجی ولتاژ شتاب می گیرند.

سرعت شتاب آنها به جرم آنها بستگی دارد. بنابراین، یون های سبک تر، سریع تر از مولکول های سنگین تر حرکت می کنند.

جداسازی یا انحراف یون ها

جداسازی یون­ ها توسط میدان­ های الکتریکی یا مغناطیسی استاتیکی یا دینامیکی انجام می ­شود.

در میدان‌ های الکتریکی، نیروی کولنی بر یون‌ ها اعمال می‌ شود، در حالی که بر یون‌ هایی که با یک جزء متعامد به میدان مغناطیسی حرکت می‌ کنند، نیروی لورنتس تأثیر می‌ گذارد.

میزان انحراف به جرم و بار یون بستگی دارد. هر چه جرم یون کمتر باشد، انحراف آن بیشتر خواهد بود. یون های با بار بیشتر از +1 نیز بیشتر منحرف می شوند.

باید اضافه کرد که جداسازی یون، می‌تواند در نواحی بدون میدان نیز انجام شود، مشروط بر اینکه یون‌ ها دارای انرژی جنبشی کاملاً مشخصی در ورودی مسیر باشند.

آشکارسازی یون ها

در این مرحله نهایی، جریان یون‌ هایی که از آنالایزر جرم عبور می‌ کنند، توسط یک آشکارساز بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) شناسایی می‌ شوند.

هنگامی که یک یون به آشکارساز برخورد می کند، بار توسط الکترونی که از فلز به روی یون می پرد، خنثی می شود و در نتیجه، یک جریان الکتریکی تولید می شود که متناسب با فراوانی یون است.

طیف جرمی که پس از تکمیل این چهار مرحله تولید می‌ شود، برای تجزیه و تحلیل به یک سیستم کامیپوتری فرستاده می‌ شود، جایی که مقادیر مختلف m/z یون‌ های موجود و فراوانی نسبی آنها را نشان می‌ دهد.

اجزای اصلی در طیف سنجی جرمی

طیف سنجی جرمی معمولاً از پنج بخش اصلی تشکیل می­ شود:

1. سیستم خلأ بالا
2. یک سیستم کنترل نمونه، که از طریق آن نمونه مورد بررسی را می ­توان وارد کرد
3. منبع یونی، که در آن پرتوی از ذرات باردار مشخصه­ نمونه مورد مطالعه تولید می­ شوند
4. آنالایزر، برای تفکیک یون­ ها به اجزای جرمی، با توجه به نسبت جرم به بار آنها
5. سیستم آشکارسازی، برای تشخیص یون ­ها و ثبت فراوانی نسبی هر یک از گونه­ های یونی تفکیک شده

منبع یونیقلب دستگاه های طیف ­سنجی جرمی، منبع یونی است و در شکل زیر، طرح یک محفظه­ یونیزاسیون ارائه شده است. در این محفظه به روش ­های مختلفی می­ توان یون­ های ترکیب مورد بررسی را تولید کرد.

متداول ت­رین راه، بمباران مولکول­ های بخار نمونه با الکترون­ هایی با انرژی در حدود eV 70 است و این الکترون­ ها با گرم کردن یک سیم فلزی (رشته­ ای) تولید می ­شوند که معمولاً از جنس تنگستن هستند.

ولتاژ حدود 70 ولت، این الکترون­ ها را به سمت آند شتاب می­ دهد و در طول بمباران، از هر 10³ مولکول موجود در منبع، تنها یک مورد یونیزه می شود و احتمال یونیزاسیون در بین مواد، بسته به نوع آنها متفاوت است.

کاتیون­ های تشکیل شده توسط بمباران الکترونی، توسط یک صفحه دفع کننده­ باردار، رانده می ­شوند (آنیون­ ها به سمت آن جذب می­ شوند) و به سمت الکترود های دیگر شتاب می­ گیرند و از درون شکاف ها عبور داده می شوند.

برخی از این یون­ ها به کاتیون­ های کوچک تر و یا اجزای خنثی تقسیم می­ شوند و در حقیقت یون‌ های رادیکالی، به طور متوسط انرژی اضافی به دست می‌آورند و در نتیجه می توانند یک یا چند پیوند را شکسته و یون‌ های دیگری را تولید کنند.

برخی از این یون­ ها، مستقیماً با تفکیک یون مولکولی تشکیل می ­شوند در حالی که برخی دیگر، عمدتاً یون­ های کم جرم، از فرآیند های چند مرحله ­ای ناشی می ­شوند.

در شکل زیر این تبدیلات یونی احتمالی برای یک مولکول ABCD ارائه شده است و توجه داشته باشید که این یک ارائه ساده است و در واقعیت، راه­ های زیادی برای تشکیل این یون­ ها وجود دارد.

در نهایت، یک میدان مغناطیسی عمود بر پرتو یونی، در کمانی که شعاع آن با جرم هر یون نسبت عکس دارد، یون­ ها را منحرف می ­کند و یون­ های سبک ­تر نسبت به موارد سنگین ­تر بیشتر منحرف می ­شوند.

اصول اندازه گیری در طیف سنجی جرمی

به طور کلی، اصول اندازه ­گیری و بررسی یک نمونه در دستگاه های طیف سنجی جرمی، به شرح زیر است:

• ابتدا مقدار کمی از یک نمونه، به طور معمول یک میکرومول یا کمتر، تبخیر می­ شود و بخار به داخل محفظه یونیزاسیون نشت می ­کند که در آن فشار حدود چند میلی بار حفظ می ­شود.
• مولکول­ های بخار توسط یک پرتو الکترونی یونیزه شده و با از دست دادن الکترون­ های ظرفیت، عمدتاً یون­ های با بار مثبت تولید می ­شوند.
• یون­ های مثبت، به دلیل دافعه­ از یک بار مثبت کوچک (چند ولت) که در جهت مخالف با شکاف خروجی (A) وارد می ­شود، از محفظه یونیزاسیون خارج می ­شوند و بعد از خروج یون­ ها، پیش از ورود به آنالایزر، توسط یک میدان الکترواستاتیک (A>B) چند صد ولت تا حدود هزار ولت شتاب می­ گیرند.
•  ممکن است جداسازی یون­ ها در آنالایزر، با استفاده یک میدان مغناطیسی صورت گیرد و در این صورت، یک میدان مغناطیسی قوی عمود بر جهت حرکت یون­ ها اعمال می­ شود.
• یون‌ های متحرک (با سرعت بالا) درون میدان مغناطیسی، یک مسیر دایره‌ ای را دنبال خواهند کرد، یون‌ های با m/Z متفاوت به دلیل داشتن شتاب لورنتس، با تغییر ولتاژ شتاب دهنده (A>B) یا با تغییر نیروی میدان مغناطیسی از شکاف خروجی عبور می‌کنند.
• پس از عبور یون ­ها از شکاف خروجی، به یک الکترود جمع کننده برخورد می­ کنند و جریان حاصل به عنوان تابعی از نیروی میدان مغناطیسی یا ولتاژ شتاب دهنده تقویت و ثبت می ­شود و در نهایت طیف را خواهیم داشت.
• 

ساده ­ترین اتفاق، حذف یک الکترون منفرد از مولکولی در فاز گاز توسط پرتو های الکترونی، برای تشکیل یون مولکولی یا اتمی است.

اگر به هر دلیلی، یون­ های مولکولی یا اتمی در زمان رسیدن به آشکارساز دست نخورده باقی بمانند، در نهایت قله یا طیف یونی را خواهیم داشت.

طیف یونی یا طیف جرمی

طیف جرمی نمایش دو بعدی فراوانی یون برحسب نسبت m/z است. این بدان معناست که هم m/z یک یون و هم فراوانی آن تشخیص داده می­ شود.

فراوانی یون از طریق ارتفاع سیگنال تعیین می­ شود و قله یون مولکولی معمولاً قله ­ای با بالاترین عدد جرمی است (به جز قله ­های ایزوتوپی).

شدید ترین قله در طیف حاصل، قله­ اصلی یا پایه نامیده می‌شود که مقدار بهنجار 100% دارد و شدت قله‌ های دیگر، از جمله قله­ یون مولکولی، به عنوان درصد نسبت به قله­ پایه گزارش می‌شوند.

بنابر این، تمام سیگنال­ های دیگر باید به یون­ های جزئی مربوط باشند و البته، گاهی اوقات ممکن است که قله یون مولکولی، همان قله­ پایه باشد.

در طیف سنجی جرمی، یک طیف جرمی، مستقل از مقدار مطلق نمونه است و بنابر این، طیف جرمی را می­ توان حتی زمانی که از مقادیر مختلف نمونه و/یا وقتی از طریق ابزارهای مختلف تولید شده ­اند، مقایسه کرد.

در شکل زیر، طیف جرمی یونیزاسیون اسید اسکوربیک حاصل از طیف سنجی جرمی نشان داده شده است.

کاربرد های رایج طیف سنجی جرمی

تحقیقات زیادی با کمک طیف سنجی جرمی انجام می ­شود و کاربرد های بسیاری در حوزه های مختلف صنعتی و آزمایشگاهی دارد و از جمله این کاربرد ها می توان به موارد زیر اشاره داشت:

• شناسایی ایزوتوپ های عناصر شیمیایی
• تعیین توده ­های دقیق و فراوانی نسبی آنها
• تاریخ گذاری نمونه­ های زمین شناسی
• تجزیه و تحلیل مواد شیمیایی معدنی و آلی، به ویژه برای مقادیر کم ناخالصی
• تعیین فرمول ساختاری مواد آلی پیچیده
• قدرت پیوند های شیمیایی و انرژی لازم برای تولید یون ­های خاص
• شناسایی محصولات حاصل از تجزیه­ی یون
• تجزیه و تحلیل مواد ناشناخته، مانند نمونه ­های قمری و بین ستاره ای، برای ترکیبات شیمیایی و ایزوتوپی آنها
• جداسازی ایزوتوپ‌ها و اندازه‌گیری فراوانی ایزوتوپ‌های غلیظ، هنگامی که به عنوان ردیاب در شیمی، زیست‌شناسی و پزشکی استفاده می‌شوند.

سخن پایانی

در این مقاله، ساختار و مراحل آنالیز در طیف سنجی جرمی مورد بحث قرار گرفت. امیدواریم که مفید باشد.

در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را مشاهده کنید و در صورت نیاز کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود کرده و حتی برای دوستان خود بفرستید.

منابع و مراجع

M, Mass Spectroscopy, part of the International Analysis in (Bio) Molecular Chemistry Course, 2016.

D. Mistry, A Handbook of Spectroscopic Chemistry, Oxford, 2009. ISBN: 978-81-89473-86-0

Kamlesh Shrivas, Mitsutoshi Setou, Imaging Mass Spectrometry: Sample Preparation, Instrumentation, and Applications, Elsevier, Volume 171, 2012, Pages 145-193. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-394297-5.00004-0

wikipedia