انواع طیف سنج جرمی: کوادروپل، زمان پرواز، اوربیتراپ و سکتور مغناطیسی

طیف سنجی جرمی یکی از چندمنظوره ترین و تخصصی ترین روش های آنالیز مواد در حالت اتمی و مولکولی است. دستگاه های طیف سنج جرمی امروزه در صنایع، آزمایشگاه های تحقیقاتی، بیمارستان ها و مراکز کنترل کیفیت به کار می روند و اطلاعات گسترده ای درباره ترکیب نمونه ها ارائه می دهند.

کاربردهای اصلی طیف سنجی جرمی عبارت اند از:

• تعیین ساختار مولکول های معدنی، آلی و زیستی

• شناسایی و اندازه گیری اجزای مخلوط های پیچیده

• آنالیز ترکیب سطح جامدات

• اندازه گیری نسبت ایزوتوپ ها

اما همه طیف سنج های جرمی یکسان نیستند. مهم ترین بخشی که انواع آنها را از هم متمایز می کند، آنالایزر جرمی است؛ بخشی که یون ها را بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) از هم جدا می کند. در این مقاله با انواع طیف سنج های جرمی و ویژگی های هر کدام آشنا می شوید. برای آشنایی با اصول کلی، مراحل کار و تفسیر طیف جرمی، مقاله طیف سنجی جرمی چیست را بخوانید.

مروری کوتاه بر طرز کار طیف سنج جرمی

نخستین کاربرد گسترده صنعتی طیف سنجی جرمی به اوایل دهه ۱۹۴۰ برمی گردد؛ زمانی که از آن برای اندازه گیری هیدروکربن ها در واحدهای کراکینگ صنعت نفت استفاده شد. پیش از آن، جداسازی این ترکیبات با تقطیر جزء به جزء انجام می شد که بسیار زمان بر بود.

هر طیف سنج جرمی سه بخش اصلی دارد:

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

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

• آشکارساز: یون ها را شمارش کرده و فراوانی نسبی هر m/z را ثبت می کند.

علاوه بر این ها، دستگاه یک سیستم ورود نمونه دارد که نمونه را بدون از بین بردن خلأ بالا وارد منبع یون می کند و یک رایانه که دستگاه را کنترل می کند، داده ها را پردازش و طیف ها را با کتابخانه های مرجع مقایسه می کند.

نسبت جرم به بار (m/z) از تقسیم جرم یون بر تعداد بارهای آن به دست می آید. چون بیشتر یون ها تک بار هستند، m/z معمولا برابر با جرم یون است.

انواع منابع یون

منبع یون نقش بسیار مهمی در نوع اطلاعاتی که از نمونه به دست می آید دارد. منابع یون را می توان به دو روش دسته بندی کرد:

بر اساس حالت نمونه

• منابع فاز گازی: نمونه ابتدا تبخیر و سپس یونیزه می شود. این منابع، مانند یونیزاسیون الکترونی و یونیزاسیون شیمیایی، فقط برای ترکیبات پایدار در برابر حرارت با نقطه جوش کمتر از حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد مناسب هستند.

• منابع دفعی (واجذبی): نمونه جامد یا مایع مستقیما به یون های گازی تبدیل می شود. این منابع، مانند MALDI و الکترواسپری، برای ترکیبات غیرفرار و حساس به حرارت مانند پروتئین ها بسیار مناسب هستند.

بر اساس انرژی برانگیختگی

• منابع سخت: انرژی زیادی به مولکول می دهند. مولکول به شدت برانگیخته شده و پیوندهای آن شکسته می شوند. در نتیجه یون های قطعه زیادی تشکیل می شود که اطلاعات ساختاری ارزشمندی دارند. نمونه آن یونیزاسیون الکترونی است.

• منابع نرم: انرژی کمی به مولکول می دهند و شکست کمی رخ می دهد. طیف این منابع ساده است و گاهی فقط یون مولکولی را نشان می دهد که برای تعیین جرم مولکولی مفید است.

جدول کامل روش های یونیزاسیون در مقاله طیف سنجی جرمی چیست آمده است.

انواع آنالایزرهای جرمی

طیف سنج جرمی کوادروپل (چهارقطبی)

طیف سنج جرمی چهارقطبی یکی از رایج ترین انواع طیف سنج های جرمی است. قلب آن، چهار میله استوانه ای موازی است که به عنوان الکترود عمل می کنند:

• میله های روبه روی هم به یکدیگر متصل هستند. یک جفت به قطب مثبت و جفت دیگر به قطب منفی یک منبع ولتاژ مستقیم (DC) وصل می شوند.

• علاوه بر آن، یک ولتاژ متناوب با فرکانس رادیویی (RF) نیز به میله ها اعمال می شود که در دو جفت میله ۱۸۰ درجه اختلاف فاز دارد.

• یون ها با ولتاژ کمی (حدود ۵ تا ۱۰ ولت) شتاب گرفته و وارد فضای بین میله ها می شوند.

• در هر ترکیب مشخص از ولتاژهای DC و RF، فقط یون هایی با m/z مشخص مسیر پایدار دارند و از بین میله ها عبور می کنند. سایر یون ها به میله ها برخورد کرده و خنثی می شوند.

• با افزایش همزمان ولتاژهای DC و RF و ثابت نگه داشتن نسبت آنها، یون های با m/z مختلف به ترتیب به آشکارساز می رسند و طیف ثبت می شود.

بنابراین آنالایزر چهارقطبی در واقع یک فیلتر جرمی است.

ویژگی های طیف سنج چهارقطبی:

• نسبت به سایر انواع، ارزان تر و مقاوم تر است.

• سرعت اسکن بالایی دارد و یک طیف کامل را در کمتر از ۱۰۰ میلی ثانیه ثبت می کند.

• معمولا یون هایی را که یک واحد جرمی با هم اختلاف دارند، به خوبی تفکیک می کند.

• رایج ترین آنالایزر در دستگاه های GC-MS است.

طیف سنج جرمی سه گانه چهارقطبی

در طیف سنج سه گانه چهارقطبی (Triple Quadrupole)، سه بخش چهارقطبی پشت سر هم قرار دارند:

1. چهارقطبی اول: به عنوان فیلتر جرمی، یک یون والد مشخص را انتخاب می کند.

2. بخش دوم: یک سلول برخورد است که در آن یون انتخاب شده با مولکول های یک گاز بی اثر برخورد کرده و شکسته می شود.

3. چهارقطبی سوم: به عنوان فیلتر جرمی، یون های قطعه مشخصی را انتخاب کرده و به آشکارساز می فرستد.

در حالت پایش واکنش های چندگانه (MRM)، دستگاه فقط جفت های مشخصی از یون والد و یون قطعه را اندازه گیری می کند. این کار نویز را به شدت کاهش می دهد و حساسیت و گزینش پذیری بسیار بالایی ایجاد می کند. سه گانه چهارقطبی نسبتا ساده، با تکرارپذیری خوب و هزینه مناسب است و پرکاربردترین دستگاه برای اندازه گیری کمی ترکیبات در غلظت های بسیار کم در توسعه دارو، تحقیقات بالینی، آنالیز محیط زیست و ایمنی غذا است. همچنین با بررسی الگوی شکست یون ها، اطلاعات ساختاری ارائه می دهد.

طیف سنج جرمی تله یونی

در تله یونی، یون ها به جای عبور از آنالایزر، برای مدتی در یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی به دام می افتند و در مدارهای پایدار نگه داشته می شوند تا اندازه گیری های لازم روی آنها انجام شود. انواع اصلی تله های یونی عبارت اند از:

• تله یونی چهارقطبی (تله پل): یون ها در یک میدان RF سه بعدی یا خطی به دام می افتند و سپس با تغییر ولتاژ، به ترتیب m/z از تله خارج و آشکارسازی می شوند. این تله ها کوچک هستند و امکان شکست چندمرحله ای یون ها را فراهم می کنند.

• تشدید سیکلوترونی یونی (ICR)

• اوربیتراپ

طیف سنج تشدید سیکلوترونی یونی و تبدیل فوریه (FT-ICR)

یک یون در میدان مغناطیسی یکنواخت روی یک مسیر دایره ای حرکت می کند. شعاع این مسیر برابر است با:

r = m × v / (z × B)

و فرکانس چرخش یون (فرکانس سیکلوترونی) برابر است با:

ω = z × B / m

یعنی فرکانس چرخش با m/z نسبت عکس دارد و به سرعت یون بستگی ندارد. بنابراین با اندازه گیری فرکانس، می توان m/z را با دقت بسیار بالا تعیین کرد.

اومگاترون یکی از نخستین دستگاه های مبتنی بر این اصل بود. در این دستگاه، یک نوسانگر با فرکانس متغیر یون ها را برانگیخته می کند. وقتی فرکانس نوسانگر با فرکانس چرخش یک یون برابر شود، آن یون انرژی جذب می کند و شعاع مسیرش افزایش می یابد تا به آشکارساز برسد.

در دستگاه های امروزی FT-ICR:

1. همه یون ها در یک تله درون میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار می گیرند.

2. یک پالس فرکانس رادیویی همه یون ها را همزمان برانگیخته می کند تا روی مدارهای بزرگ تر و به صورت هم فاز بچرخند.

3. نوسانگر خاموش می شود و یون های چرخان، یک سیگنال القایی در الکترودهای آشکارساز ایجاد می کنند.

4. این سیگنال که ترکیبی از فرکانس های همه یون هاست، دیجیتال شده و با تبدیل فوریه به طیف فرکانس و سپس به طیف جرمی تبدیل می شود.

این فرایند برای افزایش دقت بارها تکرار و میانگین گیری می شود. دستگاه های FT-ICR قدرت تفکیک بیش از یک میلیون دارند که بالاترین در میان همه طیف سنج های جرمی است. برای ایجاد میدان مغناطیسی بسیار قوی لازم، از آهنرباهای ابررسانا استفاده می شود که دستگاه را گران و بزرگ می کند.

طیف سنج جرمی اوربیتراپ

در اوربیتراپ، یون ها در یک میدان الکتروستاتیک بین یک الکترود دوکی شکل مرکزی و یک الکترود بیرونی به دام می افتند. یون ها دور الکترود مرکزی می چرخند و همزمان در امتداد محور آن نوسان می کنند. فرکانس نوسان محوری فقط به m/z یون بستگی دارد و با جذر عکس m/z متناسب است. این نوسان ها سیگنالی در الکترودها القا می کنند که با تبدیل فوریه به طیف جرمی تبدیل می شود.

اوربیتراپ قدرت تفکیک و دقت جرمی بسیار بالایی دارد، اما برخلاف FT-ICR به آهنربای ابررسانا نیاز ندارد.

دستگاه های ترکیبی چهارقطبی اوربیتراپ: این دستگاه ها انتخاب یون با چهارقطبی را با تفکیک بالا و جرم دقیق اوربیتراپ ترکیب می کنند و در پروتئومیکس، متابولومیکس، ایمنی مواد غذایی و سم شناسی کاربرد گسترده ای دارند.

طیف سنج جرمی زمان پرواز (TOF)

طیف سنج زمان پرواز یون ها را بر اساس زمانی که طول می کشد تا مسیر مشخصی را طی کنند، از هم جدا می کند. نحوه کار آن:

1. یون ها به صورت پالسی، مثلا با پالس های لیزر در روش MALDI یا پالس های الکترون، تولید می شوند.

2. یک پالس میدان الکتریکی با ولتاژ حدود هزار تا ده هزار ولت به همه یون ها انرژی جنبشی یکسانی می دهد.

3. یون ها وارد یک لوله پرواز بدون میدان با طول حدود یک متر می شوند.

4. چون انرژی جنبشی همه یون ها یکسان است، یون های سبک تر سریع تر حرکت می کنند و زودتر به آشکارساز می رسند. زمان پرواز با جذر m/z متناسب است و معمولا بین ۱ تا ۳۰ میکروثانیه است.

با اضافه کردن یک آینه یونی (رفلکترون) در انتهای لوله پرواز، یون هایی که انرژی کمی متفاوت دارند، هم زمان به آشکارساز می رسند و قدرت تفکیک به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

ویژگی های طیف سنج زمان پرواز:

• سرعت بسیار بالا: هزاران طیف در هر ثانیه

• محدوده جرمی تقریبا نامحدود: مناسب برای مولکول های بسیار بزرگ

• همراه با یونیزاسیون نرم MALDI، یکی از بهترین روش ها برای آنالیز مولکول های زیستی مانند پپتیدها، پروتئین ها و کربوهیدرات ها و شناسایی سریع میکروب ها در آزمایشگاه های بالینی است.

نکته: زمان پرواز یک روش جداسازی یون ها (آنالایزر) است، نه روش یونیزاسیون؛ اما معمولا همراه با منابع یون پالسی مانند لیزر استفاده می شود.

طیف سنج جرمی سکتور مغناطیسی و تمرکز دوگانه

در طیف سنج سکتور مغناطیسی، یون ها در یک میدان مغناطیسی روی مسیرهای خمیده حرکت می کنند و یون های سبک تر بیشتر منحرف می شوند. مشکل این است که یون هایی با m/z یکسان اما انرژی جنبشی کمی متفاوت، در جای کمی متفاوت متمرکز می شوند و تفکیک کاهش می یابد.

طیف سنج تمرکز دوگانه این مشکل را با استفاده از دو بخش حل می کند:

1. آنالایزر الکتروستاتیکی: یک میدان الکتریکی خمیده فقط یون هایی با انرژی جنبشی یکسان را عبور می دهد.

2. آنالایزر سکتور مغناطیسی: یون های انتخاب شده را بر اساس m/z جدا می کند.

به این ترتیب، یون ها هم از نظر جهت و هم از نظر انرژی متمرکز می شوند و قدرت تفکیک بالایی به دست می آید. در نسخه های قدیمی، یون های جدا شده روی یک صفحه عکاسی ثبت می شدند؛ امروزه از آشکارسازهای الکترونیکی استفاده می شود. این دستگاه ها برای اندازه گیری دقیق نسبت ایزوتوپ ها و آنالیز ترکیباتی مانند دیوکسین ها کاربرد دارند.

مزایا و محدودیت های طیف سنجی جرمی

مزایا:

• حدود تشخیص بسیار پایین برای بسیاری از عناصر و ترکیبات

• طیف های منحصر به فرد که برای شناسایی ترکیبات استفاده می شوند

• امکان اندازه گیری نسبت ایزوتوپ ها

• قابلیت ترکیب با کروماتوگرافی (GC-MS و LC-MS) برای آنالیز مخلوط ها

محدودیت ها:

• قیمت بالای دستگاه و هزینه نگهداری

• رانش سیگنال دستگاه در طول زمان که نیاز به کالیبراسیون منظم و استفاده از استاندارد داخلی دارد

• تداخل ها، مانند یون هایی با m/z یکسان یا اثر اجزای دیگر نمونه بر یونیزاسیون

کدام نوع طیف سنج جرمی مناسب تر است؟

• آنالیزهای روزمره ترکیبات فرار: GC-MS با آنالایزر چهارقطبی

• اندازه گیری کمی بسیار حساس داروها، سموم و آلاینده ها: سه گانه چهارقطبی

• شناسایی ترکیبات ناشناخته و تعیین فرمول با جرم دقیق: اوربیتراپ یا Q-TOF

• پروتئین ها و شناسایی میکروب ها: MALDI-TOF

• نسبت ایزوتوپ ها: سکتور مغناطیسی یا ICP-MS

• پژوهش های پیشرفته با بیشترین تفکیک: FT-ICR

سوالات متداول

انواع طیف سنج جرمی کدام اند؟

بر اساس آنالایزر جرمی: چهارقطبی، سه گانه چهارقطبی، تله یونی، زمان پرواز، سکتور مغناطیسی و تمرکز دوگانه، اوربیتراپ و FT-ICR.

کدام طیف سنج جرمی بیشترین قدرت تفکیک را دارد؟

FT-ICR با قدرت تفکیک بیش از یک میلیون و پس از آن اوربیتراپ.

طیف سنج سه گانه چهارقطبی چه کاربردی دارد؟

اندازه گیری کمی بسیار حساس و گزینش پذیر ترکیبات در غلظت های بسیار کم، مانند داروها در خون و آلاینده ها در محیط زیست.

طیف سنج زمان پرواز چگونه کار می کند؟

یون ها با انرژی جنبشی یکسان در یک لوله پرواز حرکت می کنند و یون های سبک تر زودتر به آشکارساز می رسند؛ m/z از روی زمان پرواز تعیین می شود.

تفاوت منابع یون سخت و نرم چیست؟

منابع سخت مولکول را به قطعات زیادی می شکنند و اطلاعات ساختاری می دهند، اما منابع نرم مولکول را تقریبا سالم یونیزه می کنند و جرم مولکولی را نشان می دهند.

جمع بندی

طیف سنج های جرمی بر اساس آنالایزر جرمی انواع مختلفی دارند. آنالایزر چهارقطبی ارزان، مقاوم و سریع است و در GC-MS رایج است؛ سه گانه چهارقطبی برای اندازه گیری کمی بسیار حساس استفاده می شود؛ زمان پرواز سرعت و محدوده جرمی بسیار گسترده ای دارد و همراه با MALDI برای مولکول های زیستی مناسب است؛ تمرکز دوگانه دقت بالایی در اندازه گیری ایزوتوپ ها دارد؛ و اوربیتراپ و FT-ICR بالاترین قدرت تفکیک و دقت جرمی را فراهم می کنند. انتخاب نوع مناسب به هدف آنالیز، نوع نمونه، دقت مورد نیاز و بودجه بستگی دارد.

منابع

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

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

• G. Olesik, Elemental Analysis Using ICP-OES and ICP/MS, Analytical Chemistry, 63 (1991) 12A