تکنیک های طیف سنجی جرمی، روش هایی چند منظوره و بسیار تخصصی برای آنالیز مواد در حالت های اتمی و یا مولکولی در حوزه های مختلف می باشند.

دستگاه ها و تکنیک های طیف سنجی جرمی، از پرکاربردترین دستگاه­ های صنعتی هستند که قادرند اطلاعات گسترده ای از ترکیبات عنصری یک نمونه های مختلف در اختیار کاربران قرار دهند.

از جمله کاربردهای مهم و اصلی تکنیک های طیف سنجی جرمی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تعیین ساختار مولکول­ های معدنی
• تعیین ساختار مولکول های آلی و زیست شناختی
• تعیین ترکیبات کمی و کیفی پیچیده
• تعیین ساختار ترکیبات سطح جامدات
• ارائه نسبت ایزوتوپی اتم ­ها

نوآوری‌ های فنی اخیر در تکنیک‌ های طیف‌ سنجی جرمی به طیف وسیعی از ابزارهای بسیار حساس و همه‌کارها با راندمان بالا، حساسیت بالا کمک کرده است.

در این مقاله، عملکرد انواع تکنیک های طیف سنجی جرمی را شرح خواهیم داد. برای اطلاعات بیشتر، با ما همراه باشید.

تاریخچه مختصری از طیف سنجی جرمی

اولین کاربرد عمومی تکنیک های طیف ­سنجی جرمی، به اوایل 1940 و آنالیزهای اولیه شیمیایی مواد باز می گردد، زمانی که دانشمندان به دنبال تعیین کمی ترکیبات هیدروکربن تولیدی در دستگاه ­های کرکینگ در صنعت نفت بودند.

تا پیش از آن، تفکیک این نوع هیدروکربن­ ها از طریق تقطیر جزء به جزء صورت می­ گرفت و تکمیل یک آزمایش، حدود 200 ساعت یا بیشتر زمان لازم داشت.

مکانیزم کلی تکنیک های طیف سنجی جرمی

فرآیند کامل آنالیز در طیف سنجی جرمی شامل تبدیل نمونه به یون های گازی و تفکیک آنهاست و در نهایت با نسبت جرم به بار (m/z) و فراوانی نسبی مشخص می شوند.

این تکنیک اساساً تأثیر انرژی یونیزان بر روی اتم ها و مولکول ها را مطالعه می کند و بستگی به واکنش های شیمیایی در فاز گازی دارد که در آن مولکول های نمونه در طول تشکیل گونه های یونی و خنثی مصرف می شوند.

اولین مرحله در آنالیز تکنیک های طیف سنجی جرمی ترکیبات، تولید یون های فاز گازی ترکیب است که اساساً توسط یونیزاسیون الکترون انجام می شود که فرایند تولید به صورت زیر است:

1. برخورد بین الکترون­ های پر انرژی و مولکول ­های آنالیت، معمولاً انرژی کافی به آنالیت ­ها می ­دهد تا در یک حالت برانگیخته باقی بمانند.
2. سپس، فرایند آسایش، به صورت تقسیم بخش یونی مولکول و تولید یون­ هایی با جرم کمتر تحقق می­ یابد.

سپس یون های مولکولی، دچار تکه تکه شدن می شود. هر یون محصول اولیه مشتق شده از یون مولکولی، به نوبه خود دچار قطعه قطعه شدن و غیره می شود.

یون ها در طیف سنج جرمی با توجه به نسبت جرم به بار جدا می شوند و به نسبت فراوانی آنها شناسایی می شوند.

یون­ های مثبت تولید شده در اثر برخورد الکترون، از درون شکافی جذب گردیده و برحسب نسبت جرم به بار خود جدا شده و به شکل یک طیف به نمایش گذاشته می­ شوند.

نتیجه را به صورت نموداری از فراوانی یون در مقابل نسبت جرم به بار نمایش می دهد که یون ها اطلاعات مربوط به ماهیت و ساختار مولکول پیش ساز خود را ارائه می کنند.

در طیف یک ترکیب خالص، یون مولکولی، در صورت وجود، با بالاترین مقدار m/z (به دنبال یون های حاوی ایزوتوپ های سنگین تر) ظاهر می شود و جرم مولکولی ترکیب را به دست می دهد.

عبارت m/Z، از تقسیم جرم اتمی یک یون (m) به تعداد بارهایی که آن یون حمل می­ کند (Z)، به دست می­ آید. از آنجایی که معمولاً این یون­ های تولید شده، تک بار هستند، این نسبت به سادگی برابر با جرم یون خواهد بود.

اجزای اصلی تکنیک های طیف سنج جرمی

معمولاً تمامی تکنیک های طیف سنجی جرمی، از سه جزء اصلی تشکیل می شوند:

1. منبع یون: برای تولید یون های گازی از ماده مورد مطالعه
2. آنالایزر: برای آنالیز و تفکیک یون ها با توجه به نسبت جرم به بار آنها.
3. سیستم آشکارساز: برای تشخیص یون ها و ثبت فراوانی نسبی هر یک از گونه های یونی تفکیک شده.

علاوه بر این، یک سیستم ورود نمونه برای پذیرش نمونه‌ های مورد مطالعه به منبع یون و در عین حال حفظ خلأ بالا نیز ضروری است.

بعلاوه، یک کامپیوتر برای کنترل عملکرددستگاه، به دست آوردن و دستکاری داده و مقایسه طیف ها با کتابخانه های مرجع مورد نیاز است.

منابع اصلی تکنیک های طیف سنجی جرمی

منابع یونش طیف سنجی جرمی نقش بسیار مهمی در آنالیزهای این تکنیک دارند و به همین علت تا کنون منابع یونش متنوعی توسعه داده شده اند.

منابع اصلی برای تکنیک های طیف سنجی جرمی، به دو دسته­ تقسیم می شوند:

• منابع فاز گازی
• منابع واجذبی

در منابع گازی، نمونه ابتدا تبخیر و سپس یونیزه می ­شود و معمولاً محدود به ترکیبات پایداری می­ باشند که نقطه جوش آنها کمتر از ⁰C500 است.

در مورد دوم (منابع واجذبی)، نمونه در حالت ­های جامد، مستقیماً به یون­ های گازی تبدیل می ­شود. یکی از مزیت های مهم این منابع این است که برای موارد فرار و ناپایدار گرمایی بسیار مفید هستند.

از طرف دیگر می توان منابع یونی را از نظر نوع برانگیختگی نیز به دو دسته­ زیر تقسیم بندی کرد:

• منابع سخت
• منابع نرم

منابع سخت به حدی انرژی کافی به مولکول­ های آنالیت می­ دهند که آنها در یک حالت انرژی به شدت برانگیخته باقی می­ مانند. سپس، فرایند آسایش و گسستن پیوندها و یونش اتفاق می­ افتد.

در این نوع از منابع، در هنگام برگشت به حالت پایه، ماده متحمل شکست های فراوان شده و تعداد قطعات یونی که ایجاد می شود، زیاد است.

در یونش نرم انرژی زیادی به مولکول داده نمی شود و در نتیجه تعداد یون های حاصل خیلی کم است و در بعضی مواقع فقط در حد تولید یون مولکول است.

مزایا و معایب تکنیک های طیف سنجی جرمی

تکنیک های طیف سنجی جرمی اتمی-مولکولی چند مزیت بسیار مهم و کاربردی دارد:

• حدود آشکارسازی برای بسیاری از عناصر بسیار بالاست
• طیف ­های بسیار ساده که معمولاً منحصر به فرد و به سهولت قابل تفسیر هستند
• توانایی اندازه ­گیری نسبت­ های ایزوتوپی اتمی

معایب تکنیک های طیف سنجی جرمی اتمی-مولکولی:

• قیمت بالای دستگاه
• سوق دستگاه که می­ تواند به بزرگی 5-10 % باشد
• انواع مشخصی از اثرهای تداخلی

انواع تکنیک های طیف سنجی جرمی

از جمله دستگاه ­هایی که در طیف­ سنجی جرمی اتمی-مولکولی کاربرد عمومی پیدا کرده ­اند، می­ توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تکنیک های طیف سنجی جرمی چهارقطبی
• تکنیک های طیف سنجی جرمی زمان پرواز
• تکنیک های طیف سنجی جرمی تمرکز دوگانه

تکنیک چهارقطبی

یکی از متداول­ ترین نوع تکنیک های طیف ­سنجی جرمی، طیف سنج جرمی نوع چهارقطبی است.

قلب یک دستگاه طیف سنجی جرمی چهارقطبی، چهار میله­ استوانه ­ای موازی است که به عنوان الکترود مورد استفاده قرار می­ گیرند و یک میدان الکتریکی نوسانی به میله ها اعمال می شود.

یک زوج از الکترودها به قطب مثبت یک منبع DC و زوج دیگر به قطب منفی آن منبع متصل می­ شوند. یون ها نیز بر اساس پایداری مسیرشان در میدان های الکتریکی جدا می شوند.

علاوه بر این، ولتاژهای متناوبی نیز در فرکانس رادیویی وجود دارند که 180 درجه با هم اختلاف فاز دارد و به هر زوج از میله­ ها اعمال می­ شوند.

یون­ ها، از طریق یک پتانسیل 5-10 ولت، به درون فضای بین میله­ ها شتاب داده می­ شوند. در این هنگام، ولتاژهای AC و DC اعمال شده بر میله­ ها، هر دو افزایش می­ یابند، در حالی که نسبت آنها ثابت باقی می­ ماند.

در هر لحظه­ معین، تمامی یون­ ها (به جز آنهایی که مقادیر مشخصی m/Z دارند) به میله ­ها برخورد کرده و به مولکول ­های خنثی تبدیل می ­شوند.

بنابراین، یون­ هایی با گستره­ محدود از مقادیر m/Z به ترانسدیوسر یا آشکارساز می­ رسند. نوعاً، دستگاه­ های چهارقطبی به سهولت یون­ هایی را تفکیک می­ کنند که جرم آنها با یک واحد متفاوت است.

ویژگی های کلی طیف سنجی جرمی نوع چهار قطبی:

• این دستگاه، در مقایسه با دیگر انواع تکنیک های طیف سنجی جرمی، ارزان­ تر و مقاوم ­تر است.
• سرعت پویش بالاتری دارند.
• می­ توان یک طیف کامل را در کمتر از ms 100 بدست آورد.

طیف سنجی چهار قطبی سه گانه

طیف‌سنج جرمی چهارقطبی سه‌گانه، نوعی است که در آن چهار قطبی اول و سوم به عنوان فیلتر جرمی عمل می‌ کنند و دومی به‌ عنوان یک سلول برخوردی عمل می‌کند تا پیش‌ سازها/یون‌های والد انتخاب شده را تقسیم کند.

این نوع از تکنیک های طیف سنجی جرمی چهار قطبی، احتمالاً معروف ترین و پرکاربردترین نوع است که نسبتاً ساده بوده و برای استفاده با قابلیت تکرار خوب و با هزینه کم است.

طیف‌ سنج جرمی چهار قطبی سه‌گانه را می‌ توان برای شفاف‌ سازی ساختاری استفاده کرد که می‌ تواند اطلاعاتی در مورد الگوهای قطعه‌شکن ارائه دهد.

به دلیل افزایش حساسیت و اینکه محدودیت‌ های تشخیص و کمیت های کمتری نیاز دارد، یک تکنیک حیاتی برای بسیاری از زمینه‌ ها مانند توسعه دارویی، تحقیقات بالینی، مطالعات محیطی و غیره است.

طیف سنجی جرمی نوع  Ion Trap

می توان میدان های الکتریکی و مغناطیسی را به گونه ای پیکربندی کرد که یون ها بتوانند برای مدت زمان کافی در مدارهای پایدار نگه داشته شوند تا اندازه گیری های مفیدی روی آنها انجام شود.

این تکنیک انواع مختلفی دارد که مهم ترین آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نوع Omegatron
• نوع تبدیل فوریه
• نوع Orbitrap

نوع Omegatron

در این تکنیک، یون های مثبت تولید شده توسط پرتوی از الکترون ها که در امتداد محور میدان مغناطیسی یکنواخت جریان دارند، مسیرهای دایره ای با شعاع متناسب با تکانه، r = mv/zB، و فرکانس چرخش معکوس متناسب با جرم، ω = v/r را دنبال می کنند.

فرکانس یک نوسانگر طیف سنج جرمی نوع Omegatron به گونه‌ ای است که یون‌ های با جرم‌ های مختلف را به هم متصل می‌ کند.

با انجام این کار، گشتاور آنها را افزایش می‌ دهد تا زمانی که به شعاعی برسند که آشکارساز در آن قرار دارد.

در نهایت، جرم را می توان مستقیماً از طریق فرکانس محاسبه کرد و اگر میدان مغناطیسی کافی ارائه شود، وضوح تکنیک می‌ تواند بسیار بالا باشد.

نوع تبدیل فوریه

در روش تبدیل فوریه، فرکانس نوسانگر در محدوده جرم مورد نظر نوسان دارد و هر یون در یک مدار دایره‌ای با شعاع تقریباً ثابت اما فرکانس کاملاً مشخص قرار می‌ گیرد.

نوسانگر خاموش می شود و یک الکترود، تابش فرکانس رادیویی را از یون های متحرک دریافت می کند.

در نهایت، خروجی تقویت شده را می توان مستقیماً یا پس از ترکیب با فرکانس یک نوسانگر محلی، ضبط کرد (بعنوان یک تکنیک رادیویی استاندارد).

در این حالت، یک سیگنال پیچیده با تغییر زمان ایجاد می شود که دامنه تابش کننده های یونی مختلف را دنبال می کند. سیگنال به شکل دیجیتال تبدیل شده و در حافظه کامپیوتر ذخیره می شود.

کامپیوتر این سیگنال تناوبی را با استفاده از تکنیک ریاضی موسوم به تبدیل فوریه به طیف های فرکانس تبدیل می کند که جرم آن با فرکانس نسبت معکوس دارد.

برای افزایش دقت، این فرآیند بارها تکرار می شود. این دستگاه ها قادر به وضوح بیش از یک میلیون هستند. برای داشتن شعاع مداری با اندازه مناسب، میدان مغناطیسی بسیار بالایی مورد نیاز است که عموماً توسط ابررساناها تأمین می شود.

نوع Quadrapole-Orbitrap

در این نوع طیف‌ سنج جرمی که انتخاب آنالایزر چهارقطبی با کارایی بالا را با تشخیص Orbitrap با وضوح بالا و جرم دقیق (HR/AM) ترکیب می‌ کند.

این تکنیک می تواند به طور گسترده در زمینه های مختلف مانند پروتئومیکس، متابولومیک، ایمنی مواد غذایی، سم شناسی و غیره استفاده شود.

تکنیک های طیف سنجی جرمی نوع زمان پرواز

این نوع از تکنیک های طیف سنجی جرمی، یک تکنیک یونیزاسیون نرم با استفاده از انرژی لیزر است.

در این نوع طیف سنج ­ها، یون­ های مثبت به طور متناوب از طریق بمباران نمونه با تَپ­ های کوتاه الکترون، یون­ های ثانویه یا فوتون­ های حاصل از لیزر تولید می­ شوند.

توجه داشته باشید که این تپ­ ها، معمولاً فرکانسی در حدود kHz 10-50 و عمری در حدود μs 25 دارند.

سپس، یون­ های تولید شده از طریق یک تپ میدان الکتریکی از V 10³-10⁴  که همان فرکانس را دارد، ولی از تپ یونش عقب ­تر است (اختلاف فاز دارد)، شتاب داده می­ شوند.

این ذرات شتاب داده شده، از درون یک لوله­ سوقی عاری از میدان به طول تقریباً یک متر، عبور می­ کنند و سرعت آنها، به نسبت جرم به بار (m/z) بستگی دارد و زمانی که طول می کشد تا یون به آشکارساز برسد (زمان پرواز)، اندازه گیری می شود.

از آنجایی که تمامی یون­ های وارد شده به لوله، به طور ایده ­آل انرژی جنبشی یکسانی دارند، سرعت آنها در لوله باید به طور معکوس با جرم آنها تغییر کند.

در این صورت، ذرات سبک­ تر زودتر به آشکارساز خواهند رسید و نوعاً، زمان­ های پرواز (زمان سوق دادن یون­ ها) در حدود μs 1-30 است.

طیف سنجی جرمی زمان پرواز می تواند طیف گسترده ای از مولکول های زیستی، از جمله پپتیدها و کربوهیدرات ها را تجزیه و تحلیل کند.

 تکنیک های طیف سنجی جرمی نوع تمرکز دوگانه

این نوع از طیف ­سنجی، دارای دو وسیله یا بخش برای متمرکز کردن باریکه­ یون­ ها و در نهایت جداسازی آنها می­ باشد:

1. یک تجزیه­ گر الکتروستاتیکی
2. یک تجزیه ­گر قطاع مغناطیسی

در این طیف سنج، یون­ های حاصل از یک منبع، از درون یک شکاف به داخل یک میدان الکتروستاتیکی خمیده شتاب داده می­ شوند (جهت متمرکز کردن یون­ ها).

سپس، وارد یک میدان مغناطیسی خمیده شده و به صورت نوارهای باریک یونی مجزا (بسته به جرم و بار یون­ ها) تفکیک می­ گردند. در این میدان، سبک­ ترین یون­ ها، بیشترین انحراف را دارند.

سپس، یون­ های پاشیده (منجرف شده)، بر روی یک صفحه­ عکاسی افتاده و ثبت می ­گردند.

سخن پایانی

طیف سنجی جرمی (MS) یک ابزار تحلیلی قدرتمند با حساسیت بالا و دقت جرمی بالا است که تکنیک‌ های مبتنی بر آن به طیف وسیعی از ابزارهای بسیار حساس و همه‌کاره تبدیل شده است.

در این مقاله، انواع تکنیک های طیف سنجی جرمی را به شما معرفی کردیم. امیداوریم که این مطالب برای شما مفیده بوده است😍

به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را نیز مشاهده کنید و در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود نمایید.💐

منابع و مراجع

• Wikipedia
• Mass Spectroscopy, part of the International Analysis in (Bio) Molecular Chemistry Course, 2016.
• A Handbook of Spectroscopic ِData Chemistry. 
• W. Olesik, Anal. Chem, 1991, 63, 12A