طیف سنجی جرمی: اصول، طرز کار، ابزارها، مراحل و موارد استفاده

فهرست مطالب نمایش

طیف سنجی جرمی چیست؟

طیف سنجی جرمی (MS) یک تکنیک مروبط به شیمی تجزیه (Analytical chemistry) است که با اندازه‌گیری نسبت جرم به بار و فراوانی یون‌های فاز گازی، به شناسایی مقدار و نوع مواد شیمیایی موجود در یک نمونه کمک می‌کند.

در این تکنیک ابزاری، نمونه با بمباران الکترونی به یون‌های مثبت با حرکت سریع تبدیل می‌شود و ذرات باردار با توجه به جرمشان از هم جدا می‌شوند.

طیف جرمی عبارت است از نمودار فراوانی نسبی در برابر نسبت جرم به بار (mass/charge (m/e)).

از این طیف‌ها برای تعیین امضای عنصری یا ایزوتوپی یک نمونه، جرم ذرات و مولکول‌ها، و برای روشن ساختن ساختار شیمیایی مولکول‌ها و سایر ترکیبات شیمیایی استفاده می‌شود.

اصول طیف سنجی جرمی (MS)

در این تکنیک، مولکول‌ها با پرتویی از الکترون‌های پرانرژی بمباران می‌شوند.
مولکول‌ها یونیزه شده و به قطعات زیادی تقسیم می‌شوند که برخی از آن‌ها یون‌های مثبت هستند. هر نوع یونی دارای نسبت جرم به بار (یعنی نسبت m/e) مخصوص به خود است.
برای اکثر یون‌ها، مقدار بار برابر با یک است، و بنابراین نسبت m/e برای آن‌ها به سادگی برابر همان جرم مولکولی یون است.
یون‌ها از میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی عبور می‌کنند و به آشکارساز می‌رسند و در آن‌جا شناسایی و سیگنال‌ها ثبت می‌شوند تا طیف‌های جرمی را ارائه دهند.

طرز کار طیف سنجی جرمی

در یک پروسه معمول، یک نمونه که ممکن است جامد، مایع یا گاز باشد، یونیزه می‌شود، به عنوان مثال به وسیله بمباران آن با الکترون‌ها.
این امر ممکن است باعث شود که برخی از مولکول‌های نمونه به قطعات باردار شکسته شوند. سپس این یون‌ها بر اساس نسبت جرم به بارشان، معمولاً با شتاب دادن به آن‌ها و قرار دادن آن‌ها در معرض میدان الکتریکی یا مغناطیسی، جدا می‌شوند:
یون‌ها با نسبت جرم به بار یکسان، دچار انحراف یکسانی خواهند شد.
یون‌ها توسط مکانیزمی که قادر به تشخیص ذرات باردار است، مانند یک آشکارساز تکثیرگر الکترون (Electron multiplier)، شناسایی می‌شوند. نتایج به عنوان طیف فراوانی نسبی یون‌های شناسایی شده به عنوان تابعی از نسبت جرم به بار نمایش داده می‌شود.
اتم‌ها یا مولکول‌های موجود در نمونه را می‌توان با همبستگی توده‌های شناخته‌شده (مثلاً کل مولکول) به جرم‌های تعیین شده یا از طریق یک الگوی تکه تکه شدن مشخص، شناسایی کرد.

ابزار و مراحل طیف سنجی جرم

الف. ورودی نمونه

نمونه در مخزن بزرگی ذخیره شده که از آن مولکول‌ها با فشار کم در یک جریان ثابت، توسط سوراخی به نام “نشت مولکولی” (Molecular leak) به محفظه یونیزاسیون (Ionization) می‌رسند.

ب. یونیزاسیون

اتم‌ها با کوبیدن یک یا چند الکترون به وسیله بمباران با یک جریان از الکترون‌ها، یونیزه می‌شوند تا یون‌های مثبت به ایجاد شوند. بیشتر یون‌های مثبت تشکیل شده دارای بار 1+ هستند.
یونیزاسیون را می‌توان با موارد زیر انجام داد:
یونیزاسیون الکترون (Electron Ionization (EI-MS))
یونیزاسیون شیمیایی (Chemical Ionization (CI-MS))
تکنیک دفع (Desorption Technique (FAB))

ج. شتاب

یون‌ها به گونه‌ای شتاب داده می‌شوند که همه آن‌ها انرژی جنبشی یکسانی داشته باشند.
یون‌های مثبت از 3 روزنه با ولتاژ با ترتیب نزولی عبور می‌کنند.
روزنه میانی دارای ولتاژ بینابینی و روزنه نهایی دارای ولتاژ 0 می‌باشد.

د. انحراف

یون‌ها به دلیل تفاوت در جرم آن‌ها توسط یک میدان مغناطیسی منحرف می‌شوند.
هر چه جرم کمتر باشد، بیشتر منحرف می‌شوند.
این انحراف به تعداد بار مثبتی (+ve) که یک یون حمل می‌کند نیز بستگی دارد. هرچه بار مثبت بیشتر باشد، بیشتر منحرف خواهد شد.

ه. تشخیص

پرتوی یونی که از تجزیه‌گر جرمی (Mass analyzer) عبور می‌کند، توسط یک آشکارساز بر اساس نسبت m/e شناسایی می‌شود.
هنگامی که یک یون به جعبه فلزی برخورد می‌کند، بار آن توسط الکترونی که از فلز به داخل یون وارد می‌شود، خنثی می‌شود.
انواع تجزیه‌گرها:
تجزیه‌گرهای جرمی قطاع مغناطیسی (Magnetic sector mass analyzer)
تجزیه‌گرهای فوکوس دوگانه (Double focussing analyzer)
تجزیه‌گرهای جرمی چهار قطبی یا کوادروپل (Quadrupole mass analyser)
تجزیه‌گرهای جرمی زمان پرواز (Time of Flight analyzer (TOF))
تجزیه‌گر جرمی تله یونی (Ion trap analyzer)
تجزیه‌گر یون سیکلوترون (Ion cyclotron analyser)

کاربردهای طیف سنجی جرمی

پایش و تجزیه و تحلیل محیطی (آلاینده‌های خاک، آب و هوا، کیفیت آب و غیره).
ژئوشیمی (تعیین سن، ترکیب خاک و سنگ، نقشه برداری نفت و گاز).
کنترل کیفیت در صنایع شیمیایی و پتروشیمی.
شناسایی ساختارهای زیست مولکول‌ها (Biomolecule) مانند کربوهیدرات‌ها، اسیدهای نوکلئیک (Nucleic acid).
تعیین توالی بیوپلیمرهایی (Biopolymer) مانند پروتئین‌ها و الیگوساکاریدها (Oligosaccharide).
تعیین جرم مولکولی پپتیدها (Peptide)، پروتئین‌ها و الیگونوکلئوتیدها (Oligonucleotide).
پایش گازهای تنفسی بیماران در حین جراحی.
شناسایی سوء مصرف مواد مخدر و متابولیت‌های مواد مخدر در خون، ادرار و بزاق.
آنالیز ذرات آئروسل (Aerosol).
تعیین باقی‌مانده آفت کش‌ها در مواد غذایی.

مطالب مرتبط با طیف سنجی جرمی:

منبع

مترجم: صادق حسینی‌کیا

از این مطلب چقدر راضی بودید؟

روی ستاره کلیک کنید تا نظرتون ثبت بشه