ما هو مطياف الكتلة؟
مطياف الكتلة أو قياس الطيف الكتلي هو أداة تحليلية مفيدة لقياس نسبة الكتلة إلى الشحنة (m / z) لجزيء واحد أو أكثر موجود في العينة. يمكن استخدام هذه القياسات في كثير من الأحيان لحساب الوزن الجزيئي الدقيق لمكونات العينة أيضًا. عادةً، يمكن استخدام مطياف الكتلة لتحديد المركبات غير المعروفة عن طريق تحديد الوزن الجزيئي ولتحديد المركبات المعروفة ولتحديد التركيب والخصائص الكيميائية للجزيئات.
ما هو مبدأ عمل مطياف الكتلة؟
مطياف الكتلة، ويسمى أيضًا التحليل الطيفي الكتلي تقنية تحليلية يتم من خلالها تحديد المواد الكيميائية عن طريق فرز الأيونات الغازية في المجالات الكهربائية والمغناطيسية وفقًا لنسب الكتلة إلى الشحن. الأدوات المستخدمة في مثل هذه الدراسات تسمى مطياف الكتلة وأجهزة قياس الطيف الكتلي، وهي تعمل على مبدأ أنّ الأيونات المتحركة قد تنحرف عن طريق المجالات الكهربائية والمغناطيسية.
يختلف الجهازان فقط في الطريقة التي يتم بها اكتشاف الجسيمات المشحونة المصنفة. في مطياف الكتلة يتم اكتشافها كهربائيًا، وذلك عن طريق التصوير الفوتوغرافي أو غيره من الوسائل غير الكهربائية، كما يستخدم مصطلح مطياف الكتلة ليشمل كلا النوعين من الأجهزة. نظرًا لأنّ أجهزة الكشف الكهربائية هي الأكثر شيوعًا الآن، يُشار إلى المجال عادةً باسم مقياس الطيف الكتلي.
كيف يقوم مطياف الكتلة بأداء عمله؟
يتكون كل مطياف كتلة من هذه المكونات الثلاثة على الأقل: مصدر التأين، محلل الكتلة ونظام كشف الأيونات
- مصدر التأين: يتم تحويل الجزيئات إلى أيونات الطور الغازي، بحيث يمكن تحريكها ومعالجتها بواسطة المجالات الكهربائية والمغناطيسية الخارجية. في المختبر تستخدم تقنية تسمى التأين بالرش الكهربائي النانوي، والتي تشبه إلى حد ما طريقة طلاء السيارات صناعيًا. تسمح هذه الطريقة بإنشاء أيونات موجبة أو سالبة الشحنة، اعتمادًا على المتطلبات التجريبية. يمكن للتأين بالرش الكهربائي النانوي أن يقرن مباشرة مخرج عمود كروماتوغرافي صغير الحجم مباشرة بمدخل مطياف الكتلة. يتم تمرير التدفق من العمود عبر إبرة تبلغ مساحتها 10-15 ميكرون عند طرفها.
- محلل الكتلة: بمجرد تأين الأيونات، يتم فرزها وفصلها وفقًا لنسب الكتلة إلى الشحن (m / z). هناك عدد من أجهزة التحليل الشامل المتاحة حاليًا، لكل منها مقايضات تتعلق بسرعة التشغيل وحل الفصل والمتطلبات التشغيلية الأخر.
- نظام كشف الأيونات: يتم بعد ذلك قياس الأيونات المنفصلة وإرسالها إلى نظام بيانات، حيث يتم تخزين نسب m / z جنبًا إلى جنب مع وفرتها النسبية. الطيف الكتلي هو ببساطة نسب الأيونات الموجودة في عينة مخططة مقابل شدتها m / z. تُظهر كل قمة في الطيف الكتلي مكونًا فريدًا من m / z في العينة، وتشير ارتفاعات القمم إلى الوفرة النسبية للمكونات المختلفة في العينة.
ما هي مكونات أجهزة الطيف الكتلي؟
تتكون أجهزة الطيف الكتلي من خمسة أجزاء أساسية: نظام تفريغ عالي؛ نظام مناولة العينات، يمكن من خلاله إدخال العينة المراد فحصها؛ مصدر أيوني، حيث يمكن إنتاج حزمة من الجسيمات المشحونة المميزة للعينة؛ محلل، حيث يمكن فصل الحزمة إلى مكوناتها وكاشف أو مستقبل يمكن بواسطته ملاحظة أو جمع الحزم الأيونية المنفصلة. تمّ إجراء العديد من التحقيقات بمساعدة قياس الطيف الكتلي.
تشمل هذه تحديد نظائر العناصر الكيميائية وتحديد كتلها الدقيقة والوفرة النسبية وتأريخ العينات الجيولوجية وتحليل المواد الكيميائية غير العضوية والعضوية خاصة بالنسبة لكميات صغيرة من الشوائب، كما تشمل تحديد الصيغة الهيكلية للمواد العضوية المعقدة ونقاط القوة في الروابط الكيميائية والطاقات اللازمة لإنتاج أيونات معينة وتحديد نواتج تحلل الأيونات وتحليل المواد غير المعروفة مثل العينات القمرية لمكوناتها الكيميائية والنظيرية. يتم استخدام أجهزة الطيف الكتلي أيضًا لفصل النظائر وقياس وفرة النظائر المركزة عند استخدامها كمقتفعات في الكيمياء والبيولوجيا والطب.
نبذة تاريخية عن التحليل الطيفي
تمّ وضع أساس التحليل الطيفي الشامل في عام 1898، عندما اكتشف الفيزيائي الألماني فيلهلم وين أنّ حزم الجسيمات المشحونة يمكن أن تنحرف عن طريق المجال المغناطيسي. في تجارب أكثر دقة أجريت بين عامي 1907 و1913، قام الفيزيائي البريطاني ج. طومسون، الذي اكتشف بالفعل الإلكترون ولاحظ انحرافه بواسطة مجال كهربائي، قام بتمرير شعاع من الأيونات الموجبة الشحنة عبر مجال إلكتروستاتيكي ومغناطيسي مشترك.
تمّ وضع الحقلين في أنبوب طومسون بحيث تنحرف الأيونات من خلال زوايا صغيرة في اتجاهين متعامدين. كانت النتيجة النهائية أنّ الأيونات أنتجت سلسلة من المنحنيات المكافئة على لوحة فوتوغرافية موضوعة في مساراتها. يقابل كل قطع مكافئ أيونات ذات نسبة كتلة إلى شحنة معينة مع موضع محدد لكل أيون يعتمد على سرعته؛ قدمت أطوال منحنيات القطع المكافئ مقياسًا لمدى طاقات الأيونات الموجودة في الحزمة.
في وقت لاحق، في محاولة لتقدير الوفرة النسبية لأنواع الأيونات المختلفة الموجودة، قام طومسون باستبدال لوحة التصوير بورقة معدنية تم قطعها بشق مكافئ. من خلال تغيير المجال المغناطيسي، كان قادرًا على المسح من خلال طيف الكتلة وقياس التيار المقابل لكل نوع من أنواع الأيونات المنفصلة، وبالتالي قد يُنسب إليه الفضل في بناء أول مطياف الكتلة وأول مقياس طيف الكتلة.
كانت الملاحظة الأكثر جدارة بالملاحظة التي تمّ إجراؤها باستخدام الطيف المكافئ هي طيف الغازات النادرة الموجودة في الغلاف الجوي. بالإضافة إلى الخطوط الناتجة عن الهيليوم (الكتلة 4) والنيون (الكتلة 20) والأرجون (الكتلة 40)، كان هناك خط مطابق لأيون كتلته 22 لا يمكن أن يُنسب إلى أي غاز معروف.
تمّ الاشتباه في وجود أشكال من نفس العنصر بكتل مختلفة منذ أن وجد أن العديد من أزواج المواد المشعة لا يمكن فصلها بوسائل كيميائية. اقترح الكيميائي البريطاني فريدريك سودي اسم النظير (من اليونانية لـ “نفس المكان”) في عام 1913 لهذه الأشكال الإشعاعية المختلفة من نفس النوع الكيميائي، لأنّه يمكن تصنيفها في نفس المكان في الجدول الدوري للعناصر. كان أيون الكتلة 22 في الواقع، نظيرًا ثقيلًا مستقرًا للنيون.
في إصدار أستون، تمّ ترتيب المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتتالية بطريقة تجعل كل الأيونات الموازية تمامًا لكتلة واحدة موضع تركيز مستقل عن سرعتها، ممّا أدى إلى ظهور ما يُعرف بتركيز السرعة. كان تصميم أستون أساس أجهزته اللاحقة التي قاس بها بشكل منهجي ودقيق كتل نظائر العديد من العناصر. اختار 16O (نظير الأكسجين للكتلة 16) كمعيار للكتلة.
استخدم مطياف ديمبستر مجالًا مغناطيسيًا فقط، والذي أدى إلى انحراف الحزمة الأيونية من خلال قوس 180 درجة. في آلة ديمبستر، يمكن إحضار حزمة أيونية متجانسة في الكتلة والطاقة، ولكن متباينة من شق إلى التركيز الاتجاهي. استخدم ديمبستر مقياس الطيف هذا لإجراء تحديد دقيق لوفرة نظائر المغنيسيوم والليثيوم والبوتاسيوم والكالسيوم والزنك، ممّا وضع الأساس لقياسات مماثلة لنظائر جميع العناصر.
