طیف سنج جرمی

طیف سنجی جرمی چیست ؟

طیف سنجی جرمی (همچنین به عنوان طیف سنجی جرمی شناخته می شود) یک تکنیک تحلیلی است که می تواند برای شناسایی مواد ناشناخته، تعیین کمیت مواد شناخته شده و تعیین ساختار مولکول ها استفاده شود. ایده اصلی طیف‌سنج یونیزه کردن مولکول‌ها و هدایت آنها به آشکارساز با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی است. مکان یا زمانی که مولکول ها به آشکارساز برخورد می کنند به نسبت جرم به بار (m/z) بستگی دارد.

طیف سنجی جرمی تکنیکی است که برای اندازه گیری جرم و فراوانی نسبی مولکول ها در یک نمونه استفاده می شود. این شامل یونیزه کردن مولکول‌های موجود در نمونه، سپس جداسازی یون‌ها بر اساس نسبت جرم به بار آنها و شناسایی یون‌ها با استفاده از یک آشکارساز حساس است.

به زبان ساده، طیف سنجی جرمی ابزاری است که به دانشمندان و محققان کمک می کند تا خواص مولکول ها و عناصر شیمیایی از آنها را مطالعه کنند. با اندازه گیری جرم و فراوانی نسبی مولکول ها در یک نمونه، طیف سنجی جرمی می تواند اطلاعات ارزشمندی در مورد ترکیب و ساختار نمونه ارائه دهد.

به عنوان مثال، یک دانش آموز می تواند از طیف سنجی جرمی برای مطالعه ترکیب یک نمونه خاک استفاده کند و در مورد عناصر و ترکیبات مختلف موجود در خاک بیاموزد.

به طور کلی، طیف سنجی جرمی یک تکنیک قدرتمند و همه کاره است که در بسیاری از زمینه های مختلف از جمله شیمی، زیست شناسی و علم مواد استفاده می شود. این به دانشمندان و محققان اجازه می دهد تا خواص مولکول ها و عناصری که از آنها ساخته شده اند را مطالعه کنند و به طور کلی بینش ها و اطلاعات ارزشمندی را ارائه دهند.

خروجی طیف سنجی جرمی

خروجی دستگاه طیف سنجی جرمی یک طیف جرمی است. از آنجایی که یون ها بر اساس جرم دسته بندی می شوند، طیف ها فراوانی نسبی هر مقدار m/z را ترسیم می کنند. بنابراین، این مقادیر m/z به تکه تکه شدن مولکول بستگی دارد.

بالاترین مقدار m/z معمولاً یون مولکولی است که معمولاً پس از یونیزه شدن، مولکول اصلی تکه تکه نشده است. به دلیل ایزوتوپ‌های سنگین‌تر اتم‌های خاص در مولکول، ممکن است چند مقدار m/z بالاتری وجود داشته باشد. اما اینها به طور قابل توجهی فراوانی کمتری خواهند داشت. جزئیات بیشتر در بخش “خواندن یک طیف جرمی” موجود است.

واژگان مهم برای طیف سنجی جرمی

نسبت جرم به بار (m/z): نسبت جرم یک یون به بار یون . واحد رایج در طیف سنجی جرمی استفاده می شود.

یون : مولکولی با بار الکتریکی. بار می تواند مثبت (کاتیون) یا منفی (آنیون) باشد.

آمو : واحد جرم اتمی یک واحد جرم اتمی برابر است با 1/12 ^جرم اتم کربن 12. ^{همچنین حدود 1.66 x 10 -27} کیلوگرم است .

طیف‌سنج‌ها : ابزارهایی که ذرات (مولکول‌ها، اتم‌ها، یون‌ها) را با یکی از ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها جدا می‌کنند. ویژگی های مشترک شامل جرم، خواص نوری و انرژی است.

طیف سنج های جرمی چگونه کار می کنند؟

یک طیف سنج جرمی به دلیل کوتاه بودن طول عمر یون ها در خلاء کار می کند، بنابراین کار در خلاء باعث افزایش طول عمر یون می شود.

یک طیف سنج جرمی سه بخش اصلی دارد. با این حال، هر بخش مختلف می تواند تغییرات زیادی داشته باشد.

1. منبع یونیزاسیون:

منبع یونیزاسیون مولکول مورد نظر را به یک یون گاز تبدیل می کند. یون ها می توانند بار مثبت یا منفی داشته باشند. تکنیک خاص مورد استفاده اغلب به نوع نمونه بستگی دارد.

رایج ترین روش برای یونیزاسیون، بمباران الکترونی است. یک الکترون با انرژی بالا به مولکول برخورد کرده و باعث یونیزه شدن آن می شود. یونیزاسیون الکترواسپری (ESI) اغلب برای نمونه های بیولوژیکی استفاده می شود. با این حال، برای نمونه های جامد، یونیزاسیون دفع لیزری به کمک ماتریس (MALDI) بیشتر استفاده می شود. سایر تکنیک های رایج عبارتند از یونیزاسیون حرارتی، قوس جریان مستقیم، فوتونیونیزاسیون، یونیزاسیون الکترواسپری دفعی (DESI) و یونیزاسیون میدانی.

2. تحلیلگر جرم:

تحلیلگر جرم یون ها را بر اساس نسبت m/z آنها مرتب و جدا می کند. بنابراین هم جرم یون و هم بار یون بر جداسازی تأثیر می گذارند. سپس، یون ها از طریق تحلیلگر جرم حرکت می کنند تا به سیستم تشخیص یون برسند.

یکی از رایج ترین تکنیک ها زمان پرواز (ToF) است. زمان پرواز بر این مفهوم متکی است که یون‌های با جرم‌های مختلف سرعت سفر متفاوتی خواهند داشت. یون‌هایی که بیشترین m/z را دارند، به دلیل حرکت با سرعت کمتر، آخرین بار به آشکارساز می‌رسند. یون های کوچکتر m/z ابتدا وارد می شوند. سپس تجزیه و تحلیل بر اساس زمان رسیدن به آشکارساز است.

چندین تکنیک دیگر برای دستیابی به جداسازی جرم وجود دارد : رزونانس سیکلوترون یونی، یون چهارقطبی، تحلیلگرهای جرم بخش مغناطیسی و بسیاری دیگر.

3. سیستم تشخیص یون

بخش تشخیص یون دستگاه یون های جدا شده را اندازه می گیرد. یک طیف جرمی این یون ها را بر اساس m/z و فراوانی نسبی آنها نشان می دهد.

تکنیک های تشخیص یون ها به اندازه قسمت های قبلی دستگاه متنوع است. اغلب آشکارساز مورد نیاز به نوع تکنیک جداسازی جرم مورد استفاده بستگی دارد. طیف‌سنج این یون‌ها را بر اساس فضا یا زمان پرواز مرتب می‌کند.

برخی از سیستم‌های تشخیص مورد استفاده عبارتند از ضرب‌کننده‌های الکترون، فنجان‌های فارادی، آشکارسازهای آرایه‌ای و داینودهای مختلف.

خروجی بعد از این سه مرحله یک طیف جرمی است.

خواندن یک طیف جرمی

خروجی یک طیف جرمی یک طیف جرمی است. محور x نمودار مقدار m/z است. محور y فراوانی نسبی است. هر چه فراوانی نسبی بیشتر باشد، ذرات بیشتری از آن نسبت m/z به آشکارساز برخورد می کنند.

قطعه پایه بلندترین قله در طیف و بنابراین رایج ترین قطعه است. این مقدار m/z به فراوانی نسبی 100 اختصاص داده می شود و بقیه فراوانی ها بر اساس آن است. قطعه پایه ممکن است بزرگترین قطعه m/z باشد یا نباشد.

در بسیاری از تکنیک های یونیزاسیون، مولکول ها در حین یونیزاسیون تکه تکه می شوند. به این معنی که اگر CO ₂ نمونه باشد، پیک هایی برای CO و O نیز وجود خواهد داشت. این پیک ها به ترتیب در مقادیر m/z 28 و 16 خواهند بود. به همین دلیل، قطعات ابزاری عالی برای کمک به تعیین ساختار یک مولکول هستند.

علاوه بر این، مشخصات جرم به اندازه کافی حساس هستند تا ایزوتوپ های مختلف اتم ها را در یک نمونه نیز شناسایی کنند. به عنوان مثال، ممکن است یک خوشه کوچک از قله ها در اطراف m/z خاصی داشته باشید. بلندترین قله رایج ترین ایزوتوپ یک اتم در یون خواهد بود. با بررسی m/z در اطراف آن قله، قله های کوچکتر می توانند همان قطعه یونی با ایزوتوپ متفاوت باشند. اختلاف وزن آن ایزوتوپ به قطعه جرم متفاوتی می دهد. با نگاهی به نسبت این پیک ها می توانید وقوع ایزوتوپ های مختلف در نمونه را تعیین کنید.

ذرات بدون بار در طیف جرمی ظاهر نمی شوند.

کاربردهای رایج Mass Spec:

با افزایش سهولت انجام طیف سنجی جرمی، تعداد استفاده از این تکنیک نیز افزایش یافته است. در زیر برخی از کاربردهای رایج طیف سنجی جرمی آورده شده است. کاربردهای بسیار بیشتری از طیف سنجی جرمی وجود دارد که در زیر به آنها نپرداخته ایم.

• آنالیز پروتئین و پروتئومیکس
• شناسایی مواد ناشناخته
• کمی سازی مواد شناخته شده
• تست مواد مخدر
• شناسایی و تجزیه و تحلیل آفت کش ها
• تعیین نسبت ایزوتوپی
• تعیین سن کربنی

علاوه بر این، طیف سنجی جرمی همراه با سایر تکنیک های تحلیلی اطلاعات بیشتری را ارائه می دهد. یک جفت رایج در کروماتوگرافی گازی با طیف سنجی جرمی.

تاریخچه طیف سنجی جرمی

جی جی تامسون و دستیارش ای. اورت اولین طیف سنج جرمی را هنگام کار بر روی کشف الکترون در اوایل دهه 1900 ساختند. اولین طیف سنج های جرمی در درجه اول ایزوتوپ های اتم های مختلف را بررسی کردند. این ایزوتوپ ها در اواسط دهه 1900 به دلیل پروژه منهتن مهم بودند.

در دهه 1940 طیف‌سنج‌های جرمی به صورت تجاری در دسترس قرار گرفتند و کاربردهای مختلف به سرعت گسترش یافتند.