طیف‌سنجی جرمی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

طیف‌سنجی جرمی (به انگلیسی: Mass Spectroscopy، MS) یکی از روش‌های طیف‌سنجی است که شامل جداسازی یون‌های یک یا چند اتمی بر پایهٔ نسبت جرم به بار (m/z) و اندازه‌گیری m/z و فراوانی یون‌ها در فاز گازی است.[۱] به عبارت دقیقتر طیف‌سنجی جرمی به بررسی نسبت جرم به بار مولکولها با استفاده از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی می‌پردازد.

طرز کار[ویرایش]

ساختار شماتیک یک طیف‌سنج جرمی

اجزای اصلی طیف‌سنج جرمی شامل ورودی نمونه، منبع یون، سیستم اندازه‌گیری و آشکارساز یونی تحت خلاء است.

نمونه‌های فرار را می‌توان مستقیماً وارد جانمونه کرد اما نمونه‌هایی که فراریت کمتری دارند، بایستی وارد اتاقک یونیزاسیون شوند. یونیزاسیون برخورد الکترونی توسط الکترون‌های با انرژی بالا در حدود 70eV انجام می‌شود. کاتیون‌های حاصل توسط پتانسیلی در حدود keV 4-8 شتاب گرفته و از میدان مغناطیسی قدرتمندی با زاویهٔ ۹۰ درجه نسبت به پرتو عبور می‌کنند. یون‌ها بر اساس نسبت جرم/بارشان از مسیر خود منحرف شده و بر روی یک آشکارساز متمرکز می‌شوند.[۲]

به بيان ساده، طيف­سنج جرمي سه عمل اساسي را انجام مي‌دهد:

1-مولكولها توسط جراياناتي از الكترونهاي پرانرژي بمباران شده و بعضي از مولكولها به يونهاي مربوطه تبديل مي‌گردند. سپس يونها در يك ميدان الكتريكي شتاب داده مي‌شوند.

2-يونهاي شتاب داده شده بسته به نسبت بار/جرم آنها در يك ميدان مغناطيسي يا الكتريكي جدا مي‌گردند.

 3-يونهاي داراي نسبت بار/جرم مشخص و معين توسط بخشي از دستگاه كه در اثر برخورد يونها به آن، قادر به شمارش آنها است، آشكار مي‌گردند. نتايج داده شده خروجي توسط آشكاركننده بزرگ شده و به ثبات داده مي‌شوند. علامت يا نقشي كه از ثبات حاصل مي‌گردد يك طيف جرمي است، نموداري از تعداد ذرات آشكار شده بر حسب تابعي از نسبت بار/جرم (m/e).

روش طيف­سنجي جرمي تا همين اواخر كه دستگاههاي دقيق ارزاني در دسترس قرار گرفتند، هنوز مورد استفاده چنداني نداشت. اين تكنيك با پيدايش دستگاههاي تجاري كه بسادگي تعمير و نگهداري مي‌شوند و با توجه به مناسب بودن قيمت آنها براي بيشتر آزمايشگاههاي صنعتي و آموزشي و نيز بالا بودن قدرت تجزيه و تفكيك، در مطالعه تعيين ساختمان تركيبات از اهميت بسياري برخوردار گشته است. امروزه با طيفهاي سريع و مطمئن مي­توان فرمول تجربي قطعات يوني را تعيين کرده و با تجهيزات اضافي يونهاي شبه پايدار را اندازه­گيري وطيفهاي فعال­سازي تصادفي (Collision Activation Spectra) را ثبت نمود. امتياز اين روش به دليل دو عامل مهم است:

1- امکان تعيين جرم مولکولي نسبي و تعيين نسبت اجزا ي سازنده عنصري يک ترکيب شيميايي با استفاده از کمترين مقدار ماده.

2- الگوي جزء به جزء شدن (تجزيه يک ماده تحت تاثير بمباران الکتروني يا ساير روشها به منظور تشکيل يون) که در يک طيف جرمي، تشخيص ساختار ترکيب مورد نظر را امکان پذير مي­سازد.

هنگامي که يک مولکول توسط الکترونهاي پرانرژي در محفظه يونيزاسيون يک طيف­سنج جرمي بمباران شد، علاوه بر از دست دادن يک الکترون و تشکيل يک يون آن مولکول همچنين مقداري از انرژي انتقال داده شده در اثر برخورد بين خود و الکترونهاي ورودي را جذب مي­کند. اين انرژي اضافي يون مولکول را در يک حالت برانگيخته ارتعاشي قرار مي­دهد. ممکن است اين يون مولکولي برانگيخته ناپايدار بوده و مقداري از اين انرژي اضافي را در اثر جز به جزء شدن از دست بدهد. اگر طول عمر يون مولکولي کمتر از 5-10 ثانيه باشد، قبل از آنکه در محفظه يونيزاسيون، شتاب داده شود جزء به جزء مي­شود. در چنين مواردي قلل مربوط به نسبتهاي m/e اين قطعات در طيف ديده مي­شوند. براي اين ترکيب مشخص تمام يونهاي مولکولي تشکيل شده به وسيله يونيزاسيون، دقيقا طول عمر يکساني را ندارند بلکه يونها داراي طول عمر متفاوتي هستند، بعضي از يونها طول عمر کمتري از ديگران دارند در نتيجه قلل مربوط به يون مولکولي و قطعات در طيف مشاهده مي­شود. براي اکثر ترکيباتي که در يک طبقه قرار دارند، طريقه جزء به جزء شدن تا حدودي وجه مشخص شده آن طبقه است و مي­توان پيش بيني کرد که يک مولکول چگونه جزء به جز مي­شود. قبل از بحث در مورد جزء به جزء شدن هر طبقه از ترکيبات توضيح اصول فرآيند جزء به جزء شدن مفيد خواهد بود.

در آغاز يونيزاسيون ملکول نمونه مورد آزمايش توليد يک يون ملکولي کرده که نه تنها حامل يک بار مثبت است بلکه داراي يک الکترون جفت نشده نيز هست. پس در واقع يون ملکولي يک کاتيون – راديکال بوده و شامل تعداد فردي از الکترونها است. قطعات يوني تشکيل شده در طيف­سنج جرمي تقريبا هميشه تحت فرآيندهاي تک ملکولي ايجاد مي­گردند. فشار وارده بر نمونه در محفظه يونيزاسيون به حدي پايين بوده که اجازه برخوردهاي دو ملکولي زيادي را نمي­دهد. آن فرآيندهاي تک ملکولي که مقدار انرژي کافي دارند فراوانترين قطعات يوني را توليد مي­کنند. قطعات يوني توليد شده کاتيون هستند. شيمي اين قطعات يوني را مي­توان به ميزان زياد به صورت آنچه که در مورد يونهاي کربونيم در محلول مي­دانيم بيان کرد.

براي مثال استخلاف آلکيل قطعات يوني را پايدار ساخته (و تشکيل آنان را سرعت مي­بخشد)، که شبيه به آن چيزي که در مورد يونهاي کربونيم اتفاق مي­افتد. آن دسته از فرآيندهاي جزء به جزء شدن که منجر به تشکيل يونهاي کم پايدار مي­شوند، مورد توجه هستند. اغلب، جزء به جزء شدن مستلزم از دست رفتن يک قطعه خنثي (بدون بار)است اين قطعه خنثي در طيف جرمي ظاهر نشده ولي مي­توان از روي اختلاف بين اجرام قطعه يوني و يون ملکولي اوليه، به وجود آن پي­برد. مجدداً فرآيندهايي که منجر به تشکيل يک قطعه خنثي پايدار مي­گردند، بر فرآيندهايي که منجر به تشکيل قطعات خنثي کم پايدار ميشوند، ارجحيت دارند. اغلب اوقات جزء به جزء شدن با شکستن يک اتصال همراه است. در اين فرآيند، يون ملکولي که محتوي تعداد الکترونهاي فرد و يک قطعه يوني با تعداد الکترون زوج ايجاد مي­کند. آن قطعه جدا شده­ي خنثي يک راديکال بوده در حالي که قطعه يوني از نوع يون کربونيم است. شکستن پيوندهايي که منجر به تشکيل يونهاي کربونيم پايدارتر شوند مساعدتر هستند. يکي ديگر از مهم­ترين انواع جزء به شدن جزء مستلزم شکستن دو پيوند است. در اين فرآيند يون ملکولي حاوي الکترون فرد، يک قطعه يوني با الکترون فرد و يک قطعه خنثي با الکترون زوج (که معمولا به صورت يک مولکول کوچک است) ايجاد مي­کند. بدين تريتب جرم يونها را مي­توان در فاز گازي تعيين كرد. تعيين جرم يونها و تبديل مولكولهاي خنثي به اجزاي داراي بار به ‌وسيله­ي فرايندهاي يونش اساس كار طيف­سنجي جرمي مي­باشد. پس از برخورد الكترون با مولكول، مولكول مورد نظر كاتيون راديكال تشكيل مي­دهد كه جرم مولكولي اين كاتيون راديكال با جرم مولكولي مولكول اوليه برابر است. كاتيون راديكال تشكيل شده يك يون مولكولي مي­باشد. پس از تشكيل يون مولكولي و شكستن يون مولكولي به گونه­هاي كوچكتر، مي­توان با استفاده از طيف بدست آمده، ساختار تركيب را حدس زد. پس از تشكيل يونها، اين يونها شتاب داده مي­شوند و بسته به نسبت بار/جرم (m/e) آن‌ها با استفاده از ميدان­هاي الكتريكي و مغناطيسي جدا مي­شوند. فراوانترين يون تشکيل شده در محفظه­ي يونيزاسيون، بلندترين قله را در طيف جرمي مي­دهد. اين قله را قله مادر مي­نامند. البته محدوديت­هاي نيز براي تعيين جرم مولکولي يک نمونه با اين روش وجود دارد:

1- قطبيت يک ماده نسبت عکس با فراريت آن دارد.

2- هر قدر جرم مولکولي نسبي بزرگتر باشد تعداد گروه عاملي هم بيشتر بوده پس خطر تجزيه حرارتي ان در اثر تبخير بيشتر است.

تعيين وزن مولکولي[ویرایش]

در عمل، تعيين وزن مولکولي، کاملاً بسادگي آن چيزي که در قبلاً اشاره شد، نيست. اول بايد دانست که مقدار جرم هر يون شتاب داده شده در يک طيف سنج جرمي، جرم حقيقي آن است و نه وزن مولکولي آن که اوزان اتمي شيميايي را بکار مي‌برد. مقياس شيميايي اوزان اتمي بر پايه ميانگين اوزان تمامي ايزتوپهاي يک عنصر است. طيف سنج جرمي، توانايي تشخيص بين جرم ذرات حامل معمولترين ايزوتوپهاي عناصر و ذرات حاصل ايزوتوپهاي سنگين‌تر را دارد. در نتيجه، اجرامي که براي يونهاي مولکولي مشاهده مي‌شوند، اجرام مولکولهايي هستند که در آنها هر اتم به‌صورت معمولترين (فراوانترين) ايزوتوپ خود وجود دارد.

دوم اينکه ممکن است مولکولهايي که توسط الکترونها بمباران مي‌شوند، شکسته شده و به قطعات يوني مبدل گردند. در اثر اين جزء به جزء شدن، طيفهاي جرمي پيچيده شده و قلل موجود در نسبتهاي (m/e) گوناگوني ظاهر مي‌شوند. بايد کاملاً دقيق و مطمئن بود که قله مشکوک واقعا قله يون مولکولي است و نه مربوط به قطعه يوني. اين مساله، بخصوص هنگامي بحراني مي شود که درصد فراواني يون مولکولي کم باشد، همان­گونه که در يونهاي مولکولي نسبتاً ناپايدار که بسادگي جزء به جزء مي‌شوند، اتفاق مي‌افتد.

مهمترين مساله که بايد بررسي کرد، آن است که اجرام يونهاي آشکار شده در طيف جرمي را بايد بطور دقيق اندازه­گيري نمود. خطايي به ميزان فقط يک واحد جرمي تعيين ساختمان جسم را غير ممکن مي‌سازد. طيف جرمي به صورت نموداري از درصد فراواني يون بر حسب (m/e) مي­باشد. همان­گون که اشاره شد،فراوان­ترين يون تشکيل شده در محفظه يونيزاسيون بلندترين قله را در طيف جرمي دارد اين پيک را پيک مادر مي­گويند. پيک ديگري که در طيف جرمي حائز اهميت است پيک يون مولکول است يون مولکول ي يونيزه شده ترکيب خنثي است که در ­ي يونيزاسيون بوجود مي­آيد و وزني معادل وزن مولکول اوليه را دارد. براي اينکه يک مقدار ويژه (m/e) مربوط به يون مولکول باشد بايدداراي سه معيار باشد:

1-بدون در نظر گرفتن ايزوتوپ­ها، يون مولکول بايد نشان دهنده­ي بيشترين جرم يوني در طيف باشد. تعيين

2-تعداد الکترون­هاي يون بايد فرد باشد. 3-ترکيب نماينده يون مولکول بايد قادر به توليد يون­هاي مهم در ناحيه جرم بالاي طيف باشد به عبارتي بايد توانايي تشکيل قطعات يوني را در طيف جرمي داشته باشد.

گاهي براي تاييد قله يون مولکول از قاعده نيتروژن استفاده مي­شود. طبق اين قاعده اگر در ترکيبي تعداد زوجي از اتم­هاي نيتروژن داشته باشيم يا اصلا نداشته باشيم يون مولکول آن در (m/e) زوج ظاهر مي­شود از طرفي مولکولهاي که تعداد نيتروژن فرد داشته باشند ايجاد يون مولکول فرد مي­کنند. اين قاعده براي تمام ترکيباتي که داراي کربن، هيدروژن، اکسيژن، نيتروژن، گوگرد، هالوژن و همچنين بعضي از اتم­هاي کمتر معمولي مانند فسفر، برم، سيليکون، آرسنيک و فلزات قليايي خاکي مي­باشند صادق است.

اغلب مولکولها به صورت مخلوطي از ايزوتوپ­ها وجود دارند و پيکهايي که به وسيله­ي يونهاي حامل اين ايزوتوپ­هاي سنگين به وجود مي­آيند و در طيف جرمي وجود دارند در تعيين فرمول مولکولي کاربرد دارد. ايزوتوپ­هاي سنگين­تر پيکهايي ايجاد مي­کنند که شدت آنها نسبت به پيک اصلي کوچکتر است. اين پيکها به صورت M+1 و M+2 در طيف جرمي ترکيبها ديده مي­شوند که جرم آنها نسبت به جرم يون مولکول به ترتيب 1 و2 واحد بيشتر است. به طور مثال براي اتم برم (Br) ارتفاع پيکهاي M+ و M+2 تقريباً برابر است و يا براي اتم کلر ارتفاع پيک M+ تقريباً يه برابر پيک M+2 مي­باشد.

براي آلکانهاي زنجيري خطي يا نرمال، قله يون ملکولي را مي­توان مشاهده کرد، هر قدر اسکلت کربن شاخه­اي­تر شود، شدت قله يون ملکولي نيز کاهش مي­يابد. مي­توان اين اثر را هنگام مقايسه طيف جرمي بوتان و ايزوبوتان بخوبي مشاهده کرد. در ايزوبوتان قله يون ملکولي به مراتب ضعيف­تر از قله يون مولکولي بوتان است.

يک قطعه­ي مهم در طيف جرمي آلکانها در 41= m/eايجاد مي­شود.اين قطعه، يون کربونيوم آليل است.

چند روش یونیزاسیون در طیف‌سنجی جرمی[ویرایش]

عمده روشهای مورد استفاده در طیف‌سنجی جرمی برپایهٔ یونیزاسیون عبارتند از:

  1. یونیزاسیون الکترونی
  2. یونیزاسیون شیمیایی
  3. electrospray
  4. یونیزاسیون سریع در بمباران‌های اتمی
  5. یونیزاسیون لیزری به کمک ماتریس

همچنین طیف‌سنجی جرمی با روش تجزیه‌کنندهٔ جرمی نیز طبقه‌بندی می‌شود: بخش مغناطیسی، تجزیه‌کننده جرمی چهارقطبی، تله یون چهارقطبی، زمان پرواز، تبدیل فوریه، تشدید سیکلوترون یون و ...

داده‌ها[ویرایش]

طیف جرمی یک پپتید که توزیع ایزوتوپی آن را نشان می‌دهد.

داده‌های بسیاری را می‌توان از طیف‌سنجی جرمی بدست آورده که معمول‌ترین آنها طیف جرمی است. این طیف نمودار فراوانی نسبی یون‌ها بر حسب نسبت m/z است. پیک مبنا فراوان‌ترین یون مشاهده‌شده است که به عنوان فراوانی نسبی ۱۰۰٪ در نظر گرفته می‌شود.

نشریات مرتبط[ویرایش]

فهرست مجلات عملی مرتبط با طیف‌سنجی جرمی که در رده‌بندی مجلات در زمینه طیف‌سنجی جزو ۱۰ مجله برتر جهان در سال ۲۰۰۵ بودند، در زیر آمده‌است.[۳]

منابع[ویرایش]

  1. *Physical and Biophysical Chemistry Division Commission on Molecular Structure and Spectroscopy, Recommendations for nomenclature and symbolism for mass spectroscopy (including an appendix of terms used in vacuum technology). (Recommendations 1991), Pure and Applied Chemistry, 1991, Vol. 63, No. 10, pp. 1541-1566 doi:10.1351/pac199163101541
  2. *E. De Hoffmann and V. Stroobant, Mass Spectrometry: Principles and Applications, 2nd edn, John Wiley & Sons Ltd, Chichester (2001).
  3. *«Journals Ranked by Impact: Spectroscopy»(انگلیسی)‎. The Thomson Corporation، دسامبر ۲۰۰۶. بازبینی‌شده در ۲۶ دسامبر ۲۰۰۸. 

جستارهای وابسته[ویرایش]

  • Dominic M. Desiderio, Mass Spectrometry of Peptides, CRC Press, 1991, ISBN 0-8493-6293-8