طیف سنجی جرمی چیست؟?

طیف سنجی جرمی (همچنین به عنوان مشخصات جرم شناخته می شود) یک تکنیک تحلیلی است که می تواند برای شناسایی مواد ناشناخته، کمی سازی 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.

خروجی دستگاه طیف سنجی جرمی یک طیف جرمی است. طیف ها فراوانی نسبی هر مقدار m/z را رسم می کنند. جرم بستگی به تکه تکه شدن مولکول دارد.

بالاترین مقدار m/z معمولاً یون مولکولی خواهد بود. این مولکول اصلی تکه تکه نشده است که یونیزه شده 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 شارژ (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^هفتم از جرم یک اتم کربن 12. همچنین حدود 1.66×10 است^-27 کیلوگرم.

طیف سنج ها: ابزاری که ذرات (مولکول ها، اتم ها، یون ها) را بر اساس یکی از ویژگی های فیزیکی آنها جدا می کند. 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 در خلاء کار می کند. کار در خلاء باعث افزایش طول عمر یون می شود.

یک طیف سنج جرمی سه بخش اصلی دارد. هر قسمت 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. 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، فوتونیزه کردن، 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. یون ها از طریق آنالیزگر 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.

وجود دارد چندین تکنیک دیگر برای دستیابی به جداسازی جرم: رزونانس سیکلوترون یون، 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. سپس یون های شناسایی شده بر اساس m/z و فراوانی نسبی آنها در یک طیف جرمی نمایش داده می شوند.

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. جدایی را می توان به صورت مکانی، زمانی یا هر دو اندازه گیری کرد.

برخی از سیستم های تشخیص مورد استفاده ضرب‌کننده‌های الکترون، فنجان‌های فارادی، آشکارسازهای آرایه‌ای و داینودهای مختلف هستند.

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 شناسایی می‌شوند.

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 علاوه بر یونیزه شدن، قطعه قطعه می شوند. این بدان معنی است که اگر CO₂ در نمونه، پیک هایی برای CO و O نیز وجود خواهد داشت. این پیک ها به ترتیب در مقادیر m/z 28 و 16 خواهند بود. قطعات یک ابزار 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 فهرست نشده اند.

• 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.

برای یک تاریخچه عالی از طیف سنج جرمی، این را ببینید مقاله جنیفر گریفیث.